허블 우주망원경(Hubble Space Telescope)으로 촬영한 우주를 본 적 있나요? 허블 우주망원경은 대기의 방해로 지상에서는 볼 수 없었던 우주를 매우 선명하고 깨끗하게 담아냅니다. 허블 우주망원경 덕분에 천문학의 새로운 지평이 열렸다고 해도 과언이 아니죠. 1990년에 발사된 허블 우주망원경은 지상 500km 저궤도에서 연료 보급과 수리를 받으며 계속해서 임무를 수행하고 있습니다. 허블 우주망원경의 아성을 이어갈 제임스웹 우주망원경(James Webb Space Telescope)은 2021년에 발사됐습니다. 그리고 30일간의 여정을 거쳐 지구로부터 약 150만 km 떨어진 목적지에 안착했습니다. 지구에서 달까지의 다섯 배나 되는 거리입니다. 너무나 멀리 있어 고장이라도 나면 속수무책인데, 왜 그 먼 곳까지 제임스웹 우주망원경을 보낸 걸까요? 주된 이유는 두 우주망원경의 관측 파장입니다. 허블 우주망원경은 근자외선에서 가시광선에 이르는 광범위한 파장의 빛을 관측합니다. 제임스웹 우주망원경은 근적외선과 중적외선 파장의 빛을 집중적으로 관측합니다. 열을 지닌 물체는 적외선을 방출합니다. 정밀하고 심층적인 적외선 관측을 위해선 망원경 온도를 최대한 낮춰야 합니다. 그래서 제임스웹 우주망원경은 태양과 지구를 등진 채 달 궤도보다 훨씬 먼 곳에 자리 잡았습니다. 열을 방출하는 지구, 달, 그리고 태양의 영향을 최소화하기 위해서죠. 제임스웹 우주망원경에 테니스장 크기의 열차폐막이 달린 것도 세 천체의 열 복사를 최대한 막기 위해서입니다. 그런데 왜 굳이 지구에서 150만 km 떨어진 곳까지 갔을까요? 그 이유를 알기 위해선 라그랑주점을 이해해야 합니다. 지구가 태양에 끌려가지 않는 건 딱 알맞은 각속도로 태양을 공전하고 있기 때문입니다. 태양의 중력과 지구의 원심력이 균형을 이루고 있는 것이지요. 지구보다 안쪽에서는 균형을 이루려면 더 빠른 각속도, 즉 더 작은 회전 주기로 공전해야 합니다. 태양에 가까워질수록 중력이 강하기 때문입니다. 반대로 지구보다 바깥쪽에서는 더 느린 각속도로 공전해야겠죠. 태양과 지구의 중력을 함께 고려하면 얘기가 조금 달라집니다. 물체가 특정 지점에 있으면 지구와 같은 각속도로 공전해도 태양에 끌려가지 않을 수 있습니다. 지구가 태양 중력의 반대 방향으로 당겨주기 때문에 원심력이 작아도 괜찮은 것이지요. 이렇게 태양과 지구의 중력, 원심력이 균형을 이뤄 지구와 같은 주기로 공전하는 점을 태양-지구 라그랑주점이라고 합니다. 이 평형점은 이들과 일정한 거리를 유지할 수 있습니다. 이런 점이 지구의 궤도 평면에 다섯 개(L1~L5) 있습니다. 그중 세 개(L1~L3)가 태양과 지구를 잇는 선상에 있습니다. 지구보다 안쪽에 있는 L1에서는 지구를 등진 채 늘 태양을 바라볼 수 있습니다. 이 때문에 태양 관측용 망원경, 태양풍 측정을 위한 위성 등이 자리하고 있습니다. 지구보다 좀 더 바깥쪽에 있는 L2에서는 태양과 지구, 달의 영향을 모두 피할 수 있습니다. 따라서 우주를 관측하는 망원경에 매우 적합합니다. 이 L1과 L2 모두 지구로부터 약 150만 km 떨어진 곳에 있습니다. 제임스웹 우주망원경을 달보다 훨씬 멀리 떨어진 곳까지 보낸 건 L2에 자리 잡게 하기 위해서입니다. 하지만 L2에 가만히 머물러 있는 건 아닙니다. 제임스웹 우주망원경은 L2를 중심으로 돌고 있습니다. L2 자체는 안정적이지만, 소행성, 혜성 같은 다른 천체가 섭동을 일으킬 수 있습니다. 섭동이란 천체의 궤도에 교란을 일으키는 인력을 말합니다. 만약 L2를 중심으로 궤도 운동을 하면 섭동의 영향을 덜 받을 수 있습니다. 바퀴를 굴려야 자전거가 더 잘 서 있을 수 있는 원리와 같습니다. 이렇게 L2를 중심으로 도는 궤도를 헤일로 궤도라 합니다. 제임스웹 우주망원경의 헤일로 궤도 평면은 지구 궤도 평면과 수직에 가깝습니다. L2는 태양과 지구를 잇는 선상에 있기 때문에 늘 지구 그림자 속에 놓입니다. 그러나 헤일로 궤도를 돌면 지구 그림자에서 벗어날 수 있습니다. 덕분에 태양전지 패널이 지속적으로 빛을 받아 우주망원경에 전원을 안정적으로 공급할 수 있습니다. 제임스웹 우주망원경의 수명은 연료에 달려있습니다. 제임스웹 우주망원경이 헤일로 궤도에서 조금씩 벗어날 때도 있기 때문에 연료를 사용해 위치와 속도를 보정해야 합니다. 다행히 제임스웹 우주망원경이 L2 헤일로 궤도에 매우 순조롭게 안착한 덕분에 초반에 연료를 아낄 수 있었습니다. 애초 10년으로 계획했던 제임스웹 우주망원경의 수명이 20년으로 늘어난 것도 이런 까닭이지요. 그 20년 동안 제임스웹 우주망원경은 우주의 기원에 대한 우리의 생각을 어떻게 바꾸어 놓을까요?