1. 개요
Space telescope우주 망원경은 천체 관측을 용도로 우주로 쏘아 올린 인공위성을 말한다. 즉, 우주에 떠 있는 천문대라고 할 수 있다. 대표적으로 허블 우주 망원경이 있다.
우주에는 구름도 없고[1] 대기권의 영향도 없으며, 딱히 방해되는 불빛도 없기에 같은 성능의 망원경으로 훨씬 좋은 품질의 화상을 얻을 수 있다. 최근에는 기술의 발전으로 가시광이나 근적외선 같은 흡수가 적은 영역은 지상 망원경으로 관측하는 편이다.
2. 상세
미국의 천체물리학자 라이만 스피처가 우주로 망원경을 올리자는 제안을 최초로 했다. 그로 인하여 최초로 허블 우주 망원경이 발사되었다.[2][3] 후에 스피처의 업적을 기념하는 의미에서 본인의 연구 분야인 적외선 관측 망원경에 스피처의 이름을 붙이게 된다.초기 망원경들은 한 영역을 잡고 관측하거나 주 관측 대상 하나를 포착하고 관측하는 등의 망원경다운 일들을 주로 맡았지만 최근의 우주 망원경들은 주로 survey[4]를 하기 때문에 관측을 위해 몇 달을 기다리는 일이 없어졌다. 거기다 프로그램 몇 개만 이용하면 데이터 분석이 가능한 상태로 데이터가 공개되기 때문에 실력만 충분하다면 전공자가 아니라도 고급 자료를 이용해 연구를 진행하는 것이 가능하다.
이 분야의 선두주자는 단연 미국이다. 하지만 냉전 시기엔 소련도 이 분야에서 꽤나 힘을 썼었다. 대표적인 성과론 초신성 1987A의 폭발 장면과 핼리 혜성의 꼬리를 소련의 우주 망원경이 촬영했다. 하지만 소련 붕괴 이후 예산 삭감과 인력 부족으로 러시아는 단 한 기의 우주망원경도 운용하지 못하고 있는 상황이다.
3. 장점
3.1. 압도적인 관측력
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3.2. 제한 없는 관측 시간
지구의 낮과 밤, 날씨와 상관없이 경우에 따라서는 24시간 관측을 지속할 수 있다는 것도 장점이다. 지상 망원경의 경우 1년의 절반은 낮이므로 기본적으로 관측이 불가능하고, 남은 일수의 절반은 또 달의 존재로 인하여 고품질의 관측을 수행하기 힘들다. 거기다가 구름이나 상층 대기의 상태에 따라 남은 일수는 더더욱 줄어들게 된다. 그에 반해 우주 망원경은 사실상 태양이나 지구에 의해 가려지는 부분을 제외하면, 1년 내내 온 하늘을 관측할 수 있다.4. 단점
4.1. 미친 듯한 개발&발사 비용
문제가 있다면 우주로 띄워야하다보니 지상 망원경에 비해 자연히 그 가격이 폭발적으로 상승하게 되는데,[7] 어지간한 우주 망원경 한 대 값이면 지구상에서 최고의 품질을 자랑하는 W. M. Keck 천문대를 만들 수도 있다. 종류에 따라 차이가 있지만 가장 비싼 제임스 웹의 경우엔 현재 건설중인 거대 망원경(거대 마젤란 망원경과 E-ELT)을 열 대쯤 만들 수도 있는 어마어마한 가격을 자랑한다.현재 발사 단가가 센 아틀라스 V는 지구 저궤도 (LEO) 까지 대충 kg당 1만 3천 달러, 아리안이 kg당 1만 달러, 싼 축에 속하는 팰컨 9 등은 kg당 5천 달러 선이다. 그러니 1톤 정도의 중형 우주 망원경을 쏘아올리려면 발사비가 1천만 달러, 대형인 4톤급이라면 5천만 달러 정도로 상당히 비싸기는 하지만 우주망원경 전체 비용에 비하면 그리 비싸지 않다. 대충 1/10 정도의 비중을 차지한다고 보면 된다.
