망원경의 개발과 우주관의 변화
1608년 네덜란드의 안경 제조업자인 리프셰(Hans Lipershey)는 우연한 기회에 두 개의 렌즈를 적당한 간격으로 두었을 때 멀리 있는 물체를 확대해 볼 수 있다는 사실을 발견하게 된다. 이듬해 이 사실을 전해들은 갈릴레이(Galileo Galilei)는 볼록렌즈와 오목렌즈를 조합한 망원경을 제작하였고, 1610년에는 그가 만든 망원경으로 목성, 금성, 달 등을 관찰함으로써 인류 최초로 망원경을 이용해 천체를 관측한 사람으로 기록되게 되었다.망원경으로 천체를 본 그는 목성 주위를 도는 네 개의 위성을 발견하였고(이는 현재 갈릴레이 위성이라 불린다.), 금성의 모습이 달처럼 변한다는 사실도 알게 된다. 이는 그가 믿고 있었던 우주관인 지동설을 확신하는데 결정적인 역할을 했다. 금성의 모습이 달처럼 변할 수 있는 것은 내행성으로써 태양을 공전하기 때문이고, 목성의 위성들이 목성을 공전하고 목성이 또한 태양을 공전하는 것처럼 지구 역시 태양을 공전하는 천체임을 확신하게 된다. 이러한 생각은 교황청을 비롯한 종교계와 대립되는 것이었고, 끝까지 자신의 의지를 굽히지 않은 갈릴레이는 로마의 교황청에 의해 남은 평생을 자신의 집에서 구류되어 보냈다.
갈릴레이 이후 망원경은 급속도로 보급되었는데 그가 처음 만들어 사용하던 망원경은 앞서 언급한 것처럼 볼록렌즈와 오목렌즈를 합성한 것으로 이를 갈릴레이식 망원경이라 부른다. 이 갈릴레이식 망원경은 볼록렌즈로 빛을 모으고, 오목렌즈로 상을 확대하는 방식으로 사물을 볼 수 있다. 이 방법은 상을 바로 볼 수 있으나 시야가 좁아 현재는 쌍안경 등에 적용된다.
케플러 망원경은 대물렌즈와 접안렌즈 모두 볼록렌즈로 되어 있다. 이것은 갈릴레이식 망원경과 접안렌즈가 다르다. 이로 인해 바라보는 대상은 상하좌우가 뒤바뀌지만 갈릴레이식 망원경에 비하여 상대적으로 상이 안정되어있고 시야가 넓어 현재의 대부분의 굴절망원경이 이 형식으로 쓰인다.
17세기의 갈릴레이식과 케플러식 굴절망원경에 사용된 렌즈의 질은 지금과 비교하면 현저히 떨어진다. 또한 렌즈를 통과한 빛은 무지개처럼 여러 색으로 퍼지는 색수차가 생기게 된다. 그 당시 렌즈의 색수차 때문에 별을 관측할 때 별의모습이 이상하게 보인 다는 것을 안 뉴턴은 렌즈 대신에 거울을 사용한 반사망원경을 고안하게 된다. 이 반사망원경의 탄생으로 굴절망원경의 단점인 색수차는 없어지게 되었다. 그리고 이 반사망원경은 굴절망원경에 비하여 상대적으로 작은 크기로도 높은 배율을 지닐 수 있었고, 현재에는 8~10m급 반사망원경들이 사용되고 있고 수십m 크기의 거대한 망원경들도 등장하게 된다. 하지만 반사망원경은 동급의 굴절망원경에 비해 상이 안정적이지 못하고, 구면수차가 생긴다.
