JWST – 제임스 웹 우주 망원경

우주를 더 깊이 들여다보다

예를 들어 일부 거대 프로젝트에는 다음과 같은 거대한 인프라가 포함됩니다. CERN 입자가속기의 직경 27km 원 또는 DUNE의 800마일 길이의 중성미자 실험.

어떤 프로젝트들은 규모가 아니라 엄청난 복잡성, 비용, 그리고 우주에 대한 우리의 이해를 얼마나 혁신적으로 바꿀 수 있는지 때문에 메가프로젝트로 분류될 수 있습니다.

이에 대한 좋은 예는 제임스 웹 우주 망원경(JWST)입니다. 이 적외선 우주 기반 망원경은 지금까지 만들어진 것 중 가장 강력하고 가장 큽니다. 이 망원경은 1961년부터 1968년까지 머큐리, 제미니, 아폴로 프로그램 동안 NASA의 전설적인 관리자였던 제임스 E. 웹에서 이름을 따왔습니다.

출처: NASA

JWST는 너무 강력해서 우주에서 최초로 점화된 별을 관찰하고 잠재적으로 거주 가능한 외계 행성을 찾는 데 도움이 될 수 있습니다. 그리고 이러한 결과를 얻기 위해 과학자와 엔지니어는 망원경이 달성할 수 있는 한계를 넓히기 위해 경이로운 노력을 기울였습니다.

왜 우주에 망원경을 설치할까?

제임스 웹 우주 망원경에 대해 가장 먼저 알아야 할 것은 그것이 애초에 우주에 있어야 하는 이유입니다. 결국, 복잡한 기계를 우주로 들어올리는 것은 지구에서 같은 것을 만드는 것보다 훨씬 더 어렵습니다.

망원경은 대기권을 벗어나면 빛 공해, 대기 난류, 물론 구름과 기상 패턴의 방해를 받지 않고 우주를 관찰할 수 있습니다.

이것이 지상 기반 망원경에 비해 상대적으로 작은 허블 망원경이 그렇게 좋은 성능을 보인 이유입니다. 하지만 이것은 JWST에게 특히 중요했습니다. 이 망원경은 가시광선이 아니라 적외선을 측정하기 때문입니다.

지구 대기의 수증기는 적외선을 흡수합니다. 지상 기반 적외선 망원경은 가시성을 높이기 위해 고산지대나 매우 건조한 기후에 설치되는 경향이 있지만, 이는 여전히 이상적인 방법은 아니며 관측 가능한 범위에 근본적인 한계를 초래합니다.

JWST는 우주 기반 적외선 망원경 계열에서 최신이자 가장 강력한 제품입니다. 적외선 천문 위성 (IRAS) 스피처 우주 망원경및 광시야 적외선 측량 탐색기 (지혜로운).

JWST는 2021년 프랑스령 기아나의 프랑스 아리안 5 발사체에 실려 발사되었습니다. 한 달 후, 지구에서 약 2만 킬로미터(1.5마일) 떨어진 목적지인 태양-지구 L930,000 라그랑주 지점에 도착했습니다.

라그랑주 포인트는 지구 궤도에 있지 않음에도 불구하고 지구와 비교하여 일정하게 유지되는 공간의 위치입니다. 현재 또 다른 라그랑주 포인트(L1)가 사용됩니다. DSCOVR: 심우주 기후 관측소.

출처: NOAA

JWST의 위치는 지구와 태양 방향만 아니라면 일년 내내 하늘의 거의 모든 지점을 관측할 수 있다는 걸 의미합니다. 웹은 언제나 하늘의 39%를 볼 수 있습니다.

왜 적외선 관찰을 사용하나요?

먼 물체

우주의 매우 먼 물체의 경우, "적색 편이"라는 현상이 발생하여 빛이 적외선 쪽으로 이동합니다. 따라서 우주의 매우 깊은(따라서 매우 오래된) 부분을 관찰하려면 빛 스펙트럼의 적외선 부분에서 수행해야 하는 경향이 있습니다.

