허블우주망원경

허블 우주망원경

 

허블 우주망원경(HST)은 1990년 지구 저궤도로 발사된 우주망원경으로 현재도 운용되고 있다. 허블 망원경은 최초의 우주 망원경은 아니지만 가장 크고 널리 사용되는 우주 망원경 중 하나로 천문학에서 필수적인 연구 장치로써, 공공관계 구축에 도움을 주는 것으로 잘 알려져 있다. 허블 망원경은 천문학자 에드윈 허블의 이름을 따서 명명되었으며 콤프턴 감마선 관측 위성, 찬드 락스선 관측 위성, 스피처 우주 망원경과 함께 나사의 거대 관측 위성 중 하나이다.
2.4m 길이의 주거지를 갖춘 허블망원경은 자외선과 가시광선, 근적외선 스펙트럼을 관측하고 있다.
블의 궤도는 지구의 대기 간섭을 피하고 지상 망원경에 비해 배경 빛의 영향을 크게 줄일 수 있기 때문에 매우 고해상도 영상을 얻기에 적합하다. 허블은 또한 역사상 가장 상세한 시각적 이미지를 제공했다. 우주의 팽창 속도를 정확하게 측정했을 때 허블의 수많은 관측은 천체물리학의 돌파구로 이어졌다.
우주 망원경의 개념은 1923년에 시작되었다. 허블은 1970년대 투자를 받아 1983년 발사할 계획이었으나 1986년 기술적 지연과 예산 문제, 챌린저호 참사에 직면하게 되었었다. 1990년에 마침내 허블 망원경이 발사되었을 때, 허블의 주거울은 부정확하게 배치되었고 망원경의 성능을 저해시켰다. 1993년, 원래 설계한 성능의 유지보수 임무에 의해 광학적 보정이 이루어졌다. 허블 망원경은 우주 비행사를 통해 우주에서 유지되도록 설계된 유일한 망원경이다. 1990년 우주왕복선 디스커버리호 발사 이후 핵심 장비 5대를 포함해 시스템 수리, 업그레이드, 교체에 5대의 우주왕복선이 계속 사용됐다. 그의 다섯 번째 임무는 2003년 콜롬비아 참사 이후 안정 면에서 취소되었다.

허블 망원경의 역사

1946년에 시작된 허블 망원경의 역사는 천문학자인 라이먼 스피처(Ryman Spitzer)의 논문으로 시작되었는데, 이 논문은 우주 천문대가 지구 망원경을 압도하는 두 가지 큰 장점을 주장했다. 첫째로, 물체가 명확하게 분리될 수 있는 최소 길이인 각 분해능은 별의 반짝임을 유도하는 대기 난류와 관계없이 회절에만 제한된다. 2.5m 거울이 장착된 망원경의 이론적 회절 바닥 해상도는 약 0.05초였지만, 당시 지상 망원경은 최대 해상도가 0.5~1.0초였다. 둘째, 우주 망원경은 지구 대기에 강하게 민감한 적외선과 자외선을 관측할 수 있다.

기반 천문학은 제2차 세계대전 직후 로켓 공학 분야의 과학자들에 의해 개발된 기술을 응용하는 것으로 시작된다. 1946년 최초의 태양 자외선 스펙트럼을 획득한 후, NASA는 1962년 자외선, X선, 감마선 스펙트럼을 얻기 위해 궤도를 선회하는 태양 관측소 OSO를 발사했다. 영국은 1962년 항공 우주 프로그램의 일환으로 궤도를 선회하는 태양 망원경 OST를 발사했고, NASA는 1966년 최초의 궤도를 선회하는 관측소 OAO를 발사했다. 하지만 OAO-1의 배터리가 3일 만에 고장 나 임무는 중단됐다. 그 후 OAO-2는 1968년에 발사되어 원래 계획된 수명 이후 정확히 1년 뒤인 1972년까지 여러 별과 은하의 자외선 관측을 실시했다.

