d라이브러리

위의 사진은 무엇을 찍은 걸까요? 머나먼 우주공간에 떠 있는 어떤 별의 황량한 표면을 찍은 사진일까요? 아니요~. 왼쪽 사진은 부화하기 전의 풀노린제 알을 전자현미경으로 250배 확대하여 촬영한 사진이고, 오른쪽은 달의 표면을 굴절망원경으로 촬영한 사진이랍니다. 놀랍도록 비슷한 두 세계에는 공통점이 있어요. 모두 맨눈으로는 결코 볼 수 없는 세계라는 점이지요. 너무 작아서, 또는 너무 멀어서 맨눈으로 볼 수 없는 세계! 지금부터 현미경과 망원경이 보여 주는 놀라운 세계로 떠나 봐요~.

현미경이 보여주는 작은 세계

우리는 얼마나 작은 것까지볼수있을까요? 눈에 힘을 잔뜩 주고 손등을 한번 보세요. 손등의 털과 주름들을 볼 수 있지만 피부를 이루고 있는 세포까지는 볼 수 없죠. 하지만 도구를 사용하면 우리 눈에 보이지 않는 작은세상도 볼 수가 있어요. 보통 크기의 작은 물체라면 돋보기로 충분하고, 작은 미생물이라면 광학현미경으로볼수있지요. 그러나 나노미터크기의 물체를 관찰하기 위해서는 전자현미경과 같이 정밀한 장치가 필요하답니다.

밀리미터의 세계

장마가 끝나고 여기저기 물이 고여있는 곳을 자세히 살펴보면, 자그마한 무언가가 물 속에서 꼬물꼬물 움직이는 것을 볼 수 있다. 이것은 장구벌레라 불리는 모기의 애벌레다. 5~7밀리미터 크기의 장구벌레는 맨눈으로도 볼 수 있지만, 현미경으로 보면 눈과 입도 확인할 수 있다. 물벼룩도 맨눈으로 볼 수 있지만, 자세히 보기 위해 현미경을 사용한다.
 

마이크로미터의 세계

생물의 몸을 구성하는 최소 단위인 세포는 맨눈으로는 볼 수 없다. 세포가 처음 발견된 것도 현미경을 처음 만든 로버트 훅에 의해서다. 대략 크기가 10마이크로미터 정도 되는 양파세포의 경우 학교에 있는 현미경으로도 충분히 관찰할 수 있다.
 
맨눈으로 볼 수 있는 가장 작은 크기

밀리미터 단위까지는 눈으로 볼 수 있지만, 그보다 작은 것들은 맨눈으로 보기가 정말 힘들어요. 이렇게 작은 물체의 길이를 재기 위해서는 새로운 단위가 필요하죠. 밀리미터보다 더 작은 단위가 바로 마이크로미터인데, 1마이크로미터는 1밀리미터의 1000분의 1이랍니다. 인간이 맨눈으로 볼 수 있는 가장 작은 크기는 10마이크로미터 정도라고 해요.

광학현미경으로 관찰할 수 있는 가장 작은 크기

광학현미경은 물체의 상을 대물렌즈로 확대하고 이것을 접안렌즈로 다시 확대해서 보는 장치예요. 그러나 빛을 이용하는 광학현미경은 볼 수 있는 크기의 한계가 있어요. 광학현미경은 눈에 보이는 빛(가시광선)으로 물체를 관찰하는데, 파장이 1마이크로미터보다 조금 작은 정도예요. 그래서 그 파장보다 작은 물체는 관찰할 수가 없답니다.
 

나노미터의 세계

나노(nano)는 10억분의 1을 가리키는 말로 난쟁이라는 뜻의 그리스어 나노스(nanos)에서 나온 말이다. 1나노미터는 1미터의 10억분의 1의 크기다. 여러분들이 사용하는 자에 새겨진 밀리미터 눈금을 100만 개로 쪼갰을 때 한 개의 길이가 바로 1나노미터다. 이것은 얼마나 작은 크기일까? 머리카락을 하나 뽑아 보
자. 머리카락 굵기가 약 0.1밀리미터이므로 1나노미터는 머리카락을 10만 가닥으로 쪼갰을 때의 굵기라고 생각할 수 있다.
나노미터 크기의 바이러스나 분자, 원자 같은 대상은 전자현미경으로 관찰해야 한다. 그러나 전자현미경은 가시광선을 눈으로 직접 보는 것이 아니고 전자신호를 보는 것이라 아쉽게도 색깔은 볼 수가 없다. 컬러 전자현미경 사진은 나중에 컴퓨터로 색깔을 따로 넣은 것이다.

