오늘은 하늘의 모습을 볼 수 있는 인류 역사상 가장 위대한 발명품인 망원경 역사에 대해 설명드리겠습니다. 최초의 망원경을 발명한 갈릴레이식의 망원경 , 케플러식의 망원경 개발, 뉴튼식 반사 망원경의 개발 그리고 허블우주망원경까지 다양하게 소개 드리도록 하겠습니다.
망원경의 역사
망원경은 인류역사상 가장 위대한 발명품 중 하나로 손꼽힙니다. 특히 우주과학기술과 관련해서는 더욱더 그렇죠. 하지만 우리에게 친숙한 천체망원경이 처음 만들어졌을 때 사람들은 이 망원경을 믿지 않았다고 합니다. 망원경은 우주탐사와 같은 인류의 역사상 큰 사건과 밀접한 관련이 있으며, 현재까지도 많은 사람들이 관심을 가지고 연구중인 분야입니다. 특히 천문학자들은 천체 관측용 장비로서 뿐만 아니라 군사목적으로도 활용하기 위해 노력하고 있습니다. 하지만 실제로 전쟁에서는 쓰이지 못했는데요, 왜 그런지 알아보겠습니다.
갈릴레이식 망원경
갈릴레이(Galilei)는 1610년 이탈리아 피사에서 태어났습니다. 어린 시절부터 수학과 과학에 뛰어난 재능을 보였던 갈릴레이는 1592년 피렌체 대학에 입학하면서 본격적으로 연구를 시작했습니다. 그리고 17세기 초 네덜란드 출신의 천문학자이자 물리학자인 호이겐스(Huygens)에게 큰 영향을 받았습니다. 호이겐스는 빛의 성질에 대해 새로운 이론을 제시했는데, 이 이론 덕분에 당시 사람들이 믿었던 아리스토텔레스의 우주관과는 다른 관점인 ‘코페르니쿠스의 우주관’이 등장하게 되었답니다. 1609년 4월 6일, 갈릴레이는 자신이 만든 망원경으로 달 표면을 관측하기 위해 토스카나 대공국의 페르디난트 공 앞에서 시연회를 열었지만 이날 공개된 망원경은 굴절 망원경이 아니라 반사 망원경이었습니다. 그래서 일부에서는 갈릴레이가 최초로 망원경을 발명했다고 주장하기도 합니다. 그러나 실제로 망원경을 처음 고안한 사람은 영국의 로버트 훅입니다. 스코틀랜드 출신의 로버트 훅은 렌즈 대신 오목거울을 이용해서 천체를 관찰하려고 했습니다. 볼록렌즈로는 태양빛을 모을 수 있지만, 오목거울로는 불가능했기 때문이죠. 결국 로버트 훅은 실패했지만, 이를 보고 영감을 얻은 갈릴레이는 이듬해 직접 제작에 성공했답니다. 둥근거울을 사용한 이유는 오목거울은 평면거울보다 훨씬 많은 빛을 모을 수 있기 때문입니다. 또한 평평한 면보다는 구면이기 때문에 초점거리가 짧아져 멀리 있는 물체를 가까이 당겨볼 수 있답니다. 따라서 같은 크기의 작은 구멍이라도 넓은 면적을 한 번에 비출 수 있고, 상이 크게 맺히죠. 반면에 평면거울은 좁은 면적만을 비추고, 상은 작게 맺힙니다. 즉, 여러 개의 별을 한꺼번에 보기 위해서는 주변 공간 전체를 비추는 데 적합한 형태이어야 하고, 그래야 상의 크기도 커지기 때문에 시야 확보가 용이하답니다. 초기의 망원경은 오늘날처럼 선명한 상을 보여주지 못했습니다. 특히 어두운 밤하늘 속 희미한 별빛을 보는 것은 매우 어려웠습니다. 게다가 눈으로는 보이지 않는 성운이나 성단 등 먼 곳에 있는 천체들을 발견하려면 밝은 조명이 필요했습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 시도가 이루어졌는데 먼저 코페르니쿠스의 지동설을 지지하던 독일의 요하네스 케플러는 연성계라는 개념을 도입했습니다. 행성 주위를 도는 위성 중 두 개 이상의 궤도가 서로 겹치는 경우를 연성계라고 하는데, 이때 행성과 위성 사이의 중력 작용으로 인해 밝게 빛나는 현상이 나타납니다. 이것을 활용하면 좀 더 쉽게 천체를 관측할 수 있다는 것 입니다. 이후 프랑스의 샤를 메시에는 이전까지의 망원경 성능을 개선하고자 노력했고, 마침내 1801년 10월 8일 파리 천문대에서 첫 번째 접안렌즈용 대물렌즈를 완성했습니다.
