d라이브러리

하나인지 둘인지 헷갈리지 않아

구경이 커지면 분해능도 좋아진다. 분해능은 두 개의 별을 구별해서 볼 수 있는 능력으로, 분해능이 좋을수록 가까이 붙어 있는 별들을 잘 구별한다. 사람의 눈은 1㎞ 떨어진 곳에 있는 두 물체가 서로 30㎝보다 가까이 있으면 하나의 물체로 인식한다. 하지만 구경이 7㎝인 망원경은 1㎝ 떨어져 있는 두 물체라도 구별해 낼 수 있다. 분해능은‘각도’로 나타낸다. 관찰자의 눈에서 두 물체를 향해 각각 직선을 긋고 그 사이의 각도를 재는데, 얼마나 작은 각도에서 두 물체를 구별해 내는지를 측정하는 것이다.
 

오른쪽으로 갈수록 구경이 큰 망원경으로 찍은 사진이다. 구경이 커서 분해능이 좋을수록 멀리 떨
어져 있는 천체의 모습이 선명하게 보인다.

이처럼 망원경은 구경이 클수록 더 밝고 더 선명하게 천체를 관측할 수 있어요. 흔히 망원경의 성능으로 이야기하는 배율은 천문학적으로는 거의 의미가 없답니다. 달이나 가까운 행성을 관측할 때는 영향을 끼치지만, 다른 별이나 외부 은하 등은 거리가 너무 멀어서 배율보다는 얼마나 밝고 선명하게 볼 수 있느냐가 중요해요. 그래서 더욱 큰 망원경이 필요하지요.

 

허블 우주망원경으로 찍은 먼 우주의 모습. 사진 속의 점 하나하나는 각각 수천억 개의 별로 이루어진 은하다. 구경이 크면 클수록 이렇게 멀리 있는 천체가 내는 희미한 빛을 더 잘 볼 수 있다.

대형망원경을 만드는 비결!

망원경을 크게 만들려면 빛을 모으는 역할을 하는 렌즈나 반사경을 크게 만들면 돼요. 하지만 렌즈나
반사경을 크게 만드는 데는 한계가 있어요. 특히 렌즈는 크게 만들기 매우 어렵답니다. 빛이 제멋대로
꺾이거나 흩어지지 않게 하려면 렌즈를 균일하게 만들어야 하는데, 큰 렌즈일수록 균일하게 만들기 려워요. 게다가 렌즈로 망원경을 만들면 망원경의 길이가 길어지는 단점이 있어요. 렌즈에 들어온 빛이 한 점에 모이기까지의 거리인 초점 거리가 길기 때문이지요.
요즘 쓰고 있는 대형망원경은 모두 거울을 이용한 반사망원경이에요. 반사경은 한 면만 가공하면 되기 때문에 렌즈보다 크게 만들기 쉬워요. 하지만 반사경도 너무 커지면 만들거나 다루기 어려워지지요 현재 거울로 만든 반사망원경 중 가장 큰 것은 미국 아리조나에 있는‘대형 쌍안 망원경’으로 구경이 8.4m 예요. 현재 단일 반사경의 구경은 8m 정도가 한계랍니다.
가시광선이 아닌 전파를 관측하는 전파망원경은 광학망원경보다 크게 만들 수 있어요. 전파는 가시광선보다 파동의 길이, 즉 파장이 길어서 반사면이 아주 정밀하지 않아도 되기 때문이에요. 그래서 수십, 수백m 크기로도 만들 수 있어요. 그래도 망원경을 무작정 크게 만드는 데는 많은 어려움이 따르지요. 천문학자들은 이런 한계를 극복하기 위해 여러 가지 방법을 고안했답니다.

 

 

붙이고 이어서 만든 대형망원경

반사경은 크기가 커질수록 더욱 정밀하게 만들어야 한다. 무게나 온도 변화로 인해 모양이 변형되기도 쉽다. 이런 문제점을 해결하고 더욱 큰 망원경을 만들기 위해 천문학자들은 작은 반사경 수십 개를 연결하는 방법을 사용한다. 구경이 작은 육각형 모양의 반사경 여러 개를 조합해 하나의 커다란 반사
경과 같은 효과를 내는 것이다. 현재 10m급이상의 망원경은 모두 이런 벌집 구조로 만들어지고 있다.

지구만 한 망원경이 있다?