전자현미경은 주사전자현미경과 투과전자현미경, 두 가지 종류가 있다. 주사전자현미경은 물체의 표면에 전자를 쏜 뒤 표면에 부딪혀 튕겨나가는 것을 잡아 물체의 표면 구조를 관찰한다. 물체에 전자를 주사 놓듯이 쏜다고 하여 주사전자현미경이라는 이름이 붙었다. 반면 투과전자현미경은 물체의 내부에 전자를 빠른 속도로 통과시켜 형광판에 남는 상으로 물체의 내부 구조를 관찰한다.

망원경이 보여 주는 먼 세계

우리 눈은 얼마나 멀리 볼 수 있을까요? 축구 경기장에서 선수들의 얼굴이 잘 보이지 않아 망원경을 사용하기도 하지만, 우리 눈은 꽤 멀리 있는 물체도 볼 수 있답니다. 우리가 매일 보는 태양만 하더라도 자그마치 1억 5000만 킬로미터나 떨어져 있으니까요. 하지만 천체망원경을 사용하면 그 거리와 비교도 되지 않을 만큼 멀리 떨어져 있는 것도 볼 수 있어요. 약 100년 전부터 급격하게 발전한 천체망원경 관측기술 덕분에 이제 인간은 우주의 끝까지 보려 하고 있답니다.

지구에서 38만 4000킬로미터

지구에서 38만 4000킬로미터 떨어져 있는 달은 맨눈으로도 쉽게 볼 수 있다. 하지만 갈릴레이가 망원경으로 처음 달을 보기 전까지 인간은 달의 표면이 매끈하다고 생각했다. 망원경을 통해 보면 울퉁불퉁한 달의 표면을 자세히 볼 수 있다.
 
지구에서 12억 8000만 킬로미터

허블우주망원경이 찍은 토성의 모습. 토성은 지구에서 12억 8000만 킬로미터나 떨어져 있다. 밤하늘에  떠있는 토성은 밝게 빛나는 행성에 지나지 않지만, 망원경을 통해 보면 토성 주위를 감싸고 있는 환상적인 고리를 볼 수 있다. 성능이 그다지 좋지 않은 망원경을 사용했던 갈릴레이는 토성에 귀가 달렸다고 기록하였다.
 
지구에서 8.6광년

우리나라에서 맨 눈으로 볼 수 있는 별 중 가장 가까운 별은 큰개자리의 알파별인 시리우스다. 시리우스는 지구로부터 8.6광년 떨어져 있는 별로 지구에서 볼 수 있는 가장 밝은 별이다.

지구에서 200만 광년

지구에서 가장 가까운 은하인 안드로메다은하. 지구로부터 200만 광년떨어져 있다.

광년 : 시리우스와 같이 지구로부터 너무 멀리 떨어져 있어 킬로미터로 그 거리를 표기하기 어려운 경우에는 광년이라는 거리 단위를 사용해요. 광년은 진공 속을 1초에 30만 킬로미터로 가는 빛이 1년 동안 진행하는 거리로 약 9조 5000억 킬로미터에 달해요. 어마어마한 거리죠?

천체망원경은 과거로 가는 타임머신? : 천체망원경을 흔히 과거로 가는 타임머신이라고 해요. 그 이유는
천체망원경을 통해 보는 천체의 빛은 항상 과거의 빛이기 때문이에요. 광년은 빛이 1년 동안 가는 거리이므로 200만 광년 떨어져 있는 안드로메다의 빛은 200만 년전에 출발한 빛이지요. 즉 지구에서 인류가 시작될 때 안드로메다에서 출발한 빛을 지금 우리가 보고 있는 셈이죠.

지구에서 30억 광년

지구에서 30억 광년 떨어져 있는 퀘이사‘3C 273’. 퀘이사란 하나의 별처럼 보이지만 수많은 별로 이루어진 거대한 은하로 준성이라고도 부른다. 지금까지 1000여 개가 발견되었지만 아직도 그 정체가 명확하게 밝혀지지 않았다. 퀘이사는 지구에서 보통 수십억 광년 떨어져 있으며 우주 진화 초기 단계의 특징을 지니고 있다. 인간이 관측할 수 있는 가장 멀리 떨어져 있는 천체로 우주의 끝에 가장 가깝다고 생각하고 있다.

지구에서 2500만 광년

지구에서 2500만 광년 떨어져 있는‘솜브레로(Sombrero, 멕시코 모자)은하’. 천체망원경이 없다면 이렇게 멋진 우주 의 보물을 볼 수 없다.
 
