허블 우주망원경 — 근시로 시작해 전설이 된 우주의 눈

1990년 4월 24일, 케이프커내버럴에서 우주왕복선 디스커버리호가 발사되었습니다. 화물칸 안에는 수십 년간의 꿈이 담겨 있었습니다. 허블 우주망원경(Hubble Space Telescope, HST). 지구 대기권의 방해 없이 선명한 우주를 볼 수 있는, 인류 최초의 본격적인 우주 망원경이었습니다.

그러나 발사 불과 몇 주 후, 재앙이 닥쳤습니다. 허블이 보내온 첫 번째 이미지들이 흐릿했습니다. 수십억 달러를 들인 망원경이, 근시였습니다.

천문학적 실수: 거울이 잘못 연마되었다

1990년 6월, NASA는 믿기 어려운 사실을 공식 발표했습니다. 허블의 주 거울이 잘못 연마되었다는 것이었습니다. 오차의 크기는 2.2 마이크로미터 — 인간 머리카락 굵기의 약 50분의 1에 불과했습니다. 그러나 광학 시스템에서 그 작은 오차는 치명적이었습니다. 거울 가장자리 부분이 중심부보다 2.2 마이크로미터 더 평평하게 연마된 것입니다.

거울을 제작한 퍼킨-엘머(Perkin-Elmer) 사의 테스트 장비 자체가 잘못 교정되어 있었습니다. 더욱 기막힌 점은, 당시 다른 광학 장비로 측정했을 때 오류가 감지되었지만 엔지니어들이 그 장비가 잘못된 것이라고 판단했다는 것입니다. 완벽하게 잘못된 방향으로 검증이 이루어진 것입니다.

훗날 팀을 이끈 광학 전문가 맷 마운트(Matt Mountain)는 이렇게 회고했습니다: "그것은 비극적인 실수였습니다. 하지만 동시에 우리는 그것이 수리 가능한 실수임을 알았습니다. 왜냐하면 우리는 오차의 크기를 정확히 알고 있었기 때문입니다."

공개적인 굴욕

허블의 실패는 즉각적인 언론의 먹잇감이 되었습니다. 미국 의회는 청문회를 열었고, 만평에서는 허블이 안경을 쓴 채로 묘사되었습니다. NASA는 조롱의 대상이 되었습니다. 당시 NASA 국장 리처드 트럴리(Richard Truly)는 의회 청문회에서 수십 분간 고개를 들지 못했다고 전해집니다.

그러나 NASA의 엔지니어들과 광학 과학자들은 좌절하는 대신 해결책을 찾기 시작했습니다. 문제는 명확했습니다. 주 거울의 구면수차(spherical aberration). 해결책도 명확했습니다. 잘못된 거울 앞에 정확히 반대의 오차를 가진 교정 렌즈를 설치하는 것이었습니다. 마치 안경을 씌우는 것처럼.

이 교정 장치는 'COSTAR(Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement)'라는 이름을 받았습니다.

1993년 12월: 인류 역사상 가장 극적인 수리

1993년 12월 2일, 우주왕복선 엔데버(Endeavour)가 발사되었습니다. 임무 STS-61, 우주에서 허블을 수리하는 것이었습니다.

이것은 단순한 우주 수리 임무가 아니었습니다. 우주에서 고장난 위성을 실제로 수리한다는 개념 자체가 도전이었습니다. 5명의 우주비행사로 구성된 두 팀이 교대로 총 5번의 우주유영(EVA)을 수행했습니다. 총 우주유영 시간은 35시간 28분이었습니다.

우주비행사 스토리 머스그레이브(Story Musgrave)와 제프리 호프만(Jeffrey Hoffman)이 첫 번째 팀이었습니다. 그들은 허블의 태양 전지판을 교체하고, 자이로스코프를 수리했습니다. 두 번째 팀 카타리나 쏜튼(Kathryn Thornton)과 토마스 에이커스(Thomas Akers)는 COSTAR와 새로운 카메라(WFPC2)를 설치했습니다.

