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우리가 잠들어 있는 시간에도 별들은 쉼 없이 빛을 발하며 아름다운 밤의 세계를 펼쳐 보인다. 조물주가 빚어낸 광활한 우주, 그 우주를 이해하기 위해 인간이 만들어 낸 가장 훌륭한 도구는 바로 망원경이 아닐까. 맨눈으로 볼 수 없는 희미한 별빛마저도 망원경으로 보면 보다 가까이 느낄 수 있다. 망원경은 먼 우주에서 벌어지는 신비스런 일들을 전해 주는 빛의 전령인 것이다.
 

안경점에서 탄생

망원경이 발명되기 전 밤하늘을 관찰하는 유일한 수단은 사람의 두 눈을 이용하는 것이었다. 정 상인의 눈은 어두운 곳에서 동공이 7mm 정도까지 확대된다. 그러나 이 작은 동공에 모아지는 빛으로 밤하늘의 여러 현상들을 살피기는 빛의 양이 너무 적다. 17세기 초 망원경이 발명되면서 커다란 렌즈에 모아진 별빛들이 밤하늘의 구석구석을 밝히면서 우주에 대한 인간의 시야를 넓히는 엄청난 도약의 발판이 마련됐다.
망원경의 최초 발명자는 네덜란드의 한스 리페르셰이로 알려져 있다. 1608년 안경점을 운영하던 그는 우연히 렌즈를 조합해 먼 곳의 물체가 크게 확대돼 보이는 것을 발견하고, 길쭉한 통에 렌즈를 끼워 망원경을 만들었다. 처음 망원경이 발명되었을 때 큰 관심을 보인 것은 천문학자들이 아닌 군대였다. 당시 해상 전투에서는 적군의 배를 먼저 발견하는 것이 중요했으므로 망원경은 이러한 전술에 커다란 도움이 됐던 것이다.

망원경을 천체 관찰에 본격적으로 사용하기 시작한 사람은 갈릴레오 갈릴레이였다. 그는 망원경의 발명 소식을 전해 듣고 스스로 그 원리를 연구해 나름의 굴절망원경을 만들어냈다. 그는 자신이 만든 망원경으로 달의 크레이터, 토성의 고리, 태양의 흑점, 목성의 4대 위성 등을 관찰했다.

갈릴레이 이후 망원경은 천체 관찰에 적극 활용됐고 케플러는 갈릴레이식 망원경의 단점이었던 좁은 시야와 낮은 배율을 개선한 케플러식 굴절망원경을 만들어냈다. 1668년에 뉴턴은 청동을 갈아 만든 오목거울을 써서 뉴턴식 반사망원경을 만들었다. 이후 망원경은 다양한 형식으로 발전을 거듭해 오늘날에는 지름 10m에 이르는 거대한 망원경을 건설하기에 이르렀다.

분해능과 집광력

망원경으로 어떤 물체를 보았을 때 크게 보이는 이유는 무엇일까. 그 것은 망원경의 두 가지 기능, 즉 먼 곳에 있는 물체의 상을 맺히게 하는 대물렌즈의 결상기능과 맺힌 상을 크게 해서 보는 접안렌즈의 확대기능이 합해진 때문이다. 대물렌즈가 상을 맺으려면 물체로부터 오는 빛을 모을 수 있어야 하는데, 이를 위해 볼록렌즈나 오목거울을 사용한다. 또 대물렌즈로 맺어진 상을 크게 보기 위해서는 볼록렌즈를 접안렌즈로 사용한다.

망원경의 성능은 물체를 확대하는 능력 외에 집광력과 분해능이라는 용어로 설명할 수 있다. 집 광력은 빛을 모으는 능력을 말하는 것으로 집광력이 100이라고 하는 것은 눈의 동공지름 7mm가 모을 수 있는 빛의 양보다 1백배 더 많은 빛을 모을 수 있는 렌즈를 말한다. 집광력이 클수록 더 많은 빛을 모을 수 있으므로 어두운 천체를 잘 볼 수 있다. 분해능은 가까이 붙어있는 두 물체를 분리시켜 볼 수 있는 능력을 말한다. 먼 곳에 있는 두 물체가 망원경과 이루는 각을 분해각이라 고 하는데, 두 물체가 분리돼서 보이는 최소의 분해각을 그 망원경의 분해능으로 삼는다. 분해능 이 클수록 더 세밀한 관찰이 가능하다. 집광력이나 분해능은 모두 대물렌즈의 지름이나 반사경의 지름에 따라 커지게 된다.
 

실험1. 망원경 원리 알아보기

준비물 : 지름이 각각 100mm, 70mm정도인 돋보기(볼록렌즈) 2개, 흰종이

실험방법 : 먼저 돋보기의 초점거리를 재본다. 방안에서 천장에 있는 등 (반투명한 유리로 가려지지 않은 것) 을 이용하면 간단히 알아볼 수 있다. 방바닥에 흰 종이를 펴고 돋보기를 위아래로 움직여 천장의 등 모양이 또렷해지는 위치가 그 돋보기의 초점거리가 된다. 돋보기 각각의 초점거리를 알아냈으 면 둘 중에서 초점거리가 긴 돋보기를 이용해 등의 불빛을 방바닥에 놓인 흰 종이에 모아보자.

방바닥과 볼록렌즈 사이의 거리를 적당히 조절하면 등의 불빛 모양이 비쳐진다. 이 상태에서 다른 한 손에 들고 있는 돋보기를 이용해 방바닥에 나타난 등의 모습을 보자. 형광등의 모습이 크게 확대돼 보이는 것을 관찰할 수 있다.

확인하기 : 방바닥에 등의 모습을 만들게 한 첫 번째 돋보기는 망원경의 결상기능, 즉 사물의 형상을 만들어 주는 역할을 한다. 이것은 망원경의 대물렌즈가 하는 역할과 같다. 두번째 돋보기는 흰 종이에 맺 혀진 등의 모습을 확대해주는 역할을 한다. 즉 망원경의 접안렌즈가 하는 역할이 된다. 결국 망원 경은 대물렌즈에 의해 맺혀진 상을 접안렌즈로 확대해 보는 것이다.

실험 2. 직접 만들어보자

준비물 : 돋보기(볼록렌즈), 루페, 검정색 마분지, 스티로폼, 풀, 가위, 테이프

실험방법 : 돋보기의 초점거리를 측정해 그것의 약 3/4되는 길이로 마분지를 자른다. 돋보기의 지름에 맞게 마분지를 동그랗게 말아 테이프로 끝부분에 돋보기를 붙인다. 이 원통형의 마분지 속에 들어갈 정도의 크기로 두 번째 마분지를 말고 한 쪽 끝은 스티로폼에 둥글게 구멍을 내 루페를 끼운다. 두 마분지 대롱을 연결하면 망원경이 완성된다. 멀리 있는 물체의 모양이 선명해질 때까지 루페가 부착된 통을 넣었다 뺐다 하면서 망원경의 초점을 맞추어 관찰하도록 하자.

확인하기 : 보고 싶은 대상을 찾아 초점을 맞추는 것이 익숙해졌으면 밤하늘로 망원경을 돌려보도록 하자. 가장 쉬운 관찰 대상인 달을 맞추어 표면의 크레이터나 바다 등이 어떻게 보이는지 관찰해 본다.