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망원경
망원경(望遠鏡, telescope)은 두 개 이상의 볼록 렌즈를 맞추어서 멀리 있는 물체 따위를 크고 정확하게 보도록 만든 장치를 말한다.
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개요[편집]
망원경은 먼 곳의 사물을 관측할 때 이용하는 광학기구를 말한다. 즉, 렌즈나 거울 등의 광학기기를 이용하여 가시광선·적외선·자외선·엑스선·전파 등의 전자기파를 모아 멀리 있는 물체를 관측하는 장치이다. 망원경으로 다루는 전자기파의 파장에 따라서 광학 망원경, 전파 망원경 등으로 분류되는데, 일반적으로 망원경이라고 하면 가시광선을 보는 광학 망원경을 일컫는 경우가 많다. 망원경은 주로 천문학에서 많이 사용되며, 이 외에도 군용 및 레저용으로 많이 사용되고 있다. 대부분은 가시광선을 사용하는 망원경을 생각하겠지만, 그 외의 전자기파를 사용하는 망원경 또한 있다. 우주 망원경인 찬드라(X선), 갈렉스(자외선), 스피처(적외선)와 아레시보 전파천문대의 전파 망원경이 대표적인 케이스. 심지어는 감마선을 포집하는 망원경도 있다.
1608년, 네덜란드의 안경원에서 렌즈를 연마하던 한스 리퍼세이(Hans Lippershey)가 발명했다. 이는 유리 렌즈를 써서 만든 굴절 망원경. 그로부터 몇 십 년 후 거울을 쓰는 반사 망원경이 발명되어 현대의 대형 광학 망원경의 주류가 되었다. 굴절 망원경은 큰 렌즈를 만들기가 어렵기 때문이다. 갈릴레오 갈릴레이에 의해 개량되기 시작한 망원경은 꾸준히 발전하였으며 20세기에는 여러 종류의 망원경이 개발됐고, 그중에는 1930년대의 전파 망원경, 1960년대의 적외선 망원경이 있다. 발전은 계속되어 지금은 우주 공간에 망원경을 띄워놓게 되었다.
망원경은 광학적 특성에 따라 굴절망원경과 반사망원경으로 분류할 수 있다. 렌즈를 사용한 망원경을 굴절(屈折)망원경이라 한다. 물체 쪽에 물체에서 나온 빛을 모으는 역할을 하는 대물렌즈가 있고, 눈 쪽에는 대물렌즈의 초점에 모인 빛을 확대하는 역할을 하는 접안렌즈가 있다. 반사경으로 빛을 모으는 방식을 이용하는 망원경을 반사망원경이라고 하며, 물체에서 나온 빛을 초점에 모으는 반사경과 모인 빛을 눈 근처에서 확대하는 역할을 하는 접안경으로 되어 있다. 굴절망원경은 색수차가 있어 색깔이 번져보이고 반사망원경은 색수차는 없지만 구면수차 때문에 상이 일그러져 보일 수 있다. 굴절망원경은 주변 온도의 영향을 거의 받지 않으나 반사망원경은 통 안에 기류가 생기기 때문에 주변 온도에 영향을 많이 받는다. 보수시 굴절망원경은 한번 조정하면 잘 틀리지 않는 반면 반사망원경은 광축이 자주 흐트러져서 보수의 어려움이 있다.[1][2][3]
역사[편집]
망원경("telescope")은 "멀리(tele)"라는 뜻의 그리스어 τῆλε와 "본다(skopein)"는 뜻의 σκοπεῖν에서 유래했으며, 1611년에 그리스 수학자인 Giovanni Demisiani가 갈릴레오 갈릴레이가 시연한 관측기기를 일컬으며 처음 사용한 기록이 있다. 최초의 망원경은 1608년에 네덜란드에서 한스 리퍼세이(Hans Lippershey) 등이 발명한 굴절 망원경이며, 갈릴레오 갈릴레이는 이 후에 망원경을 개선하여 천문학 관측에 사용하였다. 빛을 모으는 역할을 하는 대물렌즈(objective)를 거울로 바꾸면서 반사 망원경이 등장했다. 굴절 망원경이 가진 구면수차와 색 수차를 줄일 수 있는 포물면 거울의 장점이 알려지면서 여러 가지 디자인의 반사망원경들이 등장하였다. 1668년에는 아이작 뉴턴이 나중에 뉴턴식 망원경으로 알려진 첫 실용적인 반사망원경을 발명하였다.
