망원경의 종류와 특징 1 - 굴절 망원경

** 반사 망원경은 아래 포스팅을 참고하세요

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카메라와 과학이라는 카테고리를 운영했었는데, 카테고리 이름을 카메라와 망원경으로 바꾸고, 앞으로 카메라 뿐 아니라 망원경에 대한 이야기도 한번 풀어볼까 합니다.

학교 현장에서 망원경을 구입하는 경우가 많습니다. 그럼에도 주변에 망원경을 잘 다루는 사람이 많지 않고, 이에 망원경 구매에 어려움을 겪는 경우를 많이 봤습니다. 앞으로의 포스팅은 이런 분들에게 조금이나마 도움을 주고자 시작하였습니다. 또한 학생들과 함께 어떠한 천체관측 활동을 할 수 있을지에 대해서도 제가 경험했던 일들을 위주로 함께 써내려가고자 합니다. 굉장히 많은 양의 글이 될 것 같다는 생각이 듭니다.

망원경은 여러가지 유형으로 분류할 수 있는데, 가장 먼저 경통의 유형에 따라 분류를 해 보겠습니다.

경통의 유형에 따라 분류를 해 보면 굴절 망원경과 반사망원경, 복합광학계 정도로 분류를 할 수 있습니다.

1. 굴절망원경의 원리와 장점

망원경의 가장 중요한 역할을 빛을 모으는 것입니다. 확대도 아니고, 축소는 더더욱 아니며, 가장 중요한 역할이 빛을 모으는 것인데, 빛을 어떻게 모으느냐에 따라 굴절 망원경과 반사망원경으로 구분합니다. 굴절 망원경은 쉽게 생각하면 볼록렌즈를 사용해 빛이 한 점으로 굴절하도록 하여 빛을 모으는 방식입니다.

때문에, 단순하게 생각하면 2장의 렌즈만 있으면 됩니다. 빛을 모으는 대물렌즈, 모은 빛을 다시 확대해서 보는 접안렌즈 이렇게 2개입니다.

렌즈가 틀어지면 빛을 정확히 모을 수 없고, 모든 빛이 렌즈를 통과해야만 상이 선명하게 모이기 때문에 굴절망원경의 렌즈는 경통에 아주 단단히 싸여 있습니다. 자연스럽게 경통 내부는 외부와 완벽하게 차단되고, 때문에 바깥에서 태풍급 비바람이 몰아쳐도 경통 내부는 아주 안정적인 상태가 유지될 수 있습니다. 그러다보니 상이 굉장히 안정적이고 선명합니다. 이건 굴절망원경의 최대 장점입니다. 또한, 빛의 경로가 길 필요가 없습니다. 렌즈 깎는 기술만 가능하다면, 초점거리를 짧게 가져갈 수 있는데, 나중에 이야기 할 f/수를 상대적으로 많이 낮출 수 있는게 굴절 망원경입니다. f/수가 낮아지면, 그만큼 상이 밝아집니다. 이렇게 f/수가 낮아 상이 밝은 망원경을 빠른 망원경이라고도 하는데, 카세그레인 반사망원경, 복합광학계 등에서는 별도의 개조를 하지 않는한 구현하기 어려운 f/수를 만들어낼 수 있습니다. 그래서 가능하다면 굴절 망원경이 짱입니다.

굴절망원경을 갈릴레이식과 케플러식으로 구분합니다. 빛이 나아가는 경로의 차이인데, 사실이건 의미가 없다고 생각합니다. 갈릴레이식 굴절 망원경을 거의 사용하지 않기 때문입니다. 그래서 여기서 별도로 언급하진 않겠습니다.

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2. 굴절망원경의 단점과 굴절망원경의 수차

하지만, 큰 문제가 있습니다.

바로 색수차라는 것인데, 빛은 파장에 따라 굴절률이 다릅니다.

파장이 긴 적색빛은 조금 굴절되고, 파장이 짧은 청색 빛은 많이 굴절됩니다. 이로인해 빛은 의도와 달리 한 점에 모이지 않고, 여러 지점에 흩어져 버립니다. 이렇게 되면 상이 선명하게 보이지 않을 뿐만 아니라, 원래의 색도 잘 나타나지 않습니다.

