천문학에서의 허블우주망원경(5)

정비 임무 및 새로운 기구

허블우주망원경은 궤도에서 정기적인 정비와 장비 성능 개선 작업이 가능하도록 설계되었다. 그래서 기구와 수명이 짧은 부품은 궤도에서 교체 가능한 품목으로 고안되어 있다. NASA의 우주왕복선을 통해 1993년 12월부터 2009년 5월까지 다섯 차례의 정비 임무(SM 1, 2, 3A, 3B, 4)가 이루어졌다. 정비 임무는 망원경을 왕복선의 기계팔을 이용하여 낚아채는 방식의 비행으로 시작해서 작업 후 다시 조심스럽게 궤도로 되돌려 놓는 섬세한 작업이다. 우주비행사들이 4일에서 5일 동안 밧줄에 의지한 채 우주 유영을 수차례 하면서 필요한 정비 작업을 수행한다. 우주비행사들은 망원경을 육안으로 검사한 뒤에 고장나거나 열화된 부속품을 수리 및 교체하고, 장비의 성능을 개선시키며 새로운 기구를 설치한다. 작업이 완료되면 망원경은 보통 대기의 항력에 의해 발생된 궤도붕괴를 해결하기 위해 더 높은 궤도로 이동한 후에 우주선으로부터 분리된다.

Servicing Mission 1

허블의 주거울의 결함이 밝혀진 뒤에 수립된 첫 정비 임무는 막대한 책임을 떠안았다. 우주비행사들이 교정광학장치를 설치할 때 광범위한 작업이 요구되기 때문이다. 이를 위해 임무에 투입되는 우주비행사 일곱명은 백가지의 특수공구 사용법을 교육 받았다. SM1은 1993년 12월에 인데버에서 수행되었으며, 열흘 동안 몇가지 기구와 장비의 설치까지 이루어졌다.

특히 고속광도계가 COSTAR 교정광학장치로 대체되었고, WFPC도 내부에 교정광학장치를 갖춘 광시야 및 행성용 카메라 2 (WFPC2)로 교체되었다. 태양전지판과 태양전지판으로 작동되는 전자장비 역시 교체되었고, 덧붙여 망원경 조준계의 자이로스코프 네 개와 두 개의 전자제어유닛 및 전기 부품, 자력계 두 개도 교체되었다. 내장된 컴퓨터는 보조처리장치가 추가되면서 성능이 개선되었다. 허블의 궤도도 더 높은 곳으로 상승했다.

정비 이후 1994년 1월 13일에 NASA는 뚜렷한 영상 사진을 공개하면서 임무가 완벽하게 성공했음을 공표하였다. 이 임무는 다섯 차례의 장시간 우주선 외부 활동이 수반되어, 당시까지 가장 복잡하게 수행된 임무 중 하나이다. 임무의 성공은 NASA 뿐만 아니라 현재 더욱 유능한 우주망원경을 운용하고 있는 천문학자들에게도 도움을 주었다.

Servicing Mission 2

1997년 2월에 디스커버리에서 수행된 Servicing Mission 2에서는 GHRS와 FOS를 각각 우주망원경 영상분광카메라 (STIS)와 근적외선카메라 및 다중천체 분광카메라 (NICMOS)로 바꾸었으며, 기존의 공학 및 과학 테이프 레코더 Engineering and Science Tape Recorder도 신형 솔리드 스테이트 레코더 Solid State Recorder로 교체하고 단열체를 수리하였다. NICMOS는 고체 질소로 이루어진 히트싱크를 포함하고 있어 기구로부터 열잡음을 줄일 수 있지만, 설치된 지 짧은 시간만에 예측하지 못했던 열팽창으로 히트싱크의 부품이 광학 방해판과 접촉하였다. 때문에 기구의 온도 상승률이 커져 본래 예상 수명이 4.5년이던 것을 약 2년으로 줄이는 결과를 초래하였다.

Servicing Mission 3A

디스커버리의 Servicing Mission 3A는 1999년 12월에 착수되었다. 내장된 자이로스코프 여섯 개 중 세 개가 고장난 이후 당초 계획되었던 Servicing Mission 3를 두차례의 임무로 분할하였다. 임무 개시로부터 수 주일 전에 고장난 자이로스코프가 네 개까지 늘어나면서 망원경의 렌더링이 과학 관측을 수행할 수 없었다. 그래서 Servicing Mission 3A에서는 자이로스코프 여섯 개를 모두 교체하고, 정밀유도센서 및 컴퓨터까지 교체하였으며, 축전지의 과충전을 막기 위해 전압/온도 개선 키트 Voltage/temperature Improvement Kit (VIK)를 설치하고 단열재 블랭킷도 교체하였다. 새로 설치된 컴퓨터는 교체 전의 DF-224보다 처리 능력이 20배 빨랐으며 메모리 용량도 여섯배나 컸다. 컴퓨터가 연산 작업 일부를 지상에서 우주선으로 할당하면서 처리율을 높였고 현대적인 프로그램 언어를 사용할 수 있게 되면서 임무 소요 비용을 절감하였다.

