허블 우주망원경 인류의 눈과 역사

우주의 무한한 경계를 탐사하려는 인류의 끝없는 욕구와 호기심에서 시작된 허블 우주망원경 프로젝트는 그 시작부터 현재까지 많은 도전과 업적을 이룩해왔습니다. 이 글은 1990년에 발사된 허블 우주망원경의 역사, 그리고 허블 우주망원경의 도전과 서비스 미션에 대해 알아보겠습니다.

허블우주망원경

허블 우주망원경의 역사

허블우주망원경은 1990년 지구 저궤도에 발사되어 현재도 운영되고 있는 우주망원경입니다. 허블 망원경은 천문학자 에드윈 허블의 이름을 따서 이름지어 졌으며, 최초의 우주망원경은 아니지만 가장 크고 가장 다기능적인 망원경 중 하나이며, 중요한 연구 도구입니다. 지구에서 559km 상공에서 96분에 한번씩 궤도를 돌고 있습니다.

허블 망원경의 거울은 2.4미터이며, 5개의 주요 관측 장치가 자외선, 가시광선, 근적외선 영역을 관측하고 있다. 허블망원경은 지구의 대기를 벗어난 궤도를 돌기 때문에 지상의 망원경에 비해 대기관으로 인한 왜곡이 현저히 적어 매우 높은 해상도의 이미지를 촬영할 수 있습니다. 또한 가장 상세한 가시광선 이미지를 기록하고 있으며, 우주 공간의 깊숙한 곳까지 볼 수 있습니다. 허블우주망원경의 관측 결과는 우주의 팽창 속도를 결정하는 등 천체물리학의 비약적인 발전을 가져왔습니다.

허블우주 망원경은 1970년대 미국 우주 기관인 NASA가 자금을 지원하고 유럽 우주기구의 지원를 받아 제작되었습니다. 1986년 1월까지만 해도 같은 해 10월로 발사 일정이 예정되었지만, 챌린저호 사고로 미국의 우주 계획이 중단되고 발사가 몇 년 동안 연기되었습니다. 이 연기 기간 동안 허블우주 망원경은 클린룸에 보관되어 발사 일정이 확정될 때까지 전원을 켜고 질소로 정화해야 했기에 전체 프로젝트 비용이 많이 발생되는 상황이었습니다. 더욱이 허블우주 망원경을 제어하는 데 필요한 지상 소프트웨어는 1986년에 준비되지 않았으며, 1990년 발사 전까지 겨우 준비된 상태였습니다. 우주왕복선 비행이 다시 운행된 후, 1990년 4월 24일 우주왕복선 디스커버리호는 허블을 성공적으로 발사하였습니다.

망원경 발사 후 몇 주 만에 보내 온 이미지의 화질은 예상보다 훨씬 낮아 광학 시스템에 심각한 문제가 있음을 보여주었습니다. 이미지를 분석한 결과, 주거울이 잘못된 모양으로 연마된 것으로 밝혀졌습니다. 이는 심각한 구면수차가 발생되었습니다. 구면수차란? 거울의 가장자리에서 반사된 빛이 중심에서 반사된 빛과 서로 다른 지점에서 초첨을 형성하는 것을 말합니다.

어두운 천체나 고대비 영상 촬영에서 초첨이 안 맞는 후광에 빛을 빼앗겨 망원경의 효율성이 현저히 떨어졌습니다. 이로 인해 정치인과 과학자들은 NASA의 능력에 의심을 하기 시작했고,비용을 낭비했다는 비난을 받기도 했습니다. 그럼에도 불구하고 첫 3년 동안은 덜 까다로운 목표에 대한 관측을 주로 수행하였습니다.

허블 우주망원경의 도전과 정비

허블 망원경은 우주비행사가 우주에서 유지보수할 수 있도록 설계된 유일한 망원경입니다. 설계단계에서부터 항상 정비 임무가 포함되어 있었기 때문에 1993년에 예정된 첫 번째 정비 임무에 적용할 수 있는 문제 해결 가능성을 모색하기 시작했습니다. 허블 망원경의 백업 거울이 제작 되었지만, 우주에서 거울을 교체하는 것은 불가능했기에 대신 잘못된 모양으로 연마된 거울의 반대 의미를 가진 새로운 광학 부품을 서비스 임무에 추가하여 사실상 구면 수차를 보정하는 문제를 해결하고자 했습니다.

서비스 미션 1

서비스 미션 1은 1993년 12월에 엔데버호를 타고 10일 동안 여러 장비와 기타 장치를 설치. 교체 하였습니디다. 고속광도계를 광학교정 장치(COSTAR)로 교체하고, 관측 카메라(WFPC)도 광학 보정 시스템이 내장된 광시야 행성 카메라2로 교체하였습니다. 또한 태양전지판 과 구동 전자장치도 교체되었고, 자이로스코프 4개, 전기 제어 장치 2개 및 기타 전기 부품, 자력계 2개도 교체되었습니다. 컴퓨터도 보조 프로세서를 추가하여 업그레이드 되었고, 허블의 궤도가 상향 조정되었습니다.

1994년 1월 13일, 임무를 완료하였고 NASA는 보다 더 선명한 이미지를 공개하였습니다. 이 임무는 5번의 우주 유영 정비로 가장 복잡하게 수행된 임무 중 하나였습니다. 이 임무의 성공은 NASA뿐만 아니라 고성능 우주 망원경을 갖게 된 천문학자들에게도 큰 도움이 되었습니다.

