각 전자기파에 따라 은하수는 다른 모습을 보입니다. 감마선, X-선, 자외선의 우주 관측 효과는 다파장영역에 대한 관측으로 천체현상에 대한 보다 심층적인 물리적 해석이 가능하다는 점입니다. 가시광선과 적외선의 경우, 대기에 의한 영향을 배제함으로써 해상도의 획기적인 증가와 배경하늘 밝기의 감소로 멀리 있는 어두운 천체에 대한 관측이 가능합니다.”

▲ 각 파장에 따라 다르게 보이는 은하수

지난 5일 KAIST에서 열린 ‘08 과학(항공우주) 디플로마 일곱 번째 강연 ’우주과학‘을 통해 한원용 한국천문연구원 우주과학연구부장은 다파장을 통한 우주관측의 필요성에 대해 이같이 설명했다. 참고로 전자기파는 파장에 따라 긴 순서부터 라디오파, 마이크로파, 적외선, 가시광선, 자외선, X선, 감마선으로 분류된다.

우주 관측은 기구(Balloon), 과학로켓(sounding Rocket), 항공기(airborne), 인공위성(satellite)으로 이뤄진다. 그는 “1783년 기구가 발명된 초기에는 과학자가 직접 측정기기를 싣고 고층대기의 상태를 측정하는 데 주로 이용됐다”면서 “우주시대가 도래하면서 기구제작 및 관측기기 개발기술이 발전하여 다양한 분야에 응용되고 있다”고 말했다. 현재에는 3∼4톤의 육중한 관측기기를 탑재한 채 40km 상공까지 상승하여 2주일까지 관측이 가능하다고 전했다. 2005년엔 한국인 과학자들이 참여한 ‘우주연구 풍선’이 41일이라는 최장비행 기록을 세운 바 있다.

인공위성에 장착되는 우주망원경도 전자기파에 따라 구별된다. 1983년엔 미국, 네덜란드, 영국이 공동으로 IRAS(Infrared Astronomical Satellite)를 제작했다. 적외선 전용 관측위성으로 직경이 0.6m인 망원경을 액체헬륨으로 냉각시키는 구조를 갖췄다. 이후에 유럽우주연합 ESA(The European Space Agency)는 1995년 11월, 성능이 더욱 좋아진 ISO(the Infrared Space Observatory)라는 적외선 우주망원경을 성공적으로 발사했다. 2003년 8월 25일엔 0.85m 망원경 Spitzer Space Telescope가 발사됐다.

강의에 따르면 자외선 파장대역은 대기의 오존층과 산소, 질소가 자외선을 만들어내며 간섭현상을 일으키기 때문에 지상에서는 관측이 불가능하다. 1978년엔 NASA의 국제 자외탐사위성(IUE)가 우주로 올라갔다. X-선 같은 경우 최초의 천문관측 우주망원경으로 불리는 Small Astronomy Satellite-1(SAS-1)이 발사됐다. 마지막으로 감마선은 1991년에 CGRO(Compton Gamma Ray Observatory)가 우주로 향했다. 이 위성은 전자기파 스펙트럼 중 에너지가 30KeV에서 30GeV에 이르는, 광자의 관측이 가능한 다양한 관측기기가 탑재돼 총 중량이 17톤에 이르며 현재까지 발사된 천문위성 중 가장 무겁다고 한다.

▲ 방효충 교수

이외에도 한 부장은 마리너2호부터 카시니호까지의 행성탐사와, 제2 라그랑지점에 위치해 임무를 수행할 예정인 ‘Plank’ 등 미래의 우주망원경에 대해서도 소개했다. 또한 그는 과학기술위성 1호의 원자외선 분광기(Far Ultraviolet Imaging Spectrograph: FIMS)가 세계 최초로 돛자리초신성 천체 영상관측에 성공하고, 공신력 있는 저널에 실리게 된 사연도 들려줬다.

이어서 KAIST 항공우주공학과 방효충 교수의 ‘달/행성 탐사 현황 및 비전’에 대한 강연이 시작됐다.

방 교수는 먼저 뉴턴의 만유인력 법칙으로 달과 지구, 지구와 위성 간의 인력을 설명했다. 이로 인해 인공위성이 궤도에 진입하거나 벗어나는데 얼마만큼의 에너지가 필요한지 등을 이해할 수 있었다. 예를 들어 달 궤도에 진입하기 위해서는 달과 지구의 자전, 공전 등을 고려해 계산하면 초당 약 10km라는 가속도가 필요하다. 가속도는 결국 에너지를 뜻한다.

달 기지를 건설하려는 이유는 지구보다 중력이 6분의 1이기 때문이다. 이로 인해 화성탐사를 할 때 달에서 가면 궤도를 벗어나기가 쉽다. 한편 소유즈 왕복선과 국제 우주정거장이 도킹하기 위해선 상대속도를 0으로 만들 필요가 있다.

방 교수는 아폴로 11호 등 달 탐사의 역사와 해외 달 탐사 현황 등을 소개했다. 우주선 클레멘타인(Clementine)은 BMDO(Ballistic Missile Defense Organization)와 NASA가 협력하여 진행하는 미 국방부의 달 탐사 임무를 수행했다. 클레멘타인은 1994년 1월 25일, Titan IIG로켓에 의해 발사됐는데, 달 궤도 진입 후 클레멘타인은 160만 여 달 표면 이미지를 전송했다. 이를 토대로 후에 달에 대한 단계적인 지도 제작을 완성했다.

▲ 달 탐사 궤도 설계의 예

“Lunar Prospector는 NASA의 탐사 프로젝트로 과학적인 중요성과 ‘빠르게, 더 좋게, 더 싸게’라는 목표를 가지고 임무 설계와 개발 수행이 이뤄졌습니다. 우주비행체는 1.2m, 지름 1.4m의 표면이 태양 전지로 둘러싸인 소형의 원통 모양입니다. 본 탐사 프로젝트는 아폴로 프로그램에서 관측한 데이터를 바탕으로 확장된 것이며, 짧은 기간 내에 경제적으로 고도의 과학임무를 수행할 수 있음을 입증했습니다.”

아울러 방 교수는 ESA 기구 최초의 달 탐사 위성인 SMART-1(Small Missions for Advanced Research and Technology), 중국의 달 탐사 위성 창어 1호(Chang’e-1), 일본 최초의 달 탐사선 Hiten과 달 탐사선 가구야, 달 탐사를 위한 유도항법 및 제어기술, 화성 탐사, 인공위성 시스템 개요, 미래의 우주탐사 기술 등을 소개했다.