(화면 자막)

본 동영상은 행정안전부와 한국정보화진흥원의 지식정보자원관리사업으로 제작되었습니다.

우주로의 산책 - 망원경의 원리와 종류

1. 망원경의 원리

망원경은 실생활 속에서 다양한 목적으로 사용 되고 있는 광학 기기 중 하나 입니다. 어린 아이들이 사용할 수 있는 작은 망원경에서 부터 천문대에 설치되어 있는 거대한 천체 망원경까지 그 종류도 다양하죠. 하지만 아직도 사용방법이 어렵고 전문가들만 사용한다는 인식 때문에 일반인들에게는 거리감이 느껴지는 것도 사실입니다. 이제 우리는 실생활 속에서 사용 되고 있는 다양한 망원경 들을 만나보고 망원경의 원리도 알아보면서 그들과 좀 더 친해져보기로 하겠습니다. 그럼 지금부터 흥미로운 망원경의 세계와 만나볼까요?

  망원경은 크게 굴절망원경과 반사망원경으로 나눠 집니다. 망원경을 만들때 렌즈를 사용했는지 거울을 사용 했는지에 따라 두 가지로 구분을 짓고 있죠. 한 마디로 렌즈를 사용하면 굴절망원경이 되고 거울을 사용하면 반사망원경이 되는 겁니다. 자 그럼 망원경의 심장이라고 할 수 있는 렌즈와 거울에 대해 알아볼까요? 먼저 렌즈에 대해 살펴보겠습니다.

  망원경에 사용되는 렌즈에는 볼록렌즈와 오목렌즈가 있습니다. 볼록렌즈는 렌즈의 중앙부분이 가장자리보다 두꺼워 이렇게 볼록한 형태를 띄고 있는 렌즈를 가리킵니다. 빛은 렌즈의 두꺼운 부분으로 굴절되는 습성이 있는데 볼록렌즈는 빛을 모아주는 역할을 하게 됩니다. 볼록 렌즈를 통과한 빛이 한 점에서 만나는 지점을 초점이라고 하고 렌즈와 이 지점과의 거리를 초점거리라고 하죠. 볼록렌즈를 태양빛에 초점을 모으면 검은 색종이를 태울 수도 있습니다. 볼록렌즈는 작은 물체를 크게 확대해볼 수 있는 대신에 볼 수 있는 범위는 비교적 작습니다. 그래서 글씨를 크게 보이게 하는 돋보기의 수제로 가장 많이 쓰이며 현미경, 사진기 등에도 이용되고 있습니다. 또한 의학 용어로는 멀리 있는 것은 잘 볼 수 있지만 가까이 있는것은 잘 볼 수 없는 원시 안에 규정렌즈로 사용되고 있습니다. 오목렌즈는 볼록렌즈와 반대로 중앙부분이 가장자리보다 얇아 오목한 형태를 띄고 있습니다.볼록렌즈가 빛을 모으는 성질이라면 오목렌즈는 빛을 퍼지게 하는 성질을 가지고 있죠. 오목렌즈를 통과해 퍼져간 빛은 이렇게 마치 한 점에서 나온 것처럼 보이게 됩니다. 이렇게 빛을 퍼지게 하는 성질을 가진 오목렌즈는 큰 물체를 작아보이게 하는 대신에 넓은 면적을 한 번에 볼 수 있게 도와줍니다. 그래서 가까이 있는 것은 잘 볼 수 있지만, 멀리 있는 것은 잘 볼 수 없는 최근 청소년들에게 자주 나타나는 근시안 교정과 망원경 등에 널리 활용되고 있습니다. 반사망원경에 주로 사용 되는 거울도 렌즈와 같이 볼록 거울과 오목 거울이 용도에 따라 구분되어 사용 되고 있습니다. 하지만 망원경에 사용 되는 렌즈의 역할과는 정반대를 띄고 있죠.