지상 망원경과 비교했을 때 가격 대비 효율은 굉장히 떨어지는 편이지만 위에서도 언급했듯 감마선과 X선은 이렇게 하지 않으면 연구 자체가 되질 않고, 마이크로웨이브도 일부 영역대는 대기 산란을 일으키기 때문에 역시 우주로 띄워야 한다. 그래서 이런 특정 영역의 망원경은 스폰서나 프로젝트 참가자들이 많아진다.
4.2. 어려운 유지 보수
우주에 있다보니 유지 보수가 지상 망원경과는 비교도 안 되게 까다로울 수밖에 없다. 애초에 고장이 나지 않도록 설계를 해서 쏘아 올리는 것이 가장 베스트지만... 쏘고나서 생기는 문제를 해결하려면 쏠때 들인 돈의 배가 넘는 비용이 필요해지기도 한다. 실제로 미국은 우주선 스페이스 셔틀로 허블 A/S(...)를 다섯 번이나 진행하는 위용을 보였는데, 그 결과로 NASA에서도 돈 잡아먹는 하마가 되었다. 심지어 유명한 허블 울트라 딥 필드 사진도 사실은 STS-107 참사 후 허블 서비스 미션이 싹 백지화되자 과학자들이 여론몰이를 위해 터뜨린 것이다(...) 뭐 그 덕에 STS-125 펀딩을 받아냈지만, 그거 한다고 STS-400이라는 터무니없는 구조 미션까지 대비해야 했다(...)이렇게 인류 역사상 전무후무한 우주 망원경 수리 미션이 지속적으로 가능했던 것은 첫째로 NASA가 엄청난 돈을 쏟아 부어 제작한 허블 망원경이었기 때문이고, 둘째로 허블 망원경의 과학적 발견 업적이 뛰어났기 때문이며, 셋째로 미국이 아직 스페이스 셔틀을 운용하고 있었던 덕분이고, 가장 결정적으로 허블 자체가 지구와 매우 가까운 저궤도에 위치해 있었기 때문이었다. 우주왕복선 운행 종료 이후로 미국의 유인우주선 프로젝트가 잠시 휴지기에 들어갔다가 새로운 도약을 준비하고 있는 지금과 같은 애매한 타이밍에 망원경에 큰 사고라도 일어났다간 문제의 해결이 여러가지로 어려워지게된다. 특히 태양-지구 L2 영역[8]에 띄워지는 망원경들은 화성까지 유인 탐사를 할 수 있을 정도의 스펙으로 현재 개발 중인 스타십이나 SLS 로켓 정도의 초고성능 우주선 정도를 이용하지 않으면 서비스를 진행할 수 없기 때문에 만약에 고장나면 수리와 폐기 사이에서 비용효율성을 고민해봐야 하는 골치아픈 사태가 벌어진다.. 2021년 12월 25일에 올라간 제임스 웹 우주 망원경이 대표적[9]이다.
5. 종류 및 목록
5.1. 전파 망원경
지상 망원경에 비해서 큰 장점이 없어서 우주로 잘 쏘아 올리진 않는다. [10] 그래도 아예 없는건 아니라서 마이크로웨이브 망원경이 쏘아졌는데 우주배경복사의 한 부분인 '우주 마이크로파 배경복사(Cosmic background radiation)'을 관측하는 것이 주된 용도였다. 또한 우주 전파망원경을 이용해 더 고주파에서 관측을 수행할 수 있는 더욱 기선이 긴 간섭계를 구성하려는 연구가 있다.5.2. 적외선 망원경