렌즈를 사용한 굴절망원경은 1m급 이상의 망원경을 만드는 데에도 많은 비용이 들며, 렌즈가 경통 윗부분에 있어서 이 무거운 렌즈를 지지할 수 있는 지지대가 필요한데 이것 또한 만들기 어렵다. 따라서 대형망원경들 중에 굴절망원경은 찾아보기 힘들다. 하지만 반사망원경은 거울이 경통의 뒷부분에 있어서 지지하기가 쉽고, 거울자체도 한쪽면만 손질하면 되기 때문에 대형으로 제작하기가 상대적으로 쉽다.
허블우주망원경(Hubble Space Telescope, HST)은 지구 밖에서 우주의 깊은 곳을 관측하는 우주망원경이다. 지상에서 아무리 거대한 망원경을 만들어서 관측을 하지만, 지구대기에 의한 효과로 천체를 선명하게 관측 할 수 없다. 또한 지구대기는 가시광선을 포함한 몇몇 파장대만을 통과 시키므로 전 파장대의 영역을 관측할 수 없다. 따라서 과학자들은 망원경을 지구대기 밖으로 올려 보내기 시작했고, 그 우주망원경 중에 가장 유명한 것이 바로 허블우주망원경일 것이다. 이것은 1990년 우주로 발사되었고, 비록 지름 2.4미터의 작은 망원경이지만, 지상에서 지구대기의 영향으로 볼 수 없었던 우주의 자세한 모습과 우주 깊숙한 곳까지를 볼 수 있었다. 이 우주망원경은 현재까지도 작동하고 있으며, 이후 여러 파장대의 우주망원경들이 우주로 올라가 이 우주의 기원과 인류의 기원에 대한 실마리를 풀 수 있도록 우주에 대한 연구하고 있다.
집광력과 분해능은 망원경의 중요한 성능이 된다. 결과적으로 망원경은 멀리 있는 천체들을 얼마나 자세히 볼 수 있는지와 얼마나 어두운 것을 볼 수 있느냐로 그 성능이 판가름되기 때문이다. 좀 더 쉽게 접근해 보면, 아주 가까이 붙어있는 두개의 별이 분해가 되어 보이는지 아닌지를 판단하는 것이 분해능이라고 할 수 있다. 보통 가시광선으로 관측을 하게될 경우 망원경 구경이 100mm가 되면 약 1"(1초 = 1/3600도)의 분해능을 갖게 된다. 보통 보름달의 크기가 약 0.5도(1800")이므로 실제 1"의 분해능은 자세히 보이는 편에 속하며, 천문학자들은 수많은 별들 중에서 다른 별을 구분해 내기 위해 1초 이하의 분해능을 갖는 망원경으로 관측을 한다.
★ | 35mm film | DSLR(Canon 20D) | ||||
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렌즈/망원경 초점거리 |
세로 | 가로 | 대각선 | 세로 | 가로 | 대각선 |
24mm | 36mm | 43mm | 15mm | 22.5mm | 27mm | |
15 | 91.7 | 137.5 | 164.3 | 57.3 | 85.9 | 103.1 |
24 | 57.3 | 85.9 | 102.7 | 35.8 | 53.7 | 64.4 |
35 | 39.3 | 58.9 | 70.4 | 24.5 | 36.8 | 44.2 |
50 | 27.5 | 41.2 | 49.3 | 17.1 | 25.7 | 30.9 |
100 | 13.7 | 20.6 | 24.6 | 8.59 | 12.9 | 15.4 |
200 | 6.87 | 10.3 | 12.3 | 4.29 | 6.44 | 7.73 |
400 | 3.44 | 5.15 | 6.16 | 2.14 | 3.22 | 3.86 |
1000 | 1.35 | 2.06 | 2.46 | 0.85 | 1.28 | 1.54 |
2000 | 0.68 | 1.03 | 1.23 | 0.42 | 0.64 | 0.77 |
</dd> <dd>
</dd> <dd>
</dd> <dd>
</dd> <dt></dt> <dd>굴절망원경은 빛이 렌즈를 통과할 때 굴절되는 특성을 이용해 빛을 모을 수 있도록 만든 망원경이다. 이것은 접안렌즈에 따라 갈릴레이식과 케플러식으로 나눈다.