(인터뷰)

이충욱 박사 - 한국천문연구원

: 볼록거울은 오목렌즈와 같은 역할을 하고 오목거울은 볼록렌즈와 같은 역할을 하고 있습니다. 볼록거울은 오목렌즈처럼 빛을 발산시키는 기능을 가지고 있고, 그렇기 때문에 넓은 영역을 볼 수 있으나 상대적으로 작게 보이게 됩니다. 그래서 도로의 반사경이나 자동차의 백미러 등에 사용되고 있고요. 오목 거울의 경우에는 볼록렌즈처럼 빛을 모아주는 기능을 가지고 있습니다. 그래서주로 반사망원경에 사용되고 있습니다. 

2. 망원경의 구조

이처럼 렌즈와 거울의 원리를 이용해 우리는 다양한 망원경을 만들 수 있습니다. 볼록 렌즈와 거울을 이용하여 별 빛을 모아 별에 상을 만들고 이 상을 확대해 천체를 관측 하기도 하죠. 바로 그때 사용 되는 망원경이 이 천체망원경입니다. 천체망원경은 크게 삼각대, 하대, 경통 이렇게 3부분으로 구성되어 있습니다. 경통은 망원경의 핵심 부분으로서 주 망원경과 보조 망원경으로 이루어져 있고, 가대는 망원경의 경통을 올려주는 받침대로서 망원경의 방향을 조절해 주는 역할을 하고 있습니다. 그리고 삼각대는 목재나 금속으로 만들어진 가대를 연결해주는 다리라고 할수 있죠. 앞서 얘기했듯이 망원경은 렌즈로 만들었는지 거울로 만들었는지에 따라 굴절망원경과 반사망원경으로 나눠 집니다. 또한, 망원경의 가대에 따라서도 분류 하기도 하는데 경위대식 가대와 적도의식 가대로 나뉘어 경위대식 망원경, 적도의식 망원경으로 분류하고 있습니다. 먼저 굴절망원경부터 만나볼까요?

  굴절망원경은 볼록렌즈로 이루어진 대물렌즈로 빛을 모아 접안 렌즈로 물체의 상을 확대하는 망원경입니다. 이때 접안렌즈를 어떤 렌즈로 사용하느냐에 따라 다시 갈릴레이식과 케플러식 망원경으로 구분지을 수 있습니다. 갈릴레이 식의 망원경은 갈릴레오 갈릴레이가 고안한 천체망원경으로 볼록 대물렌즈와 오목 접안렌즈로 구성되어 있습니다. 접안 렌즈를 오목렌즈로 사용하고 있어서, 적립상이나 시야가 좁아 사용하기가 불편하며 지금은 거의 사용하지 않고 소형 쌍안경 등에 응용되고 있습니다. 케플러 식의 망원경은 시야가 좁은 갈릴레이식 망원경을 보완하기 위해 고안한 망원경으로 대물렌즈와 접안렌즈를 모두 볼록렌즈로 사용하여 초점을 대물렌즈와 접안렌즈 사이에 맺게 했습니다. 이 망원경은 시야가 넓어 보기에는 편리하지만 상이 거꾸로 보이는 단점이 있습니다. 하지만 이 단점은 프리즘이나 거울로 보정이 가능해 오늘날 사용되는 천체 관측용 굴절망원경의 대부분은 케플러식 망원경의 형식을 따르고 있습니다. 이 밖에도 천체관측을 위해 굴절망원경을 선호하는 이유는 또 있습니다. 

(인터뷰)

이충욱 박사 - 한국천문연구원

: 굴절망원경은 반사망원경에 비해서 경통 내부가 대물렌즈와 접안렌즈로 막혀져 있습니다. 따라서 경통내부에서의 대기 순환이 없기 때문에 보다 안정적인 상을 얻을 수 있습니다. 그리고 대물렌즈의 경우에는 빛이 대물렌즈를 통과하면서 여러면에 걸쳐서 초점이 맺히기 때문에 색수차가 생기게 되고 이 색수차를 보정하기 위해서 여러 장의 렌즈를 결합하여 사용하기도 합니다. 