실제로 색수차를 잘 제어하지 못하는 저가형 굴절망원경을 사용하여 사진을 촬영하면 온통 보라색 덩어리로 나타납니다. 예전에 구경만 냅다 크고 색수차를 잘 제어하지 못하는 망원경으로 간단한 촬영을 해 봤는데, 못 봐줄 정도로 보라색이 도드라졌습니다.

그래서 굴절망원경은 이런 단점을 보완하고자 색지움 렌즈를 사용합니다. 이런 색지움 렌즈를 사용한 굴절망원경을 아크로매틱 굴절망원경이라고 하고, 이거보다 색수차를 훨씬 더 잘 제어하는것은 아포크로매틱이라고 합니다. 보통 APO라고들 얘기합니다.

하지만 구경이 크면 클수록 여러 파장대역에서 굴절율 차이에 의한 색수차가 심해지고, 이를 제어하기 위한 많은 색지움 렌즈를 써야 합니다. 또 예기치 못한 다른 광학적 수차가 나타날 수 있고, 이를 보정하기 위한 또 다른 렌즈가 필요할 수 있습니다. 그래서 구경에 비해 가격은 엄청나게 비싸지고, 무게 또한 상당히 무거워 집니다.

위 사진은 스카이워쳐에서 판매하는 150mm 아포크로매틱 굴절 망원경입니다. 과학고에 근무하던 시절 굉장히 많이 사용했던 망원경인데, 정말 끝내줍니다. 구경이 150mm 밖에 되지 않음에도, 안시관측을 하면 말도안되게 선명한 상을 볼 수 있었습니다. 하지만 가격도 끝내줍니다. 대략 천만원이 넘었던 것으로 기억합니다. 무게역시 상당합니다. 성인 남성이야 혼자 들 수 있겠다만, 굉장히 무겁습니다. 그래서 이 아이를 지탱하기 위한 가대도 탑재중량이 어마어마 해야합니다.

굴절망원경의 다른 수차에는 구면수차가 있습니다. 보통 반사망원경에만 있다고 알고 있는데, 사실 굴절망원경에도 구경수차는 존재할 수 있습니다. 다만 구면수차는 렌즈를 비구면렌즈로 깎음으로써 제어할 수 있기 때문에, 큰 문제가 되지 않습니다. 그래서 별도로 언급하지 않는 것입니다. 구면수차에 대한 내용은 반사망원경을 다루며 이야기 하겠습니다.

구경이 커지면 발생하는 광학적 문제, 그 문제를 해결하기 위해 필요한 렌즈의 증가 등으로, 굴절망원경은 어느정도 한계가 되면 제작이 불가능해집니다. 그래서 대구경 굴절망원경은 존재하지 않으며, 천문대급 대형 망원경은 죄다 반사망원경만 있는것입니다.

세계에서 가장 큰 굴절망원경은 여키스 천문대에 있습니다. 대략 구경이 약 1m 정도 되는데, 길이는 아파트 3층 정도 길이라고 알고 있습니다. 어마어마 합니다.

3. 만약 학교 현장에서 망원경을 구입한다면?

반사망원경은 상대적으로 거울 관리나 광축 관리가 어렵습니다. 상대적으로 굴절망원경은 광축도 잘 틀어지지 않고 렌즈도 건조한 환경만 갖추어진다면 깨끗하게 유지될 수 있습니다. 그래서 관리에 자신이 없다면 굴절망원경을 추천합니다. 만약 학교에서 학생들과 사진 촬영도 하겠다면 비교적 값비싼 굴절망원경이 필요하겠지만, 그런것이 아니라면 저렴하면서 색수차 잘 제어 못하는 구경만 큰 굴절망원경이 효율적일 수 있습니다. 안시관측만으로는 어지간한 색수차는 잘 보이지 않습니다. 물론 비싼것이 짱인건 사실입니다. 다만, 반사망원경이 좋지 못하다라는 소리는 아닙니다. 구경대비 가격이 저렴하여 좋은 선택지가 될 수 있습니다. 무엇보다 같은 가격에서 굴절보다 월등이 큰 경통을 유지할 수 있어 빛을 모으는 수준에서 압도적인 성능을 보이는게 사실입니다.