- 장점 : 동일 크기의 반사망원경에 비해 빛을 많이 모을 수 있고 상의 대조가 좋다.
- 단점 : 상대적으로 가격이 비싸고 색수차가 나타난다.
※ 굴절망원경의 색수차는 굴절률이 다른 두 개 이상의 렌즈를 복합해서 만들면 거의 해결이 된다. </dd> <dt class="subtitle">갈릴레이식 굴절망원경 </dt> <dd class="img_m"></dd> <dd>1608년 네덜란드의 안경 제조업자인 리프셰(Hans Lipershey)는 우연한 기회에 두 개의 렌즈를 적당한 간격으로 두었을 때 멀리 있는 물체를 확대해 볼 수 있다는 사실을 발견하게 된다. 이 사실을 들은 갈릴레이는 이듬해 자신이 직접 망원경을 제작하게 되는데, 대물렌즈를 볼록렌즈로, 접안렌즈를 오목렌즈로 구성해 망원경을 만들었고, 이를 갈릴레이식 망원경이라 부른다.
- 장점 : 상이 정립(똑바로)으로 보인다.
- 단점 : 시야(볼 수 있는 영역)가 좁다. 색수차가 생긴다.
- 용도 : 오페라 관람용 망원경, 측지용 등. 그러나 천문용으로는 잘 이용되지 않는다.
※ 갈릴레이식 망원경이 시야가 좁은 이유 : 망원경의 시야(볼 수 있는 영역)는 접안렌즈의 시야에 비례한다. 즉, 접안렌즈의 시야가 넓을수록 넓은 영역을 볼 수 있다. 오목렌즈를 이용한 접안렌즈는 구조적으로 시야가 좁기 때문에 갈릴레이식 망원경의 시야는 좁다. </dd> <dt class="subtitle">케플러식 망원경</dt> <
1611년에 발표된 케플러의 저서에는 갈릴레이식과는 달리 접안렌즈를 볼록렌즈로 한 굴절망원경을 설계를 제시하였는데 이를 케플러식 망원경이라 한다. 케플러는 자신이 망원경을 직접 제작하지는 않았지만 그가 처음으로 설계한 망원경이라 하여 케플러식 망원경이라 부른다.
- 장점 : 시야가 넓다.
- 단점 : 상이 도립(거꾸로)으로 보인다. 색수차가 생긴다.
- 용도 : 천문관측 및 지상관측
※ 케플러식 망원경의 단점은 상이 거꾸로 보이는 것이지만 접안렌즈 앞에 직각프리즘(또는 직각 거울)을 설치하면 정립(똑바로)된 상을 볼 수 있다. 일반적으로 사용되는 대부분의 쌍안경이 케플러식 망원경이지만 이처럼 직각 프리즘이 설치되어 있어 마치 갈릴레이식 망원경처럼 상을 정립으로 볼 수 있다. </dd> <dt>굴절망원경의 대물렌즈의 종류와 특성</dt> <dt class="subtitle">무반사 코팅 렌즈</dt> <dd>빛의 대부분은 렌즈를 통과하지만 렌즈 재질의 전기적 특성에 의해 일부는 통과하지 못하고 반사하게 된다. 따라서 렌즈의 투과율을 높이기 위해서는 유전체 물질로 렌즈 표면을 코팅해야 하며, 코팅된 렌즈를 무반사 코팅 렌즈라 부른다. 투과율을 보다 높이기 위해서는 다른 재질의 물질을 여러 번 코팅하기도 한다. 무반사 코팅 렌즈의 대부분은 청색(어떤 것은 적색)을 띠고 있어 쉽게 알아볼 수 있다. </dd> <dt class="subtitle">아크로메틱 렌즈
렌즈의 초점 위치는 빛의 색에 따라 다르다. 붉은 색일수록 먼 곳에서, 푸른색일수록 렌즈로부터 가까운 곳에 초점을 맺는다. 색에 따라 렌즈의 초점 위치가 다르면 상이 깨끗이 보이지 않는다. 즉, 청색이 잘 보이도록 조절하면 붉은 색이 흐려지고 역으로 붉은 색이 잘 보이도록 하면 푸른색이 흐려진다. 이 같은 문제는 왼쪽 그림처럼 굴절률이 다른 두 개의 렌즈를 합성함으로써 해결될 수 있다. 아크로매틱 렌즈는 붉은 색과 푸른색이 한곳에서 초점을 맺도록 설계된 렌즈이다. </dd> <dt class="subtitle">아포크로메틱 렌즈</d색수차를 보정하기 위해 고안된 것이 아크로메틱 렌즈이지만 이 역시 색수차를 완전히 제거하는 것은 아니다. 아포크로메틱 렌즈는 왼쪽 그림처럼 3 개의 굴절률이 서로 다른 렌즈를 이용해 만든 것으로 색수차가 거의 제거된다.