출처: 사이 테크 데일리

이런 현상 때문에 허블은 최초의 은하가 형성될 당시의 먼 거리와 과거를 볼 수 있었습니다. 적외선을 들여다보면 JWST는 최초의 별이 형성될 당시의 우주 역사만큼 멀리 볼 수 있습니다.

외계 행성

적외선 관측은 이번에 외계 행성 분석과 관련하여 또 다른 장점이 있습니다. JWST는 코로나그래프라는 시스템을 탑재할 예정입니다. 이것은 별에서 오는 빛을 차단하여 작은 외계 행성처럼 궤도를 도는 덜 밝은 물체를 더 잘 볼 수 있게 해줍니다.

외계 행성의 이미지는 단지 점일 뿐이고, 웅장한 파노라마는 아니다.

출처: NASA

그래도 그 지점에서 나오는 빛은 분광학이라는 방법을 통해 분석할 수 있는데, 이를 통해 이러한 외계 행성의 대기 구성을 알 수 있습니다. 적외선 파장에서 외계 행성의 대기 분자는 가장 많은 스펙트럼 특징을 가지고 있으므로 가시광선을 사용할 때보다 훨씬 더 많은 정보를 얻을 수 있습니다.

출처: ESA

이 방법을 통해 우리는 다른 태양계의 행성에 물과 CO가 있는지 확인할 수 있을 뿐만 아니라₂ 하지만 외계 생명체의 징후일 수 있는 메탄, 암모니아, 복잡한 분자도 있습니다.

JWST와 허블 비교

관찰 능력과 관련해서, JWST는 주로 근적외선에 초점을 맞추었지만, 사용하는 장비에 따라서는 주황색과 적색 가시광선, 그리고 중적외선 범위도 볼 수 있습니다.

허블보다 100배 덜 밝은 물체를 감지할 수 있습니다. 그리고 많은 경우, 허블이 처음에 밝힌 물체를 다시 살펴보고 그에 대한 새로운 통찰력을 얻는 데 사용됩니다.

그러나 적외선 이미지는 파장이 길어 가시광선보다 본질적으로 선명도가 떨어지기 때문에 이미지의 선명도는 허블과 유사할 것입니다.

두 상징적인 망원경의 또 다른 차이점은 JWST가 가스 구름을 투과하여 가시광선은 차단하지만 적외선은 차단한다는 것입니다. 따라서 JWST가 독수리 성운에 있는 유명한 창조의 기둥 사진을 촬영하면 기둥 안과 주변에 많은 별들이 드러납니다.

출처: 웹 망원경

JWST 사양

JWST는 6.5개의 육각형 거울로 구성된 21m(18피트) 금도금 베릴륨 주경을 탑재하여 상징적인 모습을 자랑합니다.

이 거울들 각각의 무게는 20kg(44파운드)입니다. 100나노미터 금 코팅은 적외선 반사를 제공하고 유리로 덮여 있어 충분히 내구성이 있습니다. 이를 통해 허블보다 6배 더 큰 광 수집 영역이 생깁니다. 총 48.25g(1.7온스)의 금만 사용되었습니다.

출처: NASA

허블과는 달리 웹은 지구와의 거리가 멀기 때문에 우주인이 서비스하도록 설계되지 않았습니다. 결과적으로 모든 중요한 하위 구성 요소는 예를 들어 두 개의 근적외선 카메라와 같이 이중이거나 거울처럼 수년간 지속되도록 설계되었습니다.

JWST는 최소 5년 이상 지속될 것으로 예상되며, 목표는 10년 운영입니다. 그러나 총 20년 동안 라그랑주 지점에 머물 수 있는 추진제가 충분하므로, 핵심 부품이 고장나지 않는다면 더 오래 지속될 수 있습니다.