케플러식 망원경
케플러 식 망원경은 갈릴레오 시대 이후 천문학자들이 천체 관측시 이용하던 기존의 망원경과는 전혀 다른 방식의 망원경입니다. 이 망원경은 뉴턴과 라이프니츠 등 당시 최고의 과학자들이 모여 만든 새로운 이론인 케플러 법칙을 기반으로 만들어졌는데요, 어떤 원리인지 지금부터 알아보겠습니다. 케플러 제 1법칙은 행성이 태양을 한 초점으로 하는 타원궤도를 돈다는 내용이고, 2법칙은 행성의 공전주기의 제곱은 궤도 긴반지름의 세제곱에 비례한다는 내용입니다. 마지막으로 3법칙은 모든 행성은 태양 주위를 원궤도로 공전하며, 같은 시간동안 동일한 면적을 지나간다는 내용입니다. 케플러 망원경은 매우 단순하게 생겼습니다. 렌즈 두개 사이에 거울을 놓고 빛을 반사시켜 상을 맺게 합니다. 이렇게 만들어진 상의 크기를 조절하기 위해 프리즘을 설치해서 굴절률을 다르게 해줍니다. 하지만 아쉽게도 케플러 망원경은 제작비용 문제로 인해 실제 우주공간에서는 운용되지 못하고 지상에서만 운영되고 있습니다. 뉴튼식 반사 망원경은 17세기 영국의 과학자 아이작 뉴튼(Isaac Newton)이 발견한 광학 현상인 `빛의 반사`를 이용해서 만든 망원경입니다. 빛의 반사 성질을 이용했기 때문에 매우 높은 배율과 넓은 시야각을 가지고 있어서 천체 관측용으로는 최고의 성능을 자랑했습니다. 하지만 이 방식은 단점이 존재했는데요, 렌즈 대신 거울을 사용하기 때문에 무겁고 부피가 컸습니다. 또한 한 번 조립하면 분해하거나 이동시키기 어려웠으며, 제작비 역시 비쌌습니다. 그래서 현대 천문학에서는 거의 사용되지 않고 있습니다.
뉴튼식 반사 망원경
뉴튼식 반사 망원경이 처음 발명되었을 때 사람들이 놀랐던 이유는 뉴튼식 반사 망원경은 당시로서는 획기적인 기술이었어요. 이전까지는 주로 볼록렌즈나 오목거울을 이용해서 굴절 망원경을 만들었는데, 뉴튼식 반사 망원경은 말 그대로 모든 부품이 모두 반사체였습니다. 즉, 경통 안에 들어있는 프리즘에서부터 접안렌즈까지의 모든 부품이 전부 다 반사체였던 겁니다. 이렇게 되면 기존의 굴절 망원경과는 비교할 수 없을 만큼 큰 구경을 가질 수 있게 됩니다. 그리고 같은 크기의 굴절 망원경보다도 훨씬 멀리 떨어진 물체를 관찰할 수 있었어요. 게다가 무게도 가볍고 부피도 작았어요. 그야말로 완벽한 형태의 망원경이었습니다. 뉴튼식 반사 망원경은 여러 가지 장점을 가지고 있었습니다. 우선 아주 먼 곳에 있는 천체까지도 선명하게 볼 수 있다는 점입니다. 물론 현재 우리가 쓰고 있는 대부분의 망원경은 대물렌즈라고 하는 커다란 렌즈를 통해서 상을 확대시켜 보는 방식이지만, 뉴튼식 반사 망원경은 그런 과정 없이 곧바로 상이 맺히게 되므로 더욱 선명한 상을 얻을 수 있었죠. 특히 달 표면처럼 울퉁불퉁한 지형에서도 또렷한 상을 얻을 수 있었답니다. 하지만 뉴튼식 반사 망원경에게도 치명적인 단점이 있었으니, 바로 엄청나게 비싸다는 겁니다. 아무리 좋은 장비라도 너무 비싸면 아무 소용이 없죠. 뉴튼식 반사 망원경은 무려 2톤 가까이 되는 엄청난 무게에다가 값비싼 재료들을 써야 했기 때문에 비싼 건 당연했어요. 더군다나 크고 무거운 데다가 다루기조차 어려워서 많은 불편함을 초래했죠. 결국 뉴튼식 반사 망원경은 지금은 박물관에서나 볼 수 있는 유물이 되어버렸답니다. 뉴튼식 반사 망원경은 뛰어난 성능 덕분에 오랫동안 사랑받았지만, 비싸고 무겁다는 단점 때문에 점점 설 자리를 잃어갔고 이후로는 작고 가벼운 소형 망원경들이 등장하면서 다시 주목받기 시작했답니다.
허블우주망원경
허블우주망원경은 1990년 4월 24일 지구상공 610km 궤도에 발사되어 지금까지 활동중인 세계 최대의 광학 관측 위성입니다. 나사(NASA)에서는 현재 이 프로젝트를 종료하기 위해 노력하고 있다고 합니다. 우주의 모든것을 알고싶어하던 천문학자 에드윈 허블 (Edwin Powell Hubble) 박사의 이름을 따서 만든 천체관측위성입니다. 우리나라 말로는 ‘우주망원경’ 이라고 부르기도 합니다.허블우주망원경을 교체하려고 하는 이유는 현재 허블우주망원경은 약 25년이라는 긴 시간동안 우주의 모습을 촬영하며 임무를 수행했다고 합니다. 하지만 최근들어 고장이 잦아지고 수명이 다해가고 있다는 소식이 들려오고 있답니다. 실제로 2018년 12월 31일 마지막 사진을 찍은 후 2019년 1월 5일부터는 가동되지 않고있어요. 그래서 새로운 허블우주망원경을 제작하거나 기존의 허블우주망원경을 대체할만한 다른 방법을 찾고있다고 합니다.허블우주망원경과 같은 종류의 망원경에는 우리에게 익숙한 대표적인 천문위성인 카시니-하위헌스호나 케플러 등이 있지만 모두 인공위성이기 때문에 주기적으로 수리해야한다는 단점이 있다고 합니다. 따라서 아직까지는 허블우주망원경이 최고라고 평가받고있답니다.
오늘은 망원경의 역사와 각 과학자들( 갈릴레이 , 케플러, 뉴튼)의 망원경 개발 방식, 그리고 최고의 허블우주망원경까지 상세하게 설명드렸습니다. 위대한 업적을 남긴 과학자들 덕분에 유주의 신비로운 세계를 배울 수 있어 영광입니다.
다음에는 더 흥미롭고 신선한 주제 준비하겠습니다.