※ 아포크로메틱 렌즈의 종류 중에는 ED렌즈, SD렌즈, 프로라이트(형석) 렌즈 등이 있는데 학술적 표현 방법은 아니나 늘리 사용되는 용어이다. 사용되는 유리의 재질에 따라 이들 간의 구분이 된다. 아포크로메틱 렌즈는 색수차가 잘 보정된다는 장점이 있으나 지나치게 가격이 비싸다는 단점 때문에 전문가가 아니면 특별히 사용할 필요는 없다. </dd> <dd></dd>
반사망원경
반사망원경은 거울의 반사 성질을 이용해 빛을 모으도록 만들어진 망원경이다. 이것은 굴절망원경의 색수차 문제를 해결할 수 있고, 제작비용이 저렴하여 현재 대부분의 대형망원경은 이러한 반사망원경이 차지하고 있다.
반사망원경의 장점과 단점
- 장점 : 같은 크기의 굴절망원경에 가격이 상당히 저렴하다.색수차가 나타나지 않는다.
- 단점 : 구면수차가 나타난다. 같은 크기의 굴절망원경에 비하여 상대적으로 빛을 적게 모은다. 유지 및 관리가 힘들다.
굴절만원경의 렌즈(특히 무반사 코팅된 렌즈)는 빛을 거의 99 % 통과시키지만 알루미늄이 코팅된 거울은 반사 과정에서 최소한 10 % 이상의 손실을 보게 된다. 그 원인은 알루미늄의 전기적 특성 때문이다. 은으로 코팅하는 경우에 반사에 따른 손실은 좀 더 줄일 수 있으나 수명이 짧아 자주 코팅해야 하는 등의 이유로 실제 이용되지는 않는다. 그리고 반사망원경은 대개 두 개 이상의 반사 거울로 이루어져 있어서 최소 20 % 정도의 빛의 손실이 있다. 또한 부경이나 부경의 지지대에 의한 빛의 차단 등을 고려하면 실제 손실은 30 % 이상이 된다. 이 부경이나 부경의 지지대로 인해 입사되는 빛의 일부가 차단될 뿐만 아니라 회절이 생겨 분해능을 떨어뜨린다.
그리고 반사망원경은 가끔 틀어진 광축을 조정해 주어야 하는 등 굴절망원경에 비해 유지 및 관리가 까다롭다.
