최근에는 새해를 우아하게 축하하는 사람들이 많아지고 있으며, “춘절 기간에 전시회를 관람하는 것”과 “예술로 새해를 축하하는 것”이 새로운 추세가 되었습니다. 예를 들어, 2023년 춘절 기간에는 상하이 박물관에서 열린 토끼의 해 춘절을 환영하기 위해 많은 상하이 시민과 관광객들이 '옥토끼요정' 특별전시회를 찾았습니다. 2024년 설날이 점점 가까워지고 있습니다. 전시를 관람할 예정이라면, 우주 수백 광년 떨어진 머나먼 우주에 장엄한 성운 '미술 전시회'가 있다는 사실을 알고 계셨나요?
이런 '미술 전시회'를 우리에게 보여줄 만큼 대단한 능력을 가진 사람은 누구일까요? 그 유명한 '제임스 웹 우주망원경'입니다.
01 허블의 후계자: 제임스·웹 우주 망원경
제임스 웹 우주 망원경(JWST, 이하 웹 망원경)은 NASA, 유럽 우주국(ESA) 및 캐나다 우주국(CSA) 간의 협력으로 만들어졌습니다. 허블 우주 망원경의 후속 제품인 이 망원경은 현재 세계에서 가장 복잡하고 값비싼 천체 망원경입니다. 4가지 과학 장비를 갖추고 있습니다:근적외선 카메라(NIRCam), 근적외선 분광계(NIRSpec), 중적외선 기기(MIRI), 정밀 유도 센서/근적외선 이미저 및 심리스 분광계(FGS/NIRISS). 이 장비들의 이름에서 알 수 있듯이 허블 망원경과 달리Webb 망원경은 주로 적외선 대역을 관찰합니다.(그림 1 참조),인간의 눈으로 볼 수 있는 가시광선 대역보다 더 큰 파장. 주요 업무는 다음과 같습니다빅뱅 이후 형성된 1세대 은하를 탐색하고, 은하의 진화를 연구하고, 별과 행성계의 탄생 과정을 관찰하고, 태양계 행성과 외계 행성의 화학적 조성을 측정하여 그 안에 생명체가 존재할 가능성을 탐구합니다..
그림 1. 허블 및 웹 우주 망원경 관측 대역(이미지 출처: webbspacetelescopemediakit/NASA)
Webb 망원경의 강력한 주경(직경 6.5미터)은 전례 없는 해상도와 감도를 제공할 수 있습니다. 사람들은 그것이 우주에 대한 더 명확하고 웅장한 그림을 우리에게 제시할 것으로 기대합니다. 2022년 7월, Webb 망원경의 첫 번째 과학 이미지가 공개되었습니다. 여기에는 가스와 먼지로 가득 찬 성운인 용골 성운(그림 2의 오른쪽 상단)이 포함되어 있습니다. 많은 네티즌들은 첫 번째 과학 이미지 중 가장 아름다운 것으로 간주했습니다. 작가님이 제 컴퓨터 바탕화면으로 사용하셨네요. 2023년 7월, 과학 운용 1주년을 기념하기 위해 Webb 망원경은 놀라운 성운 이미지인 뱀주인자리 로 구름(그림 3)을 공개했습니다. 이 이미지는 인상파 그림과 닮아 네이처 매거진이 선정한 2023년 과학 이미지 톱 10 중 하나로 선정됐다. 웹 망원경은 마치 우주 속의 모네처럼 우주의 빛과 그림자의 아름다움을 생생하게 보여준다.