1733년 이 후에는 일반 렌즈의 색 수차를 줄일 수 있는 색지움 렌즈(achromatic lens)의 발명 덕에 굴절망원경의 성능이 획기적으로 개선된다. 반사망원경은 초기에는 거울의 도금물질이 쉽게 산화해버리는 문제가 있었지만, 1857년, 1932년에 각각 망원경 거울을 은이나 알루미늄으로 도금하는 기술이 발명되면서 비약적인 발전을 하게 된다. 현재 깎을 수 있는 유리 렌즈의 최대 크기는 약 1미터정도에 불과하므로, 20세기에 만들어진 거의 대부분의 대형 망원경들은 모두 반사망원경으로 만들어졌다. 현재 가장 큰 광학 망원경의 크기는 10미터가 넘는다. 한편 20세기에 들어와서 비로소 가시광선 뿐 만 아니라, 다른 파장의 빛(전파부터 감마선까지)을 관측할 수 있는 일반적인 전자기파 관측기기로서의 망원경이 개발되었다. 최초의 전파망원경은 1931년에 칼 잰스키에 의해 발명되었으며, 적외선 관측기술은 1960년대에 들어 크게 발전되었다. 이후 망원경은 파장 대역, 분해능, 집광력 등의 면에서 엄청난 기술적 발전을 거듭하였다.[2]
망원경의 원리[편집]
망원경은 대물렌즈나 반사거울을 이용하여 물체로부터 나오는 빛을 모아 상을 만들고, 이 상을 접안렌즈로 확대해서 실제보다 크게 보이도록 하는 기구이다. 대물렌즈가 크면 클수록 물체로부터 나오는 빛을 많이 받게 되므로 상의 밝기가 증가한다. 밤하늘의 대상들은 그 거리가 무한대로 볼 수 있으므로 상은 항상 대물렌즈의 초점상에 맺히게 된다. 그러므로 대물렌즈에 의한 상의 크기가 크고 접안렌즈의 초점거리가 짧을수록 물체를 크게 확대시켜 볼 수 있다.[2]
망원경의 역할[편집]
렌즈나 곡면 거울과 같은 광학 도구를 이용하면, 한 점에서 출발한 빛을 다른 한 점으로 초점이 맺게 할 수 있다. 즉 피사체와 동일한 모양의 상을 다른 위치에 만들 수 있다. 이때 렌즈나 곡면 거울의 두께와 곡률 등을 조절하여 피사체보다 더 큰 상을 만들게 되면 우리는 실물보다 더 크게 물체를 볼 수 있는 것이다.
그러나 망원경의 가장 중요한 요소는 '집광능'과 '분해능'이다. 사람의 동공보다 훨씬 더 넓은 면적의 렌즈나 곡면 거울을 이용하여 빛을 모으므로, 육안으로 볼 수 있는 것보다도 더 어두운 피사체를 볼 수 있게 해준다. 이것이 집광능이다. 또한 망원경의 광학계-렌즈 또는 거울-의 지름이 클수록 분해능이 높아지므로, 피사체를 더욱 세밀하고 뚜렷하게 볼 수 있게 해준다. 이 두 요소 덕분에 망원경은 멀리 떨어져서 희미하게 보이는 천체를 우리가 관측할 수 있을 정도로 밝게 빛을 모아주는 동시에, 관측 대상의 상을 더욱 세밀하고 정확하게 맺어 주기 때문에 천문 관측에 아주 적합한 도구이다. 망원경이 처음 발명된 직후부터 갈릴레오 갈릴레이에 의해 천문 관측에 이용되었고, 현대에도 지름 수 미터 이상의 대형 망원경들이 다수 제작되어 천문 관측에 널리 이용되고 있다.
