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천문우주 교육동영상
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세계의 천문대
2017-02-28
천문대1
17세기 초 한스 리퍼셰라는 네덜란드 안경제조공은 아주 우연한 기회에 렌즈두개를 가지고 장난을 치다가 물건이 확대되어 보이는 것을 발견하게 됩니다. 이것이 현존하는 가장 오래된 문헌에 나오는 망원경의 탄생이야기인데요.
그렇다면 망원경이 발명되기 이전 사람들은 하늘을 어떻게 관찰했을까요? 그 이전에는 맨눈으로 하늘을 바라보는 것 만이 유일했습니다.
망원경의 발명은 천문학의 모든 것을 바꾸어 놓았다 해도 과언이 아닌데요. 이번 시간에는 관측기기의 역사와 세계 천문대, 우주 망원경에 대해 알아보겠습니다.
망원경 발명이후 처음으로 갈릴레오 갈릴레이가 망원경을 밤하늘의 연구를 위해 하늘을 관찰하는 수단으로 사용하기 시작했죠. 그리고 지금까지의 우주에 대한 대부분의 생각은 틀렸다는 것을 증명하게 됩니다.
-인터뷰-
갈릴레이가 썼던 망원경은 오늘날 굴절 망원경에 속하는 데요. 보이는 그림처럼 굴절망원경은 이러한 구조로 되어 있습니다. 그렇다면 굴절망원경은 어떤 원리로 물체가 크게 보이는 것일까요? 먼저 빛이 앞부분의 대물렌즈를 통해 들어와서 렌즈에 의해 한 점으로 모아 지는데요. 그 빛은 망원경 끝부분의 접안렌즈를 통해 우리의 눈으로 들어오게 되고, 이때 피사체가 확대 되어 보이는 것입니다.
그런데 이 굴절 망원경에는 한 가지 문제점이 있었습니다. 굴절 망원경의 대물렌즈는 볼록렌즈로 되어 있는데 볼록렌즈로 빛을 모으는 과정에서 색수차가 생기기 때문이죠. 빛은 파장별로 굴절률이 다른데 그림에서처럼 보라색은 심하게 굴절되고 빨강색은 굴절이 덜되어 초점의 위치가 다르게 되는데요. 이에 따라 대상의 주변에 무지갯빛 후광이 맺히는 것을 바로 색수차라 말하는 것이죠. 즉 대상 주변에 붉은색이나 푸른색 등의 색으로 뿌옇게 보이게 되는 겁니다. 이러한 문제점은 뉴턴의 반사망원경이 나오면서 해결 됩니다.
반사망원경을 처음으로 만든 사람은 뉴턴이 아닌 니콜로 주키라는 학자입니다. 그 후 뉴턴이 색수차의 문제점을 해결하여 반사망원경을 다시 만든 것 이죠. 뉴턴의 반사망원경 원리는 이렇습니다. 빛이 망원경 안으로 들어와 오목거울을 만나서 모아 지게 되고 이를 거울로 반사시켜 접안렌즈를 통해 우리의 눈까지 이르게 하는 것 이죠. 뉴턴이 만든 이 첫 번째 반사망원경은 경통길이가 15cm에 불과하였지만 놀랍게도 약 40배의 배율을 가지고 있어 당시의 경통길이가 2m굴절망원경 이상의 성능을 갖고 있었다고 합니다.
뉴턴의 15cm 반사 망원경이 만들어 진 후 얼마 뒤, 18세기 후반, 당시 세상에서 가장 큰 반사망원경이 제작됩니다. 독일에서 태어난 윌리엄 허셀에 의해 제작된 이 망원경은 크기가 너무 커서 이를 조작하는데 많은 사람을 필요했다고 해요. 우주에 관심이 많았던 허셜은 대형 망원경 뿐 아니라 천문학 분야에 많은 업적을 남겼습니다.
