적외선 천문학 시작 유럽의 본격적인

적외선 천문학의 시초 적외선 천문학은 대체로 파장이 0.75~300마이크로미터인 적외선(Infrared) 복사를 이용하여 천체를 관측, 분석하는 천문학의 한 분야이다. 적외선 천문학은 천왕성의 발견으로 유명한 윌리엄 허셜이 1800년 적외선을 발견하면서 시작됐으며 20세기 중반이 되자 천문학자들은 가시광선이 아닌 파장에서도 의미 있는 천문학 데이터를 얻을 수 있다는 사실을 발견하면서 적외선 천문학이 활기를 띠기 시작했다.

다른 모든 형태의 전자복사와 마찬가지로 적외선은 보다 자세한 우주를 연구하는 데 이용한다. 덧붙여서 파장이 짧은 적외선을 이용하는 근적외선 천문학의 경우는 가시광선 천문학과 상당히 비슷하다. 따라서 초기에는 대부분 적외선 천문학 임무는 가시광선 천문학 임무와 겹치곤 했다.

적외선 천문학의 특징 적외선은 지구 대기의 수증기에 의해 흡수된다. 따라서 대부분의 지구 적외선 망원경은 대기의 수증기보다 높고 건조한 곳의 고지대에 존재한다. 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: Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy)와 같은 미션도 존재한다.

예산이 물론 뒷받침되면 같은 이유로 적외선 망원경의 가장 이상적인 장소는 우주다. 허셜 망원경(Herschel Space Observatory)이나 슈피처 망원경(Spitzer Space Telescope), 그리고 광역적외선 탐사위성(Wide-field Infrared Survey Explorer주로 약자를 이용해 와이즈라고 부른다) 등으로 대표되는 우주망원경이 그 예이다.

적외선을 중점적으로 감지한 우주망원경의 시초로는 적외선 천문위성(IRASInfra Red Astronomical Satellite)이 꼽힌다. 위미션은 1983년 관측을 시작해 베가 별 주위를 둘러싼 먼지 원반을 가리키는 베가 현상(Vega Phenomenon)을 발견하고 이를 통해 우주 내 먼지 원반의 존재를 처음 알린 망원경이다. 또 곧 발사될 제임스 웹 우주망원경(JWSTJames Webb Space Telescope)도 적외선을 중점적으로 이용한 관측을 실시할 전망이다.

적외선 천문학의 장점이라면 가시광선에 가려진 아름다운 우주의 영역을 탐색할 수 있다는 점이다. 적외선은 대개 50~120K의 먼지에 민감하지만 먼지는 우주의 많은 부분을 가리고 있어 연구가치가 충분하다. 예를 들어 우주 역사에서 일어난 대부분의 별 형성은 빛을 흡수한 뒤 가열된 먼지구름의 존재가 적외선 관측을 통해 드러나면서 관측됐다. 앞서 말한 베가 현상도 태양광을 흡수해 재방출하는 먼지가 적외선으로 가장 빛날 수 있었던 천문학적 사건이었다.

유럽 최초의 대형 적외선 천문학 관측 대성공 후 IRAS는 1983년 미국, 네덜란드, 그리고 영국이 처음으로 적외선 파장으로 모든 하늘을 관측하는 대형 적외선 미션이었다. 약 350,000개의 적외선 소스를 정확히 관측하였으며 이는 유럽 우주국을 자극하기에 충분했다. 이미 IRAS 발사 전부터 계획이 진행되고 있던 ISO(Infrared Space Observatory)도 유럽의 대형 천문학 프로젝트로서 유럽우주국의 제안을 받아 본격적으로 시작되었다. 12마이크로미터 파장으로 비교할 경우 ISO 민감도는 IRAS보다 1,000배 향상되었으며 해상도는 100배 이상 향상되었다. 이를 기반으로 약 30,000개의 적외선 소스에 대한 상세한 관측을 시작할 목적으로 시작된 미션이다.