고전적인 의미의 망원경은 빛, 즉 우리가 눈으로 볼 수 있는 가시광선 영역의 전자기파만을 모으는 역할을 해 왔으나, 현대에 들어서는 가시광선 영역 이외에도 지구에서는 관측하기 어려운 자외선, X선, 감마선, 적외선, 전파 등의 전자기파를 모아 관측할 수 있는 다양한 방법들이 개발되고, 그 목적에 맞는 다양한 망원경들이 만들어졌다. 이러한 현대의 망원경들을 통해 우리 인류는 지금까지 알고 있었던 우주의 모습을 넘어서, 더욱 더 다양한 천체와 우주의 모습을 바라볼 수 있게 되었다.
망원경의 종류[편집]
망원경의 파장, 위치, 이용 목적 등 여러 가지 기준에 따라 분류가 가능하다. 그러나 관측하는 파장에 따라 전자기파를 모으는 방식과 기술이 크게 달라지므로 망원경은 아래의 표와 같이 주로 관측하는 파장에 따라 분류한다. 망원경은 위치에 따라서 지상 망원경, 우주 망원경, 항공 망원경 (en:Airborne observatory)으로 나뉜다. 또한 누가 어떤 목적으로 사용하느냐에 따라, 천문학자들의 연구용 망원경, 그리고 아마추어 천문가의 망원경으로 나눌 수도 있다. 하나 이상의 망원경, 관측기기들로 구성된 운송수단(차량, 비행기, 기구, 위성)이나 캠퍼스를 천문대라고 한다.
파장에 따른 망원경의 분류
| 파장대역 이름 | 망원경 | 천문학 분과 | 파장 | 주파수 | 광자의 에너지 |
|---|---|---|---|---|---|
| 전파(Radio) | 전파 망원경 | 전파 천문학 | > 1 mm | 300 GHz - 3 Hz | 1.24 meV - 12.4 feV |
| 서브밀리미터(sub-mm) | 서브밀리미터 망원경 | 전파 천문학 | 0.1 mm - 1 mm | 3THZ-300GHz | 1.24 meV - 12.4 meV |
| 적외선(Infrared) | 적외선 망원경 | 적외선 천문학 | 750 nm - 1 mm | 405 THz - 300 GHz | 1.24 meV - 1.7 eV |
| 가시광선(Visible) | 광학/근적외선 망원경 | 광학 천문학 | 390 nm - 750 nm | 790 THz - 405 THz | 1.7 eV - 3.3 eV |
| 자외선(Ultraviolet) | 자외선 망원경 | 자외선 천문학 | 10 nm - 400 nm | 30 EHZ - 790 THz | 3 eV - 124 eV |
| X-선 | X-선 망원경 | X-선 천문학 | 0.01 nm - 10 nm | 30 PHz - 30 EHZ | 120 eV - 120 keV |
광학 망원경
광학 망원경은 가시광선 대역의 빛을 초점으로 모아 확대된 상을 만드는데 사용되는 망원경을 말한다. 광학망원경은 일반적으로 근적외선까지도 쓰인다. 이 확대된 영상을 눈으로 보거나, 사진을 찍거나, 또는 컴퓨터로 신호를 보내는 방법으로 이용할 수 있다. 광학 망원경은 주로 천문학에서 많이 쓰이며, 천문학 이외의 용도로는 측량기, 조준경, 쌍안경, 카메라 렌즈 등이 있다. 광학 망원경은 보통 유리로 만들어진 렌즈나 거울을 조합하여 빛을 모으는데, 어떠한 도구를 이용하느냐에 따라 다음과 같은 세 종류로 나눌 수 있다.
