망원경

망원경(望遠鏡, telescope)은 멀리서 날아오는 빛을 증폭하여 먼 곳에 있는 대상을 관측하기 쉽게 해주는 도구다. 주로 렌즈나 거울로 빛을 굴절시켜 관측대상을 확대하여 보여주곤 하지만, 전파망원경처럼 렌즈나 거울을 사용하지 않는 경우도 있다. 전 세계에서 현재 건설중인 가장 큰 망원경은 거대 마젤란 망원경(Giant Magellan Telescope)이다. 현재 가장 큰 망원경은 거대 쌍안 망원경(Large Binocular Telescope)이다.

역사

네덜란드의 안경 제조가였던 한스 리페르셰이(1570~1619)는 어느 날 자신의 아들이 자기 작업실의 안경들을 갖고 놀다가

“	아빠, 이렇게 하니까 멀리 있는 교회 탑이 크게 보여요!	“
— 한스 아들

이라고 소리쳤고 한스는 아들의 말을 듣고는 뭔가 삘을 받아서 볼록렌즈와 오목렌즈를 사용해 망원경을 발명하게 된다. 원리는 후술할 갈릴레오식과 동일하다.

망원경이 발명되자 난리가 났는데, 특히 군사계에서 중요하게 여겨졌는데, 전쟁에서는 멀리 있는 적을 먼저 보는 것이 중요했기 때문.

최초로 망원경을 이용해 천체를 관측한 것은 갈릴레오 갈릴레이로 알려져있다. 그는 망원경을 직접 만들고 개량하여 그것으로 갈릴레이 위성이라 불리는 목성의 4대 위성을 발견하였다. 현대에는 그의 망원경과는 비교도 할 수 없이 선명한 상을 얻을 수 있게 되었다.

광학 망원경

원리

가시광선을 이용하여 물체의 빛을 모으고 확대하는 모든 종류의 망원경을 말한다.

FOV

Field Of View. 시야각. 클 수록 넓게 보이고 작을 수록 좁게 보인다. 구경이 큰 망원경은 초점 거리가 긴 경향이 있기 때문에 분해능과 반비례하는 경향이 있으나 광학적으로는 서로 상관 없는 요소다.

집광력

구경을 6mm 내지 7mm 로 나눠서 제곱한 값이다. 사람의 눈에 비해 얼마나 빛을 많이 모으는지 나타내는 요소다. 실질 집광력은 여기 렌즈의 투과율이나 거울의 반사율을 곱하고, 반사 계열일 경우 부경차폐까지 계산해서 뺀다.

굴절 망원경

굴절 망원경은 빛의 매질간 속도 차이를 이용하여 빛을 꺾어 모으는 방식으로 만든 망원경이다.

갈릴레오식

한쪽에는 볼록 렌즈를, 한쪽에는 오목 렌즈를 썼으며 광로의 교차가 일어나지 않아 정립이다. 시야각이 매우 좁아 요즈음에는 거의 사용하지 않는다.

케플러식

접안렌즈와 대물렌즈 모두 볼록 렌즈를 사용한다. 광로의 교차가 일어나 도립상이나, 펜타프리즘 등으로 교정할 수 있다.

아크로매틱, 아포크로매틱

사전적 정의는 각각 2, 3파장의 빛의 초점거리를 일치시킨 광학계를 뜻한다. 각각 최소 2, 3장의 렌즈가 필요한다. 하지만 실제로는 렌즈의 재질이 매우 중요해서 형석을 사용한 렌즈 2장 짜리 망원경이 일반적인 소재로 만들어진 3장짜리 망원경을 압도적인 차이로 이긴다. 즉 정의 상으로는 아크로매틱이 아포크로매틱을 이겨 버리는 상황이 발생한다. 그래서 요즈음은 적당히 성능이 좋으면 아포크로매틱이라 하며, ED소재를 사용한 더블렛, ED 소재를 사용한 트리플렛 혹은 그 이상이 해당된다. 반대로 3장의 렌즈가 사용되었지만, 저분산 소재를 사용하지 않은 망원경은 세미 아포크로매틱이라 부르기도 한다. 그 "적당히"는 제조사 마음이기 때문에 망원경 선택시에는 상당한 짬을 요구하기도 한다.

반사 망원경

반사 망원경은 볼록 렌즈 대신 오목 거울을 이용하여 빛을 모으는 방식으로 만든 망원경이다.

그레고리안식

제임스 그레고리가 1663년 개발한 망원경의 방식이다. 두 거울 다 오목거울을 이용한다.

뉴턴식

아이작 뉴턴이 1668년 개발한 망원경의 방식이며, 포물면 오목 거울이 반사한 빛을 평면 거울을 통해 경통 밖으로 끄집어내는 방식이며, 제작이 쉽고 값이 싸서 아마추어가 대형 망원경을 가질 수 있게 한 일등 공신이다. 하지만 주변부 코마수차가 생기기 때문에 천체 사진을 찍기 위해서는 보정 렌즈가 필요한다.

카세그레인형

주경 포물면, 부경 쌍곡면을 쓰는 망원경으로 접안부가 뒤에 달려 있다. 수차 특성은 뉴턴과 거의 비슷하나 상면만곡과 비점수차가 추가로 발생한다. 아마추어용으로는 쌍곡면 부경의 가공이 정말 어렵고, 광축 맟추기도 어렵기 때문에 이 고전 설계 그대로 쓰는 경우는 잘 없다. 천문대와 같이 극도로 큰 망원경에서는, 뉴턴식으로 설계할 시 큰 크기 때문에 돔부터 시작해서 가대까지 돈이 왕창 깨지기 때문에 부경을 이용하여 무게 중심을 낮게 만들고 경통 길이도 줄인다.