JWST 예산

총, 제임스 웹 우주 망원경의 제작 비용은 11억 달러가 넘었습니다., NASA가 이 프로젝트에 대해 처음 추정한 금액의 10배 이상입니다. 이 가격표 폭발 2010년대에 프로젝트의 실행 가능성을 위협했습니다.당시 예산이 "겨우" 6.5억 달러로 폭증했기 때문입니다.

원래는 2014년에 출시할 계획이었으나 7년이나 늦어지면서 비판도 커졌습니다.

그는 오후 전화 회의에서 기자들에게 "문제의 근본적인 원인은 (프로그램이 공식적으로 승인된 2008년 XNUMX월) 당시 프로젝트 사무실에서 NASA에 제시한 예산에 기본적으로 결함이 있었다는 것입니다."라고 말했습니다.

예산에는 그 당시 프로젝트가 알고 있던 내용이 전혀 들어 있지 않았습니다. 그래서 돈의 관점에서 보면 작업을 수행하기에 충분하지 않았습니다."

NASA 제트 추진 연구소의 널리 존경받는 프로젝트 매니저인 John Casani

이 프로젝트는 설계 및 건설에 거의 2년이 걸렸지만, NASA 연간 예산의 3%를 넘지 못했습니다. 그러나 1년부터 3년까지 NASA 천체물리학부 예산의 2003분의 2021을 사용했습니다.

그리고 이제 JWST가 천문학 역사상 가장 인상적이고 성공적인 프로그램 중 하나가 되면서 이러한 논쟁의 대부분은 잊혀지고 있습니다.

JWST의 놀라운 엔지니어링

체중 감량

JWST 설계자들이 해결해야 할 첫 번째 문제는 그렇게 큰 거울이 너무 무거울 것이라는 것이었습니다. 허블의 디자인을 재사용했다면 우주로 발사하기에는 너무 무거웠을 것입니다.

이것이 강하고 충분히 가벼운 베릴륨을 사용하기로 한 이유입니다. 또 다른 요인은 깊은 우주의 극한 온도로, 거울의 필요한 매우 정밀한 곡률을 모양에서 벗어나게 할 수 있었습니다.

베릴륨은 여기서도 좋은 선택이었습니다. 왜냐하면 정말 추울 때는 모양이 바뀌지 않기 때문입니다. 그래서 거울은 "잘못된" 각도로 제조되었는데, 우주의 추위에 노출되면 의도한 최종 모양으로 정확히 구부러질 것입니다(-233°C/-388°에프).

출처: JWST

각 거울은 궁극적으로 인간 머리카락 두께의 1/10,000에 해당하는 정밀도로 정렬될 것입니다.

망원경의 뼈대에는 복합재와 같은 초경량 소재가 선택되어 무게를 약간 더 줄일 수 있었습니다.

출처: NASA

접는

또 다른 중요한 문제는 이 설계에 필요한 망원경 거울의 크기가 어떤 가용한 로켓에도 맞지 않는다는 것입니다.

그래서 일찍부터 선쉴드와 거울을 포함한 구조 구성 요소를 하나하나 펼치기로 결정했습니다. 전체를 효율적으로 접고 안정적으로 펼치는 방법은 여전히 ​​걱정거리였습니다.

NASA 과학자들은 종이를 접는 일본의 예술인 오리가미에서 영감을 얻었으며, 최종적으로 육각형 오리가미 패턴을 선택했습니다.

이것은 제임스 웹 디자인 팀에게 매우 위험한 결정이었습니다. 이렇게 복잡한 전개는 전에 한 번도 없었기 때문입니다. 그리고 실패하면 전체 프로젝트가 망가졌을 것입니다.

이 짧은 JWST 비디오에서 전개가 단계별로 어떻게 진행되는지 확인할 수 있습니다.

선 실드

망원경이 적외선으로 목표물을 관찰하므로, 태양열로부터 망원경을 보호하는 것은 거울을 충분히 밝게 하고 적절히 펼치는 것만큼 중요합니다.