굴절망원경이 여러 장의 렌즈를 사용해 만든 망원경이라면 반사망원경은 거울에 반성 원리를 이용한 망원경입니다. 빛이 거울 면을 통과하지 못하기 때문에색수차가 일어나지 않고 렌즈에 비해 가공이 쉽다는 장점이 있습니다. 또한 반사망원경은 발명자의 이름을 붙여서 그 종류를 나누고 있는데 대표적으로 뉴턴식, 카세그레인식 망원경을 예로 들 수 있습니다.  뉴턴식반사망원경은 뉴턴에 의해 발명되었으며 오목한 포물면을 가진 주경과 평면 사경을 가진 부경으로 구성되어 있습니다. 이 망원경은 주경에 포물면에 의해 집광된 빛이 평면 사경에 의해 다시 반사돼 경통 밖에서 다시 상이 맺히게 되고 다시 접안 렌즈로 이 상을 확대하여 관측하는 망원경입니다. 굴절망원경에 비해서 초점 거리를 짧게만들 수 있어 사진촬영 등에 유리하며 색수차가 없고 경통이 짧으며 제작이 쉽고 가격이 저렴해 아마추어 용으로도 많이 활용되고 있습니다.

  카세그레인식 망원경은 프랑스의 카세그레인에 의해 발명된 망원경으로, 주경은 오목거울 구경은 볼록 거울로 구성되어 있습니다. 주경에 들어온 빛은 1차 반사되어 구경에 부딪혀 2차 반사가 되고 주경 중앙에 뚫린 구멍을 통해 경통 밖으로 나와 초점을 맺게 됩니다. 이 망원경은 뉴턴 식에 비해 경통의 길이가 더 짧고 무게 균형을 맞취가 쉽지만 빛의 경로를 부경이 막고 있어서 별의 선명도가 떨어질 수 있고 설계시 관측 시야와 부경의 크기를 고려해야 하는 어려움이 있습니다.

  굴절망원경과 반사망원경의 중요한 특징을 정리하자면 다음과 같습니다. 굴절 망원경은 반사망원경에 비하여 대상의 명암이 매우 뚜렷하고 경통 내부가 밀폐되어 있어서 공기 대류에 의한 대상의 흔들림이 없어 안정된 상을 얻을 수있지만, 색수차가 나타나고 반사망원경에 비해 대체로 가격이 비싼 편입니다. 따라서 굴절망원경은 소형망원경에 적합하며 달이나 행성 등을 관측하는데 주로 사용 되고 있습니다.

  반면 반사망원경은 색수차가 없고 굴절망원경에 비해 큰 구경을 만들 수 있습니다. 하지만 굴절 망원경에 비하여 대상의 명암이 뚜렷하지 못하고 경통 내부에 대류현상으로 인해 대상이 흔들릴 수 있는 한계가 있습니다. 따라서 반사망원경은 대형 망원경에 적합하고 성단 성운 등을 관측하는데 널리 쓰이고 있습니다.

  이제 굴절망원경과 반사망원경에 대해 확실히 알게 됐나요? 이렇듯 망원경은 렌즈로 만들었는지, 거울로 만들었는지에 따라 구분이 되기도 하지만 망원경의경통을 올려들은 받침대인 가대에 따라 크게 경위대식 망원경과 적도의식망원경으로 구분짓기도 합니다. 경위대식망원경은 경통을 상하좌우로 움직여 방위각과 고도를 조절하면서 천체를 관측하는 망원경으로 설치가 쉽고 사용하기도 비교적 간편합니다. 하지만 별의 일주 운동으로 별의 위치가 계속 변하기 때문에 경위대식 망원경으로 별의 위치를 추적 하기에는 어려움이 많습니다. 반면 적도의식망원경은 적경축과 적위축을 이용하여 움직이는데 적경축을 천구의 북극방향으로 지구에 찾아온 축과 정확히 일치시켜 놓으면 항상 추적 장치를 이용해 별을 추적할 수 있습니다. 항성 추적 장치는 별의 일주운동 속도와 같은 속도로 망원경을 회전시키기 때문에 별을 계속 추적 하면서 육안 관측이나 사진 촬영을 할 때 적합한 망원경입니다. 지금까지 우리는 망원경의 다양한 종류와 종류별 장 단점에 대해 알아보았습니다. 그럼 이제부터 망원경이 어떤 성능을 가지고 있기에 밤 하늘의 재미있고 흥미로운 천체의 모습을 우리에게 자세히 보여주고 있는지 알아볼까요?