-인터뷰-
그렇다면 허셜이 만든 이런 큰 망원경처럼 커다란 망원경들은 어떤 것들이 있을까요? 세계에서 가장 큰 굴절망원경은 바로 1800년대 말 미국 여키스 천문대에 설치되어 있는데요. 이 굴절망원경은 경통길이만 18m, 렌즈의 지름은 무려 1m나 된다고 하네요.
예전에는 없던 이 큰 굴절 망원경 덕분에 천문학자들은 그동안 하지 못했던 많은 연구들을 할 수 있었답니다.
-인터뷰-
세계에서 가장 큰 굴절 망원경이 설치되면서 많은 연구들이 이뤄졌지만, 그 크기만으로 굴절 망원경의 성능을 높이는 것은 한계가 있었다고 해요. 굴절망원경은 별빛이 렌즈를 투과해야 하기 때문에 렌즈의 지지대를 렌즈가장자리에 설치할 수밖에 없는데요. 이때 렌즈가 지나치게 커지면 너무 무거워져서 그 지지대로는 버틸 수가 없었던 것 이죠.
그래서 생각해 낸 것이 반사 망원경의 크기를 늘리는 것이었습니다. 반사망원경의 주경은 뒷면에서 지지 할 수 있어서 훨씬 크게 만들 수 있기 때문인데요. 그리하여 더욱 거대망원경이 탄생이 된 것 이죠. 현재 대부분의 대형광학망원경은 반사망원경에 속한다고 합니다. 거대한 반사망원경중 하나인 후커 망원경은 1917년 제작되었으며 이후 30여년동안 우주팽창설과 빅뱅 우주론의 기초가 되는 획기적인 공헌을 하였습니다.
그리고 사진술의 발달로 인간은 눈으로만 봐 오던 하늘을 자세히 보게 되었습니다. 어떻게 볼 수 있냐고요? 별빛을 후커 망원경에 설치된 사진건판에 몇 시간동안 모으면 눈으로는 볼 수 없었던 세부구조가 드러나는 것이죠. 이렇게 눈을 대신해 사진건판이 활용되었고, 이후 사진건판보다 뛰어난 CCD를 발명하여 현재 사용하고 있습니다.
이처럼 우주에 대한 호기심으로 성능이 좋은 여러 가지 대형 망원경들이 발명되었고, 더불어 세계 곳곳에서 많은 천문대가 설립되었답니다.
지금까지 굴절망원경, 그리고 반사망원경에 대해 알아봤는데요. 이번에 소개할 전파 망원경을 알기 위해서는 적외선, 자외선, 가시광선 등 우주의 전자기파에 대하 먼저 알아 두는 것이 좋습니다. 우주는 모든 파장 대역에서 전자기파를 방출하는데요. 하지만 인간이 볼 수 있는 전자기파는 가시광선만으로 극히 일부분에 지나지 않습니다.
그런데 아주 우연히 라디오 전파에서 우주에서 온 약한 전파를 발견하게 되는데요. 이를 계기로 천문학자들은 전파 망원경을 개발하게 되었고, 이로서 우리는 보이지 않는 것들을 볼 수 있게 되었습니다.
그렇다면 전파 망원경으로 우리는 어떤 것들을 볼 수 있게 되었을 까요?
-인터뷰-
이렇게 신기하고 놀라운 전파 망원경. 어딜 가야 볼 수 있을까요? 세계에는 많은 전파 망원경들이 있습니다. 웨스터보르크 전파 간섭계, 오스트레일리아 CSIRO의 ATCA, 뉴멕시코의 VLA안테나, 그리고 2014년에 완공 예정인 ALMA. 특히 이 천문대는 완성된다면 해발5000m에 위치해서, 런던만큼의 넓은 영역에 펼쳐져 세계에서 가장 높은 곳에 건설된 가장 큰 천문대가 될 것이라고 하니 기대해도 되겠죠?
