천체망원경 이야기 (1) 망원경의 역사와 종류 -1

  이 블로그가 일종의 내가 알고 있는 (혹은 알았던) 정보검색의 기능을 하려면 망원경에 대해서 써놓은게 있어야 할 것 같다. 물론 다른 검색에서도 망원경에 대해서 충분한 정보를 얻을 수 있겠지만, 내가 알고 있는 범위 내에서라도 잘못된 정보를 걸러내고, 무엇이 사실이고 무엇이 소문이고 어떤 것이 확인된 것인지를 구분해 놓으려고 한다. 그것을 위해서는 망원경의 기본적인 정보에 대한 얘기를 먼저 써야 할 것 같다. 
  나는 광학 전문가가 아니다. 하지만 아마추어의 용도로 쓰이는 천체망원경은 가장 단순한 광학만으로도 그 특성을 바르게 이해할 수 있다. 취미로 할 수 있고, 돈내고 배우지 않아도 이해할 수 있는 수준의 내용이기 때문에 아마추어이다. 앞으로 이어질 여러 개의 포스팅을 통하여, 아마추어의 범위를 벗어나지 않는 선에서 필요한, 망원경에 대한 모든 것들을 써볼까 한다.

 
1. 천체망원경의 역사

망원경은 누가 처음 만들었는가 ?
  많이 알려진 사실이지만, 망원경을 처음 만든 것은 갈릴레오 갈릴레이가 아니다. 망원경을 처음 만든 것은 네덜란드의 한스 리퍼셰이로 알려져 있다. 한스 리퍼셰이는 망원경으로 천체를 보지는 않았고, 그래서 갈릴레오 갈릴레이가 천체를 처음으로 관측한 사람으로 한동안 기억되었다. 하지만 나중에, 영국에서 갈릴레오 갈릴레이보다 먼저 달의 표면을 스케치한 사실이 알려졌다. 하지만 여전히 갈릴레오 갈릴레이는 처음으로 망원경으로 천체를 본 사람으로 기억되고 있다.

  갈릴레오 갈릴레이는 우선 달을 보았고, 기존에 알려졌던 것과 달리 달의 표면이 매끄럽지 못하다는 사실을 알았다. 또 목성을 보았더니 목성의 주변에 일렬로 늘어선 4개의 점이 있었는데, 지속적인 관찰로 이것들이 목성의 위성이라는 결론을 내렸다. 또한 금성을 보고 금성이 마치 달처럼 위상의 변화가 있다는 것을 보았고, 태양을 보고 태양의 흑점을 발견하였다. 그는 이러한 관찰을 정리하여 책으로 냈고, 많은 사람들의 인정을 받았다. 
  갈릴레오가 썼던 망원경은 현재는 거의 쓰이지 않는 방식으로, '갈릴레오식 굴절망원경'이라고 부른다. 별을 향하는 대물렌즈는 볼록렌즈를 그리고 눈을 대는 접안렌즈는 오목렌즈를 썼는데, 굳이 구하려면 오페라글라스라고 만들어진 작은 쌍안경만이 쓰이고 있다. 케플러식에 비해서 짧게 만들 수 있는 장점이 있기 때문에 극장에서 타인에게 불편을 덜 주면서 사용할 수 있다. 다른 모든 요소는 단점으로 작용하는데, 특히 케플러식보다 시야가 좁은 것이 주된 원인이다. 단면도는 아래 그림과 같다.

갈릴레오식 굴절망원경의 단면도

굴절망원경의 발전 
  갈릴레오 갈릴레이와 거의 동시대에, 요하네스 케플러라는 학자가 있었다. '케플러의 법칙'으로 더 우리에게 유명한 그는, 천체망원경에 있어서도 '케플러식 굴절망원경'으로 역시 유명하다. 현재의 굴절망원경은 모두 '케플러식 굴절망원경'으로 분류된다.  케플러는 대물렌즈의 초점을 접안렌즈와 대물렌즈의 사이에 놓았다. 이는 우리가 천체를 보았을 때, 상하와 좌우가 모두 실제에 비해서 거꾸로 보이는 단점을 가져왔다. 그러나 천체를 보는데 있어서 이는 전혀 단점이 아님을 우리는 쉽게 알 수 있다. 하늘은 우리가 지상을 볼 때와 달리 위아래 구분이 없이 보이기 때문이다. 이와 함께 망원경 경통의 길이가 갈릴레오식보다 늘어나는 작은 단점도 있지만, 더 넓어진 시야와 렌즈 설계에서의 다양한 편리함 등으로 현재의 천체망원경에서는 케플러식만 사용된다. 단면도는 아래와 같다.