적외선은 지상에서도 관측은 가능하지만, 대기권에서 수증기에 의해서 감쇠되는 문제가 있다. 적외선은 멀고 어두운 천체를 관측하는 데는 가시광선 망원경보다 훨씬 유리하다. 멀리 있는 천체일수록 적색편이가 더 크게 나타나기에 적외선으로 관측할 필요가 있고 성운 등 성간 물질도 어느정도 투과되기 때문이다.[11]- 스피처 우주 망원경
- 제임스 웹 우주 망원경[12]
- LUVOIR(2035년 발사 예정)[13]
- 네오 서베이어(준비 중)
5.3. 가시광선 망원경
이 분야의 선구자인 허블 우주 망원경이 있다. 허블 망원경은 가시광선 뿐만 아니라 자외선, 유클리드는 근적외선 관측 장비도 탑재했다.5.4. 자외선 망원경
자외선은 오존 등에 의해 감쇠되고 산란된다. 그러나 자외선은 성간소광의 영향을 가시광보다 더 심하게 받고, 특히 91.2 nm 이하의 파장을 갖는 극자외선의 경우 성간 중성수소에 의해 쉽게 차단되어 관측 가능한 영역이 다른 파장에 비해 매우 작기 때문에[14] 우주망원경을 통한 자외선 관측은 그다지 활발하지 않다.5.5. X선 관측 위성
X선 망원경은 X선을 포집하여 상을 만드는데, 망원경이라기 보다는 관측선 이나 관측 위성과 같은 이름이 붙는다. X선은 투과하거나 흡수될 뿐 반사가 잘 안되고, 굴절은 더더욱 안 되기 때문에 이를 위한 망원경을 만들기가 상당히 어렵다. X선 망원경의 하나인 볼터 망원경은 반사시켜 X선을 포집한다. X선은 반사각이 입사각과 거의 차이가 없을 정도로만 반사되므로 크고 작은 고리 모양의 반사판들을 동심원처럼 겹쳐 놓은 형태로 구성되어 있다.[15]- 우후루 - 1970년 발사된 세계 최초의 X선 관측선. #
- ROSAT
- 찬드라 엑스선 관측선
- SPEKTR-RG
- 이미징 X선 편광계 탐색기
5.6. 감마선 관측 위성
감마선은 파장이 너무 짧은 탓에 관측 디바이스를 다 뚫고 지나가 버리기 때문에 관측 자체가 힘들고, 반사 거울로 상을 맺게 하는 것도 어렵다. 게다가 위성 1개만 올려서는 방향 판단도 하지 못하기 때문에 3개 이상을 동시에 쏘아 올려서 관측해야 했다. 그나마 다행히 기술 발달로 관측장치를 밀집해서 채우는 방법으로 1개 위성만으로도 판단이 가능하게 되었다. 이러한 감마선 관측 위성은 반사나 굴절을 이용한 광학계를 갖추는 대신, 일종의 방사선 검출기를 이용해 고에너지 광자의 입사 방향과 에너지를 측정하는 방식으로 감마선을 관측한다.[16]감마선 관측 위성쯤 되면 '망원경'이라고 부르기에는 형태상으로 완전히 다르다. '감마선 관측 위성'이라고 부르는 편이 좀더 명확하다.
5.7. 중력파 관측 위성
중력파는 LIGO 처럼 지상에서도 검출이 가능하지만, 좀더 정밀한 검출을 위해서는 거리가 더 멀면 멀수록 좋고, 주파수가 낮은 중력파를 탐지하기 위해서는 지각 활동에 따른 진동의 영향을 받지 않는 우주로 나가야 한다.[17] 우주에 3개 이상의 중력파 관측 위성을 띄위서 중력파를 관측하는 방법이 가능하다.- LISA - ESA 가 2034년에 3개의 위성을 날려서 중력파를 검출하겠다는 계획을 준비중이다.
