천체 망원경
1. 천체관측을 위한 기본 장비
천체 사진 촬영용 망원경의 경우 상당히 고가이기 때문에 사진 촬영은 포기하고 관측만 하는 경우도 있지만[4] 안시 관측용 망원경도 꽤나 돈을 많이 쓰는지라 성인들이 많이 즐기는 취미이다. 따라서 개인이 망원경을 살 때는 시간은 차치하고 예산 크리로 인해 포기하게 되는 경우가 많다. 정말로 천문 분야를 좋아하거나 이쪽을 파고드는 기질이 있다면, 학교 동아리에 가입하는 것도 한 방법. 단 장비 자체가 보급형도 다소 고가인 만큼 많은 것을 바라지는 말자. 또한 천체관측 항목에도 있지만 망원경으로 단순히 별을 보는 것은 맨눈으로 별을 보는 것과 큰 차이가 없다. 망원경을 산 사람들이 보고 실망하는 것 중 하나. 망원경으로 관측을 할 때는 이중성 등의 다중성이나 성운, 성단, 은하 및 행성과 달을 대상으로 하는 것이 좋다.
교과서나 인터넷에 나오는 화려한 천문사진들은 천문대에 있는 대구경 망원경으로 장시간 노출을 줘서 촬영한 사진이다. 20~30만 원 정도 하는 망원경으로 토성을 관측하면 음... 토성에 고리가 있다는 말이 사실이군... 정도를 볼 수 있다(...) 목성의 이글거리는 줄무늬나 위성 같은 것도 도전 가능하며, 굴절일 경우 밝은 성단, 돕소니안일 경우 본격 딥스카이 관측이 가능하다.
2. 천체 망원경의 구성
크게 세 부분으로 나누어지고 그 외 악세사리가 붙는다.
- 경통 : 망원경의 몸통 부분.
- 대물 렌즈 : 경통 앞쪽에 붙어 있는 렌즈. 굴절식 망원경에만 있고 반사식에는 없다. 아래 '방식' 문단에서 좀 더 자세히 설명.
- 접안 렌즈 : 관측하는 부분에 있는 소형 렌즈. 영어로는 아이피스라고 하며 현업에서는 이쪽으로 부르는 경우도 많다(특히 일본 서적에서 그렇다). 이건 반사식에도 있다.[5] 현대의 망원경은 보통 관측목적에 따라 여러 종류의 아이피스를 갈아끼워 가며 쓴다.
한마디로 DSLR 카메라의 교환식 렌즈 생각하면 된다 - 파인더 : 망원경 경통 위에 붙어 있는 새끼 망원경(?). 주 관측대상을 찾는 용도로 사용한다. 요즘은 아예 생략되어 나오는 경우도 흔하다. 참고로 가끔 쌍안경의 대물렌즈를 사용하는 파인더가 있는데 이건 성능이 꽤 강력한 편이다.
- 프리즘 : 천정 미러라고도 부른다. 굴절식 망원경이나 카세그레인식 망원경은 접안렌즈가 경통 뒤에 붙어있으니 하늘 높이 떠 있는 천체를 관측할수록 점점 접안렌즈가 밑으로 내려가서 나중에는 숫제 드러누워서 하늘을 올려다보며 관측해야 할 지경이 된다. 이 때 프리즘을 달아주면? 짜잔! 고개를 숙인 자세로 편하게 관측할 수 있습니다! 한 마디로 관측을 쉽게 도와주는 반사경이다. 다만 프리즘이 들어가 있는 이유는 경통에 들어온 빛을 전부 다 반사해주지 않고 일부는 버리기 때문이다. 그래서 프리즘 본체를 보면 꺾어지는 부분에 유리가 달려 있고 분해해보면 삼각 프리즘이 아니라 오각형 단면의 프리즘이 들어가 있는 경우가 많다. 여러 모로 DSLR 카메라와 비슷하다. 프리즘을 사용할 경우에는 프리즘에 접안렌즈를 끼워서 관측한다.