케플러식 굴절망원경. 갈릴레이식은 접안렌즈가 초점보다 대물렌즈에 가까이 있는데 비해서, 케플러식은 더 멀리 있다는 것이 중요한 차이점이다.

굴절망원경의 가장 큰 문제는 색 번짐 현상
  빛은 다른 매질을 만나서 통과하게 되면 굴절된다. 빛이 공기에서 물로 들어갈 때, 또 물에서 공기로 나올 때 모두 굴절되기 때문에 하나의 젓가락이라도 물 속에 있는 부분이 휘어져 보이는 것과 같다. 그런데 빛을 파장별로 나누면, 매질을 통과할 때 굴절되는 정도가 달라진다. 그래서 빛이 렌즈를 통과하면 정도의 차이가 있어도 반드시 빛의 파장에 따라서 굴절되는 각도가 다르게 된다. 가시광에서 빛의 파장은 색으로 구분할 수 있으므로, 우리가 굴절망원경으로 흰 색의 별을 보아도 별의 주변으로 무지개처럼 색이 번지게 되는데, 이것을 '색수차'라고 한다. 요즘 만들어지는 굴절망원경은 이러한 것을 주의깊게 보지 않으면 알아채기 힘들지만, 색수차가 아예 없는 굴절망원경은 이 세상에 단 하나도 존재하지 않는다. 다만 얼마나 줄일 수 있느냐의 문제이다. 

색수차 : 빛은 어떤 매질을 통과할 때, 파장이 짧은 빛이 더 많이 굴절된다. (그림은 상당히 과장되어 있다.)

달을 찍었을 때 나타난 색수차. 달의 가장자리는 푸르게 번졌고, 크레이터는 붉게 번졌다.

  이 색수차를 줄이는 방법은 두 가지가 있는데, 그 중 하나는 렌즈의 구경에 비해서 경통을 길게 하는 것이다. 이 방법은 색수차 뿐 아니라 다른 광학적인 문제들도 같이 해결하고 또 렌즈의 곡률을 작게 만드므로 손쉬운 해결책이었다. 문제는, 망원경의 구경이 커야 더 많은 것을 볼 수 있는데 망원경의 구경이 크면 클수록 망원경의 길이를 감당할 수가 없게 된 것이었다. 그래서 다른 방법을 고안하게 되는데, '렌즈를 여러장 사용하는 방법'이 바로 그것이다. 이런 방법을 쓴 렌즈는 색수차를 줄인다는 의미에서 '아크로메틱(achromatic)' 렌즈라고 부른다. 현재 구할 수 있는 거의 대부분의 보급형 굴절망원경들과 쌍안경에는 이 방법이 쓰였다. 또한 색수차를 거의 일으키지 않는 소재를 포함하거나 더 많은 색수차 보정렌즈를 사용한 '아포크로메틱(apochromatic)' 렌즈는 가격이 매우 비싼 망원경에서 주로 쓰이고 있다.

  그러나 불행하게도, 두 장의 렌즈를 쓴다고 색수차가 완전히 없어지진 않았다. 특히나 연구용 망원경의 경우, 망원경이 커지면 커질수록 렌즈를 붙들어주고 지탱하는 렌즈셀을 제작하기 힘들다. 굴절망원경에서 대물렌즈는 별을 볼 때 관측자보다 높은 위치에 놓이기 때문에, 공중에 떠 있는 형태가 되는 것이다. 망원경이 커지면 렌즈는 무거워져야 하고, 이것을 공중에 붙들어두는 것은 갈수록 힘들어졌다. 때문에 연구용 망원경들은 점차 반사망원경으로 자연히 옮겨간다.  


반사망원경의 발전
  케플러식 굴절망원경이 유명한 케플러에 의해 만들어졌다고 하면, 최초의 반사망원경은 뉴턴에 의해서 만들어졌다. 그러나 최초로 반사망원경을 고안한 사람은 뉴턴이 아니었다. 그레고리안식 반사망원경으로 불리는 최초로 고안된 방식의 망원경은, 고안된 당시에 실제로 만들어졌는지 여부를 아직 모르지만 아마 만들어지지 않은 것 같다. 
 