- 굴절 망원경(refracting telescope) - 렌즈를 이용한 망원경
- 반사 망원경(reflecting telescope) - 거울을 이용한 망원경
- 반사-굴절 망원경 - 렌즈와 거울을 이용한 망원경
전파 망원경
전파 망원경은 지향성 안테나를 이용한 망원경이다. 광학 망원경과는 달리 긴 파장의 전파를 이용하므로, 같은 크기의 광학 망원경에 비해 분해능이 떨어지는 단점을 갖고 있다. 따라서 전파 망원경은 광학 망원경보다 훨씬 큰 구경의 포물면 형태를 갖는 파라볼라 안테나(그 모양 때문에 흔히 '접시'라고 불린다.)를 사용한다. 현재 가장 큰 전파 망원경은 중국의 FAST (Five hundred meter Aperture Spherical Telescope)라는 지름 500m의 전파 망원경이다. 하지만, 건축 구조상 망원경 크기를 늘리는 데에 한계가 있으므로, 더 좋은 분해능을 얻기 위해서 다수의 작은 전파 망원경을 일정한 거리로 배열해서 그 배열 전체의 넓이와 같은 구경의 단일 망원경과 같은 분해능을 얻을 수 있는 간섭계(interferometer)가 만들어졌다. 가장 유명한 망원경 배열(간섭계)은 미국에 있는 Very Large Array (VLA)이다.
X-선 망원경
X-선은 지구 대기에서 흡수되기 때문에 X-선 망원경은 로켓이나 위성을 이용해서 대기 밖에서 관측해야 한다. 또한 X-선은 거의 수직으로 입사할 경우 금속으로 만들어진 거울조차도 쉽게 통과해버리므로 X-선을 초점에 모으기 위해 볼터 망원경(Wolter telescope)이라는 특별한 디자인이 고안되었다. 이 볼터식 망원경은 거울을 X-선의 입사 방향에 거의 평행하게 배치하여, X-선이 거울에서 반사할 때마다 단지 몇 도(°)씩만 방향을 바꾸는 방법을 이용하는데, 이러한 거울을 겹겹이 고리 모양으로 배치하여 빛을 초점에 모아 X-선 이미지를 얻을 수 있다. 2012년 기준으로 작동 중인 X-선 망원경으로는 찬드라 X-선 망원경, XMM-뉴턴 망원경 등이 있다.
감마선 망원경
감마선은 파장이 너무 짧고 에너지가 크기 때문에 가시광이나 X-선처럼 유리 또는 금속 거울을 이용해서 초점으로 빛을 모으는 것이 불가능하다. 대신 감마선 망원경은 감마선이 특별히 선택된 물질들과 반응(콤프턴 산란)하면서 내는 전하를 띈 입자나 광학 섬광을 검출하는 방법을 이용한다. 지구 대기가 감마선에 대해서도 불투명하므로 감마선 망원경은 기구, 로켓, 위성 등에 의해 실려서 대기 밖에 위치해야 한다. 이러한 감마선 망원경으로는 콤프턴 감마선 천문대(Compton Gamma-Ray Observatory, 2000년 퇴역), 페르미 감마선 망원경(Fermi Gamma-ray Space Telescope)등이 있다. 반면 아주 높은 에너지(>30 GeV)를 가진 감마선들은 지상에서 간접적인 방법으로 검출한다. 이 감마선은 대기에 들어오면서 공기의 원자/분자들과 연쇄 반응하면서 수많은 우주선들을 만들어내고(air shower라고 한다), 거의 빛의 속도로 움직이는 이 상대론적 입자들은 체렌코프 복사를 방출하게 되는데 이를 지상에서 검출하는 방식이다. 이러한 종류의 망원경으로는 미국 아리조나 주에 위치한 VERITAS가 있다.
기타 망원경
- 우주선(고에너지 입자) 망원경
- 중력파 검출기(Gravitational wave detector)
- 뉴트리노 검출기(Neutrino detector) - 뉴트리노는 거의 물질과 반응하지 않으므로, 뉴트리노 망원경은 커다란 용기에 많은 양의 물과 얼음을 채워 놓고 이들이 뉴트리노와 아주 낮은 확률로 반응할 때 나오는 미세한 빛을, 주변을 둘러싸고 있는 많은 수의 광전관(photomultiplier)으로 검출한다.[2]
망원경의 설치[편집]
망원경을 설치하는 방식에는 적도의(赤道儀)와 자오선 고정식(子午線固定式)이 있다. 적도의는 지구의 자전축에 평행한 회전축(極軸이라 한다)과 이 축에 직각을 이루는 회전축을 가지며, 후자에 직각으로 망원경을 고정시킨다. 거의 대부분의 천체망원경은 이 방식인데, 극축을 천구의 일주(日周)운동에 맞추어 동쪽에서 서쪽으로 회전시킴으로써(時計裝置에 의함), 한 천체를 장시간 시야에 정지시킬 수가 있다. 이를 실현하는 데는 독일형·영국형·포크형·요크형과 기타가 있다.
