망원경의 종류와 특징 2 - 반사 망원경

<칠레에 건설중인 거대 마젤란 망원경(Giant magellan telescope, GMT)(출처 : 위키피디아)>

지난 포스팅에서 굴절 망원경에 대한 내용을 다루었습니다.

망원경의 종류와 특징 1 - 굴절 망원경

 

본 포스팅에서는 반사망원경에 대한 이야기를 해 보고자 합니다.

  1. 반사망원경의 원리

지난번에도 이야기 하였든, 망원경의 가장 중요한 역할은 빛을 모으는 것인데, 렌즈를 이용해 빛을 모으는지, 거울을 이용해 빛을 모으는지에 따라 굴절 망원경과 반사망원경으로 구분한다 하였습니다. 반사 망원경은 바로 오목어울을 이용해 빛을 모으는 장치입니다.

취미활동으로 천체관측을 하시는 분들은 위 사진과 같은 망원경을 사용하며, 천문대급 대형 망원경은 맨 위의 사진과 같은 모습이나, 또는 보현산 천문대에 설치된 아래 사진과 같은 모습을 한 반사 망원경을 볼 수 있습니다.

<보현산 천문대 망원경(출처 : 한국관광공사)>

우리나라에서 천문 연구를 위해 운영하는 반사망원경은 작은 편입니다. 하와이의 켁 천문대(keck observatory)는 구경이 10m 짜리 반사망원경 2대를 운영하고 있습니다. 이는 GMT가 완공되기 전인 지금 시점에서 가장 구경이 큰 망원경입니다. 같은 지역의 일본 스바루 천문대에서는 구경 8.2m의 반사망원경을 운영하고 있습니다.

<켁 천문대>

<켁 천문대 반사망원경의 주경>

<하와이에 있는 스바루 천문대>

그리고 현재 구경 25m 수준의 엄청난 크기의 반사망원경이 제작중에 있는데, 칠레에 건설중에 있는 거대 마젤란 망원경(GMT, Giant Magellan Telescope)이 그것입니다. 맨 위의 대표사진이 마젤란 망원경의 상상도인데, 구경이 너무 크다보니 이만안 거울을 한 번에 깍을 수 없어서 8.4m짜리 거울 7장을 붙여 만들고 있습니다. 계획대로라면 2025년에 완공되고 관측을 시작한다고 합니다. 우리나라도 제작에 참여하고 있으며, 총 제작비의 10%를 투자하였다고 합니다.

그런데 이거보다 더 큰 망원경도 계획중에 있다고 합니다. 유럽에서 계획중인건데 32m짜리를 만들어 버리겠다고 하니, 정말 어마어마 합니다.

<칠레에 건설중인 거대 마젤란 망원경의 완공 상상도>

굴절 망원경에 비해 반사망원경은 구조가 단순합니다. 단지 두 장의 거울과 접안렌즈가 있으면 됩니다. 원리도 간단합니다. 아래 그림을 보겠습니다.

주경(primary mirror)으로 들어오는 관측 대상의 빛은 오목거울인 주경에서 반사되어 부경(secondary mirror)으로 갑니다. 빛의 경로를 보면 조금씩 빛이 모이는걸 알 수 있습니다. 그리고 부경에서 다시 빛을 반사하여 접안렌즈(eyepiece)가 있는 곳으로 보내고, 여기다 눈을 대고 관측을 하는 것입니다.

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  2. 반사망원경의 종류

대략 원리가 이렇다보니, 빛을 꼭 저렇게 뒤로 보낼 필요는 없습니다. 망원경의 옆구리로 빛을 뽑아도 되고, 여러번 반사시킬 수도 있습니다. 그래서 반사망원경은 종류가 참 다양합니다.

위 그림에서 a의 prime focus는 부경이 있을 곳에 부경을 없애버린 경우입니다. 이 경우는 부경이 있을 자리에 부경을 때 버리고 바로 카메라나 분광장치 같은걸 달아 버리는 경우에 해당합니다.

<뉴턴식 반사망원경>

b는 뉴턴식(Newtonian)이라는 것입니다. 빛을 반사시켜 망원경의 옆구리로 보냅니다. 옆구리에 대고 관측하면 안시관측에서는 대상을 찾을 때 다소 불편함이 있습니다. 다만 장점은 초점거리가 짧아져 상이 밝아질 수 있어서 사진 촬영에 유리합니다.

<카세그레인식 반사망원경>

c는 카세그레인(Cassegrain)식 이라는 것입니다. 빛을 반사시켜 주경으로 보내는데, 주경의 정 가운데에 구멍을 뚫고, 여기로 빛이 들어오게 합니다. 무게 균형을 맞추기에 유리하여, 전문가들의 망원경에 많이 사용됩니다. 특히 분광장비같은것을 달 때도 유리합니다. 또한 망원경의 길이를 짤막하게 만들어 버리기 좋습니다.

