망원경에 대한 간단한 상식들

망원경은 멀리 있는 물체를 확대해서 보는 장치이다. 꽤 오래전에 안경을 만든 사람들이 볼록렌즈와 오목렌즈를 잘 결합하면 멀리 있는 물제를 확대해 볼 수 있다는 경험적 원리를 통해 만들어 졌고 그 후 전쟁이나 바다에서 아주 유용하게 사용되기 시작했다. 그리고 갈릴레오라는 천재 과학자가 이것을 통해 행성을 관측함으로서 망원경의 무대는 우주로 넓어져 버렸다. 갈릴레오는 실제로 달과 목성을 관측했고 금성의 위상변화 (달처럼 모양이 변하는 현상)를 관측함으로서 내행성과 지구가 태양을 돈다는 명백한 사실을 증명하기도 했다.

 

아무튼 이렇게 볼록렌즈와 오목렌즈 두쌍으로 확대하는 방법을 굴절 망원경이라고 한다. 빛이 굴절되어 한점에 모이는 방식이라 이렇게 부르는 것이다. 이와 다르게 뉴튼은 빛을 모으는 방법을 거울을 통해 했는데 오목거울을 이용해서 빛을 앞쪽에 모아서 보는 방법이고 이것을 반사 망원경이라고 부른다.

 

굴절이나 반사나 일단 빛을 모은다는 것은 동일하다. 그것을 볼록렌즈를 통해 모으느냐 오목거울을 통해 모으느냐의 차이만 있을 뿐이다. 하지만 둘의 차이는 세분화 하면 좀 더 많다.

 

1. 굴절의 한계

 

굴절 망원경은 볼록렌즈를 통해 빛을 모으게 되므로 이것을 대구경으로 만드려면 커다랗고 정밀한 볼록렌즈를 가공해야 한다. 그런데 이런 렌즈를 만들려면 원석의 크기도 커야 하고 가공도 무척 힘들다. 특히 갈릴레오식 망원경은 빛이 굴절 망원경을 통해 굴절될 때 파장별로 분리되는 현상 즉, 색수차를 해결하기 위해 구경이 커지면 망원경의 길이가 무척 길어져야 했다. 색수차는 프리즘 같은 효과인데 빛이 굴절되면 프리즘을 통과한 빛처럼 색상별로 분리되는 현상을 말한다. 색수차는 굴절 망원경의 아주 커다란 문제점이었고 이때문에 상이 명료하지 않는 문제가 발생했다.

 

정리하면 굴절은 대구경으로 갈수록 비용이 기하급수적으로 늘어나고 색수차 문제로 인해 대구경으로 만들어도 상이 명료하지 않는 문제가 있다.

 

2. 반사의 등장

 

이런 근본적인 문제를 해결하고자 뉴튼은 오목거울을 이용해 빛을 모으는 방법을 고안했는데 장점은 구경이 커져도 단순히 오목거울의 크기만 크게하고 그 위를 거울처럼 잘 반사하는 물질만 잘 발라주면 되기 때문에 대구경으로 가도 제작 비용이 그닥 많이 증가되지는 않았다. 단, 그 당시 기술로는 반사면 처리를 위한 도장 기술이 발달하지 못해서 상의 정확성이 많이 떨어졌다. 그리고 실제로 현대에 와서도 굴절은 반사보다 상이 더 날카롭게 보인다고 평가된다.

또한 반사는 사경이라는 앞쪽에 붙은 오목거울에서 반사된 빛을 다시 외부로 반사시켜 빼주는 보조 장치가 필요하고 반사경은 그 크기만큼 빛의 손실을 가져와 동일 구경이라면 굴절이 더 많은 빛을 받아 들이게 된다. 사경의 크기는 거의 고정이기 때문에 반사 망원경의 크기는 기본적으로 어느정도 크기 이상이여야 한다.

 

* 굴절과 반사를 섞은 카세그레인식 망원경도 있다.

 

3. 굴절과 반사의 쓰임새

 

같은 구경이라면 반사가 가격이 싸다. 단, 반사는 사경의 크기만큼 빛이 손실되므로 동일 구경에 동일 촛점거리라면 굴절이 더 밝게 보인다. 행성(달,목성,토성,금성 등등) 을 볼때는 그 대상이 워낙 커서 비교적 소구경인 굴절을 쓰면 아주 날카로운 상을 볼 수 있는데 소위 딥스카리라고 말하는 천체목록들은 소구경 굴절로는 한계가 많다. 따라서 200mm(8인치) 급 이상에서는 거의 반사가 주를 이루는데 딥스카이를 제대로 보려면 적어도 최소 10인치 이상은 필요하다고 보면 된다.

