적외선 천문학 시작 유럽의 본격적인

적외선 천문학의 시작 적외선 천문학은 대체로 파장이 0.75~300마이크로미터인 적외선(Infrared) 복사본을 이용해 천체를 관측하고 분석하는 천문학의 한 분야다. 적외선 천문학은 천왕성의 발견으로 유명한 윌리엄 허셜이 1800년 적외선을 발견하면서 시작됐고 20세기 중반에 이르러 천문학자들은 가시광선이 아닌 파장에서도 의미 있는 천문학 데이터를 얻을 수 있다는 사실을 발견하면서 적외선 천문학이 활기를 띠기 시작했다.

다른 모든 형태의 전자방사와 마찬가지로 적외선은 보다 자세한 우주연구에 이용한다. 참고로 파장이 짧은 적외선을 이용하는 근적외선 천문학 같은 경우는 가시광선 천문학과 상당히 유사하다. 따라서 초기 대부분의 적외선 천문학 임무는 가시광선 천문학 임무와 겹치기도 했다.

적외선 천문학의 특징 적외선은 지구 대기의 수증기에 의해 흡수된다. 따라서 대부분의 지구적외선 망원경은 대기의 수증기보다 높고 건조한 곳의 고지대에 존재하고 있다. 예를 들어 해발 4205개의 마우나케아 천문대와 2,635m의 칠레 파라날 천문대 등은 높은 고도에서 적외선 천문학을 수행하고 있다. 또한 상공을 비행하면서 적외선 천문학 데이터를 얻는 적외선 천문학 성층권 천문대(SOFIA:Stratosphere For Infrared Aronomy)와 같은 미션도 존재한다.

물론 예산이 뒷받침된다면 같은 이유로 적외선 망원경의 가장 이상적인 장소는 우주다. 허셜망원경(Herschel Space Observatory)이나 슈피처망원경(Spitzer Space Telescope), 그리고 광역적외선탐사위성(Wide-field Infrared Survey Explorer; 주로 약자를 이용해 와이즈라고 부른다) 등으로 대표되는 우주망원경이 그 예이다.

적외선을 중점적으로 감지한 우주망원경의 시작은 적외선천문위성(IRASInfra Red Aronomical Satellite)이 꼽힌다. 위 미션은 1983년 관측을 시작해 베가 별 주위를 둘러싸고 있는 먼지 원반을 가리키는 베가 현상(Vega Phenomenon)을 발견했으며 이를 통해 우주 내 먼지 원반의 존재를 처음으로 알린 망원경이다. 또 곧 발사될 제임스 웹 우주망원경(JWST:James Webb Space Telescope)도 적외선을 중점적으로 이용한 관측을 수행할 전망이다.

적외선 천문학의 장점은 가시광선에 가려진 아름다운 우주의 영역을 탐색할 수 있다는 점이다. 적외선은 대체로 50120K의 먼지에 민감하지만 먼지는 우주의 많은 부분을 가리고 있어 연구가치가 충분하다. 예를 들어 우주 역사에서 일어난 대부분의 별 형성은 빛을 흡수한 뒤 가열된 먼지 구름의 존재가 적외선 관측을 통해 드러나 관측됐다. 앞서 예로 든 베가 현상도 태양광을 흡수해 재방출하는 먼지가 적외선에서 가장 빛나기 때문에 가능했던 천문학적 사건이었다.

유럽 최초의 대형 적외선 천문학 관측 대성공 이후 IRAS는 1983년 미국 네덜란드 그리고 영국이 처음으로 적외선 파장에서 모든 하늘을 관측하는 대형 적외선 미션이었다. 대략 350,000개의 적외선 소스를 정확히 관측했고, 이는 유럽 우주국을 자극하기에 충분했다. 이미 IRAS 발사 전부터 계획이 진행되던 ISO(Infrared Space Observatory)도 유럽의 대형 천문학 프로젝트로 유럽우주국이 제안을 받으면서 본격적으로 시작됐다. 12마이크로미터 파장으로 비교할 때 ISO 감도는 IRAS의 그보다 1,000배나 향상됐고 해상도는 100배 이상 향상됐다. 이를 기반으로 대략 30,000개의 적외선 소스에 관한 상세한 관측을 시작할 목적으로 시작된 미션이다.

ISO 망원경의 상상도©ISO/ESA

ISO 미션은 프랑스, 독일, 네덜란드 및 영국 과학자들을 중심으로 임무 시작을 알렸다. 게다가 4억유로가 훨씬 넘는 예산 문제로 ISAS(현재 JAXA의 전신인 동시에 일부)나 NASA와의 협력을 개시했고, 이를 계기로 유럽과 일본은 깊은 협력 관계가 되었다. 위성 설계 및 개발은 1986년 Aerospatiale 우주사업부(현재 Thales Alenia Space에 흡수됨)가 맡았으며 최종 조립은 Cannes Mandelieu Space Center에서 이루어졌다.