한눈에 보는 현미경의 역사


1595년
얀센의 벼룩안경

얀센이라는 네덜란드 안경사의 아들이 렌즈 두 개를 겹쳐 놓고 벼룩을 보았다. 털이 북실북실한 벼룩을 보고 깜짝 놀란 얀센은 아버지와 함께 3배에서 10배 정도의 배율을 가진 현미경을 만들었다. 이것은 약 200년간 벼룩안경이라는 이름으로 불렸다.

1614년
갈릴레이의 현미경

갈릴레이는 두 개의 볼록렌즈를 아연관에 끼워 현미경을 만들어 파리를 보고 다음과 같은 기록을 남겼다. “파리를 보았더니 양만한 크기로 보였고 전신이 털로 싸여 있으며 매우 뾰족한 털끝을 갖고 있다는 것을 알았다. 파리는 이 털끝을 유리에 있는 작은 구멍에 박아서 거꾸로 붙어 있을 수 있고 걸을 수도 있다.”

1660년
레벤후크의 현미경

네덜란드인 안톤 반 레벤후크는 정식 과학 교육을 받지는 못했지만, 현미경의 디자인과 기능에 대한 실험으로 1680년에 왕립학회의 이사가 되는 명예를 얻었다. 레벤후크는 대략 길이가 6센티미터, 폭이 3센티미터 정도의 작은 현미경을 수백 대나 만들었다. 놋쇠로 된 납작한 판에 렌즈를 붙여 만든 이 현미경은 그 배율이 70배에서 250배에 달했다.

1665년
훅의 현미경

영국의 유명한 과학자 로버트 훅이 현미경을 만들었다. 훅은 ‘마이크로피아’라는 책에 현미경에 대한 상세한 논문과 그림을 실었다. 훅은 대물렌즈는 볼록렌즈를 쓰고, 접안렌즈와 경통 안에 중간렌즈를 두었다. 그러나 이 상태로 관찰하면 색과 모양이 일그러지는 문제가 있었다. 이를 해결하려고 조리개를 만들어 주변의 빛을 조정하였으나 이번엔 상이 어둡게 보였다. 다시 어둡게 보는 것을 해결하려고 물이 담긴
플라스크를 이용하여 램프의 빛을 모았다. 훅은 이 현미경으로 병마개로 쓰이는 코르크를 관찰하여 세포를 처음으로 발견하였다.

1886년
에른스트 아베, 광학현미경의 분해능 한계 발견

에른스트 아베는 가시광선을 이용하는 현미경은 0.0005밀리미터보다 작은 사물을 볼 수 없음을 밝혔다. 이것은 가시광선의 파장이 길기 때문인데, 이 연구는 광학현미경의 한계를 뛰어 넘는 전자현미경 탄생을 예고하는 것이었다.


1931년
크놀과 루스카
투과전자현미경 발명

크놀과 루스카는 가시광선보다 파장이 짧은 전자를 이용하면 광학현미경보다 높은 배율로 물체를 관찰할 수 있을 것이라고 생각했다. 그들은 볼록렌즈 대신 전자석을 이용하여 전자를 모으는 전자현미경을 발명했다. 전자는 입자의 성질뿐만 아니라 파동의 성질을 가지는데, 그 파장이 가시광선보다 짧아 바이러스와 같이 작은 물체도 관찰할 수 있다. 1986년 에른스트 루스카는 전자현미경을 밞명한 공로를 인정받아 노벨 물리학상을 수상했다.
 

한눈에 보는 망원경의 역사

1608년
망원경의 시작

네덜란드의 안경 제조업자인 리프세이의 두 아들은 우연히 두 개의 렌즈를 적당한 간격으로 두고 멀리 있는 물체를 보면 확대해 볼 수 있다는 사실을 발견하였다. 이들은 이것을 오페라 감상용으로 사용하려고 했다.

1609년
갈릴레이의 망원경

갈릴레이는 볼록렌즈와 오목렌즈를 조합하여 9배 배율의 망원경을 만들었다. 그리고 목성, 금성, 달 등을 관찰하여 인류 최초로 망원경을 이용해 천체를 관측한 사람이 되었다. 그 후 그는 배율 20배의 망원경을 만들어 달의 표면이 울퉁불퉁하다는 것과 목성 주위에 네 개의 위성이 돌고 있다는 것, 그리고 태양면에 흑점이 있다는 것 등을 발견하였다.

1672년
뉴턴의 반사망원경

갈릴레이가 발명한 굴절망원경에는 빛의 색깔마다 굴절하는 정도가 달라 상이 뚜렷하게 보이지 않는 단점이 있었다. 뉴턴은 이러한 단점을 보완하기 위해 빛을 굴절시키지 않는 망원경을 연구하였다. 뉴턴은 빛의 반사를 이용한 망원경을 생각하고, 청동을 갈아만든 2.5센티미터의 오목거울과 평면경을 사용한, 길이 15센티미터의 반사망원경을 만들었다.