[1] 성간물질이라는 지구의 구름보다 훨씬 지독한 구름이 존재하기는 한다. 이 경우는 피할 방법이 아예 없어서 천문학자들도 곤혹을 치른다.[2] 그 전에도 천문학적 용도로 쏘아 올려진 위성들이 있기는 했지만 본격적으로 거울과 CCD를 달고 올라간 망원경은 허블이 최초다. 허블 직전에 올라간 COBE의 경우도 신호의 강약을 통해 우주배경복사 지도를 만드는 일을 했을 뿐 본격적으로 이미징 장치가 달리지는 않았다. 하지만 최근에는 형태에 관계없이 천체관측 목적으로 올라가는 위성은 전부 망원경이라고 부른다.[3] 허블 이전에 쏘아 올려진 망원경들은 모두 군사용이라 과학적 용도로 사용되지는 않았다. 현대에도 미국은 허블과 동급, 혹은 능가하는 성능을 가진 위성들을 운용하고 있는 것으로 보인다. 2012년 NRO에서 창고에 처박아 두었던 구형 정찰위성 2대를 NASA에 기증했는데, 이 위성의 성능이 허블보다 뛰어나다고 한다.[4] 입체상의 모든 영역을 찍어 지도처럼 만든다. 과거엔 고에너지 망원경 및 전파 망원경이 어쩔 수 없이 이런식으로 관측할 수밖에 없었지만 현재는 이것이 효율적이라 낮은 에너지 영역도 이렇게 관측을 한다.[5] 간섭계를 이용하여 이론상 구경을 무한대로 만들 수 있다.[6] 여기엔 레이저 등을 이용해 대기의 굴절률을 측정한 다음 왜곡되기 이전의 상을 추적하는 능동광학 기술이 큰 몫을 했다. 현재는 이미지 보정 기술과 컴퓨터 성능의 어마어마한 발전으로 인해 적어도 가시광 영역에서는 무게와 크기의 제한이 훨씬 덜한 일반 천체망원경이 오히려 우세를 점하고 있다.[7] 감마선 망원경의 경우엔 과거엔 세대씩 동시에 띄워 사용했다. 감마선의 짧은 파장으로 인해 모든 방향에서 감마선이 쏟아지는데, 이 방향을 잡기 위해서 디텍터의 감지 시간차를 이용했는데 이것이 최소 세대가 입체 상에서 다른 위치에 있어야 했기 때문에. 기술이 발전한 후로는 하나에 수백 개의 디텍터를 넣어 보완했다.[8] 태양과 지구의 중력, 원심력의 영향이 상쇄되는 곳이다.[9] 기술적으로 유인 유지보수 작업은 가능하다고 평가되지만, 이를 위해선 상술된 초고성능 로켓에 유지보수 물자를 지구와 이 망원경 사이에 미리 띄워뒀다가 도킹해서 물자를 인수한 후 망원경에 도착해야 한다는 미친 난이도를 보인다. 물론, 이에 따른 비용 역시 어마어마할 것은 당연하다.[10] 전파 망원경 자체가 크면 클수록 좋아서 간섭계까지 형성하면 분해능이 더 커지고 대기 정도는 문제도 아니므로 당연히 지상 망원경으로 짓는 일이 많다. 다만 기술이 발전하면 몇개씩 우주에 멀리 띄워 간섭계를 형성하는 것이 가능하면 달라질 것이다.[11] 제임스 웹 망원경 문서에 나오듯 같은 대상을 재촬영한 것을 비교하면 안보이던 성운 뒤 항성이 비로소 보인다.[12] 적외선이 주 영역이지만, 가시광선도 관측은 가능[13] 적외선 관측이 핵심 영역이지만, 가시광선과 자외선도 관측 가능.[14] 91.2 nm 파장의 자외선은 비교적 가스 밀도가 낮은 태양 근처의 성간공간에서도 평균자유행로가 1파섹 수준에 불과해 유의미한 관측을 전혀 할 수 없다. 다만 은하수에서 멀리 떨어진 방향이라면 극자외선 중 파장이 짧은 쪽에 대해서는 국부은하군 정도까지는 간신히 관측이 가능하다.[15] 극자외선도 반사에 있어서는 X선과 유사한 성질을 갖고 있어, 극자외선 관측에도 X선 망원경과 유사한 구조의 광학계를 써야 한다. 이는 정밀 반도체 제조를 위한 포토 리소그래피에 쓰이는 극자외선 노광장비의 개발 및 생산이 까다로운 원인 중 하나이기도 하다.[16] 페르미 감마선 망원경을 예로 들면, 감마선이 금속 포일과 충돌할 때 전자와 양전자가 생성되는 쌍생성 현상을 검출해 쌍생성을 일으킨 광자의 입사 방향과 궤적을 알아낸다.[17] 주파수 10 Hz 미만의 중력파는, 지구의 지각 활동에 기인한 잡음 때문에 지상 기반 중력파 검출기로는 검출이 불가능하다.