<쿠데식 반사망원경>

d는 쿠데식(Coude)입니다. 부경에서 반사된 빛을 다시 작은 부경을 두고 옆구리로 보내는 방식입니다. 관측 장비, 예를들어 분광기나 CCD 같은걸 여러개 두고 동시에 관측할 때 유리하고, 저런 구조로 되어있으면 망원경이 아무리 돌아도 접안렌즈 있는 곳은 구조적으로 돌지 않아도 되기 때문에 과학관 같이 여러명이 망원경을 볼 때 편리합니다. 그런데 여러번 빛을 반사시키다 보니 빛 손실이 필연적으로 발생합니다.

 

보통 가장 구경하기 어려운 반사망원경이 쿠데식입니다. 무게도 무겁거니와 아마추어들은 쿠데식의 장점을 활용할 일이 거의 없다보니 아마추어들이 거의 사용하지 않기 때문인 것으로 생각합니다. 저도 본적이 없는 것 같아요.

  3. 반사망원경의 장점과 단점

  반사망원경은 종류도 쓰임도 다양하고, 상대적으로 저렴하다는 장점이 있습니다. 무엇보다 렌즈로 빛을 굴절시키는 것이 아니다 보니 색수차는 전혀 발생하지 않습니다. 이건 굴절망원경 대비 최고의 장점입니다.

 

하지만 단점도 엄청나게 많습니다. 우선 대표적으로 구면수차라는 것이 존재합니다(각종 수차에 대한 정확한 원리는 망원경에 대한 다음 포스팅에서 이야기 하도록 하고 여기서는 자세히 언급하지는 않겠습니다.). 하지만 구면수차는 포물면을 사용함으로써 쉽게 제어가 가능하여 큰 문제가 되지 않습니다. 구면 수차를 제어하는 또 다른 방법으로 일부러 f/n를 늘리는 것입니다. 그럼 주경의 외각부에서 들어오는 빛이 차단되면서 구면수차를 어느정도 잡아낼 수 있다고 합니다.

 

초기 허블우주망원경이 구면수차가 심하여 제 성능을 내지 못했다고 합니다. 아래사진을 참고하세요.

<구면 수차가 심하게 발생한 상(좌)과 수리를 통해 개선된 상(우)>

코마수차라는 것도 발생합니다. 외각부에 있는 상에서 심하게 나타나는데 별상이 동그랗게 보이지 않고 찍 늘어져 있는 것처럼 나타납니다. 코마수차의 원리는 다른 포스팅에서 다루거긴 하겠지만, 간략하게만 이야기 하면, 주로 상의 외각부에서 빈번하게 발생합니다.

무엇보다 반사 망원경은 주경과 부경 사이가 뻥 뚫려 있습니다. 아마추어의 망원경들이야 굴절처럼 막아두기는 하지만, 그렇다 해도 외부의 빛이 들어오는 부경 주변은 뻥 뚫려 있습니다. 결국 망원경 내에서 빛이 이동하는 경로가 외부 공기의 흐름으로부터 자유롭지 못합니다. 상이 일그러질 수 있다는 소리입니다. 실제로 반사망원경은 굴절 망원경에 비해 상이 선명하지 못한것은 사실입니다(하지만 압도적인 구경으로 이를 압살해 버릴 수는 있습니다).

 

그럼에도 반사망원경은 쓰임이 많습니다. 대구경 망원경을 만들 때 굴절 망원경에 비해 훨씬 효율적입니다. 대구경 망원경의 경우 한 번에 포물면으로 거울을 깎지 못해 여러장의 거울을 덧대는 방식으로 망원경을 제작하고 있습니다. 칠레에 제작하고 있는 32m GMT(거대 마젤란 망원경)도 이런 방식으로 제작중에 있습니다(맨 위 그림 참고).

  4. 학교 현장에서 구입한다면?

반사 망원경을 사용함에 있어 가장 걱정되는 부분은 광축입니다. 광축이 틀어지면, 맞추기가 어려운데, 특히 뉴턴식 반사망원경에서 광축이 틀어지는 경우가 잦습니다. 학생들이 장난을 심하게 치거나 부주의하게 망원경을 다루면 광축이 틀어질 가능성이 높습니다. 때문에 반사망원경을 운영한다면 광축을 교정할 수 있는 방법 정도는 알아두는것이 좋습니다. 

  주경이 노출되어 있기 때문에, 오염되지 않도록 잘 관리하는것도 굉장히 중요합니다. 망원경 뚜껑을 잃어버리면 이런 일이 분명 발생할 수 있기 때문에 관리에 주의를 기울여야 합니다. 또한 주경이나 부경의 코팅은 영구적이지 못합니다. 정기적으로 코팅을 다시 해 주면서 잘 관리해야 망원경이 제 성능을 충분히 발휘할 수 있습니다.