망원경 하나의 한계를 극복하기 위해 천문학자들은 새로운 방법을 개발했다. 서로 멀리 떨어져 있는 망원경을 연결해 큰 구경의 효과를 내는 것. 이것이 간섭계로, 아직 광학망원경 분야에서는 어렵지만 전파망원경에서는 널리 쓰이고 있다.
천체에서 나온 전파가 각각의 전파망원경에 도달한 시각과 전파망원경 사이의 거리를 정확히 알면 두 신호를 조합해 선명한 영상을 얻을 수 있다. 서로 지구 정반대편에 있는 전파망원경을 연결하면 지구 크기만 한 망원경의 효과도 낼 수 있다. 이렇게 넓은 범위의 전파관측망은‘초장기간섭계’라고 하며, 현재 유럽과 미국 등지에서 운영되고 있다.

 

전파망원경 여러 대로 간섭계를 구성할 때는 배열된 전파망원경의 수가 많을수록 수신 감도가 좋아져 약한 신호도 잡을 수 있다. 한편 전파망원경 사이의 거리가 멀수록 분해능이 좋아져 선명하게 볼 수 있다.

 

 

217㎞의 구경 효과를 내는 전파관측망 으로 찍은 사진(왼쪽)과 수천㎞의 구경 효과를 내는 유럽전파관측망으로 찍은 사진(오른쪽). 구경이 클수록 영상이 훨씬 선명함을 알 수 있다.

한반도를 가득 채운 망원경

지난 12월 2일 한국우주전파관측망이 완성됐다. 서울의 연세대학교와 제주도의 탐라대학교, 경상남도의 울산대학교에 각각 세워진 전파망원경 세 대를 연결하면 구경 500㎞인 망원경의 성능을 낼 수 있다. 앞으로 우리나라는 일본, 중국과 협력해 구경 2500㎞에 달하는 동아시아 전파관측망을 완성할 계획이다.


 

더 높은 곳을 향해

최고의 구경을 갖췄다고 끝이 아니에요. 지구에는 천체 관측을 가로 막는 방해꾼이 많거든요. 도시의 불빛, 두꺼운 대기, 구름, 바람 등이 모두 천체 관측을 방해하는 망원경의 적이랍니다. 천문학자들은 이런 방해꾼을 제거하기 위해 여러 가지 궁리를 해 왔어요. 가장 간단한 방법은 방해꾼이 없는 곳을 찾아 가는 것이죠. 그래서 천문학자들은 망원경을 놓을 장소를 찾아 점점 더 한적하고 높은 곳을 찾아가게 되었어요.

① 도시? 너무 밝아!

지금처럼 인공조명이 발달하지 않았던 옛날 천문학자들은 자기 집에 망원경을 설치하고 천체를 관측할 수 있었다. 하지만 대낮처럼 밝은 요즘 도시에서 천체를 관측한다는 것은 불가능한 일! 인공조명은 망원경에 빛을 비춰 관측을 어렵게 만들고, 또한 하늘의 구름에 반사돼 하늘을 밝게 만든다. 결국 천문학자들은 천체 관측을 위해 도시를 떠나야만 했다.

② 어두운 시골? 그래도 대기는 있다

시골이라면 인공조명으로부터는 어느 정도 자유롭다. 하지만 여전히 1000㎞ 두께에 달하는 공기가 머리 위를 덮고 있다. 천체가 내는 빛의 일부는 공기에 가로막혀 망원경에 도착하지 못한다. 게다가 비가 오거나 구름이라도 끼는 날이면 관측은 불가능하다. 천문학자들은 여기서도 다시 짐을 싸야 했다.

③ 산으로 가자!

산 위는 인공조명도 없고 공기의 영향도 조금 덜 받는다. 구경 1.8m로 우리나라에서 가장 큰 망원경을 갖고 있는 보현산 천문대도 고도 1100m 산 위에 있다. 하지만 이 곳도 아직 날씨와 구름의 영향을 받는 등 최적의 장소는 아니다. 천문학자들은 진정한 명당 자리를 찾기 위해 더 높이 올라가야 했다.

④ 그래 바로 여기야!

오늘날 대형망원경의 상당수는 특정 지역에 집중돼 있다. 하와이의 마우나케아산이나 칠레의 안데스산맥 등지로 이런 곳에는 몇 가지 특징이 있다. 우선 일 년에 맑은 날이 11달이 넘을 정도로 날씨가 좋다. 공기가 안정되어 흔들림이 적고, 건조해서 적외선을 흡수하는 수증기도 적다. 게다가 고도 4000m 위로 올라가면 공기가 희박해 공기에 의한 방해를 덜 받는다.

⑤ 사막, 고원지대

공기가 건조하고 일 년 내내 맑은 날씨가 계속되는 사막도 대형망원경을 놓기 적당한 장소다. 최근 천문학자들은 칠레나 카자흐스탄, 몽골 지역의 사막과 고원지대의 황무지에도 눈을 돌리고 있다.

