적외선 천문학이란 무엇인가?

적외선 천문학이란?

파장으로 대략 1에서 1000마이크로미터(1밀리미터) 사이의 전자파는 적외선으로 불리는데, 이 적외선을 이용한 천체 관측이 1960년대부터 시작돼 그 후 급속히 발전하고 있습니다.

초기 적외선 관측은 주로 지상에서 이뤄졌으며 대기 흡수가 적은 파장 20m 이하의 근적외, 중간적외 파장대(대기창)로 한정됐습니다.

두꺼운 우주진(진)에 둘러싸여 있어 중심에 있는 고온의 별빛은 완전히 흡수되어 온도가 낮은 적외선으로 재방출하고 있는 별(적외선 별)이 이 관측에 의해 발견되고, 차가운 성간가스(절대온도 5060K)가 수축해 온도가 올라가 새로운 별로 태어나고 있는 과정(원시별의 탄생) 등도 관측되게 되었습니다.

한편 성간진 산란 흡수로 인해 보이지 않던 암흑성운 내부와 은하의 중심영역이 투과성이 좋은 적외선에 의해 내다볼 수 있게 되면서 암흑성운 속에서 젊은 별들이 떼지어 태어나는 현장과 은하 중심에는 태양계 근방의 수천만 배 밀도로 별이 분포하고 있는 모습을 드러냈습니다.

또 은하 중심에는 태양 질량의 수백만 배나 되는 블랙홀이 있는 것으로 알려져 있습니다.

 

적외선 관측은 이후 비행기, 기구 등을 사용함으로써 대기 상층부에서 이뤄지게 됐으며 대기 흡수의 영향을 줄여 파장 영역이 원적외역(100m 부근)까지 늘어나게 됐습니다.

그 결과 온도가 더 낮은 천체를 관측할 수 있게 되어 수십 K 이하라는 낮은 온도의 성간진 자신으로부터의 적외선 복사도 관측되게 되었습니다.

이로 인해 지금까지 암흑성운(그림자)으로만 보이던 성간진 구름이 빛나는 적외선 성운으로서 직접 관측할 수 있게 되어 은하계 안에서의 성간진 조성, 온도, 분포 등의 이해가 비약적으로 진행되게 되었습니다.

　1983년 첫 적외선 위성(IRAS)이 미국, 영국, 네덜란드 3국이 공동으로 발사되면서 적외선 천문학 연구는 새로운 시대를 맞게 됐습니다.

이 위성에는 관측기 자체에서 나오는 적외선을 피하기 위해 액체 헬륨으로 2K까지 냉각된 구경 60cm의 망원경이 탑재됐으며 파장 12, 25, 60, 100m의 4개 파장대로 전천을 관측했습니다.

그 결과 25만 개가 넘는 적외선 천체와 전천에 걸친 적외선 강도 지도를 만드는 데 성공했습니다.

관측된 천체 중에는 과거에 행성계의 형성을 행한 흔적을 남긴 별이나, 원적외의 비정상적으로 강한 적외선 은하 등 다양한 새로운 천체의 발견이 포함되어 있습니다.

한편 은하계 내 성간진지의 상세한 분포도를 그려내고 그 안에 근상 미세한 구조가 존재함을 밝히는 등 성간물질 연구를 비약적으로 발전시켰습니다.

　1989년에는 미국, 고다드 연구소의 그룹이 우주배경복사관측위성(COBE)의 발사에 성공하여 전파관측에 의해 발견되었던 마이크로파 배경복사(이른바 3K방사)를 원적외, 서브밀리파 영역까지 확장하여 관측하고 그것이 완전한 흑체방사 스펙트럼(2.73K)을 나타낸다는 것을 밝혀 빅뱅 우주론에 결정적인 관측적 증거입니다.

또, 동시에 탑재되고 있던 마이크로파 정밀 방사계에 의해서 배경 복사에 미세한(10만분의 1정도) 강도의 불균질성이 있는 것을 검출해, 고온 같은 초기 우주로부터 현재의 별이나 은하가 모이는 다양한 우주로 분화하는 흔적을 찾아내는 등 큰 성과를 올렸습니다.

　1995년에는 일본 최초의 궤도적외선 망원경(IRTS)이 회수형 우주 플랫폼(SFU)으로 발사됐습니다.

근적외선에서 원적외(1800m)에 이르는 넓은 파장 영역에 걸쳐 확산상의 적외선 방사 관측을 실시해 유기물질 기원의 성간진이 은하계 공간에 넓게 분포하고 있음을 밝히는 등 귀중한 성과를 올리는 데 성공했습니다.

같은 해에는 유럽우주기구(ESA)가 우주적외선 천문대(ISO)로 불리는 본격적인 적외선 관측위성을 발사해 전 세계 연구자들이 관측에 참여했습니다.

관측기에는 적외선 카메라, 적외선 측광기, 적외선 분광기 등이 탑재되었으며 이에 따라 다양한 관측이 이루어졌습니다.

특히 적외선 위성으로는 처음으로 정밀한 분광기가 사용되어 수소 분자를 비롯하여 다양한 원자, 분자의 스펙트럼선이 관측되어 우주 공간에서 중성가스 구름, 전리가스 구름의 물리 상태를 자세히 조사할 수 있게 되었습니다.

대기 중 수증기의 영향을 전혀 받지 않는 위성 관측이기 때문에 우주 공간에 분포하는 물 분자의 스펙트럼선 관측이 처음 가능해져 별의 대기, 성간 공간, 은하 등 여러 천체에서 물 분자의 존재 형태 연구가 비약적으로 진행됐습니다.

한편 고형화된 물(일명 얼음)을 비롯해 이산화탄소(CO2) 얼음(드라이아이스), 기타 메탄(CH4) 등 얼음을 포함해 신종 고체물질이 다수 발견됐으며 성간진 조성으로 기존에 고려됐던 광물질(실리케이트, 그래파이트 등) 외에도 다양한 고체물질이 존재하는 것으로 확인됐습니다.

　또한 고감도 적외선 카메라, 적외선 측광기를 구사한 우주 심부의 서베이 관측을 한 결과 우주의 시작에 있어 활발한 별 형성 활동을 한, 적외선으로 밝게 빛나는 은하(적외은하)를 대량으로 발견하는 등 우주 초기 은하 진화 연구에도 새로운 전망을 열었습니다.

　한편, 하와이의 마우나·케어산(해발 4200미터)등의 고산에, 미국의 퀘크 망원경(구경 10미터), 일본의 「스바루」망원경(구경 8.2미터)등의 대형 망원경이 건설되고 있어, 또, 남반구에도 유럽 공동으로 구경 8미터 클래스의 대형 망원경이 다수 건설되고 있어 지상으로부터의 적외선 관측도 큰 비약을 이루고 있습니다.

또 21세기 초에는 미국 일본 유럽연합(EU)이 대형 적외선 위성의 발사 준비를 하고 있으며 적외선 천문학은 지난 반세기에 구축한 기반 위에 21세기의 개막을 준비하고 있습니다.