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교육칼럼

[비센의 재미있는 과학 이야기] 천체 망원경

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작성자 석준영 작성일15-02-09 12:45 조회328회 댓글0건

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미지의 세계를 찾는 인류의 끊임없는 노력 계속

올 해 4월이 되면 그 유명한 우주 천체 망원경인 허블망원경이 1990년 4월 24일 미국 항공우주국(NASA)의 디스커버리호에 실려 궤도에 올라가 관측작업을 시작한지 25주년이 됩니다. 

사실 허블 망원경은 2004년 정도에 수명이 다할 것이라 예측되었지만, 다섯차례의 보수와 업그레이드를 통해 2017년까지 수명이 연장된 상태입니다. 안타깝게도 그 이후에는 지구로 추락하여 그 임무를 마치게 될 것이고, 미국 항공우주국은 허블 망원경의 대를 이을 새로운 천체 망원경 프로젝트를 이미 가동시켜 2018년에 제임스 웹 천제 망원경(James Webb Space Telescope)을 쏘아올릴 계획을 갖고 있습니다.

지구 밖 세상에 대한 궁금증을 풀고자 천체 망원경을 이용한 역사는 1609년 갈릴레오 갈릴레이(Galileo Galilei, 1564-1642)로 거슬러 올라갑니다. 실제 망원경을 처음 개발한 사람은 1608년 네델란드의 한스 리퍼세이(Hans Lippershey)이지만, 이를 이용해 천체를 관측한 기록은 갈릴레오 갈릴레이가 최초인 것입니다. 

이후 20세기까지 망원경이 발전해왔지만, 망원경의 발전은 거의 대부분은 렌즈의 크기를 어떻게 더 크게 할 수 있는가에 집중되어 있었습니다. 실제 최초의 망원경은 빛의 굴절원리를 이용하는 것인데, 빛을 굴절시켜 먼 곳에 위치한 물체를 분별하기 위해서 무엇보다 중요한 것은 가능한 많은 양의 빛을 받아들일 수 있어야 하고, 이를 위해서는 렌즈의 크기가 커져야 했던 것입니다. 하지만, 렌즈는 자체 무게가 있기 때문에 일정 이상의 크기가 되면 중력에 의해 렌즈가 휘어지는 처짐현상(sagging effect)이 생길 수 밖에 없고, 그 결과 정밀한 초점을 갖을 수 없는 한계가 생깁니다. 

실제 유리로 제작되는 광학렌즈 크기는 1미터정도를 넘어가기 힘듭니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 고안된 것이 반사 망원경인데, 반사망원경은 한쪽면만을 사용하는 거울을 이용하기 때문에 렌즈를 이용하는 굴절 망원경에 비해 더 큰 크기를 갖을 수 있습니다. 현재 가장 큰 반사망원경은 그 크기가 약 10미터 정도로 하와이의 빅아일랜드 마우나케아 정상에 위치한 켁(Keck) 천문대에 설치되어 있습니다.

하지만, 이러한 반사망원경도 먼 우주의 형상들을 관측하고자 하는 과학자들의 욕구를 만족시키기에는 많이 부족했는데, 이는 비록 굴절망원경에 비하면 더 큰 크기로 제작할 수는 있지만, 여전히 그 크기의 제약이 있고,  우주밖으로부터 오는 가시 광선이 지구의 대기권을 통과하며 어쩔 수 없이 산란되어 지구상의 망원경에서는 읽어들일 수 있는 신호자체에 한계가 있기 때문입니다. 이에 과학자들은 이러한 문제들을 해결하고자 두가지 방향으로 천제망원경을 발전시키기 시작합니다.

첫째는 가시광선대신 전파를 읽어들이는 망원경을 개발하게 됩니다. 전파(Radio wave)는 파장이 길어 지구의 대기권을 통과하면서도 신호를 거의 잃어버리지 않고, 거울이나 렌즈와 같은 광학적 기구를 필요로 하지 않기 때문에 크기의 제약에서 상대적으로 자유로울 수 있기 때문입니다. 