아예 지구를 떠나자

지구에서 가장 좋은 장소에 대형망원경을 놓고 천체를 관측할 수 있게 된 천문학자들. 하지만 그래도 더 좋은 장소를 찾으려는 천문학자들의 노력은 끝나지 않았어요. 
더 좋은 장소라면? 더 높은 곳, 바로 우주죠. 우선 우주에는 공기가 없기 때문에 빛이 흔들리지 않아서 훨씬 선명한 상을 얻을 수 있어요. 그래서 작은 구경으로도 큰 효과를 내지요. 1990년에 우주로 올라가 곧 수명을 다할 예정인 허블 우주망원경은 구경이 2.4m지만 지상의 구경 8m짜리 망원경과 맞먹는 성능을 발휘해요. 2013년에 발사할 구경 6.5m짜리 제임스웹 우주망원경은 지상의 구경 30m짜리 망원경과 맞먹는다고 해요.
지상에서는 지구 대기에 가로막혀 볼 수 없는 빛을 볼 수 있다는 것도 우주의 큰 장점이에요. 지구 대
기는 눈에 보이는 가시광선과 전파 영역의 일부를 뺀 적외선, 자외선, 엑스선, 감마선 등을 거의 모두 가로막아요. 따라서 이런 파장의 빛을 관측하기 위해서는 망원경을 우주로 보내야 해요.
이런 이유 때문에 다양한 우주망원경이 현재 지구 주위를 돌고 있고, 또 조만간 발사될 예정이에요.
각자 어떤 역할을 하는지 살펴볼까요?

감마선 우주망원경
거대한 에너지원에서 주로 나오는 감마선을 관측하면 블랙홀이나 아직 정체가 밝혀지지 않은 고에너지 천체에 대해 연구할 수 있다. 2008년 6월에 발사된 페르미 감마선 우주망원경이 대표로, 가동된 지 얼마 되지 않아 감마선으로 본 은하의 지도를 그려 내기도 했다.


 

엑스선 우주망원경
엑스선 관측은 블랙홀이나 은하 중심을 연구하는 데 중요하다. 엑스선은 렌즈나 거울을 쉽게 통과해 버리기 때문에 일반적인광학망원경으로는 관측할 수 없다. 그래서 엑스선 망원경은 이리듐이나 금으로 코팅된 특수 검출기를 이용한다. 찬드라 엑스선 우주망원경이 대표적이다.



 

자외선 우주망원경
무거운 별은 진화하면서 자외선을 많이 내보낸다. 따라서 자외선을 관측하면 별의 진화 연구에 많은 도움이 된다. 우리나라에서도 참여한 갈렉스 우주망원경은 2003년 발사된 이래 별의 형성 및 은하의 탄생 시기와 우주의 나이 등을 연구하는 데 유용하게 쓰이고 있다.
 

적외선 우주망원경
적외선으로 아주 먼 은하나 갓 태어난 별, 우주 초기의 모습을 관측할 수 있다. 적외선을 관측하는 망원경의 구조는 가시광선을 관측하는 망원경과 기본적으로 같다. 하지만 적외선은 열이 있는 모든 물체에서 나오기 때문에 망원경 자체에서 나오는 적외선의 방해를 받지 않기 위해 망원경 몸체를 절대 0도에 가깝게 냉각시킨다.
현재는 미국의 스피처 우주망원경이 적외선 영역을 관측하고 있으며, 이어서 미국, 유럽, 일본이 각각 적외선 우주망원경을 발사할 예정이다. 이 중에서 구경이 가장 큰 것은 6.5m인 미국의 제임스웹 우주망원경으로, 18개의 작은 반사경으로 이루어져 있다. 접힌상태로 발사된 뒤 우주에서 펴지게 되는데, 항상 태양을 등지는 궤도에 있어 태양빛의 영향을 최대한 줄일 수 있다.
 

 

우주의 끝까지 보여 주마

현재 세계에서 가장 큰 광학망원경은 미국의 켁 망원경, 남아프리카공화국의 SALT(남아프리카 대형망원경), 스페인의 카나리 제도에 있는 GTC(카나리 대형망원경) 등으로 10m 안팎의 반사경을 갖고 있어요. 이런 대형망원경에는 많은 돈과 인력이 필요하기 때문에 보통 여러 나라가 협력해서 만들어
요. 앞으로는 구경이 25m, 30m, 42m인 거대망원경이 건설될 예정이라 천문학자들은 훨씬 더 자세한 우주의 모습을 볼 수 있을 것으로 기대하고 있답니다. 어떤 망원경이 우주의 신비를 밝혀 줄지 미리 살펴볼까요?