JWST의 차양막은 315겹의 절연체 덕분에 망원경의 뜨거운 면과 차가운 면의 온도 차이를 거의 600°C/5°F로 유지합니다.

차양막은 테니스장만큼 크고, 알루미늄과 도핑된 실리콘 코팅이 된 Kapton E(폴리이미드 필름) 층으로 만들어져 태양열을 우주로 반사시킵니다.

출처 : NASA

통신

JWST는 NASA의 심우주망(Deep Space Network)을 통해 데이터를 전송하고 지구로부터 지시를 받습니다. 이 통신은 캔버라, 마드리드, 골드스톤에 위치한 지상국을 통과합니다.

웹은 매일 최소 57.2기가바이트의 기록된 과학 데이터를 다운링크할 수 있으며, 최대 데이터 전송 속도는 초당 28메가비트입니다.

출처: 웹 망원경

기타 구성 요소

망원경의 나머지 부분도 하이테크와 고성능이었습니다. 몇 가지 장비에 대해 명예로운 언급을 할 수 있습니다.

• 냉동기: JWST의 중적외선 (MIRI) 센서 -266.15°C/-447°F에서 작동해야 하는데, 이는 우주의 깊이보다 더 차가웠습니다. 그래서 기기를 식히기 위해 추가 냉각 시스템을 추가해야 했습니다.
• 백플레인: 망원경의 중추 무게는 2.4톤(5,300파운드)이고 망원경이 선명한 사진을 찍는 데 필요한 절대적인 무동작 위치를 제공합니다. 인간 머리카락 직경의 32/1인 10,000나노미터까지 안정적으로 작동하도록 설계되었습니다.
• 마이크로 셔터: 248,000개의 작은 문으로 이루어진 이 그리드 개별적으로 열고 닫아서 빛을 투과시키거나 차단할 수 있습니다. 이를 통해 JWST는 별이나 은하계에서 수백 개의 개별 물체를 동시에 관찰할 수 있습니다. 결과적으로 JWST는 주어진 시간 동안 훨씬 더 많은 관찰을 수행할 수 있습니다.

JWST의 성과

JWST는 불과 몇 년 동안 운영되었지만 천문학자들이 우주를 이해하는 방식을 이미 완전히 바꿔 놓았습니다. 따라서 이미 한 모든 것을 나열하는 것은 거의 불가능하지만 몇 가지 스토리는 더 강조할 가치가 있습니다.

새로 형성된 탄소의 확산

JWST는 우리 은하에서 불과 5,000광년 떨어진 곳에서 탄소가 풍부한 먼지를 생성하는 두 개의 별을 식별했습니다. 두 별의 충돌하는 태양풍이 은하계로 새로 형성된 탄소를 퍼뜨려 형성된 동심원 구형 "껍질"을 발견했습니다.

출처: 웹 망원경

모든 껍질은 초당 1,600마일(초당 2,600킬로미터) 이상의 속도로 별에서 멀어지고 있습니다. 이는 빛의 속도의 거의 1%입니다. 이 시스템에서 천문대는 먼지 껍질이 XNUMX년에서 다음 해로 확장되고 있음을 보여줍니다.

망원경의 중적외선 이미지는 130년 이상 지속된 껍질을 감지했습니다. 오래된 껍질은 너무 희미해서 감지할 수 없습니다.”

덴버 대학교의 공동 저자이자 교수인 Jennifer Hoffman

우리 태양계 가장자리에 있는 활동적인 천체들

JWST는 해왕성 근처의 혜성과 비슷한 얼음 천체인 "센타우르 29P/슈바스만-바흐만"에서 가스 분출을 감지했습니다.

그들은 일산화탄소(CO)의 새로운 분사와 이전에는 볼 수 없었던 이산화탄소(CO2) 가스 분사를 발견했는데, 이는 항성 핵의 본질에 관한 새로운 단서를 제공합니다.