그림 2. Webb 망원경이 공개한 최초의 과학 이미지. 왼쪽 위: 두 개의 적외선 띠로 보이는 남반부 고리 성운; 오른쪽 위: 용골 성운(NGC 3324)의 모퉁이; 왼쪽 아래: 스티븐의 5중주; 오른쪽 아래: 은하단 SMACS0723. (NASA, ESA, CSA 및 STScI의 사진)
그림 3. 웹 망원경으로 포착한 뱀주인자리 성운의 한 모서리. 각 별의 눈부신 6개 별빛 폭발은 웹 망원경의 주 거울과 보조 거울의 구조로 인해 발생합니다. (NASA, ESA, CSA, STScI, Klaus Pontoppidan(STScI), Alyssa Pagan(STScI)의 사진)
02 웅장한 성운: 별 탄생의 요람
웹 망원경으로 포착한 용골자리 성운과 뱀주인자리 성운은 모두 별이 탄생하는 지역, 즉 별이 탄생하는 지역입니다.이러한 하늘 지역을 관찰하는 것은 웹 망원경의 핵심 과학적 목표 중 하나이며, 별 탄생의 비밀을 우리에게 밝혀줄 것으로 예상됩니다.. 뱀주인자리 성운은 우리에게 가장 가까운 별 형성 지역으로 약 390광년 떨어져 있습니다. 천문학자들은 그렇다고 믿는다.거대한 분자 구름은 수천 또는 수백만 개의 별로 붕괴될 것입니다. 이 분자 구름은 별을 형성하는 지역입니다. 그들은 주로 약 70%의 수소, 28%의 헬륨 및 소량의 기타 원소로 구성됩니다.. 분자구름의 전형적인 규모는 수십~수백 광년이고 질량은 수만~수백만 태양질량이며 온도는 섭씨 영하 250도 정도로 매우 낮다. 이러한 분자 구름은 균일한 전체가 아니며 내부에 복잡한 구조가 많이 있습니다. 분자 구름이 붕괴하려면 중력 불안정성이 필요하며, 이는 난류, 회전 및 자기장의 효과와 함께 별과 성단이 형성되는 지역인 분자 구름 덩어리의 공간 및 질량 분포를 결정합니다.많은 분자 구름 클러스터 또는 하위 클러스터가 함께 붕괴되므로 별은 그룹으로 탄생합니다., 대가족의 형제 자매처럼 시간이 지남에 따라 여기저기로 흩어졌습니다.천문학자들은 우리 태양에 수천 명의 형제가 있다고 추정합니다..
분자구름 덩어리가 붕괴되면서 중심의 온도가 점차 상승해 원시성이라는 물체가 형성된다. 이 원시별은 중심부 온도가 핵반응을 지속할 만큼 높지 않기 때문에 아직 핵융합을 시작하지 않았습니다. 원시별은 중력에 의존하여 주변 가스를 강착시켜 강착 원반을 형성합니다(그림 4 참조).원시성의 질량이 계속 증가함에 따라 내부 온도와 압력은 점차 증가하여 결국 핵융합을 시작하고 별이 되기에 충분한 수준에 도달합니다.. 질량이 클수록 이 과정에 필요한 시간이 짧아집니다.태양질량 별의 경우 약 5천만년 정도인데, 이는 태양의 100억년 수명에 비하면 매우 짧은 초기 단계이다.. 원시성의 강착이 끝나거나 끝나려고 할 때, 강착원반에 남아 있던 가스와 먼지가 충돌하여 모여 핵을 형성하고, 주변의 가스와 먼지가 부착되어 결국 별 주위의 행성을 형성하게 됩니다.
그림 4. 20개의 서로 다른 원시별과 그 강착 원반. (사진 출처: ALMA(ESO/NAOJ/NRAO), S.Andrewsetal.;NRAO/AUI/NSF, S.Dagnello)
수십 년 동안 천문학자들은 성간 가스 성운이 별과 주변 행성으로 붕괴되는 일반적인 과정을 점차 이해해 왔지만 여전히 불분명한 세부 사항과 해결되지 않은 질문이 많이 있습니다. 이러한 질문에 대한 답은 태양계의 기원은 물론 생명의 기원에 대해서도 밝혀줄 수 있습니다. 따라서 웹 망원경은 별 형성 과정을 관찰하는 것을 핵심 과학적 목표 중 하나로 간주합니다.
03화려하고 화려한 별 요람,도대체 어떻게 찍은 걸까요?
별 탄생 지역은 빛을 차단하는 먼지로 가득 차 있어(안개 생각) 별 탄생 지역 내부와 별이 형성되는 모습을 자세히 볼 수 없습니다.적외선은 웹 망원경의 관측대인 이 먼지를 투과할 수 있습니다..따라서 허블망원경에 비해 웹망원경은 더 선명한 디테일(고해상도)을 가지고 있을 뿐만 아니라,) 또한 더 명확하게 볼 수 있습니다(먼지로 가려진 천체 참조). 그림 5의 왼쪽은 허블이 촬영한 유명한 "창조의 기둥"(독수리 성운의 작은 부분)입니다. 뿜어져 나오는 이 짙은 갈색 기둥은 먼지입니다. 오른쪽 사진은 웹망원경으로 촬영한 것과 같은 영역이다. Webb의 사진이 훨씬 더 투명하고 먼지로 가려진 많은 지역과 별이 허블 사진에서 드러나는 것을 볼 수 있습니다.