이러한 전파 망원경으로 세계에서 가장 큰 천체 망원경은 푸에르토리코에 위치한 아레시보 전파 천문대(Arecibo Radio Observatory)로서 미국의 코넬 대학교에서 운영하고 있습니다. 

이 전파 망원경은 그 구경이 305미터에 달하는 거대한 접시 모양으로 인터넷에서 제공되는 지도등을 통해서 보면 그 크기가 얼마나 큰 지 확인해 볼 수 있습니다.


두번째로는 망원경을 대기권 밖으로 올려보내고자 하는 시도였습니다. 이를 처음으로 제안한 이는 1946년 라이먼 스피쳐(Lyman Spitzer)였습니다. 그는 망원경을 지구대기의 간섭을 받지 않는 우주공간으로 올려 보내면 지표면의 천문대와 비교해 월등히 나은 영상을 얻을 수 있을 것이라고 제안하였습니다. 

그의 제안이 있었던 때로부터 정확히 44년 이 후 마침내 허블 천제 망원경이 디스커버리호에 실려 실제로 지구 대기권 밖으로 나아가게 된 것입니다.

엄청난 기간 동안의 상상할 수 없는 투자에 의해 지구 궤도로 올려진 허블 망원경으로부터 전송받은 첫 영상은 지구의 천문대와 비교해 별로 차이가 없는 정도여서 이를 기다리던 모든 과학자들을 실망케 했었는데, 이는 허블 망원경의 초점이 정확히 맞지 않아서 생긴 문제로 이 후 1993년 우주왕복선을 타고 올라간 우주비행사들이 추가의 초점 보정계를 설치하여 초점을 보완하게 됩니다. 

쉽게 이야기해서 허블망원경에 안경을 씌워준 것입니다. 그 이후 허블 망원경은 지상의 망원경들은 절대 따라갈 수 없는 엄청난 해상도의 이미지들을 보내줌으로써 지금까지 엄청난 천제물리학적 발견들의 주요 장비가 되어 왔던 것입니다.

허블망원경을 이용해 입증된 수많은 천체 물리학적 사실들 중 중요한 몇가지만을 들어보자면, 단연 첫번째는 자신의 이름의 주인인 천체물리학자 에드윈 허블(Edwin Powell Hubble, 1889-1953)의 우주 팽창이론을 입증했다는 것입니다. 

허블은 ‘멀리 있는 은하일수록 더 빨리 멀어진다’라는 허블의 법칙을 발표했는데, 허블 망원경을 이용해서 상대적으로 가까운 곳에 있는 초신성과 먼 곳에 있는 초신성의 움직임을 실제로 관측할 수 있었고, 그 결과 허블의 예측대로 먼 곳에 위치한 초신성이 지구로부터 더 빠르게 멀어지고 있음을 확인할 수 있었습니다. 즉, 우주의 대 팽창이론이 실제로 입증된 것이고, 현재 우주의 나이를 138억년정도로 추정하고 있는 것도 이러한 초신성의 속도로부터 역으로 계산해서 얻어진 값입니다. 이 뿐만 아니라 우리가 알고 있는 가장 먼 곳에 위치한 은하들은 대부분 그 존재가 허블망원경에 의해서 알려지게 된 것이라 볼 수 있습니다.

이렇게 우리의 시야를 약 10억광년(1광년 : 빛이 1년동안 나아갈 수 있는 거리)정도까지 확장시켜준 고마운 허블 망원경은 이제 그 마지막 미션들을 수행하며 마지막을 준비하고 있고, 미국 항공우주국은 2018년부터 새로운 제임스 웹 망원경으로부터 또 다른 미지의 세계로부터의 신호들을 받을 준비를 해 나가고 있습니다. 

제임스 웹 망원경은 허블망원경보다 더 큰 망원경으로 약 130광년정도 떨어진 곳의 이미지들을 볼 수 있게 해 줄 것으로 기대하고 있습니다. 아직까지는 허락되지 않았던 곳들을 이제 곧 볼 수 있게 되는 것이지요. 그 먼 우주에는 또 어떤 흥미로운 것 사실들이 우리들을 기다리고 있을까요?


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석준영  비센학원장 

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