- 태양 관측판 : 태양의 흑점을 관측하기 위해 경통 뒤에 달아놓는 판. 맨 눈으로 봐도 큰일나는(...) 태양을 렌즈로 봤다간 당연히 눈이 무사할 리 없으므로(...) 접안렌즈를 빼고 관측판을 달아놓은 후 판에 투영되는 태양의 상을 간접적으로 관측한다.
- 가대 : 경통을 올려놓는 부분(mount)이라서 영어로는 마운트라고 한다. 가대도 크게 두 가지 구분이 가능한데 아래 항목에서 설명한다.
- 삼각대
3. 천체 망원경의 방식
개인용 천체망원경은 거의 다 광학 망원경이라고 할 수 있을 것이다. 렌즈나 오목 거울을 이용해서 빛을 초점에 모으는 것이 기본 원리이며, 이를 위해 렌즈를 쓰면 굴절 망원경, 거울을 쓰면 반사 망원경이라 한다.
3.3.1. 집광방식에 따른 구분[편집]3.3.1.1. 굴절 망원경[편집]
렌즈에 의해 빛이 굴절하는 원리를 이용한 망원경. 흔히 망원경 하면 떠오르는 이미지가 바로 이 망원경. 일반적으로 F값이 다소 있는 편이며(보통 7내지 8 정도이고 구경이 커지면 10 정도) 안정적이고 깨끗한 상을 보여주나, 빛이 투과해야 하므로 중간에 지지대를 두기 어려우며 가공해야 할 광학면이 많아 대구경으로 만들기가 어렵다. 그래서 안시관측용으로 나오는 아크로매틱 굴절 망원경의 구경은 5인치(127내지 128mm)를 잘 넘지 않는다. 이유를 들자면, 10인치 굴절 망원경을 생각하자. 이 정도 구경이면 F값을 8 정도인 망원경도 상당히 밝은 망원경인데, 초점거리를 재면 254mm의 8배인 2032mm이고 단위를 환산하면 대충 2m이다. 즉, 망원경 몸통이라고 할 수 있는 경통의 길이가 최소 2m라는 것이다.[6] 이쯤되면 길이가 상당히 곤란해진다. 또한 굴절 망원경은 당연히 렌즈를 이용해 빛을 굴절시키는 건데 이 렌즈가 커지면 커질수록 이에 비례해 무거워지고[7], 또한 이만 한 크기로 질 좋은 유리를 훌륭하게 연마하기 어렵다. 아니, 애초에 이 정도 크기에서 초자의 어닐링이나 굴절률 제어는 전문 유리 회사도 학을 뗀다. 유리값만 해도 반사망원경 몇 대 살 정도이다. 그리고 렌즈가 두꺼워지는 만큼 빛이 더 굴절되기 때문에 하단에 서술할 색수차가 더 심해진다. 다소 극단적인 예이지만 세계에서 가장 큰 굴절 망원경은 미국의 여키스 천문대에 있는 여키스 망원경인데 구경이 대충 1m이다. f값은 11이라서 경통 길이 최하 11m... 팔로마산 천문대에 있는 헤일 망원경의 구경이 5.08m이고 하와이에 있는 켁 망원경의 구경이 10m이다. 그런데 더 중요한 건 구경이 커질수록 집광력이 좋아지기 때문에, 저런 대형 망원경을 사용하는 주 용도인 굉장히 어두운 대상을 찾을 때는 5배나 되는 구경 차이를 이길 수 없다.[8]
게다가 유리는 조금이나마 늘어나는 성질이 있어, 지름이 1m가 넘는 렌즈를 달아놓으면 렌즈가 미세하게나마 늘어나서 아래쪽으로 처지게 된다. 미세하기는 하지만 망원경에게는 매우 치명적이라 1m가 넘는 크기의 렌즈를 만들 수 있다 해도 이를 망원경에 다는 것은 사실상 불가능하다. 반면 반사망원경은 반사경이 커지더라도 거울 뒤쪽 지지대를 이용해 큰 거울을 충분히 지탱할 수 있다.[9]
구조적인 면에서 갈릴레이식과 케플러식으로 나뉘는데, 현재는 대부분 케플러식이다. 갈릴레이식이 케플러식에 비해 상의 안정도나 배율 등 대부분 항목에서 밀려 갈릴레이식은 소형 오페라 글라스 정도를 제외하면 사장되었다.