- 특수망원경
- 태양 망원경태양 망원경이란 맨눈으로도 보기 힘든 태양을 관측할 수 있게 만들어진 특수한 망원경이다. 너무나 멀어서 점상으로 보이는 별들에 비해 태양은 아주 가까이 있는 별이기 때문에 상대적으로 연구하기가 쉽다. 그리고 태양을 연구함으로써 다른 별들의 상태를 유추해 볼 수 있기에 그 가치는 아주 높다고 할 수 있다. 하지만 태양은 워낙 가까이 있어서 매우밝기 때문에 관측하기 위해서는 특수한 태양 망원경이 필요하다. 태양 망원경은 일단 태양빛의 양을 줄이기 위한 필터와 태양의 표면을 살펴보기 위한 특수한 파장대의 필터들로 구성이 된다. 한국 천문연구원은 고도 1124m의 보현산 천문대에 태양 플레어 망원경(SOlar Flare Telescope, 이하 SOFT)을 설치하여 태양을 관측하고 있다. SOFT는 처음에 단일 가대위에 하나의 가이드망원경과 서로 다른 파장을 관측하는 4개의 망원경을 설치하는 적도의식으로 설계되었다. 이는 태양표면현상을 4개의 다른 파장영역에서 동시 관측함으로써 플레어와 같은 급격한 태양활동 현상에 대한 자기장, 채층 및 광구의 변화 등을 동시에 알아낼 수 있게 한다. 그리고 현재, 국가지정 연구실 사업의 일환으로 Hα 전면관측기와 코로나 편광관측기를 추가로 설치하여 가이드망원경을 포함 총 6개의 망원경이 가동되고 있다. 그 외에 투영방식으로 태양 흑점을 모니터링 하는 굴절 망원경도 있다. 주망원경과거에는 보통 지상에서 망원경으로 천체를 관측하는 것이 대부분이었다. 하지만 다양한 파장으로(감마선~전파) 우주를 관측하다 보니, 지상에서는 특정한 파장대역(가시광선, 근적외선, 전파일부분) 이외에는 대기의 영향으로 관측하지 못하는 파장대역이 많다는 것을 알게 된다. 또한 구름이 끼거나 대기의 유동이 강해지면 관측이 매우 불리한 상황이 생기게 된다. 그래서 20세기말에 다양한 우주망원경들이 우주로 올라가 많은 관측을 하게 되었고, 그중에서도 가장 유명한 것이 허블우주망원경이다(HST). </dd> <dt class="subtitle">감마선 망원경감마선 망원경이란 여러 전자기파 중에서 감마선을 모아 관측하는 망원경이다. 감마선, 엑스선, 자외선, 가시광선, 적외선 및 전파는 모두 파동운동을 하며 빛의 속도(초당 30만 km)를 가지는 전자기파의 일종들로 파장(혹은 주파수)에 따라 구분되며, 이 중 사람의 눈은 가시광선만 감지할 수 있고 그 외에는 감지할 수 없다. 우주에서 감마선이 방출 될 가능성이 있음을 처음 예측한 사람은 모리슨(Phil Morrison)과 로시(Bruno Rossi)이다. 그들은 우주선 입자(우주 공간에 빛의 속도에 가까운 빠른 속도로 돌아다니는 입자)가 성간가스와 상호작용을 할 때 감마선이 방출될 것으로 예측했다. 그러나 감마선은 지구 대기를 통과하지 못해 당시(약 50년 전)에는 실질적인 연구의 진행이 어려웠으며, 나사에서 발사한 감마선 망원경이 우주공간에 설치됨에 따라 본격적인 연구가 진행될 수 있었다. 이 감마선 망원경으로 인해 천문학자들은 예기치 못한 결과를 얻게 되었다. 우리 은하의 여기저기서 순간적으로 감마선이 폭발하는 현상들을 관측한 것이다. 그러나 너무 순간적으로 방출될 뿐만 아니라 감마선망원경으로는 방출위치를 정밀하게 결정할 수 없는 어려움이 있었다. 뿐만 아니라 방출 위치 부근을 정밀하게 조사했지만 아직까지 공통점을 찾는 데에는 실패했다. 