고정 방식은 자오환(子午環)·자오의·천정의(天頂儀) 등 자오선 안에만 망원경을 돌릴 수 있는 것이며, 이것을 다시 변형시킨 것으로 사진천정통(寫眞天頂筒)·극(極) 망원경 등 완전히 천정·극으로 향해서 고정해 버린 것도 있다. 이 경우는 거꾸로 사진건판이 일주운동을 쫓아 움직이도록 되어 있다.
또 태양탑(太陽塔) 망원경 등과 같이 2장의 거울(실로스태트, coelostat라고 한다)에 의해서 빛을 항상 고정된 망원경으로 이끄는 방식도 있다. 이들 이외에 연직·수평의 두 회전축에 망원경을 고정시키는 경위의(經緯儀)라고 하는 방식이 측량용 지상망원경에는 많으나 천체 망원경에서 사용하는 일은 극히 드물다.[2]
주의사항[편집]
- 절대 태양을 보지 말 것 : 보면 실명된다. 이 한마디면 된다. 그 어떤 망원경이라도 겉에 이 문장이 쓰여있으며, 설명서에서도 아주 강조하는 문구이다. 이것과 비슷한 것으로 밝은 빛을 보지 말 것도 있다. 달도 보름달은 엄청나게 밝아서 실명은 아니더라도 잔상이 세게 남는다. 그 정도만 태양에 비해 수백배 낮은 정도지 절대로 약하지 않다. 상향등에 눈을 가까이 대고 보는 것과 비슷하면 비슷하지, 그것보다 약하진 않다.
- 남의 집을 보지 말것 : 경범죄 처벌법 제3조 제19호 불안감을 조성하는 행위가 적용되어 10만 원 이하의 벌금이나 구류 또는 과료의 형으로 처벌될 수 있다.
태양 보는 방법[편집]
앞서 이야기 했듯이 망원경으로 태양을 직접 보면 안 된다. 여기서는 눈에 해가 되지 않고 보는 방법을 소개하겠다.
직접 관측
- 태양 필터로 본다. 이게 가장 안전하고 편안한 방법이다. 태양필터는 Baader사의 필름형 필터, Thousand Oak사의 유리형 필터, H-α형 필터가 있다.
- 일출 또는 일몰 때 본다. 그러면 빛의 산란으로 인해 맨눈으로 보아도 지장이 없어지며 오히려 달보다도 어두워지기 때문이다. 초미세먼지가 나쁜 날 태양을 맨눈으로 보았을 때 눈이 전혀 부시지 않고 윤곽이 선명하며 빨간색이어야 볼 수 있다. 확실한 방법은 조금 걸쳐 있을 때 보는 것. 걸쳤을 때 봐야 하는 거라 위치가 애매하고 지금인지 아닌지 겁나는 분들은 그냥 태양 필터를 사야 한다.
간접 관측
- 망원경 접안렌즈 뒤에 종이를 놓고 상을 잘 맞춰서 보는 방식이다. 갈릴레이가 사용했던 방식인데 보면서 맞추지를 못하니 모니터형이 아니면 상을 맞추기가 정말 힘들다. 망원경이 정확히 태양을 가리킨다 하더라도 종이를 앞뒤로 움직여서 상을 선명하게 해야 한다. 만약 이것을 시도한다면 열이 차단된(빛이 아니다!) 상태에서 해야 한다. 안 그러면 종이가 탈 수도 있다. 이 방법을 발전시킨 것이 바로 망원경 뒤에 다는 태양 반사판이다. 코쿠리코 언덕에서 애니메이션에 보면 고등학생들이 이걸로 흑점 관측을 하고 있는 것을 볼 수 있다.
- 태양을 관측하는 방법중에 바늘구멍사진기라는 것이 있기는 하나 망원경을 이용하는 방법이 아니므로 여기서는 자세히 서술하지 않겠다.[3]
동영상[편집]
각주[편집]
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
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