3. 망원경의 성능

망원경은 사람의 눈에 비해 더 많은 빛을 모으는 광학 기기입니다. 그리고 이 칩 광역 때문에 맨 눈으로는 볼 수 없는 희미한 천체들을 우리가 망원경을 통해볼 수 있게 되는거죠. 즉 망원경을 통해 천체를 보게 되면 사람들에 비해 집광력, 분해능 그리고 배율이 더욱 높아 먼 곳에 어두운 물체를 더욱 크고 선명하게 볼 수 있도록 도와줍니다. 집광력, 분해능 다소 어렵게 들린다고요?

(인터뷰)

이충욱 박사 - 한국천문연구원

: 집광력이란 것은 빛을 모으는 능력을 말합니다. 사람의 눈의 크기를 5mm라 하고 구경이 100mm인 망원경과 비교해 보았을 때, 둘 사이는 약 20배의 크기차이가 있습니다. 이를 면적으로 바꾸게 되면 400배가 되는데요. 따라서 사람 눈으로 보았을 때 보다 망원경으로 본다면, 약 400배 더 어두운 빛을 볼 수 있게 됩니다. 

그리고 베일은 망원경을 통해 본 대상의 크기와 맨 눈으로 본 상의 크기 비례를 말합니다. 그렇다면 망원경의 배율이 높고 낮음은 어떤 차이가 있는 걸까요?

(인터뷰)

이충욱 박사 - 한국천문연구원

: 배율은 대물렌즈에 초점거리를 접안렌즈의 초점거리로 나눕니다. 그러면 이때 나와지는 값이 배율이라 합니다. 특히 고배율의 접안렌즈를 사용하게 되면 달의 표면이나 행성들의 표면을 관찰하는데 상당히 좋구요. 그리고 중배율이나저배율 등은 성운, 성단, 은하 등을 관찰하는데 상당히 좋습니다. 

마지막으로 망원경이 가지고 있는 분해능이란 서로 떨어져 있는 두 물체를 서로 구분할 수 있는 능력을 말하는데 이는 인접한 두 물체를 각각 구별할 수 있는 각 거리를 뜻하기도 합니다. 망원경의 분해능이 낮을 때에는 가까운 두 별이 하나로 겹쳐 보이거나 달이나 행성의 표면이 또렷하지 않고 흐리게 보이는데 분해능을 좋게 하는 방법은 구경을 크게 하는 방법이 있습니다. 망원경의 구경이 클 수록 회전 효과가 적어서 분해능이 좋아지는 것이죠. 이렇듯 결국 망원경의 성능을 높이는 것은 망원경의 크기에 달려있다는 것을 우리는 짐작할수 있습니다.  자 이제 망원경에 대한 궁금증이 조금 풀리셨나요? 그동안 망원경을 사용이 어렵고 전문가들만 사용하는 어려운 광학 기기로 생각해왔다면 이제 망원경에 대한 여러분의 오해가 싹 풀렸을 거라 기대합니다. 이제 망원경을 통해 밤하늘을올려다 보면서 별과 달을 관측해보고 우주에 대한 호기심을 조금씩 풀어나가보는것은 어떨까요?