Servicing Mission 3B

2002년 3월 컬럼비아에서 착수된 Servicing Mission 3B는 새로운 기구의 설치 작업을 부여 받아서 FOC(측성에 쓰이는 정밀유도센서를 제외한 마지막 1세대 기구)를 탐사용 고성능카메라(ACS)로 교체하였다. 따라서 허블망원경에 탑재된 모든 기구가 내장형 주거울 수차 교정장치를 가지면서, 기존의 광학교정장치인 COSTAR는 더 이상 필요가 없어졌다. 또한 폐순환 냉각기를 설치하여 NICMOS의 기능을 되살렸으며 태양전지판도 다시 교체하여 기존 동력에서 30%를 더 높였다.

Servicing Mission 4

기존의 계획상으로 허블은 2005년 2월에 정비될 예정이었지만, 2003년 대기로 재진입하다 궤도선이 파괴된 컬럼비아 참사 때문에 허블의 계획에도 광범위한 제동이 걸렸다. NASA의 국장 숀 오키프는 미래의 모든 우주왕복선 임무가 우주선이 선체의 문제를 진단하고 해결할 수 있도록 국제우주정거장으로 이동할 수 있어야 할 것이라고 말했다. 하지만 우주왕복선은 같은 임무에서 HST와 ISS를 오갈 수 없었다. 그래서 후일의 유인 정비 임무는 취소되었다. 이 결정은 허블이 인적 위험을 감수할 정도로 충분한 값어치가 있다고 생각하는 수많은 천문학자들로부터 맹렬히 비판을 받았다. 당시에 HST의 계획상 후계자인 제임스웹 우주망원경(JWST)이 2018년 지금까지 발사되지 않고 있다는 사실은 누구도 예측하지 못했다. 허블우주망원경이 과학계에 남긴 커다란 파장을 생각하면 허블의 퇴역과 후계자의 취역 사이에서 일어나는 우주 기반 관측 능력의 공백은 많은 천문학자들에게 큰 고민거리였다. 게다가 JWST는 지구 저궤도에 위치하지 않기 때문에 결함 같은 조기 실패 문제를 쉽게 해결할 수 없다. 한편으로는 많은 천문학자들이 JWST의 예산이 지출의 대부분을 차지한다면 허블의 정비가 불가능하다는 우려를 표했다.

2004년 1월, 오키프는 HST의 최종 정비 임무를 취소한 자신의 결정을 재고할 것이라고 말했다. NASA로 하여금 망원경을 보존하는 방법을 모색하라는 대중들의 격렬한 반응과 미연방의회의 요구 때문이었다. 미국 국립과학회는 2004년 7월에 공식적인 자리에 모여서 HST를 위험을 감수해서라도 보존해야 할 것임을 주장했다. 그들은 보고서를 작성하여 다음과 같이 권고하기도 하였다. "NASA는 우주왕복선의 허블우주망원경 정비임무를 막지 말아라". 2004년 8월 오키프는 고다드우주비행센터에 무인 정비 임무에 대한 상세한 계획안을 준비할 것을 요청했다. 이 계획들은 후일에 취소된다. 무인 임무가 "실현 가능하지 않은 것"으로 판단되기 때문이다. 2004년 말, 바바라 미컬스키 미국 연방상원의원을 필두로 일부 연방의원들이 (미국 전국 수많은 학생들의 청원 편지로)대중의 지지에 힘입어 공청회를 열었고 부시 정권과 NASA가 허블의 구호 임무 계획을 취소하는 결정을 재고할 수 있도록 힘썼다.

2005년 4월에 행정적 배경보다 공학적 배경이 더 컸던 마이클 D. 그리핀이 NASA의 국장으로 임명되면서 상황은 뒤바뀐다. 그리핀은 공식선상에서 유인 정비 임무를 고려할 것이라고 발언했다.[92] 그는 발언 후 얼마 뒤에 고다드에 허블 유인 정비 비행에 대한 준비를 착수할 것을 승인하였으며, 두 차례의 우주왕복선 임무 후에 최종 결정을 내릴 것이라고 말했다. 그리핀은 2006년 10월에 유인 정비 임무를 최종 승인하였으며, 애틀랜티스에 의한 11일 간의 임무가 2008년 10월에 예정되었다. 허블의 주자료처리 장치가 2008년 9월에 고장나면서[93] 2008년 10월 25일에 온라인으로 백업이 될 때까지 모든 과학 자료의 송신이 중단되었다.[94] 백업 유닛의 고장 때문에 HST가 무력화 되어 정비 임무는 주처리장치의 교체까지 담당하기 위해 연기된다.

2009년 애틀랜티스에서 이루어진 Servicing Mission 4는 HST에 대하여 마지막으로 계획된 우주왕복선 임무였다. SM4에서 자료처리자장치의 대체품을 설치하였으며, ACS와 STIS 시스템의 수리 및 니켈수소전지의 성능을 향상시켰고, 그 외 여러 부속품을 교환하였다. 또한 두 대의 새로운 관측 기구, 광시야카메라 3 (WFC3)과 우주기원 분광카메라 (COS)를 설치하고 연포획 및 랑데뷰 장치 Soft Capture and Rendezvous System를 설치하여 후일에 다른 유무인 임무를 통해 허블의 랑데뷰와 포획 및 안전한 처리를 가능하게 하였다.[97] 고장나서 수리가 불가능한 ACS의 고해상도 채널을 제외하고는 SM4의 모든 작업을 성공적으로 끝마쳤다. 망원경의 기능이 완전히 되살아나면서 2018년 지금까지도 작동 중이다.