서비스 미션 2

서비스 미션 2는 1997년 2월 디스커버리호에 의해 수행되었으며 GHRS와 FOS를 우주망원경 영상분광기(STIS)와 근적외선 카메라 및 다천체 분광계(NICMOS)로 교체하고, 엔지니어링 및 과학 테이프 레코더를 새로운 신형 솔리드 스테이트 레코더 (Solid State Recorder)로 교체하고, 단열재를 수리하였습니다. NICMOS에는 장비의 열 소음을 줄이기 위해 고체 질소 방열판이 설치되어 있었지만, 설치 직후 예상치 못한 열팽창으로 인해 방열판의 일부가 광학 방해판에 닿았습니다. 이로 인해 장비의 온도 상승률이 높아져 당초 4.5년으로 예상했던 수명이 약 2년으로 단축되었습니다.

서비스 미션 3A

서비스 미션 3A는 1999년 12월에 디스커버리호에 의해 수행되었으며, 허블의 탑재된 6개의 자이로스코프 중 3개의 자이로스코프가 고장나면서 미션 3를 두차레로 나누어 분리 실시 되었습니다. 심지어 임무 몇 주 전에 네 번째 자이로스코프가 고장나 망원경이 과학 관측을 할 수 없게 되었습니다. 이 임무에서는 6개의 자이로스코프를 모두 교체하고, 정밀 유도 센서와 컴퓨터를 교체하고, 배터리 과충전을 방지하기 위한 전압온도 개선 키트(VIK)를 장착하고, 단열 블랭킷도 교체하였습니다.

서비스 미션 3B

서비스 미션 3B는 2002년 3월에 콜롬비아호에 의해 수행되었으며 FOC(천체 측정을 위해 사용된 파인가이던스 센서를 제외한 원래의 관측 장비)중 마지막이었던 FOC가 어드밴스드 서베이 카메라(ACS)로 교체되고 새로운 관측 장비가 설치되었습니다. 이는 모든 새로운 관측 장비가 주거울 수차 보정을 내장하고 있음을 의미하기 때문에 COSTAR가 더 이상 필요하지 않았습니다. 또한 태양전지판을 교체하여 전력을 30퍼센트 증가시켰습니다.

서비스 미션 4

서비스 미션 4는 2009년 5월 아틀란티스호에 의해 수행되었으며 허블을 위한 마지막 셔틀 미션이었습니다. 이 임무는 데이터 처리 장치 대체품을 설치 하였고, ACS와 STIS 시스템을 수리하고, 그 외 여러 가지 부속품을 교체하였습니다. 또한 2개의 새로운 관측 장비인 광시야 카메라3(WFC3)와 우주 기원 분광기(COS)를 장착하고, 향후 승무원 또는 로봇 임무에 의한 허블의 랑데부와 포획, 안전한 폐기를 가능하게 하는 장치를 설치하였습니다. 수리할 수 없어 사용할 수 없게 된 ACS의 고해상도 채널을 제외한 모든 작업이 이루여졌습니다.

계획대로라면 허블은 2005년 2월에 정비임무를 가질 예정이었지만, 2003년 발생한 컬럼비아호 사고로 허블 프로그램과 다른 NASA 임무에 광범위한 영향을 미쳐 이후 유인 서비스 임무가 중단되었습니다. 이 결정은 많은 천문학자들로부터 비판을 받았으며 2004년까지 계획된 HST의 후속 모델인 제임스 웹 우주망원경(JWST)은 적어도 2011년까지 발사될 계획이 없었습니다. 허블의 퇴역과 후속 우주 관측 능력의 공백은 많은 천문학자들에게 큰 우려를 불러일으켰습니다.

2005년 4월 마이클 D. 그리핀(Michael D. Griffin)이 NASA의 새로운 국장이 임명되면서 상황이 바뀌었습니다. 그리핀은 2006년 10월에 유인 정비 임무를 최종 승인하였으며, 애틀랜티스에 의한 11일 간의 임무가 2008년 10월에 예정되어졌슴니다. 그러나 2008년 9월, 허블의 메인 데이터 처리 장치가 고장나 2008년 10월 25일 백업 장치가 가동 될 때까지 모든 과학 데이터 송신이 중단되었습니다. 2008년 10월로 예정되었던 미션4의 임무는 메인데이터 처리장치의 교체까지 담당하기 위해 연기되었고, 2009년 5월이 되어서야 진행되었습니다.

마무리

허블 망원경은 5번의 우주왕복선 미션으로 5가지 주요 장비를 포함한 망원경 시스템을 수리, 업그레이드, 교체했으며, 5번째 미션은 2003년 컬럼비아호 사고로 인해 안전상의 이유로 중단되었으나, 2009년 정비 미션이 재개되어 2009년에 정비 임무가 완료되었습니다. 허블은 2020년 4월에 30년간의 운영을 마쳤고, 2030년부터 2040년까지 지속될 것으로 예상되고 있습니다.

허블 우주망원경은 그 발사 후의 초기 문제에도 불구하고 우주 천문학의 역사에 깊은 흔적을 남겼습니다. 그것은 단순한 기술적 장비를 넘어 인류의 우주에 대한 탐구 정신을 상징하며, 이를 통해 얻어낸 지식과 데이터는 아직도 우리에게 천체물리학의 비약적인 발전을 이끌어내고 있습니다. 이러한 연구의 중요성과 그 뒤에 숨겨진 노력과 헌신은 우리가 우주를 바라보는 시각을 영원히 변화시켰습니다.