영국을 출발한 제임스 웹 우주 망원경의 중적외선 장비가 NASA 고다드 우주비행센터에서 엔지니어들의 "인수" 검사를 받고 있다.
JPL 비행 기술자인 조니 멜렌데즈(오른쪽)와 조 모라는 MIRI 극저온 냉각기를 캘리포니아주 레돈도 비치에 있는 노스롭 그루먼으로 보내기 전에 검사하고 있습니다. 그곳에서 냉각기는 웹 망원경 본체에 부착됩니다.
영국 러더퍼드에 있는 애플턴 연구소에서 볼 수 있는 MIRI 장비의 이 부분에는 적외선 검출기가 포함되어 있습니다. 극저온 냉각기는 더 높은 온도에서 작동하기 때문에 검출기와 떨어져 있습니다. 차가운 헬륨이 흐르는 튜브가 두 부분을 연결합니다.
MIRI(왼쪽)가 레돈도 비치에 있는 노스롭 그루먼 공장의 균형대 위에 놓여 있고, 엔지니어들은 오버헤드 크레인을 사용하여 MIRI를 통합 과학 기기 모듈(ISIM)에 부착할 준비를 하고 있습니다. ISIM은 웹 우주망원경의 핵심 부분으로, 망원경을 감싸는 네 개의 과학 기기로 구성되어 있습니다.
천문대에 설치된 네 가지 과학 장비 중 하나인 MIRI 장비가 작동하려면 물질이 도달할 수 있는 가장 낮은 온도에 가깝게 냉각되어야 합니다.
12월 24일 발사 예정인 NASA의 제임스 웹 우주 망원경은 역사상 가장 큰 우주 관측소이며, 우주의 먼 곳에서 오는 적외선을 수집하여 과학자들이 우주의 구조와 기원, 그리고 우리 우주와 그 안에서 우리의 위치를 ​​탐구할 수 있도록 하는 막중한 임무를 맡고 있습니다.
별과 행성, 그리고 그것들을 구성하는 가스와 먼지를 포함한 많은 우주 물체는 적외선, 즉 열복사를 방출합니다. 하지만 토스터, 사람, 전자 기기처럼 대부분의 따뜻한 물체도 마찬가지입니다. 이는 웨브 우주망원경의 네 가지 적외선 관측 장비가 자체적으로 방출하는 적외선을 감지할 수 있다는 것을 의미합니다. 이러한 적외선 방출을 줄이려면 장비는 매우 차가워야 합니다. 약 40켈빈, 즉 화씨 영하 388도(섭씨 영하 233도) 정도가 적당합니다. 하지만 중적외선 관측 장비(MIRI)가 제대로 작동하려면 내부의 검출기는 7켈빈(화씨 영하 448도, 섭씨 영하 266도) 이하로 더 차가워져야 합니다.
이는 절대 영도(0 켈빈)보다 불과 몇 도 높은 온도입니다. 절대 영도는 이론적으로 가능한 가장 낮은 온도이지만, 열이 완전히 없는 상태를 나타내기 때문에 물리적으로는 결코 도달할 수 없습니다. (하지만 MIRI는 우주에서 작동하는 가장 차가운 영상 장비는 아닙니다.)
온도는 본질적으로 원자의 운동 속도를 나타내는 척도이며, 웹 우주망원경의 검출기는 자체 적외선을 감지하는 것 외에도 자체 열 진동에 의해 작동될 수 있습니다. MIRI는 다른 세 장비보다 낮은 에너지 범위의 빛을 감지합니다. 결과적으로 MIRI 검출기는 열 진동에 더 민감합니다. 천문학자들은 이러한 원치 않는 신호를 "잡음"이라고 부르며, 웹 우주망원경이 감지하려는 미약한 신호를 압도할 수 있습니다.
발사 후, 웹 우주망원경은 테니스 코트 크기의 차양막을 펼쳐 MIRI와 다른 장비들을 태양열로부터 보호하고 자연 냉각을 가능하게 할 것입니다. 발사 후 약 77일부터 MIRI의 극저온 냉각기는 19일 동안 장비 검출기의 온도를 7켈빈 이하로 낮출 것입니다.
"지구에서는 과학이나 산업 분야에서 물체를 그 온도까지 냉각하는 것이 비교적 쉽습니다."라고 NASA 제트 추진 연구소(JPL)의 극저온 냉각기 전문가인 콘스탄틴 페나넨은 말했습니다. JPL은 NASA를 위해 MIRI 장비를 관리하고 있습니다. "하지만 지구 기반 시스템은 부피가 크고 에너지 효율이 낮습니다. 우주 관측소에는 물리적으로 작고 에너지 효율이 높으며, 우리가 직접 가서 수리할 수 없기 때문에 높은 신뢰성을 갖춘 냉각기가 필요합니다. 이것이 우리가 직면한 과제입니다. 그런 점에서 MIRI 극저온 냉각기는 확실히 최첨단에 있다고 할 수 있습니다."
웹 우주망원경의 과학적 목표 중 하나는 우주에서 처음 형성된 별들의 특성을 연구하는 것입니다. 웹 우주망원경의 근적외선 카메라(NIRCam)는 이러한 극도로 멀리 떨어진 천체들을 탐지할 수 있으며, MIRI는 과학자들이 이러한 희미한 광원들이 은하 진화 과정에서 나중에 형성된 2세대 별들이 아니라 1세대 별들의 집단임을 확인하는 데 도움을 줄 것입니다.
