천체망원경

천체망원경(Astronomical Telescope)은 천체에서 오는 전자기파를 모아서 관측하는 망원경이다. 어두운 천체의 빛을 넓은 면적에 모아서 밝게 보여주고, 분해능을 높여서 더욱 세밀한 천체의 모습을 보여주는 것이다. 천체망원경은 관측하는 파장에 따라서 광학망원경, 적외선망원경, 전파망원경, 자외선망원경, x-선 망원경, 감마선망원경 등이 있으며, 우주배경복사를 관측하는 마이크로파망원경도 있다. 또한 설치된 위치에 따라서 지표면에 설치되는 지상망원경과 인공위성 등의 우주궤도에 놓이는 우주망원경으로 구분된다.

목차

천문학적 용도로 쓰이는 천체망원경 뿐 아니라 지상 관측용 망원경도 그 원리는 동일하며, 대표적인 성능은 다음과 같다.

1. 빛을 모아주어서 눈으로 보는 것보다 밝게 볼 수 있게 해주어서, 망원경의 구경이 커질수록 더욱 어두운 물체를 볼 수 있게 해준다. (집광력: 빛을 모으는 능력)

2. 먼 곳에 서로 가까이 있는 물체를 구분하여 볼 수 있게 해준다. 역시 망원경의 구경이 커질수록 더욱 세밀하게 볼 수 있다. (분해능: 세밀하게 분해해주는 능력)

3. 물체의 상을 확대시켜서 볼 수 있게한다. 대물렌즈 (또는 반사경)의 초점거리가 길수록, 그리고 접안렌즈의 초점거리가 짧을수록 배율이 높아진다. (배율: 크게 볼 수 있게 해주는 확대 비율)

천체망원경은 위의 세 가지 중요한 성능 중 집광력과 분해능이 매우 중요한데, 이들은 망원경의 크기, 즉 구경과 깊은 관계가 있다. 이 때문에 천체망원경의 성능을 좌우하는 요소로서 구경이 중요하며, 구경이 큰 천체망원경의 성능이 일반적으로 더 우수하다.

일반적으로 망원경이라 하면 인간의 눈에 보이는 가시광선 파장영역에서 보는 광학망원경을 말한다. 최초로 발명된 망원경도 광학망원경으로서, 네덜란드의 한스 리퍼세이(Hans Leppershey)가 렌즈를 배열하여 1608년에 만들었다. 최초의 천체망원경은 그 다음 해인 1609년에 갈릴레오 갈릴레이가 망원경으로 달과 목성을 관측한 것이 기원이다. 이들은 렌즈를 사용하여 빛을 굴절시켜서 모으고 확대하는 굴절망원경이다 (그림 1). 즉, 대물렌즈에서 빛을 모으면 접안렌즈로 이를 확대하여 보는 것이다. 멀리 있는 천체들은 접안렌즈 없이, 주로 초점에 직접 CCD를 붙여서 영상관측하거나 분광기 등을 설치하여 관측한다.

그림 1. 굴절망원경(출처: 김영수/한국천문학회)

반면, 렌즈 대신 반사경으로 빛을 반사시키면서 모으는 반사망원경이 있다. 최초의 반사망원경은 영국의 아이작 뉴턴경이 1668년에 발명하여서 뉴턴식 망원경(그림 2)이라고 하는데, 평행하게 들어오는 별빛을 주 반사경인 포물면경에서 반사시켜서 모은다. 평면의 부 반사경에서 이 빛을 90도로 꺽어서 주 반사경에 들어오는 별빛을 가리지 않고 볼 수 있게 한다.

반사망원경은 굴절망원경에 비해서, 공기의 와류에 의해 상이 안 좋은 단점이 있으나, 가공이 쉽고 망원경의 길이가 짧아지며 비용이 적게 드는 등의 장점이 많다.

그림 2. 뉴턴식 반사망원경(출처: 김영수/한국천문학회)

요즘에는 대부분의 대형망원경은 리치-크레티앙(Richy-Cretien) 반사망원경(그림 3)으로서, 포물면에 가까운 오목의 쌍곡면을 가진 주반사경과 쌍곡면의 볼록 부반사경으로 이루어져 있다. 이것은 주 반사경이 포물면인 카세그레인(Cassegrain) 망원경(그림 4)을 개량한 것으로서, 비점수차(astigmatism) 등을 줄여서 상을 더 좋게 만든 것이다. 슈미트망원경과 막스토프망원경과 같이 렌즈와 반사경을 같이 사용하는 반사-굴절망원경들도 있다. 최근에는 반사경을 3장 이상 사용하는 경우도 있으며, 비축면경(off-axis mirror)과 자유곡면의 광학소자를 사용하여 망원경을 구성하기도 한다.

그림 3. 리치-크레티앙 망원경(출처: 김영수/한국천문학회)

그림 4. 카세크레인 망원경 (출처: 김영수/한국천문학회)

반사망원경의 초점은 주로 주반사경의 뒤에 맺히도록 하는 카세그레인 초점(그림 5)과 주반사경 앞에 45도 기울어진 평면경을 두어서 망원경의 옆에 초점을 두는 나스미스(Nasmith) 초점(그림 7)이 많이 사용된다. 이외에도 주반사경만 사용하는 직초점(그림 6) 방식과 광섬유 등을 이용하여 모은 빛을 망원경의 아래로 전달하는 쿠데방식(그림 7)도 있다.

그림 5. 카세그레인 초점(출처: 김영수/한국천문학회)

그림 6. 직초점(출처: 김영수/한국천문학회)

그림 7.나스미스와 쿠데 초점의 위치(출처: 김영수/한국천문학회)

지상망원경은 망원경을 지지하는 가대(mount)는 지구 자전에 따라 일주운동하는 천체를 추적하는 기능도 담당한다. 가대는 주로 적도의식(Equatorial mount)과 경위대식(Alt-azimuth mount)의 2가지를 사용하는데, 적도의식은 적경과 적위를 따라 움직이게 되어 있어서 적경축을 극축에 평행하게 일치하고 회전시키면 천체의 운동을 추적할 수 있게 된다. 경위대식은 관측지점의 경도와 위도에 따라 움직이게 되어 한 천체를 추적할 때에는 경도축과 위도축을 둘 다 움직인다.

지상광학망원경은 단일 반사경을 사용하는 망원경은 최대 크기가 8.2~8.4m로서 Gemini 망원경 2기, Very Large Telescopes(VLTs) 4기, Subaru 망원경들이 있다. Large Binocular Telescope(LBT)는 8.4m 망원경 2기를 하나의 가대에 같이 올려 논 망원경이다. 1~2m 크기의 반사경들을 이어 붙인 조각거울(또는 segmented mirror telescope)들은 현재 최대 크기가 11m이다. 이들에는 Keck Telescopes 2기, Gran Telescope Canary(GTC), South Africa Large Telescope(SALT), Hobby Eberly Telescope(HET)들이 있다. 현재 거대망원경 3기가 개발되고 있는데, 한국도 참여하는 구경 25m의 Giant Magellan Telescope, 구경 30m Thirty Meter Telescope, 구경 39m의 European Extremely Large Telescope이다.