1774년
허셸의 망원경

독일에서 태어난 허셸은 영국으로 이주하여 자신이 만든 반사망원경으로 천왕성을 발견하였다. 망원경 지름이 1.2미터에 달했던 허셸의 망원경은 오랫동안 세계 1위 천체망원경의 자리를 지켰다.

1937년
그로트 레버의 전파망원경

미국의 그로트 레버는 천체나 우주공간으로부터 오는 전파를 받아 관측하는 장치를 만들었다. 전파를 포착하여 그 정보를 분석하면 광학망원경으로는 볼 수 없는 우주의 모습을 알 수 있다.
 

1990년
허블우주망원경

1990년 4월 허블우주망원경이 우주왕복선 디스커버리호에 실려 지구상공 610킬로미터 궤도에 진입하여 우주관측을 시작하였다. 허블우주망원경은 반사경의 지름이 2.5미터에 불과했지만, 대기의 방해가 없는 우주에서는 지구에 설치된 고성능 망원경들보다 50배 이상 미세한 부분까지 관찰할 수 있다.

1992년
켁망원경

현재 세계에서 가장 큰 광학망원경은 하와이 마우나케아에 있는 켁망원경이다. 켁망원경은 반사식인데 반사경의 지름이 10미터에 달한다. 거울의 크기가 커지면 빛을 많이 모을 수 있기 때문에 더 어둡고 더 먼 천체까지 관측할 수 있다. 켁망원경은 우주 끝의 80%까지 볼 수 있다.


제임스웹 망원경
2013년 발사 예정인 제임스웹 망원경은 허블우주망원경이 15년의 수명을 마치면 그 뒤를 이을 것으로 기대되는 망원경이다. 적외선을 관측하는 제임스웹 망원경은 반사경의 지름이 6.5미터로 그 성능이 허블우주망원경의 10배에 달할 것으로 기대하고 있다.

우리나라 최고의 현미경!

대덕연구단지한국기초과학지원연구원의 전자현미경동에 가면 우리나라 최고의 현미경, 초고전압투과 전자현미경을 만날 수 있어요. 원자의세계까지들여다볼수있는 이 현미경은 높이가 9.5미터에 달할 정도로 거대하답니다. 몸체를 떠받치고 있는 지하 기둥까지 합하면 아파트 4층 높이에 해당해요. 초고전압투과전자현미경은 그 크기만큼이나 성능도 대단해요. 렌즈에 빛을 통과시켜 물체를 관찰하는 광학현미경은 이론적으로 360나노미터보다 작은 물체는 볼 수 없어요. 하지만 빛 대신 전자빔을 사용하는 초고전압투과전자현미경은 최고 200만 배의 배율로 0.12나노미터의 크기도 구별할 수 있지요. 특히 초고압투과전자현미경은 다른 나라의 투과전자현미경과 달리 대상을각기다른세방향으로 관찰할 수 있어요. 게다가 영하 200℃에서 1500℃까지 실험을 할 수도 있고 인터넷을 통해 원격 조종도 가능하다고 해요.
 
우리나라 최고의 망원경!

현재 우리나라에서 가장큰광학망원경은 보현산에 있는 반사망원경이에요. 보현산 망원경은 반사경의 지름만 1.8미터로 남자어른의 키만큼이나 크죠. 그러나선진국들의 대형 망원경에 비하면 이 크기는 아기 망원경 정도예요. 선진국들은 1990년대에 이미 지름 8미터급 대형망원경을 앞다퉈 건설하기 시작해 지금은 전 세계에 모두 15개 정도의 대형망원경이 있다고 해요. 이러한 추세에 맞춰 우리나라도 좀 늦었지만 대형망원경을 설치하려고 하고 있어요. 한국천문연구원은 1년 내내 하늘이 맑은 멕시코 산페드로마티르 산 위에 6.5미터 대형망원경 두 대를 설치하는 계획을 진행하고 있답니다. 1호기는 시야가 좁지만 적외선으로 천체의 세밀한 부분까지 연구할 수 있고, 2호기는 넓은 시야로 약 5000개 천체들을 한꺼번에관측할 수 있는 망원경이지요. 우리나라도 이제 곧 대형망원경을 가진 나라가 되어 우주의 비밀을 밝히는 데 큰 역할을 하길 기대해 봐요~.
 
➊레몬산 천문대의 돔.
➋보현산 천문대 1.8미터 반사망원경.
➌레몬산 천문대의 1미터 반사망원경.