현재 추정하는 바로는 아마도 우리 은하 내에 우리가 찾아내지 못한 물질(이를 암흑물질이라 함)이 산재해 있고 그 곳에서 감마선이 방출될 가능성이 있다는 것이다. X-선 망원경엑스선 망원경이란 모든 전자기파 중에서 엑스선만을 모아 관측 하는 망원경이다. 엑스선은 지구대기를 거의 통과하지 못한다. 따라서 천체에서 방출되는 엑스선을 검출해 그 천체를 규명하려면 엑스선을 검출할 수 있는 장치를 지구대기를 벗어난 우주공간에 설치해야 한다. 대표적인 엑스선망원경으로 NASA가 올린 찬드라(chandra) 엑스선망원경이 있다.자외선 망원경자외선 망원경이란 모든 전자기파 중에서 자외선만을 모아 관측 하는 망원경이다. 자외선은 파장이 가시광선보다는 짧고 엑스선보다는 긴 전자기파이다. 그런데 우주에서 발생된 자외선은 지구대기를 거의 통과하지 못하므로 자외선망원경은 지구대기를 벗어난 우주공간에 설치해야 된다. 아래 그림은 한국천문연구원이 개발한 과학기술위성 1호의 주 탑재체인 FIMS(Far-UV Imaging Spectrograph)의 모습이다. 한국천문연구원의 자외선망원경이 성공적으로 운영되어 우주나라도 우주망원경 보유국이 되었다. 또한 한국은 GALEX 자외선 우주망원경 과제에 참여하여 많은 연구 성과를 내고 있다. 적외선 망원경적외선 망원경이란 모든 전자기파 중에서 적외선만을 모아 관측 하는 망원경이다. 적외선은 파장이 전파보다는 짧고 가시광선 보다는 긴 전자기파이다. 그런데 우주에서 발생한 적외선 중 가시광선에 파장이 가까운 것은 어느 정도 지구대기를 통하므로 지상에서 관측할 수 있지만 가시광선과 파장 차이가 큰 적외선의 경우 지구대기에 의해 거의 차단되므로 우주공간에 망원경을 설치하여야 관측이 가능하다. 그리고 일반적으로 지상용 근적외선망원경은 특별히 따로 만들지는 않고 광학망원경에 적외선을 검출할 수 있는 장비를 부착해서 사용한다. 위 그림은 한국 천문연구원에서 개발한 카시닉스(KASINICS)라는 지상망원경용 적외선 카메라 이다. 현재 보현산 천문대 1.8m 망원경에 설치되어 관측하고 있다. 위 그림은 카시닉스로 관측한 영상을 나타내며, 왼쪽은 허블우주망원경의 가시광선 영상이고, 오른쪽은 카시닉스로 관측한 영상이다. 위의 사진에서 볼 수 있듯이 가시광선에서 보이지 않는 수많은 별들이 적외선에서 나타난다. 전파 망원경 전파는 전자기파 중 파장이 가장 긴(= 주파수가 가장 낮은) 전자기파이다. 전파망원경은 우주의 천체에서 발생한 전파를 관측하여 천체의 성질을 규명하고자 만든 망원경이다. 전파는 가시광선과 마찬가지로 지구대기를 통과한다. 그러나 모든 전파가 지구대기를 통과하는 것은 아니다. 또한 전파는 지상의 통신용으로 널리 이용되므로 우주에서 오는 전파와 구분하기 위해 국제 규약으로 천문학 연구용 주파수를 따로 정하고 기업이나 군사용 등으로 천문학용 주파수를 사용할 수 없도록 정하고 있다.사진은 한국천문연구원이 보유하고 있는 직경 14 m 전파망원경이다. 또한 한국은 KVN(Korea VLBI Network) 사업을 수행중이며, 이 사업으로 서울, 울산, 제주도에 전파망원경을 설치하여 동시에 관측을 수행하면 한반도 크기의 커다란 전파망원경으로 관측한 효과를 낼 수 있다. http://astro.kasi.re.kr/Main/ContentViewForm.aspx?MenuID=1619</dd>
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