Enhancing the performance and capabilities of the MIRI instrument on JWST

우주를 비밀이 가득한 거대한, 먼지 쌓인 다락방이라고 상상해 보세요. 대부분의 망원경은 방 중앙에 있는 밝고 명백한 가구들만 비추는 손전등과 같습니다. 하지만 가장 흥거로운 것들—예를 들어 아기 별들이 탄생하는 따뜻한 빛이나 멀리 떨어진 행성 주변의 먼지 고리 같은 것들—은 "중적외선"이라 불리는 특별한 종류의 빛 속에서 그림자에 숨겨져 빛나고 있습니다. 이 빛은 열 신호와 같아서, 우리 눈에는 보이지 않으며 지구의 대기에 의해 차단되기 때문에 지상에서는 볼 수 없습니다. 이 열 신호를 포착하기 위해서는 우주의 차가운 냉기 속에서 작동할 수 있는 초정밀 우주 기반 카메라가 필요합니다. 바로 그곳에 제임스 웹 우주 망원경(JWST)이 있으며, 특히 그 중에서도 "중적외선 기기(MIRI)"가 등장합니다. MIRI를 5 마이크로미터 이상의 빛 파장을 볼 수 있는 유일한 야간 투시경이라고 생각하세요. MIRI는 이 특정한, 까다로운 우주의 구석을 들여다볼 수 있는 우리가 가진 유일한 도구입니다.

아무리 좋은 도구라도 약간의 점검이 필요합니다. 임무를 시작한 지 불과 4년 만에, MIRI 팀은 카메라가 놀라운 사진들을 찍고는 있지만, 가끔 자신의 신발 끈에 걸려 넘어지고 있다는 사실을 깨달았습니다. 이 논문은 본질적으로 그들이 어떻게 그 끈을 조여 매고 있는지에 대한 "정비사 보고서"입니다. 저자들은 이 문서에서 새로운 별을 발견하고 있는 것이 아닙니다. 대신, 이 기기를 더 빠르고, 더 조용하며, 실수를 덜 하도록 만들기 위해 설계된 일련의 소프트웨어 업데이트와 하드웨어 미세 조정 과정을 설명하고 있습니다. 그들은 데이터를 망치는 웅웅거리는 소음을 고치고, 공간을 절약하고 정전기를 줄이기 위해 카메라 센서를 읽는 새로운 방법을 고안하며, 망원경이 목표물을 놓치지 않도록 안전망을 만들고 있습니다. 목표는 간단합니다. MIRI가 우주를 바라볼 때, 흐릿함이나 웅웅거림, 혹은 실수 없이 선명하게 보도록 하는 것입니다.

웅웅거리는 소음과 "인페이즈(In-Phase)" 해결책

당신이 라디오에서 조용한 노래를 들으려고 하는데, 바늘이 특정 박자에 닿을 때마다 크고 리드미컬한 웅웅거리는 소리가 방해한다고 상상해 보세요. 그것이 바로 MIRI 카메라에 일어나던 일이었습니다. 이 기기는 390Hz 주파수에서 특정 전자기 간섭(EMI) 소음을 포착하고 있었습니다. 이 소음은 이미지의 특정 부분에만 나타나는 유령 같았으며, 특히 망원경이 단일 천체를 몇 시간 동안 관찰하며 변화를 살피는 "시계열 관측(TSOs)" 중에 특히 성가셨습니다. 소음 패턴이 움직였기 때문에, 데이터상에서는 흔들리는 듯한 산만한 인공물(artifact)처럼 보였습니다.