 

실제 밖에 나가서 안시관측을 해보면 겉보기 등급이 높은(밝은 대상) 안드로메다나 오리온 성운도 그냥 뿌연 안개같은 모양으로 밖에 안보이기 때문에 어두운 대상은 작은 구경은 보기가 힘들다고 봐야 한다. 단 상의 날카로움도 아주 중요하기 때문에 무조건 반사가 최고라고는 말할 수 없다.

 

천문사진을 찍을 때는 굴절을 반사보다 더 많이 쓰는데 그것은 어차피 구경이라는 것은 단위시간당 모으는 빛의 양에 관계되므로 작은 구경이라도 더 오래 모으면 극복이 되기 때문이다. 반사는 크기가 커서 주변장치들에 영향을 많이 주게 되므로 (가대의 성능 등등) 상대적으로 가볍고 촛점거리가 짧은 단촛점 굴절 렌즈를 많이 쓴다.

 

4. 렌즈의 구성

 

굴절은 그동안 색수차와 같은 빛의 오류를 수정하기 위해 여러쌍의 렌즈를 겹쳐는 설계법으로 발달되어 와 현재에 이르러서는 좋은 APO급 망원경은 색수차가 거의 없다고 봐도 무방할 정도이다. 그리고 그 렌즈를 구성하는 기본물질이 뭐냐 따라서 다양하게 나뉘는데 실제로 너무 복잡해서 자세한 설명은 전문적은 천문자료를 찾아보길 권하기로 한다.

 

5. 세계적인 망원경

 

허블 망원경에 대해서는 들어본적이 있을 것이다. 우주에 떠있는 가시광선 망원경인데 구경이 작은편이지만 (2M 정도인든가;;) 대기를 통하지 않고 암흑의 우주속에서 빛을 받고 또한 지구의 자전에도 영향을 받지 않아서 엄청난 성능을 자랑하는 망원경이다. 이와 비슷하게 우주에 나가있는 찬드라 X선 망원경도 있고 적외선 전용 망원경도 있다. 하와이에 있는 4천미터 산 정상에도 대형 반사 망원경이 설치되어 있는데 기억이 확실하지는 않지만 지름 10M 정도 였던 것 같다. 브라질 안데스 산맥인가? 거기도 대형 망원경이 있다. 그리고 모든 대형 망원경은 반사 망원경이다. 더 자세한 내용은 구글님의 도움을 받길.

 

6. 망원경 용어

 

- 구경 : 말 그대로 굴절 대물렌즈 (앞쪽 렌즈)의 지름을 말한다.

- 촛점거리 : 대물렌즈로부터 빛이 모이는 지점까지 거리로 보통 망원경 자체 길이가 된다.

- 촛점비 : F수 라고 표현하는데 촛점거리를 구경으로 나눈값이다. F수 작을 수록 (촛점거리에 비해 구경이 클수록) 단촛점이 되고 클수록 장촛점이 된다.

장촛점은 단촛점에 비해 상대적으로 더 작은 구간을 확대해 보는데 그만큼 상이 어둡게 되다. 단촛점은 상이 밝아서 카메라 촬영에 많이 쓰인다.

- 배율 : 망원경의 확대 배율은 상대적으로 무한대이다. 왜냐하면 결국 확대는 어떤 아이피스를 쓰느냐에 다라 달려 있는데 망원경의 촛점거리를 아이피스 촛점거리로 나누면 배율이 된다. 따라서 고배율 아이피스의 촛점거리는 저배율보다 짧다. 또한 고배율일수록 상이 어두운데 그것은 더 확대했기 때문이다. 이 때문에 태양계내의 행성들은 200배 이상 확대해도 무리가 없지만 딥스카이 대상들은 50배 이하로 보는게 좋다. 그렇지 않으면 너무 어두워서 아무것도 안보인다.

 

* 고배율이 되면 지구 자전에 의한 별의 이동이 정말 순식간에 이루어지기 때문에 대상을 맞춰놓아도 실제로 10초도 안되어 대상은 망원경에서 벗어나 버리는 불상사가 일어난다. 여친에게 야 목성봐라.. 하고 맞춰줬는데 여친이 어디? 하면서 보면 암것도 없다;; 이런경우를 대비해 적도의를 구하는것도 고민해 봐야 한다 ㅎㅎ

 

이 개념들만 제대로 이해해도 망원경에 대한 특성을 대충 이해하게 된다.