작업은 밤낮 없이 계속되었습니다. 우주 궤도에서 90분마다 낮과 밤이 바뀌는 환경에서, 장갑을 낀 손으로 정밀한 광학 장비를 다루는 작업이었습니다. 지상에서는 미션 다이렉터 랜디 브링크하우스트(Randy Brinkerhurst)가 한시도 눈을 떼지 못했습니다.

1993년 12월 18일 수리 완료 후 허블이 보내온 첫 번째 이미지. 세상이 뒤집혔습니다. 선명하고 아름다운 우주의 모습이 펼쳐진 것입니다. 사람들은 환호했고, 언론은 "NASA가 해냈다"고 보도했습니다. 허블은 굴욕에서 전설로 변신했습니다.

허블 딥 필드: 우주의 깊이를 드러내다

1995년 12월 18일부터 28일까지 10일간, 허블은 아무것도 없어 보이는 텅 빈 하늘의 작은 구역을 응시했습니다. 그 구역의 크기는 보름달의 약 150분의 1에 해당하는 작은 점이었습니다. 망원경 운용 책임자 로버트 윌리엄스(Robert Williams)가 STScI(허블 과학 연구소) 소장 재량으로 허블의 관측 시간을 이 아무것도 없어 보이는 구역에 할당한 것이었습니다. 많은 사람들이 시간 낭비라고 비판했습니다.

10일 후 공개된 허블 딥 필드(Hubble Deep Field) 이미지는 세상을 충격에 빠뜨렸습니다. 그 '텅 빈 하늘'에는 무려 3,000개 이상의 은하가 있었습니다. 가장 멀리 있는 은하들은 수십억 광년 떨어진 초기 우주의 모습이었습니다.

윌리엄스는 이후 이렇게 회고했습니다: "우리는 수십억 년 전의 우주를 보고 있었습니다. 우리가 알고 있는 전체 우주의 역사 중 대부분이 그 작은 사각형 안에 있었습니다."

허블 딥 필드는 우주가 얼마나 크고 얼마나 많은 은하로 가득 차 있는지를 인류에게 처음으로 직접적으로 보여준 이미지입니다. 이어서 1998년에는 '허블 딥 필드 남부', 2003년에는 더 깊이 들여다본 '허블 울트라 딥 필드'가 공개되었습니다.

우주 팽창 가속: 노벨상을 받은 발견

1990년대 말, 허블의 관측 데이터는 우주론에 혁명을 가져왔습니다. 두 연구팀 — 솔 펄머터(Saul Perlmutter)가 이끄는 팀과 브라이언 슈미트(Brian Schmidt) 및 애덤 리스(Adam Riess)가 이끄는 팀 — 이 허블을 이용해 먼 거리의 초신성(Type Ia supernova)을 관측했습니다.

예상은 우주 팽창이 중력에 의해 점차 느려질 것이었습니다. 그러나 결과는 정반대였습니다. 우주는 점점 더 빠르게 팽창하고 있었습니다. 이는 우주의 약 68%를 차지하는 '암흑 에너지(Dark Energy)'의 존재를 강하게 시사했습니다.

이 발견으로 솔 펄머터, 브라이언 슈미트, 애덤 리스는 2011년 노벨 물리학상을 수상했습니다. 허블이 없었다면 이 발견은 불가능했습니다.