엔지니어들은 이 소음이 카메라가 픽셀을 읽는 방식과 동기화되지 않았다는 것을 깨달았습니다. 이는 마치 약간 박자가 어긋난 드러머와 박자를 맞춰 손뼉을 치려는 것과 같았습니다. 이를 해결하기 위해, 그들은 단순히 나중에 소음을 필터링하려고 노력한 것이 아니라, "서브어레이(subarrays)"(특정 작업을 위해 사용되는 카메라 센서의 더 작고 빠른 구역)를 재설계했습니다. 그들은 "IP(In-Phase, 위상 일치)"라는 라벨이 붙은 새로운 버전의 서브어레이들을 만들었습니다. 이 읽기 영역의 모양과 크기를 미세하게 변경함으로써, 픽셀 읽기 타이밍을 소음과 정확히 일치하도록 이동시켰습니다. 이제 카메라가 소음과 싸우는 대신, 소음이 방해하지 않는 방식으로 데이터를 읽습니다. 예를 들어, 기존의 SUB128 서브어레이는 타이밍을 완벽하게 유지하기 위해 128개 컬럼 대신 132개 컬럼으로 아주 조금 더 넓은 새로운 SUB128 IP로 교체됩니다. 이 변화는 매우 정밀하여 관측자들이 관측 시간의 차이 거의 없이 구버전과 신버전을 전환할 수 있습니다.

"느린 평균" 대신 "빠른 스마트 평균"으로 교체하기

이 논문은 카메라가 데이터를 읽는 방식에 대한 문제도 다룹니다. MIRI가 센서를 읽는 표준 방식은 모든 픽셀의 사진을 한 번씩 찍는 FASTR1입니다. 매우 희미한 천체를 위해, 팀은 이전에 SLOWR1이라는 모드를 시도했는데, 이는 하나의 픽셀에 대해 여덟 번의 사진을 찍고 이를 평균하여 "정전기(read noise)"를 상쇄하는 방식이었습니다. 아이디어는 여덟 장의 사진을 평균 내면 이미지의 선명도가 $\sqrt{8}$ 배만큼 좋아질 것이라는 것이었습니다.

하지만 팀은 SLOWR1이 예상대로 작동하지 않는다는 것을 발견했습니다. 노이즈 감소 효과가 예측만큼 좋지 않았을 뿐만 아니라, 빠른 모드(FASTR1)와 느린 모드(SLOWR1) 사이를 전환할 때 기기가 불균일하게 가열되고 냉각되는 현상이 발생했습니다. 이러한 열적 안정화 과정은 이미지에 마치 유령 같은 얼룩이 나타나는 것처럼 기묘한 호 모양의 인공물을 만들어냈습니다. 이는 마치 자동차의 기어를 너무 급격하게 바꾸어서 엔진이 덜컥거리며 타이어 자국을 남기는 것과 같았습니다.

해결책은 FASTGRPAVG8라고 불리는 영리한 절충안이었습니다. 카메라의 내부 상태를 변경하여 여러 번 느리게 읽는 대신, 카메라는 여전히 각 픽셀의 사진을 한 번 빠르게 찍습니다(FASTR1와 동일). 하지만 그 후, 컴퓨터가 이 8개의 빠른 프레임을 읽은 직후, 저장하기 전에 이들을 평균 냅니다. 이는 열적 충격이나 기묘한 인공물 없이도 느린 모드와 동일한 노이즈 감소 이점을 제공합니다. 이는 스마트폰으로 여덟 번의 빠른 스냅샷을 찍고, 스마트폰 소프트웨어가 이들을 즉시 하나의 완벽하고 노이즈가 적은 이미지로 합성하는 것과 같습니다. 팀은 Cycle 6부터 과학 관측을 위해 이 FASTGRPAVG8 모드로 전환하고, 문제가 되었던 SLOWR1 모드를 단계적으로 폐지할 계획입니다.

"디더링(Dithering)" 안전망

MIRI로 사진을 찍는 과정에서 가장 중요한 부분 중 하나는 "대상 획득(Target Acquisition, TA)"입니다. 망원경이 실제 과학 관측을 시작하기 전, 대상이 되는 별이나 은하의 정확한 중심을 찾아 고정해야 합니다. 일부 모드의 경우, 대상은 아주 좁은 슬릿(0.5 초각 폭)이나 마스크의 특정 지점 안에 위치해야 합니다. 만약 망원경이 이 지점을 놓치면 전체 관측은 망쳐집니다.