그렇다면, 지상까지 내려오는 전자기파는 전파뿐일까요? 적외선 또한 일부분이지만 대기의 하층부분까지 내려와 건조한 기후의 고지대에서 관측이 이루어진다고 합니다.
적외선 관측은 매우 멀리 떨어진 은하를 관측할 때에 적합한데요. 그 이유는 파장이 길어 차가운 먼지구름을 잘 통과하기 때문이랍니다. 이러한 은하의 어린 별들은 자외선 영역에서 빛이 납니다. 하지만 팽창하는 우주에서 빠른 속도로 멀어지므로 도플러 효과에 의해 파장이 긴 쪽으로 이동해 적외선 영역에서 관측됩니다.
이렇게 전파나, 적외선처럼 지상까지 내려오는 전자기파도 있지만 지구에는 보호막 역할을 하는 대기가 있어서, 감마선을 포함한 몇몇 전자기파는 지상까지 도달할 수 없다고 해요. 이러한 해결책으로 최대한 높은 곳에 망원경을 설치하기도 하지만 산의 높이로도 한계가 있습니다.
그래서 결국 천문학자들은 결심하게 되죠. 우주로 망원경을 올려 보내기로 말입니다. 그리고 비로소 우주 망원경의 시대가 열리게 됩니다.
-인터뷰-
천문학 전 분야에 걸쳐 허블은 큰 혁명을 가져옵니다. 저기 아름다운 우주사진이 보이나요? 이것은 <허블 울트라 딥 필드> 라는 현재까지 제일 먼 우주를 찍은 가장 훌륭한 사진으로 평가되는 이미지라고 합니다. 허블 망원경이 혁명이라 불리는 이유는 이처럼 제일 먼 우주를 찍기도 했지만 여러 가지 다양한 관측을 가능하게 했기 때문이죠.
-인터뷰-
허블 망원경이 이룬 업적들이 굉장히 많죠? 이런 허블 망원경 말고도 많은 우주망원경이 있습니다. 그 중 적외선 허블망원경이라 불리는 스피처 우주망원경은 지금까지 발사된 가장 민감한 적외선 기기입니다. 그 이유는 우주의 먼지뿐 아니라, 행성상 성운과 초신성 잔해가 먼지 입자들로 가득하다는 사실을 발견했기 때문인데요. 심지어 거대 블랙홀의 강력한 폭풍을 따라 회전하는 먼지도 발견하고, 분광기를 이용해 우주 먼지의 화학 및 광물학적인 구조를 알아낼 수 있다고 하니, 가장 민감한 적외선 기기라 할 수 있겠죠?
그리고 나사의 찬드라 엑스선 우주망원경과, 유럽우주국의 XMM-뉴턴 우주망원경은 우주에서 가장 뜨거운 지역을 지켜보고 있다고 해요. 이들 망원경은 블랙홀로 빨려 들어가는 기체는 엑스선을 방출하고 이를 관측하여 블랙홀의 존재를 밝혀내기도 했죠.
우주에는 과학위성자체가 망원경 역할을 하는 것도 있는데요. 바로 WMAP이 그중 하나이죠. WMAP은 우주의 사진을 찍는 위성으로 현재까지도 활동을 하고 있는데요. WMAP은 상세한 우주 배경복사 지도를 완성하여 우주 초기, 무려 약 137억 년 전에 대해 많은 자료를 제공하였습니다.
현재 우리는 우주에 대해 아주 많은 것을 알아냈고 아직도 알아가고 있는 단계입니다. 하지만 그렇게 많은 부분을 알아내고도 아직 탐험의 초기 단계에 있는데요. 그만큼 우주는 우리가 상상하지 못할 만큼 거대하기 때문이죠.
망원경의 발달과 함께 좀 더 가까워진 우주. 거대한 우주, 우주를 향한 끝임 없는 욕구와 호기심이 있는 한 앞으로의 천문학은 무한히 발전할 것입니다.
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