출처: 웹 망원경

근처 외계 행성의 이미지

JWST는 우리로부터 불과 12광년 떨어진 외계 행성 Epsilon Indi Ab의 직접 이미지를 포착했습니다. 이 행성은 목성의 몇 배의 질량을 가지고 있으며, 우리 태양과 다소 비슷한 별 주위를 공전하고 있습니다.

직접 감지된 가장 차가운 외계 행성 중 하나로, 추정 평균 기온이 2°C/35°F입니다(참고로 지구의 평균 기온은 15°C(59°F)입니다).

"차가운 행성은 매우 희미하고 대부분의 방출은 중적외선에 있습니다.

조금 더 따뜻하고 질량도 더 크지만 지금까지 촬영된 다른 행성들보다 목성과 더 비슷합니다."

독일 막스 플랑크 천문학 연구소의 엘리자베스 매튜스.

행성을 형성하는 복잡한 분자

오리온 성운에서 1,350광년 떨어진 별 주위에 형성되는 원시 행성 원반에서 JWST는 메틸 양이온(CH3+)을 감지했습니다.

한편, 외계 행성 K2-18 b는 수소가 풍부한 대기와 물로 덮인 표면을 가질 수 있는 잠재력을 가진 하이케아 외계 행성일 가능성이 있습니다.

지구와 해왕성 사이의 크기를 가진 K2-18 b와 같은 외계 행성은 우리 태양계의 어떤 것과도 다릅니다. 우리의 연구 결과는 다른 곳에서 생명체를 찾는 데 다양한 거주 가능 환경을 고려하는 것의 중요성을 강조합니다.”

캠브리지 대학의 천문학자 Nikku Madhusudhan

JWST는 또한 행성 대기에서 여러 가지 탄소 화합물을 발견했고, 심지어 디메틸설파이드도 발견했습니다.

출처: NASA

태양계 밖에서 처음으로 JWST가 발견되었습니다. 에탄(C2H6) 뿐만 아니라 에틸렌(C2H4), 프로핀(C3H4) 및 어린 별 주위의 메틸 라디칼 CH3.

또한 별 합병에서 발생한 중원소를 최초로 감지하여, 역사상 두 번째로 밝은 감마선 폭발, 즉 킬로노바를 관측했습니다. JWST 과학자들은 이 폭발의 여파에서 텔루륨을 검출했습니다.

지금까지 발견된 가장 먼 (고대) 블랙홀

JWST는 NASA의 찬드라 X선 관측선과 협력하여 빅뱅 이후 470억 XNUMX천만 년 만에 성장하는 블랙홀을 감지했습니다. JWST는 은하를 발견했고, 찬드라는 블랙홀 자체를 발견했습니다.

출처: NASA

우리는 이것이 거대한 가스 구름의 붕괴로 직접적으로 형성된 '대형 블랙홀'을 감지한 첫 번째 사례라고 생각합니다.

우리는 처음으로 초거대 블랙홀이 뒤처지기 전에 은하계 별과 비슷한 무게를 갖는 짧은 단계를 보고 있습니다."

예일대학교 프리얌바다 나타라잔(Priyamvada Natarajan)

JWST의 미래

JWST는 외계 행성을 발견하고 분석한 후 외계 위성을 찾아 나섭니다. 우리는 이런 행성체가 존재한다는 것을 알고 있으며, 어떤 경우에는 지구보다 더 클 수도 있지만, 이를 감지할 만큼 민감한 기구는 없었습니다. 목성과 같은 기체 거대 외계 행성이 주요 후보입니다.

JWST는 또한 초거대 블랙홀과 퀘이사, 즉 빛의 속도로 극에서 튀어나온 블랙홀을 조사할 것입니다. 망원경은 이러한 별 현상의 아주 초기 표본에 초점을 맞출 것입니다.