MIRI는 근적외선 관측 장비보다 두꺼운 먼지 구름을 관찰하여 별의 탄생지를 밝혀낼 것입니다. 또한, 지구에서 흔히 볼 수 있는 물, 이산화탄소, 메탄과 같은 분자는 물론 규산염과 같은 암석 광물 분자도 가까운 별 주변의 차가운 환경에서 탐지할 수 있는데, 이러한 환경은 행성이 형성될 가능성이 있는 곳입니다. 근적외선 관측 장비는 더 뜨거운 환경에서 이러한 분자들을 기체 상태로 탐지하는 데 더 적합한 반면, MIRI는 얼음 형태로도 관측할 수 있습니다.
"미국과 유럽의 전문성을 결합하여 웹 우주망원경의 핵심 장비인 MIRI를 개발했습니다. 이를 통해 전 세계 천문학자들이 별, 행성, 은하가 어떻게 형성되고 진화하는지에 대한 중요한 질문에 답을 찾을 수 있을 것입니다."라고 MIRI 과학팀 공동 책임자이자 영국 천문기술센터(UK ATC)의 유럽 수석 연구원인 길리언 라이트가 말했습니다.
MIRI 극저온 냉각기는 풍선 9개 정도를 채울 수 있는 양의 헬륨 가스를 사용하여 기기 검출기에서 열을 제거합니다. 두 개의 전기 압축기가 헬륨을 검출기가 있는 곳까지 연결된 튜브를 통해 순환시킵니다. 이 튜브는 검출기에 부착된 금속 블록을 통과하며, 냉각된 헬륨은 블록에서 발생하는 과도한 열을 흡수하여 검출기의 작동 온도를 7켈빈 이하로 유지합니다. 가열되었지만 여전히 차가운 가스는 다시 압축기로 돌아가 과도한 열을 방출하고, 이 과정이 반복됩니다. 기본적으로 이 시스템은 가정용 냉장고나 에어컨에 사용되는 것과 유사합니다.
헬륨을 운반하는 파이프는 금도금된 스테인리스강으로 만들어졌으며 직경은 2.5mm(1/10인치) 미만입니다. 이 파이프는 우주선 본체에 있는 압축기에서 천체 관측소의 벌집형 주경 뒤에 있는 광학 망원경 요소의 MIRI 검출기까지 약 10m(30피트)에 걸쳐 뻗어 있습니다. DTA(Deployable Tower Assembly)라고 불리는 하드웨어가 두 영역을 연결합니다. 발사를 위해 포장될 때, DTA는 피스톤처럼 압축되어 보관된 관측소를 로켓 상단의 보호 장치에 설치하는 데 도움을 줍니다. 우주에 도달하면 타워가 확장되어 상온의 우주선 본체와 더 차가운 광학 망원경 장비를 분리하고 차양과 망원경이 완전히 펼쳐질 수 있도록 합니다.
이 애니메이션은 제임스 웹 우주 망원경이 발사 후 몇 시간 또는 며칠 동안 이상적으로 전개되는 모습을 보여줍니다. 중앙 전개식 타워 어셈블리가 확장되면서 MIRI의 두 부분 사이의 거리가 증가합니다. 이 두 부분은 냉각된 헬륨이 흐르는 나선형 튜브로 연결되어 있습니다.
하지만 연장 과정에서는 헬륨 튜브를 확장형 타워 어셈블리를 이용해 늘려야 합니다. 그래서 튜브가 스프링처럼 감기는데, MIRI 엔지니어들이 이 부분을 "슬링키"라고 부르는 이유가 바로 이것입니다.
JPL MIRI 프로그램 관리자인 아날린 슈나이더는 “천문대의 여러 영역에 걸쳐 있는 시스템을 개발하는 데에는 몇 가지 어려움이 있습니다.”라고 말했습니다. “이러한 각 영역은 노스롭 그루먼과 미국 NASA 고다드 우주비행센터를 포함한 여러 기관이나 센터에서 담당하고 있기 때문에 모든 기관과 소통해야 합니다. 망원경의 다른 장비에는 이러한 소통이 필요하지 않기 때문에 MIRI만의 고유한 과제입니다. MIRI 극저온 냉각기 개발은 정말 긴 여정이었고, 이제 우주에서 그 성능을 확인할 수 있게 되어 기쁩니다.”
제임스 웹 우주 망원경은 2021년 세계 최고의 우주 과학 관측소로서 발사될 예정입니다. 웹 망원경은 우리 태양계의 신비를 밝히고, 다른 별 주위의 먼 행성들을 관측하며, 우주의 신비로운 구조와 기원, 그리고 우리 존재의 비밀을 탐구할 것입니다. 웹 망원경 프로젝트는 NASA와 파트너 기관인 ESA(유럽 우주국), 캐나다 우주국이 주도하는 국제적인 협력 사업입니다.
MIRI는 NASA와 ESA(유럽 우주국)의 50대 50 파트너십을 통해 개발되었습니다. JPL이 MIRI의 미국 측 노력을 주도하고 있으며, 유럽의 여러 천문학 연구소로 구성된 다국적 컨소시엄이 ESA에 기여하고 있습니다. 애리조나 대학교의 조지 리케 교수가 MIRI의 미국 과학팀을 이끌고 있으며, 질리언 라이트 교수는 MIRI의 유럽 과학팀을 이끌고 있습니다.
영국 ATC 소속의 알리스테어 글래스는 MIRI 기기 과학자이며, 마이클 레슬러는 JPL의 미국 프로젝트 과학자입니다. 영국 ATC 소속의 라즐로 타마스는 유럽 연합을 담당하고 있습니다. MIRI 극저온 냉각기 개발은 JPL이 메릴랜드주 그린벨트에 있는 NASA 고다드 우주비행센터 및 캘리포니아주 레돈도 비치에 있는 노스롭 그루먼과 협력하여 주도하고 관리했습니다.