1995년 11월 17일 프랑스령 기아나의 Guiana 우주센터 내 ELA-2 발사대에서 Ariane 44P 로켓 런처와 함께 ISO 미션이 시작되었다. 로켓은 ISO 망원경을 타원형의 지구 중심 궤도에 성공적으로 배치했고 ISO 망원경은 24시간마다 지구 주변을 한 바퀴 돌며 우주를 관측하기 시작했다.

ISO 페이로드 ISO는 대형 액체헬륨 저온유지장치를 탑재해 민감도가 크게 상승한 60cm 크기의 리첸 망원경을 관측에 이용, 총 4개의 기기를 포함해 2.5~240마이크로미터 파장의 적외선을 이용해 우주를 관측하도록 설계됐다.

ISO 망원경 구성도 © ISO/ESA

두 개의 감지기가 탑재됐고 2.5~17마이크로미터 파장에서 고해상도 관측을 수행한 적외선 카메라(ISOCAM)는 우주를 적외선으로 봤을 때 어떤 모습을 보이는지 보여줬다. 천체에서 방출되는 적외선의 양을 측정하도록 설계된 기기인 광편광계(ISOPHOT)는 2.4~240마이크로미터의 매우 넓은 적외선 파장 범위를 통해 성간 먼지와 같은 가장 차가운 천체의 적외선 방출을 볼 수 있었다.

ISO는 행성, 혜성, 별을 포함한 다양한 천체의 화학적 구성을 비롯해 다양한 적외선 천체 연구를 위해 시작된 만큼 화학적 성분을 자세히 분석할 수 있는 분광계도 탑재됐다. 2.4~45마이크로미터 파장에서 우주의 화학 성분, 밀도 및 온도에 대한 정보를 제공한 분광계인 단파분광계(SWS)와 45~196.8마이크로미터의 장파장을 이용해 훨씬 차가운 물체를 관측한 장파분광계(LWS)는 주로 별 사이의 차가운 먼지 구름을 관측했다.

4개의 관측기기는 망원경의 주경 바로 뒤에 원형으로 배열돼 장착됐으며 최소 1개의 기기가 기본 작동한 상태에서 관측이 진행됐다.

ISO가 남긴 과학적인 결과 ISO 관측은 정말 대단했다. ISO는 평균적으로 하루에 45회의 관측을 실시했다. 약 3년간 우주를 성공적으로 관측한 ISO는 지구를 900회 이상 돌았고 이를 통해 총 26,000회 이상의 과학적 관찰을 했다. ISO가 남긴 방대한 양의 과학 데이터는 1998년부터 대중과 커뮤니티에 공개됐으며 2006년까지 기본적인 분석이 이어졌다.

ISO는 처음에 주로 별 형성 지역이나 수명이 다한 별 주변, 그리고 은하 중심 부근에서 수증기의 존재를 감지했다. 또 태양계 및 오리온 성운의 행성 대기에서도 수증기의 존재를 감지했다.

ISO 망원경은 오리온 성운의 행성 대기에서 수증기의 존재를 감지했다. ©ISO/ESA도 네덜란드 과학자들을 중심으로 늙어 죽어가는 별 주변에서 행성 형성이 감지됐는데 이는 그동안 젊은 별 주위에서만 행성 형성이 가능하다는 이론을 뒤집는 관측이었다.

늙어죽어가는 별 주변에서 행성 형성이 감지됐다©Watersetal.1998 ISO는 불화수소(Hydrogenfluoride)를 성간가스 구름에서 처음 감지한 망원경으로 LWS 장비를 통해 항성 형성 초기 단계인 pre-stellarcore L1689B를 처음 발견한 미션이다. LWS 장비를 이용해 적외선을 방출하는 매우 차가운 탄화수소로 구성된 거대한 구름도 발견했으며 이는 우주 전체의 에너지 균형에 영향을 미치는 일종의 은하냉장고 역할을 하는 것으로 알려졌다.

플루오르화수소(Hydrogenfluoride)를 성간가스 구름에서 발견했다. ©Neufeldetal. 1997 또 많은 천문학자들이 예측한 대로 은하 사이의 빈 공간에서 대량의 우주 먼지를 발견했다.마지막으로 ISO는 행성 형성의 첫 단계로 간주되는 별 주위의 물질로 구성된 디스크와 같은 여러 원시 행성 원반을 관측하면서 원시 행성계 원반 천문학의 장을 연 장본인으로, 나이 든 별을 둘러싸고 있으며 주로 먼지로 구성된 여러 먼지 원반도 활발하게 관측했다.