천체를 관측하는 망원경
1610년 갈릴레오 갈릴레이는 손수 제작한 망원경으로 달을 관찰하고, 달에도 지구와 같은 지형들이 있음을 확인하였다. 이후 우주에 대한 인간의 지식은 망원경의 발달과 더불어 비약적으로 증가하였다. 여기서는 우주 관찰의 필수 도구인 망원경의 종류와 원리를 알아보고, 망원경을 통해 알게 된 것들이 무엇인지 살펴보자.
▶ 광학 망원경의 구조와 성능
우리가 물체를 볼 수 있게 해 주는 빛(가시광선)을 이용한 광학 망원경은 크게 렌즈를 사용하는 굴절 망원경과 거울을 사용하는 반사 망원경으로 나뉜다.
굴절 망원경은 빛이 렌즈를 통과할 때 굴절되는 특성을 이용해 빛을 모으는 망원경으로, 상이 깨끗하고 안정하다는 장점이 있다. 하지만 크게 만들 경우 가공이 어렵고 색수차가 심해지므로 대형 망원경을 만들기 어렵다.
반사 망원경은 거울을 이용해 빛을 모으는 망원경으로, 굴절 망원경에서와 같이 색수차가 나타나지 않는 장점이 있다. 더욱이 거울은 렌즈에 비해 가공이 쉽기 때문에 대형 망원경을 만들기에도 편리하다. 따라서 천문데에서 사용하는 큰 망원경들은 대부분 반사망원경이다. 반사 망원경 중에는 경통 앞에 보정 렌즈를 설치해 굴절 망원경의 장점을 활용하는 것들도 있다.
광학 망원경의 성능은 관측하려는 대상에서 오는 빛을 얼마나 모을 수 있느냐를 의미하는 집광력과 얼마나 확대해 볼 수 있는지를 의미하는 배율로 나타낸다. 일반적으로 광학 망원경은 대물렌즈나 주 거울의 면적이 클수록 집광력이 커진다. 또한 망원경은 대물렌즈나 주 거울의 면적이 클수록 집광력이 커진다. 또한 망원경의 배율은 대물렌즈와 접안렌즈 또는 주 거울과 접안렌즈의 조합으로 결정된다. 학교에서 주로 사용하는 굴절 망원경의 경우는 빛을 모으는 대물렌즈의 초점 거리가 길수록, 눈으로 보는 접안렌즈의 초점거리가 짧을수록 배율이 커진다.
광학 망원경에서 또 하나의 중요한 성능은 상이 얼마나 선명하게 보이느냐를 결정하는 분해능이다.
분해능은 서로 가까이 있는 물체들을 얼마나 잘 구분해서 볼 수 있느냐를 나타내는 것으로, 망원경의 구경이 클수록, 관측하는 빛의 파장이 짧을수록 좋다. 즉 같은 크기의 망원경이라도 가시광선을 이용하는 광학 망원경이 적외선 망원경보다 분해능이 좋다.
▷ 전파 망원경
우리 눈은 우주에서 가시광선을 내는 물체만 볼 수 있지만, 실제로 우주에는 가시광선 위에도 전파 같은 다른 영역의 전자기파를 방출하는 물체들도 매우 많다. 우주에서 나오는 전자기파의 영역과 우리가 일상생활에서 전자기파를 활용하는 예이다.
우주에서 방출되는 전자기파는 영역별로 각각 특정한 물리적 현상에 의해 발생되므로, 이를 검출하는 장치를 활용하면 우주를 훨씬 입체적으로 이해할 수 있다.
전자기파로 우주를 관찰하려면 전자기파의 영역별로 수진 장치를 만들어야 하는데, 특별히 천체들이 내는 전파를 이용하는 장비를 전파 망원경이라 한다.
우주에서 전파를 강하게 방출하는 대표적인 천체로는 성운이 있다. 가스와 먼지로 이루어져, 우주 곳곳에 덩어리로 모여있는 성운은 별들이 폭발할 때 나온 물질이 모여 생기기도 하지만, 새로운 별들이 탄생하는 매우 역동적인 공간이기도 하다. 이러한 성운은 대부분 온도가 낮아 가시광선보다는 전파로 관측하기가 용이하다.
전파는 우주에서 오는 전자기파 중에서 가시광선과 함께 지상에 도달할 수 있는 영역이다. 하지만 가시광선과 달리 지구 대기의 영향을 거의 받지 않으므로 전파를 사용하는 전파 망원경은 시간과 날씨에 상관없이 천체 관측에 이용할 수 있는 장점이 있다.