그림 5. 허블 망원경(왼쪽)과 웹 망원경(오른쪽)으로 포착한 독수리 성운의 일부. (NASA, ESA, CSA, STScI의 사진; Joseph DePasquale(STScI), Anton M. Koekemoer(STScI), Alyssa Pagan(STScI).)
인간의 눈은 적외선을 볼 수 없는데 왜 웹이 찍은 다채로운 사진을 그렇게 많이 볼 수 있습니까?실제로,우리가 일반적으로 보는 모든 색상은 여러 가지 기본색을 이용하여 합성이 가능합니다.예를 들어, 다양한 디스플레이 장치와 디지털 카메라는 빨간색, 녹색, 파란색의 삼원색을 사용하여 다른 색상을 합성합니다. 프린터는 청록색, 빨간색, 노란색을 사용하여 다양한 컬러 사진을 합성합니다.천문관측에서 나타나는 색은 실제로 매우 좁은 띠에 해당하며, 하나의 띠에서 관찰하면 하나의 색을 볼 수 있다, 예를 들어 빨간색 렌즈를 사용하면 빨간색 세계를 볼 수 있는데 이는 빨간색 빛만 렌즈를 통과하는 것과 같습니다. 이런 종류의 렌즈를 천문학에서는필터.
Webb이 관찰한 뱀주인자리 성운(그림 3)의 경우 다음을 사용합니다.근적외선 카메라촬영, 총 사용5가지 유형의 필터사진을 개별적으로 찍은 다음 각 사진에 인간의 눈에 보이는 색상을 할당하고 마지막으로 우리가 볼 수 있는 멋진 "다채로운" 성운을 합성합니다. 그중에는 다음이 포함됩니다.
필터 F187N(중심 파장 1.874미크론)은 파란색으로 지정됩니다.
필터 F200W(1.990미크론)는 연한 파란색입니다.
필터 F335W(3.365미크론)는 청록색입니다.
필터 F444W(4.421미크론)는 노란색입니다.
필터 F470N(4.707미크론)은 빨간색입니다.
필터의 파장은 순차적으로 증가하며, 지정된 색상의 파장도 순차적으로 증가합니다..
그림 3에 촬영된 뱀주인자리 성운 지역에는 약 50개의 새로 태어난 별이 있으며, 그 중 대부분은 우리 태양과 크기가 비슷합니다.우리 태양계는 45억년 전에 이런 성운에서 탄생했을지도 모른다.. 왼쪽 아래 종유석 동굴처럼 구조물 중앙에 밝은 별이 있다. 이것은 이 지역에서 태양보다 훨씬 큰 유일한 별입니다. 이 젊은 별은 내면의 열정을 억제하지 못하고 타오르는 빛과 별풍을 방출합니다. 조각칼처럼 성운의 벽(먼지)을 조각하고 천천히 침식하여 우리가 보는 모습을 형성하는 것입니다. 이 공극은 또한 성간 매질에서 매우 흔한 탄화수소 유기 화합물의 일종인 PAH(다환 방향족 탄화수소)와 같은 희미한 청록색 안개 같은 가스로 채워져 있으며 방사선 특성은 약 3.3 마이크론입니다. 오른쪽 상단의 붉은 석순 같은 구조는 갓 태어난 아기가 처음으로 팔을 뻗은 것처럼 외부 껍질을 뚫고 반대 방향으로 제트기를 생성하는 새로 태어난 별입니다. 빨간색은 4.693 미크론 근처의 방사선 신호를 갖기 때문에 분자 수소로부터의 방사선입니다. 중앙 부분에는 대략 삼각형 모양의 어두운 부분이 있는데, 이는 먼지가 두꺼워 적외선도 차단하고 있음을 나타냅니다.
우주의 광대함은 그 웅장함과 광채로 인해 우리의 눈을 즐겁게 할 뿐만 아니라, 숨겨진 신비로 인해 우리가 참된 지식을 얻을 수 있게 해줍니다. 끊임없이 우주를 탐구한다는 것은 자신을 탐구한다는 뜻이고, 항상 우주를 경외한다는 것은 자신을 경외한다는 뜻이다!
참고자료:
https://www.nature.com/immersive/d41586-023-03872-z/index.html
https://webbtelescope.org/news/webb-science-writers-guide/science-with-webb
https://webbtelescope.org/contents/news-releases/2023/news-2023-128
저자: Yan Zhen, 중국과학원 상하이 천문대 연구원
제작사: Popular Science China
생산자: 중국과학기술출판유한회사, 중국과학기술(베이징)디지털미디어유한회사