허블 우주망원경은 본래 1986년 10월쯤 발사될 예정이었다. 그러나 챌린저호 참사로 인해 미국의 우주 프로그램 중단과 함께 우주왕복선 발사가 중단됐고 허블호의 발사는 몇 년째 지연됐다. 이 망원경은 발사 계획이 재설계될 때까지 깨끗한 방에 보관되어 있었고, 질소 확산 작업은 지속적인 전력으로 수행되었다. 매달 약 600만 달러의 유지비 지출이 더 증가했다. 역설적으로, 지연은 엔지니어들이 전체 장비에 대한 광범위한 테스트를 수행하고 쉽게 손상된 배터리를 교체하고 다른 개선 작업을 수행할 수 있게 했다. 1988년, 우주 왕복선 비행이 재개되었고 망원경의 발사는 1990년으로 예정되어 있다. 1990년 4월 24일, 우주 왕복선 디스커버리호는 STS-31 임무를 통해 망원경을 계획된 궤도로 성공적으로 발사했다.
허블망원경의 총비용은 당초 약 4억 달러(약 4억 원)로 추정됐으나 발사 당시에는 약 47억 달러로 확대됐다. 이는 출시 20년 만인 약 100억 달러(약 100억 원)에 해당하는 비용이다.

 

허블망원경의 과학적 발견

허블 우주망원경은 한동안 풀리지 않았던 천문학 문제를 해결하는 데 도움을 주었다. 반면 새로운 문제를 제기했지만 그중 일부를 설명하려면 새로운 이론이 필요했다. 허블의 주요 임무 중 하나는 이전에 관측된 것보다 더 높은 정확도로 파편 운석으로부터의 거리를 측정하고 허블 상수의 측정 범위를 제한하는 것이었다. 허블 상수는 우주의 팽창 속도를 보여주는 차원이며, 우주의 나이와도 관련이 있다. 허블 상수의 측정값은 일반적으로 HST가 발사되기 전까지 최대 50%의 오차가 있는 반면, 처녀자리 은하단 속의 세페이드 변광성을 이용한 허블망원경의 측정값은 10%의 오차가 있다. 이 값은 허블이 발사된 후 다른 측정 방법을 사용하여 계산한 정확한 측정값과 일치했다. 과학자들은 허블 망원경이 발사되기 100억 년에서 200억 년 전으로 우주의 나이를 추정했었다. 허블을 이용해 측정한 우주의 나이는 현재 약 137억이다

 

허블망원경의 초기 문제점

망원경 발사 몇 주 후에 얻은 사진들은 광학계에 심각한 문제가 있다는 것을 보여주었다. 첫 번째 사진은 다른 어떤 지상 망원경보다 선명한 영상을 보여주었지만, 허블 망원경은 최종 디자인에 집중하지 못했고 최고 해상도는 예상보다 훨씬 낮았다. 불량 사진을 분석한 결과 주걱이 잘못된 모양으로 윤이 난 것으로 드러났다. 거울은 당시 가장 정밀하게 디자인된 광학 거울로 표면 높이 차이가 약 10 나노미터였지만, 의 자기장 미터로 약 2,200 나노미터로 매우 평평했다. 이러한 차이는 치명적이기 때문에 메치(mecchi)는 거울의 끝에서 반사된 빛의 초점이 거울의 중심에서 반사된 빛의 초점과 일치하지 않는 결함(즉, 구면 일탈)을 일으켰다. 이 사실은 허블이 계획한 거의 모든 우주관측계획이 불가능하다는 것을 의미했다. 우주 프로그램을 진행하기 위해서는 멀고 막연한 사물을 관찰해야 하기 때문이다. NASA와 허블망원경은 외부에서 비웃음을 받았고, 우주망원경 프로젝트는 외면당했다. 그러나 허블 망원경은 임무 시작 후 3년 동안 광학적 보정 없이 수요가 적은 표적에 대해 많은 관측을 해왔다. 맑고 안정적인 망원경의 결함으로 천문학자들은 디콘 볼루션과 같은 최신 비디오 처리 키스 룰을 통해 거울의 결함을 교정할 수 있었다.