발사부터 현재까지: 허블의 타임라인

날짜	사건
1990년 4월 24일	우주왕복선 디스커버리호로 발사
1990년 6월	주 거울 구면수차(근시) 문제 공식 확인
1993년 12월	STS-61 임무 — COSTAR 설치, 거울 수리 (엔데버호)
1995년 12월	허블 딥 필드 촬영 (3,000개 이상의 은하 발견)
1997년 2월	STS-82 임무 — NICMOS, STIS 장비 설치
1998년	우주 팽창 가속 발견에 기여 (허블 딥 필드 남부)
1999년 11월	STS-103 임무 — 자이로스코프 전량 교체
2002년 3월	STS-109 임무 — ACS 카메라 설치, 전력계 업그레이드
2003년	허블 울트라 딥 필드 — 초기 우주 1만 개 은하 포착
2009년 5월	STS-125 임무 — 마지막 서비싱 (WFC3, COS 설치)
2011년	우주 팽창 가속 발견 연구자들에게 노벨 물리학상 수여
2016년	약 132억 광년 거리의 은하 GN-z11 발견
2020년 4월	발사 30주년. 운용 중
2022년	JWST와 동시 운용 시대 개막
2024년	자이로스코프 문제로 싱글 자이로 모드 전환, 운용 지속

기술 사양

항목	상세 정보
발사일	1990년 4월 24일
궤도	지구 저궤도 (LEO), 고도 약 547 km
주 거울 직경	2.4 m
집광 면적	4.5 m²
총 길이	13.2 m
총 중량	약 11,110 kg
관측 파장	자외선근적외선 (0.12.5 μm)
궤도 주기	약 95분
수리 임무 횟수	총 5회 (SM1~SM4)
운용 기관	NASA / ESA
누적 관측 횟수	160만 회 이상 (2024년 기준)
기여 논문 수	약 19,000편 이상

탑재 과학 장비 (2024년 기준 현역)

허블 우주망원경 현역 탑재 장비
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ACS      — 고급 측량 카메라 (Advanced Camera for Surveys)
            광시야 이미징, 0.2~1.1 μm
            2002년 설치 / 2007년 수리

WFC3     — 광시야 카메라 3 (Wide Field Camera 3)
            가시광선 ~ 근적외선 이미징
            2009년 설치

COS      — 우주 기원 분광기 (Cosmic Origins Spectrograph)
            자외선 분광, 성간물질·은하간물질 연구
            2009년 설치

STIS     — 우주 망원경 이미징 분광기 (Space Telescope Imaging Spectrograph)
            자외선~가시광선 분광, 블랙홀 연구에 핵심
            1997년 설치

FGS      — 미세 지향 센서 (Fine Guidance Sensors)
            위치 측정 및 자세 제어
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허블과 JWST: 경쟁이 아닌 협력

허블과 JWST는 경쟁 관계가 아닙니다. 두 망원경은 서로 다른 파장대를 관측하기 때문에 상호 보완적입니다. 허블이 자외선과 가시광선으로 보는 것과 JWST가 적외선으로 보는 것을 합치면 훨씬 완전한 그림이 나옵니다.

실제로 2022년 이후 여러 천체를 두 망원경이 동시에 관측하는 협력 프로그램이 진행 중입니다. 스테판의 오중주, 용골자리 성운, 외계행성 대기 등에서 두 망원경의 관측 결과를 결합해 더 풍부한 과학 데이터를 얻고 있습니다.

허블의 유산과 현재

허블은 지금까지 약 160만 회 이상의 관측을 수행했고, 약 19,000편 이상의 과학 논문에 기여했습니다. 허블이 찍은 이미지들은 인류의 우주관을 영구적으로 바꾸어 놓았습니다.

2024년에는 자이로스코프 문제로 인해 '싱글 자이로 모드(single-gyro mode)'로 전환되어 운용되고 있습니다. 성능이 다소 제한되었지만 여전히 과학 관측을 계속하고 있습니다. 허블의 예상 운용 종료 시기는 2030년대 초입니다.

근시로 태어나 전설이 된 허블 우주망원경. 수리의 기적을 통해 새 삶을 얻은 이 거대한 눈은, 34년이 넘도록 인류를 위해 우주를 응시하고 있습니다. 그리고 허블이 열어젖힌 문으로, 이제 제임스 웹이 더 깊이 들어가고 있습니다.