달-커크햄 식

주경을 타원면, 부경을 구면으로 제작하는 카세그레인의 변형 설계다. 제작 단가가 낮고 고정밀 연마가 쉬워서 아마추어에게 행성 관측용으로 인기가 좋다. 아마추어가 이 형식 망원경을 쓴다 하면 대부분은 다카하시사의 뮤론 시리즈다.

리치 크레티앙 식

1910년 조지 윌스 리치에 의해 개발된 방식이며, 주경 쌍곡면, 부경은 카세그레인의 그것보다 훨씬 강한 쌍곡면으로 설계된다. 주변부 코마수차가 없어 별 위치 결정이 쉬워 천문대에서 많이 사용되며, 아마추어도 소형이긴 하지만 사용한다. 요즈음에는 대만산 카본경통 망원경이 들어와 인기를 얻고 있다. 제작이 어렵고, 고정밀도로 제작하기는 더 어려워 비싼 형식 중 하나다.

폴-베이커 식 혹은 삼거울식 망원경

리치 크레티앙식에서 발전한 방법으로서, 카세그레인 변형 설계로 빛을 모은 다음, 오목거울 하나를 더 추가해서 결상시키는 형태다. 부경 차폐가 일반적으로 크나, 주변부 상이 좋기 때문에 위성 카메라 등에 종종 응용된다.

비축 광학계

허셜 식

오목거울 하나만 있는 형식이다. 기울여서 빛을 축에서 꺼내며, 실제 사용하는 곳은 거의 없다.

Schiefspiegler 식

카세그레인 일부를 잘라 놓은 모양에서 출발한 비축 망원경이다. 보통 보정 렌즈를 한 장 내지 두 장 추가해서 설계한다.

슈바르츠쉴트-장 식

2반사경을 이용해, 선형 비점수차를 제거하는 비축 망원경이다. 한국의 장승혁 박사가 처음 개발했다.

복합 광학계

반사 굴절 망원경이라고 부르기도 하지만 보통 자세한 형식으로 이야기한다. 주로 빛을 모으는 것은 반사경이, 수차 보정을 렌즈가 한다.

슈미트 카메라

전면에 판(Plate)모양의 보정판을 가지고 있다. 얇으며, 고차 비구면 모양이다. 대략적인 모습은 동심원 물결 모양인데, 보통 중앙에서 70% 정도의 부분이 가장 얇다. 이 뒤에 매우 가파른 구면경이 있고, 부경이 없기 때문에 상은 망원경 안에 맺힌다. 보정판의 제작은 고전적인 방법으로는 대단히 어렵고, 아마추어가 제작하기는 불가능에 가깝지만 대량생산이 매우 용이한 구조이기 때문에 슈미트-카세그레인 식의 망원경은 적절한 가격에 좋은 물건을 구하는 것이 쉽다.

막스토프 카메라

슈미트 카메라와 유사하나 보정판 대신 렌즈라고 부를 만 한 약한 메니스커스 오목렌즈를 이용한다. 고전적인 방법으로 보정 렌즈 생산이 가능하고 고정밀도 연마가 용이한 장점이 있다.

카세그레인 응용 설계

슈미트 - 카세그레인식

슈미트 카메라의 설계를 달-커크햄 식과 접목한 형태다. 부경과 주경은 구면이고 보정판의 보정 상수는 -0.6~7 정도로 줄여서 설계한다. 경통이 밀폐되어 있고 스파이더상이 보이지 않은데다가 대구경에다가 값도 그리 비싸지 않고 초점거리가 길어서 행성 관측에 매우 인기가 좋다.

막스토브 -카세그레인식

위와 특성 및 설계가 보정판이 막스토프 보정렌즈로 바뀐 것 말고는 거의 같다. 하지만 막스토프 보정 렌즈는 대량 생산이 가공 허용 오차가 매우 작아 어려워 값이 슈미트 식보다 훨씬 비싸다. 하지만 고성능 경통을 구하기는 훨씬 용이하다.

뉴토니안 응용 설계

슈미트 - 뉴턴식

슈미트 카메라의 주경을 덜 가파르게 한 뒤 사경을 붙인 망원경이다. 미드 SN 시리즈가 있었으나 단종되었다.

막스토프 - 뉴턴식

막스토프 카메라의 주경을 덜 가파르게 한 뒤 사경을 붙인 망원경이다. Intes-Micro 등의 회사가 좋은 제품을 생산하고 있다.

기타 망원경

전파 망원경

카세그레인식 망원경과 비슷한 원리로, 안테나에서 전파 수신을 잡아 전기 신호로 바꾸어 관측하는 것이다.

X 레이 망원경

분류상으로 본다면 반사 망원경에 들어가지만, 형태는 광학 망원경의 그것과는 매우 다르다. X선은 반사되지 않고 투과되기 때문에 스침 반사를 이용하기 위해서 수많은 롤을 이용하여 빛을 스쳐서 모은다.

액체 망원경

반사 망원경에 속한다. 수은이나 갈륨과 같이 상온에서 액체인 금속을 고속으로 회전시키면 오목 거울과 같은 형태를 띠게 된다. 실제 이는 포물면이 아니라 고차 비구면이기 때문에 보정 렌즈를 요한다. 이를 이용하여 천정에 한정되긴 하지만 관측이 가능하다.