전파는 우리가 일상생활에서 무선 통신에 이용하는 전자기파이기도 하기 때문에, 태양계 밖에도 지적 생명체가 있다면 이들도 전파를 이용할 가능성이 높다. 이런 점에 착안하여 과학자들은 외계에 있을지도 모르는 지적 생명체의 존제를 확인하는 데에도 전파 망원경을 이용하고 있다.
우주 망원경
앞에서도 살펴본 바와 같이 천체에서 방출되는 전자기파 중에 자외선처럼 파장이 짧은 전자기파는 지구 대기를 거치는 동안 대부분 흡수되거나 반사되어 지상까지 도달하지 못한다는 문제점이 있다. 가시광선도 일부가 지구 대기를 통과하는 동안 산란되거나 대기의 흔들림 때문에 천체의 상이 다소 흐려지거나 퍼져 보이는 문제가 생긴다. 대기의 영향을 받지 않고 지상에 도달하는 것은 파장이 긴 적외선이나 전파들뿐이다.
이러한 문제점을 해결하고 우주의 원래 모습을 선명하게 관측하려면 전자기파를 반사하거나 산란하는 일이 없는 대기권 밖의 우주 공간에 망원경을 띄워서 관측해야 한다.
지구 대기 밖에 설치된 우주 망원경의 장점은 지구 대기의 방해를 받지 않고 천체를 관측할 수 있다는 것이다. 또한 밤낮이 생기지 않고 늘 깜깜한 상태여서 장기간 노출이 가능하므로 아주 어두운 천체도 관측할 수 있다는 것이다.
우주 망원경은 1970년 X선 망원경이 설치된 소형 위성인 SAS-1이 우주 공간으로 발사된 후 지금까지 100여 종이 우주에서 활약하고 있다. 그중에서도 우주의 모습을 가장 생생하게 보여 주어 사람들을 놀라게 한 것은 1990년에 우주 왕복선을 통해 발사된 허블 우주 망원경이다. 가시광선 영역에서 우주를 주로 관측하며, 일부 적외선과 자외선 영역을 사용하는 허블 우주 망원경은 몇 차례의 수리를 거쳤지만 여전히 최고 성능을 자랑하는 우주 망원경으로 지금까지 활약하고 있다.
전자기파의 영역에서 가시광선을 사용하는 허블 우주 망원경 외에도 우주 망원경의 종류에는 적외선을 사용하는 것과 X선을 사용하는 것, 감마선을 사용하는 것 등이 있다.
적외선 우주 망원경은 가시광선이 통과하지 못하는 먼지도 적외선이 잘 통과할 수 있기 때문에 광학 망원경에서 보이지 않는 별의 생성 장소나 은하 중심부를 자세히 관측할 수 있는 장점이 있다. 2009년 발사된 허셜 우주 망원경이 적외선 우주 망원경이다.
중성자별이나 블랙홀, 초신성의 잔해, 활동성 은하 등 온도가 수백만 도에 이르고, 매우 강한 자기장이나 중력장, 그리고 폭발과 연관된 천체의 연구에는 X선 우주 망원경을 이용한 곽측이 적합하다. 찬드라 우주 망원경과 XMM-뉴턴 우주 망원경이 대표적이다.
한편, 태양의 플레어, 감마선 폭발, 펄서, 초신성 폭발, 블랙홀 주변의 원반, 퀘이사, 우주선(cosmic ray)과 성간 물질의 상호 작용 등 높은 에너지 현상을 관측하는 데는 감마선 우주 망원경이 이용된다. 대표적인 감마선 우주 망원경에는 1991년 발사되어 지금까지 활약 중인 콤프턴 감마선 우주 망원경이 있다.
◈ 우주 배경 복사의 관측
빅뱅 이론의 가장 강력한 근거이자 우주 탄생의 비밀을 품고 있는 우주 배경 복사에 대한 관측은 우주 망원경의 또 다른 중요한 임무이다. 1991년 발사된 코비(COBE) 우주 망원경은 우주 배경 복사가 전 우주에서 균일하게 나타나지만 극히 일부에서는 그렇지 않은 부분이 있음을 최초로 밝혀냈다. 또한 2001년 발사된 WMAP 위성은 초기 우주 밀도 분포를 매우 자세히 알 수 있는 정밀한 관측 자료를 제공해 주었다. 그리고 2009년 유럽우주기구가 발사한 플랑크 우주 망원경은 현재 정밀한 우주 배경 복사를 관측하고 있어 앞으로 우주 탄생 비밀을 푸는 데 큰 역할을 할 것으로 기대된다.
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