반사망원경의 종류에 따른 차이, 그림 : 한국천문연구원

 
  위 그림에서 보듯이, 모든 반사망원경은 그림의 왼쪽에 있는 주경으로 빛을 모으고 오른편의 부경으로 다시 방향을 맞춰서 초점을 만든다. 초점에 맺힌 상을 접안렌즈로 확대해서 보는 것은 케플러식 굴절망원경과 똑같다. 뉴턴식은 다른 망원경들과 달리 유일하게 빛을 옆으로 빼 주는 반사망원경이다.

  반사망원경의 장점은 한 개의 면만 잘 연마하면 된다는 것과 (굴절망원경은 렌즈 1장 당 2개의 면을 연마해야 하고, 여러 장의 렌즈를 쓴다), 주경이 아래에 잘 고정되어 놓일 수 있다는 것이다 (굴절망원경은 대물렌즈가 관측자보다 위에 있다.) 보통 접안렌즈를 끼우고 볼 때 렌즈나 거울의 연마정밀도를 관측하는 파장의 1/4 이하로, 연구용 망원경은 1/10 이하로 한다. 우리가 보는 파장이 보통 가시광선이 550nm이므로, 연마한 면에서 튀어나온 굴곡의 높이가 연구용의 경우 55nm 이하가 되어야 한다는 얘기다. 이런 면을 주경 + 부경 2개만 잘 연마하면 되는 반사망원경과, 적어도 4개 이상의 면을 연마해야 하는 굴절망원경은 제작의 난이도에서 천지차이이다. 게다가 반사망원경은 무거운 거울을 한쪽에 안정적으로 고정시킬 수 있어서 연구용 대형 망원경에 적합하다.


굴절반사망원경은 굴절+반사 ?? 
  정답은 '아니오'이다. 천체망원경은 크게 굴절망원경과 반사망원경으로 나뉜다. 그러나, 반사망원경중 일부는 렌즈를 사용하여 굴절반사망원경이라고 세분화 시키기도 한다. 혹자들은 설명하기 복잡하니 굴절반사망원경 = 굴절장점+반사장점이라고 말하기도 한다. 그러나 엄밀히 말하면 이것은 오답이고, 말하기에 따라서 굴절단점+반사단점을 모두 가지고 있기도 하다.  

  굴절망원경은 렌즈를 이용해 빛을 모으는 망원경이다. 반사망원경은, 거울을 이용해 빛을 모으는 망원경이다. 굴절반사망원경은 거울을 이용해 빛을 모으며, 여기서 렌즈는 단지 거울의 단점을 약간 보완해 주는 역할을 할 뿐이다. 굴절반사식 망원경에서 렌즈를 빼면 상이 나빠지지만, 그렇다고 빛이 모이지 않는건 아니다. 

  굴절반사망원경에 대해서 설명하려면, 광학계의 '수차'에 대해서 언급하지 않을 수 없다. 여기서는 그림과 간단한 설명만 올려두고, 굴절, 반사, 굴절반사식의 원리와 종류에 따른 장단점, 그리고 그 원인에 대해서는 각각의 망원경 종류에 대한 포스팅을 따로 만들어서 설명해야 할 것 같다. 

슈미트-카세그레인식 굴절반사 망원경 : 왼쪽부터 보정렌즈, 부경, 주경이 있다.

막스토프-카세그레인식 : 왼쪽부터 보정렌즈+부경, 주경이다.

 
  두 개의 대표적인 굴절-반사식 망원경은 위 두 가지 종류를 꼽을 수 있다. 슈미트-카세그레인식 굴절반사 망원경 (위쪽 그림)은 주경으로 빛을 모으고, 부경으로 빛을 다시 뒤로 반사시켜서 경통 뒤에서 사람이 관측을 한다. 이는 카세그레인식 반사망원경과 동일하다. 다만 카세그레인식에 비해서, 부경보다 앞에 보정렌즈가 하나 추가된다는 것이 차이점이다. 어쨌거나 보정렌즈를 다는 것은 빛을 모으는 주경의 단점을 보완하기 위해 만드는 것인데, 보정렌즈가 들어가기 시작하면 워낙 다양한 종류의 망원경들이 등장하고 그 변형도 다양하므로 따로 각각의 포스팅을 통해 설명해야 할 것 같다.