유럽 초거대망원경
유럽남천문대가 주도하는 구경 42m짜리 망원경으로, 벌집 구조로 만든다. 완성되면 외계 행성의 대기까지 관측할 수 있을 것으로 예상하고 있다. 2018년 이후 완성될 예정이다.

 

30미터 망원경
미국과 캐나다가 주도하는 30미터 망원경은 이름 그대로 구경이 30m인 망원경이다. 30m의 주 반사경은 1.4m짜리 작은 반사경 492개를 연결한 벌집구조로 만든다. 2018~2020년에 가동하기 시작할 계획이다.

 

거대 마젤란 망원경
미국과 호주가 협력해 만들고 있는 망원경으로 우리나라도 참여하고 있다. 2018년에 완성될 예정으로, 8.4m짜리 반사경 7개를 연결해 구경 25.4m짜리 주 반사경을 만들 계획이다. 따라서 8m급의 대형망원경보다 집광력이 7배나 좋다. 분해능은 허블 우주망원경보다 10배 뛰어나 허블우주망원경으로 흐릿하게 보였던 천체도 선명하게 볼 수 있다.


 

 

 

허블 우주망원경으로 찍은 천체의 모습(왼쪽)과 거대 마젤란 망원경이완성되면 볼 수 있는 같은 천체의 모습(오른쪽).


지구보다 큰 망원경
전파망원경을 우주로 올려 보낸 뒤 지상의 전파망원경과 연결한다면 지상에서보다 훨씬 큰 구경 효과를 낼 수 있다. 2012년 발사 예정인 일본의 우주전파망원경 아스트로-G는 최대 3만 6000㎞의 궤도를 돌게 된다. 지상과 연결에 성공한다면 구경이 지구보다 큰 망원경이 우주에 떠 있게 되는 셈이다.
 

 

 

천체망원경 상식

우주를 더 자세히 보기 위한 천문학자들의 노력이 대단하지요? 마지막으로 앞에서 미처 들려주지 못했던 망원경에 대한 재미있는 사실을 모아 보았어요. 몰랐던 사실을 배우면서 망원경이 우주의 신비를 밝혀 낼 그 날을 함께 기다려 봐요~!

1. 세계에서 가장 큰 망원경은?
푸에르토리코의 아레시보에 있는 전파망원경이 구경 305m로 세계 최대다. 아레시보 전파망원경은 산을 깎아 그 안에 반사면을 만들었다. 반사면에서 반사된 전파는 90m 높이의 콘크리트탑 3개로 허공에 매달려 있는 수신기에 모인다. 아레시보 전파망원경은 지구 밖의 문명을 찾는 연구에도 쓰이고 있다.

 

 

2. 천문학자는 망원경을 들여다보지 않는다?
천문학자라 하면 망원경으로 하늘을 바라보고 있는 모습을 상상하기 쉽지만, 요즘 천문학자는 직접 망원경을 들여다보지 않는다. 망원경으로 들어온 영상은 컴퓨터에서 합성된 뒤에야 우리가 보는 사진이 된다. 전파망원경도 마찬가지다. 지도의 등고선처럼 위치별로 신호의 세기를 표시한 영상을 만들어 낸다.

 

3. 망원경에 쓰는 거울은 우리가 쓰는 거울과 어떻게 다를까?
거울은 유리에 은이나 알루미늄을 코팅해 만든다. 그런데 우리가 쓰는 거울은 유리 뒷면에 코팅이 되어 있다. 그래서 가까이서 보면 유리 앞면에서 반사된 상과 뒤쪽 코팅면에서 반사된 상두 개가 보인다. 반면, 망원경에 쓰는 거울은 유리 앞면에 코팅을 해서 이런 현상이 일어나지 않는다. 망원경에 쓰는 반사경은 반사율이 98%에 달하며, 반사율을 유지하기 위해 정기적으로 코팅한다.
 

4. 대형망원경에는 왜 *경통이 없을까?
일반인이 사용하는 천체망원경과 달리 대형망원경에 경통이 없는 이유는 여러 가지다. 첫째, 경통을 없애면 망원경의 무게를 줄일 수 있다. 둘째, 경통이 있으면 내부에서 공기가 소용돌이쳐서 상이 흐려진다. 셋째, 망원경의 열이 경통 안의 공기를 데우면서 아지랑이가 생겨 상이 흐려진다. 예전에는 돔 외부의 바람을 차단하여 소용돌이를 최소화하였지만, 요즘에는 자연스럽게 외부 공기를 통과시켜 흘러가도록하고 안팎의 온도도 비슷하게 맞춘다.

 

*경통 : 망원경을 둘러싸고 있는 둥근 통.