ISO 망원경 상상도 © ISO / ES A

ISO 미션은 프랑스 독일 네덜란드 영국의 과학자들을 중심으로 임무 시작을 알렸다. 자그마비가 훨씬 넘는 예산문제로 인해 ISAS(현재 JAXA의 전신이며 일부) 및 NASA와의 협력을 개시하였고 이를 계기로 유럽과 일본은 깊은 협력관계가 되었다. 위성의 설계 및 개발은 1986년에 Aerospatiale의 우주사업부(현재 Thales Alenia Space에 흡수됨)가 담당하고, 최종 조립은 Cannes Mandelieu Space Center에서 이루어졌다.

1995년 11월 17일, 프랑스령 기아나의 Guiana 우주 센터내의 ELA-2 발사대에서 Ariane 44P 로켓 발사체와 함께 ISO 미션이 시작되었다. 로켓은 ISO 망원경을 타원형의 지구 중심궤도에 성공적으로 배치했고 ISO 망원경은 24시간마다 지구 주위를 한 바퀴 돌며 우주를 관측하기 시작했다.

ISO 페이로드 ISO는 대형 액체 헬륨 저온유지장치를 탑재해 민감도가 크게 높아진 60 크기의 Richey-Chretien 망원경을 관측에 이용해 총 4개의 기기를 포함한 2.5240마이크로미터 파장의 적외선을 이용해 우주를 관측하도록 설계됐다.

ISO 망원경의 구성도 © ISO / ES A

두 개의 감지기가 탑재됐으며 2.517마이크로미터 파장에서 고해상도 관측을 수행한 적외선카메라(ISOCAM)는 우주를 적외선으로 볼 때 어떤 모습을 보이는지를 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 여러 천체의 화학적 구성을 비롯해 다양한 적외선 천체 연구를 위해 시작된 만큼 화학적 성분을 자세히 분석할 수 있는 분광계도 탑재됐다. 2.4~45마이크로미터 파장에서 우주의 화학성분, 밀도 및 온도에 대한 정보를 제공한 분광계인 단파분광계(SWS)와 45~196.8마이크로미터의 장파장파분광계(LWS)는 주로 별 사이의 차가운 먼지구름을 관측했다.

4개의 관측기기는 망원경 주경 바로 뒤에 원형으로 배열돼 장착돼 최소 1개의 기기가 기본적으로 작동한 상태에서 관측이 진행됐다.

ISO가 남긴 과학적인 결과 ISO의 관측은 정말 대단했다. ISO는 평균적으로 1일 45회 관측을 실시했다. 약 3년간 성공적으로 우주를 관측한 ISO는 지구를 900회 이상 돌았고 이로써 총 26,000회 이상의 과학적 관찰을 성공시켰다. ISO가 남긴 방대한 양의 과학데이터는 1998년부터 대중과 커뮤니티에 공개되어 2006년까지 기본적인 분석이 계속되었다.

ISO는 최초로 주로 별 형성 지역과 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 과학자를 중심으로 늙어가는 별 주변에서 행성 형성이 감지됐지만 이는 그동안 젊은 별 주위에서만 행성 형성이 가능하다는 이론을 뒤집는 관측이었다.

늙어 죽어가는 별 주변에서 혹성의 형성이 감지되었다. © Waters et al. 1998 ISO는 플루오르화수소(Hydrogen fluoride)를 성간 가스 구름에서 처음 감지한 망원경이며, LWS 장비를 통해 항성 형성의 초기 단계인 pre-stellarcore L1689B를 최초로 발견한 망원경이다. LWS 장비를 이용해 적외선을 방출하는 매우 차가운 탄화수소로 이루어진 거대한 구름도 발견하며 이는 우주 전체의 에너지 균형에 영향을 미치는 일종의 은하 냉장고 역할을 한다고 한다.

플루오르화수소(Hydrogen fluori de)를 성간 가스 구름에서 발견하였다. © Neufeld et al. 1997년 또한 많은 천문학자들이 예측한 대로 은하 간의 빈 공간에서 대량의 우주 먼지를 발견했다.마지막으로 ISO는 행성 형성의 첫 단계로 간주되는 별 주위의 물질로 구성된 디스크와 같은 여러 개의 원시 행성 원반을 관측하면서 원시 행성계 원반 천문학의 장을 연 장본인이며 나이 든 별을 둘러싸고 있으며 주로 먼지로 구성된 다양한 먼지 원반도 활발하게 관측했다.