마지막으로, 은하와 우주의 대규모 구조를 아주 초기에 연구하면 수십 년 동안 과학자들이 이해하지 못했던 암흑 물질과 암흑 에너지의 본질에 대한 새로운 통찰력을 얻을 수 있습니다.

JWST의 주요 민간 계약자

노스 롭 그루먼 항공 우주 시스템

JWST와 같은 프로젝트는 거의 항상 국제 협력의 결과입니다.이 경우에는 NASA, ESA, 캐나다 우주국이 참여합니다.

이 프로젝트에는 민간 부문의 많은 계약자들이 참여했는데, 가장 유명한 것은 항공우주 및 방위 기업인 노스롭 그러먼이었습니다.

노스럽 그러먼은 다음의 창조로 가장 유명합니다. 상징적인 B-2 스텔스 전략 폭격기각각 20억 달러에 가까운 비용이 듭니다. 이 XNUMX년 이상 된 디자인 아직 개발 중인 B-21로 대체될 예정.

이 회사는 최첨단 제임스 웹 우주 망원경 작업에서 알 수 있듯이 우주 기술의 최전선에 있습니다. 이 회사는 대부분의 수익을 우주 및 항공 시스템에서 얻습니다.

출처: 노스 롭

또 다른 대규모 부문은 광범위한 센서, 사이버 방어 소프트웨어, 보안 통신을 포괄하는 임무 시스템 부문입니다. C4ISR(지휘, 통제, 통신, 컴퓨터, 정보, 감시 및 정찰).

또한 소구경 탄약부터 유도 발사체, 대구경 탄약까지 다양한 탄약을 생산하는 주요 생산국입니다.

노스럽 그루먼은 첨단 무기 공급업체로서의 입지를 굳건히 하고 있습니다. 자율 무기 시스템의 개발 및 배치:

• X-47B, 꼬리가 없는 전투기 크기의 무인 항공기.
• 헬리콥터 드론 소방 정찰대.
• 감시 드론 글로벌 호크 MQ-4C 트리톤.
• 해상 드론 만타 레이 AQS-24B/C 기뢰 탐지 시스템.
• 배트 무인 항공기 시스템(UAS)다양한 임무에 대응 가능하고 지속적이며 저렴한 전술 무인 항공 시스템입니다.

출처: 노스 롭

회사는 발전의 가장자리에 있습니다. 직접 에너지 무기(레이저), 전자전, 안티 드론 시스템글렌데일 대륙간 탄도 미사일.

투자 및 재무 관점에서 Northrop Grumman은 12년 이후 배당금을 2014% CAGR로 늘렸고, 주식 수도 31% 줄였습니다. 이로 인해 2.6년에 2023억 달러의 배당금과 주식 재매입이 이루어졌고, 회사는 2.1억 달러의 자유 현금 흐름을 창출했습니다.

노스롭 그루먼의 매출은 거의 전적으로 미국 국방 예산에서 발생하는데, NASA가 매출의 3%를 차지하고 해외 판매가 12%를 차지합니다.

출처: 노스 롭

RTX 및 록히드와 같은 회사가 미 공군의 펀치(전투기, 미사일, 대공 방어)의 대부분을 제공하는 반면 Northrop Grumman은 우주에서 통합 지휘 및 스텔스 중폭격기에 이르기까지 가장 진보된 역량을 제공하고 있습니다.

그리고 곧 첨단 드론, 전자전, 에너지 무기의 중요한 부분이 될 수도 있습니다.

드론과 전자전의 중요성이 커짐에 따라, 노스럽은 미국의 공격 및 방어 역량에서 점점 더 핵심적인 역할을 하게 될 것입니다. 그리고 노스럽의 새로운 스텔스 폭격기는 러시아와 중국처럼 긴장이 매우 높은 경쟁국들과의 경쟁에서 우위를 점하는 데 중요한 역할을 할 것입니다.