팀은 수백 건의 과거 시도를 분석했고, 대부분은 성공적이었지만 약 12%는 실패했다는 것을 발견했습니다. 이러한 실패의 상당수는 밝기 설정을 잘못 선택하는 것과 같은 사용자 오류 때문이었지만, 일부는 카메라의 예측 불가능한 "불량(rogue)" 픽셀이나 우주선(cosmic rays, 우주로부터 오는 고에너지 입자)의 갑작스러운 충돌로 인해 발생했습니다. 탁자 위에 동전을 올려놓는다고 상상해 보세요. 만약 동전을 놓는 순간 작은 먼지(불량 픽셀)나 갑작스러운 바람(우주선)이 탁자를 친다면, 동전은 떨어질 수 있습니다.

이를 해결하기 위해, 팀은 "디더링(dithered)" 접근 방식을 도입하고 있습니다. 대상을 찾기 위해 단 한 장의 사진을 찍는 대신, 망원경은 각 사진 사이에서 위치를 약간씩 이동하며 세 장의 사진을 찍을 것입니다. 만약 첫 번째 사진에서 우주선이 센서를 때렸더라도, 두 번째나 세 번째 사진에서는 같은 위치에 있지 않을 것입니다. 컴퓨터가 이 세 이미지를 결합하면, 무작위 노이즈와 불량 픽셀은 사라지고 대상의 선명한 모습만 남게 됩니다. 이는 움직이는 새의 사진을 세 장 찍어 겹치는 것과 같습니다. 새는 중앙에 그대로 있지만, 렌즈 위의 무작위 먼지들은 서로 상쇄되어 사라집니다. 이 새로운 방법은 2026년 말이나 2027년 초에 도입될 예정이며, 망원경이 목표물을 찾는 신뢰성을 크게 높여줄 것입니다.

우주를 바라보는 새로운 방법들

마지막으로, 이 논문은 이 기기를 사용하는 몇 가지 새로운 "모드" 또는 방법들이 열리고 있음을 강조합니다. 주요 추가 사항 중 하나는 "광시야 슬릿리스 분광학(Wide-Field Slitless Spectroscopy, WFSS)"입니다. 이전에는 망원경이 특정 슬릿을 통해 볼 때만 단일 천체의 빛을 무지개(스펙트럼)로 펼칠 수 있었습니다. 이제 WFSS를 통해, 망원경은 넓은 시야 내의 모든 천체의 빛을 동시에 펼칠 수 있습니다. 이는 단일 렌즈 카메라를 광각 프리즘으로 바꾸어, 수많은 별의 무지개를 동시에 포착하는 것과 같습니다. 이 모드는 Cycle 5부터 사용할 수 있습니다.

또한, 팀은 시계열 관측(Time Series Observations)을 위해 좁은 슬릿을 사용하는 것을 테스트하고 있습니다. 이전에는 행성이 별 앞을 지나가는(transit) 과정을 관찰할 때, 망원경이 표류하여 좁은 슬릿 안에서 목표를 놓칠까 봐 걱정되어 넓은 슬릿리스 모드만을 사용했습니다. 그러나 새로운 데이터에 따르면 망원경은 매우 안정적이어서 24시간 동안 픽셀의 0.4% 이내를 유지합니다. 이 안정성 덕분에 이제 그들은 더 많은 배경 노이즈를 차단하는 좁은 슬릿을 사용하여, 이 통과 행성들에 대해 훨씬 더 선명한 데이터를 얻을 수 있습니다. 또한, 데이터의 빠른 읽기를 가능하게 하는 새로운 소형 서브어레이(예: SUBSLIT)를 도입하고 있는데, 이는 이러한 행성 이벤트의 급격한 변화를 포착하는 데 매우 중요합니다.

요약하자면, 이 논문은 지속적인 개선에 대한 찬사입니다. MIRI 기기는 이미 공학의 경이로운 결과물이지만, 웅웅거리는 소음을 해결하고, 읽기 과정을 부드럽게 하며, 대상 획득을 위한 안전망을 추가함으로써, 팀은 망원경이 중적외선 우주에 대해 계속해서 가장 선명하고 신뢰할 수 있는 시야를 제공할 수 있도록 보장하고 있습니다. 이것들은 단순한 미세 조정이 아닙니다. 이것들은 JWST가 앞으로 몇 년 동안 발견의 최전선에 머물 수 있게 해줄 필수적인 업그레이드입니다.