흠

  색수차, 이 얼핏 듣기에 어렵고 초보에게 의미전달이 어려울 것 같은 단어를 써야 한다는게 늘 망설여지는 일이지만, 굴절망원경에서 색수차를 빼면 아무것도 설명할게 없다. 굴절망원경의 다양한 렌즈조합이나 소재등에 따른 망원경의 성능이 바로 이 색수차가 주된 요인이기 때문이다.

  색수차는 별이나 행성, 달 등의 천체를 망원경으로 보았을 때 붉은 색과 푸른 색으로 색이 번져 보이는 현상을 말한다. 색수차가 일어나는 원인은 프리즘의 원리와 같아서, 빛이 물질을 통과할 때 빛의 색(파장)에 따라 굴절이 되는 정도가 다르기 때문이다. 굴절망원경의 렌즈를 통과할 때, 마치 프리즘을 통과하듯 색이 제각각 다르게 굴절된다고 보면 되겠다.

프리즘

색수차가 있는 대물렌즈

이런 망원경을 움직여서 시직경 30초짜리 목성을 100배로 본다고 생각해 보자... 가능할까?

아크로메틱 렌즈 : 왼쪽의 볼록렌즈가 만든 색 분산을 오른쪽의 렌즈가 바로잡아준다

  사실 우리가 볼 수 있는 빨주노초파남보 무지개의 색에서 제일 끝에서 끝의 색이라면 빨강과 보라일 것이다. 그런데 빨강과 보라의 초점을 같게 만들지 않고 빨강과 파랑을 같게 만드는 것은, 보라색 빛이 빛의 양도 적고 우리 눈에도 민감하지 않아서이다. 다만 망원경의 목적에 따라 빨강과 녹색 혹은 파랑과 녹색 의 초점을 같게 만들기도 한다.  

  그런데 여기서 우리가 눈치채야 할 것은, 렌즈 하나를 추가하면 색 하나의 색번짐을 줄인다는 것이다. 당연히 렌즈가 많으면 많을수록 색수차는 줄일 수 있다. 물론, 다른 다양한 단점들을 무시한다면 말이다. 이 다양한 단점들 중 가장 중요한 것은, 렌즈가 많아지면 많아질수록 렌즈에서 소실되는 빛의 양이 증가한다는 것이다. 태양계의 구성원을 제외한 대부분의 천체는 너무 어두워서, 아주 적은 양의 빛이라도 아쉬운 것이 현실이다. 또한 큰 구경의 렌즈를 늘림으로서 가격이 비싸지게 된다. 따라서 색수차를 줄이겠다고 렌즈를 수없이 많이 쓰는 방법은 천체망원경에는 좋은 방법이 아니다 (반면 이런 제약조건에서 자유로운 카메라의 렌즈는 보통 거의 10장 가까이 되는 렌즈를 쓴다).  

  두 장의 렌즈로도 색수차를 과거보다 꽤 줄일 수 있게 되었지만, 이보다 색수차를 더 줄이기 위하여 세 장의 렌즈를 쓰는 경우도 많이 있다. 혹은 색 분산이 훨씬 적은 소재를 사용하기도 한다. 어떠한 방법을 쓰던간에, 색수차를 아크로메틱(2장의 렌즈를 사용한 굴절망원경)보다도 현저하게 줄인 굴절망원경을 아포크로메틱이라고 한다. 아포크로메틱의 정의는 다소 애매모호하지만, 색수차를 현저하게 줄인 경우 보통 아포크로메틱이라고 부르고 있다. 가격은 작은 망원경은 100만원대 초반부터 구경이나 설계, 연마 정밀도, 기계적인 부분의 마무리등에 따라 수천만원 이상까지도 한다.  

아포크로메틱 렌즈

  대부분의 아포크로메틱에는 색 분산이 훨씬 적은 소재가 들어가는데, ED, SD, FL등의 소재를 사용하였다고 하는 경우이다. 이러한 렌즈소재들은 보통의 유리보다 무르기 때문에 가공하기가 어렵고 소재 자체가 비쌀 뿐 아니라, 형석 (FL : Fluorite)의 경우 보석의 일종이라 품귀현상도 있어서 최근에는 이 소재를 사용하는 모델이 점점 줄고 있다. 


  천체망원경의 성능의 척도는 기본적으로 집광력 (구경에 비례)과 분해능 (구경에 비례)이 있다. 그러나 여기에는 다른 조건에 따라 망원경의 성능에 영향을 주는 경우가 생긴다. 첫째로는, 광학계 설계를 어떻게 했느냐에 따라 나타나는 설계적인 결함이 있을 수가 있고, 이는 완전히 제거할 수가 없다. 이를 눈에 거슬리지 않을 정도로 잘 제거한 망원경은 매우 비싸다. 둘째로는 설계가 완벽하다고 해도 얼마나 설계대로 잘 만들었느냐 (연마정밀도)에 따라서, 그러니까 렌즈나 거울의 면을 얼마나 매끈하고 정밀하게 연마했느냐에 따라서 또 성능이 좌우된다. 마지막으로는 만든 광학계를 얼마나 정밀하게 설치하느냐, 즉 기계적인 부분에 의해서 결정된다.

  이 글에서 간단하게 설명한 색수차는 비록 굴절망원경에서 매우 큰 영향을 미치는 요소일지라도, 위의 여러가지 조건 중 일부일 뿐이다.

  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

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

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.

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.

사용장비 : 스카이워쳐 ED80 + LVW3.5, 징후아 127mm 굴절 + XO5mm, VLW3.5mm

씨잉이 꽤 좋았다.

80mm ED에 LVW3.5를 끼워서 약 170배로 달과 목성을 보았고,

달을 봤을 땐 꽤 고배율임에도 불구하고 씨잉이 좋아서 저배율처럼 느껴졌다.

징후아 127mm 굴절에 XO 5mm를 끼워 240배로 보았을 때에도 칼초점이 맞았고,

심지어 LVW3.5를 127mm 징후아 아크로메틱에 물렸을 때에도 색수차는 상당히 있었지만 달을 볼 때 초점이 나왔다.


일반적으로 5인치 아크로메틱 경통이 350배에서 초점이 맞는 것은 비록 그 대상이 달이라고 하더라도 쉬운 일이 아니다.

어제는 서울의 빌딩 사이라고 하더라도 상당히 높은 점수를 줄만한 좋은 씨잉이었다.


그리고 목성 얘긴데

정말 큰 줄무늬 하나가 없어졌다.

예전에는 줄무늬가 두 개 있었는데

분명히 1개가 없어졌더라.