갈릴레이식의 특징은 대물렌즈는 볼록렌즈이나 접안부 쪽이 오목렌즈이며, 상의 상하좌우가 바뀌지 않는다. 케플러식은 대물렌즈와 접안부 쪽이 모두 볼록렌즈이며, 상의 상하좌우가 바뀐다. 그래서 갈릴레이식은 복잡한 반사경 없어도 상이 바로 서서 눈으로 보는 것과 일치하므로 멀리있는 풍경이나 공연 등을 가까이 보는 간단한 오페라 글라스나 장난감 망원경이나 레저용 간이 망원경 등 지상 망원경에 많이 쓰인다. 짧게 줄여서 휴대하다가 텔레스코픽 경통을 길게 늘려서 상대편 배를 관측 하는 식으로 해적 영화에 나오는 망원경은 갈릴레이 식이다.
케플러식은 시야가 넓고 수차가 적은 등 광학적으로는 장점이 많지만 상이 거꾸로 보이므로 지상용으로 상을 바로 세우려면 거울이나 프리즘을 이용해야 하므로 복잡해지고 무겁고 비싸진다. 그래서 상이 거꾸로 되어도 별 지장이 없고 광학적 성능이 중요한 천체망원경에 널리 쓰인다. 군사용이나 등산용 등 고급 쌍안경은 대부분 케플러 식으로 내부에 반사 프리즘이 있어 상을 바로 세우고 전체 경통 길이도 단축한다. 경통이 구부러져 있거나 한쪽이 튀어 나와 있으면 대부분 그 부분에 프리즘이 들어 있는 케플러식이다.
렌즈의 측면에서는 아크로매틱(achromatic)과 아포크로매틱(apochromatic)으로 구분하는 편이며, 이 둘의 차이는 몇 가지의 빛의 초점을 일치 시켰나는 것이다. 아주 거칠게 표현하자면 아크로매틱은 2매 구성이라 하여 볼록렌즈-오목렌즈 2장을 겹쳐 바른 것이고, 아포크로매틱은 볼록-오목-볼록으로 3장을 겹쳐바른 것이다. 이렇게 설명하면 천문 덕후들이 분기탱천하겠지만 어쩔 수 없다, 설명이 너무 어렵다 그리고 이 겹쳐바른 부분이 딱 붙어있지 않고 미묘하게 공간이 있다. 바로 겹쳐 바르는 방식과 공간의 미묘함을 이용해서 색수차를 최대한 보정해주는 것이다. 카메라 DSLR 렌즈에서도 흔히 볼 수 있는 방식이다. 프리즘에서 빛이 분리되는 원리는 가시광선의 파장 차이에 따른 굴절률 차이인데, 중요한건 이게 렌즈에서도 일어난다는 것. 그리고 F수가 낮을수록 더 심하게 일어난다는 것이다. 그래서 색지움 렌즈 혹은 색막음 렌즈라는, 색수차를 줄인 렌즈를 쓰는데, 이 렌즈의 차이라고 보면 된다.
사전적 정의는 Achromatic 은 2가지 색의 초점을 일치시킨(2매 구성) 렌즈, Apochromatic은 3가지 색의 초점을 일치시킨(3매 구성) 렌즈이다.[10] 하지만 고급 렌즈 소재가 개발됨에 따라 조합만 잘 맞추면 2장 구성으로 어정쩡하게 구성한 3매 구성을 때려잡을 수 있게 되었고[11], 가공상 문제도 있기 때문에 란타넘을 섞은 고굴절 렌즈나 Abbe index가 높은 ED나 SD렌즈 같은 초저분산 렌즈나 플로라이트(형석) 렌즈를 사용한 2매 구성도 Apochromatic이라고 쓰기도 한다.
사진 촬영에는 이것이 유리한 이유가 많은데 우선 렌즈 2장만 되어도 광학면이 4개나 되기 때문에 광학 설계의 자유도가 대단히 높다. 따라서 고급 소재를 사용한 2매 렌즈는 색수차 구면수차를 중심상에서 완벽에 가깝게, 렌즈 3장만 되면 비점수차를 제외한 어지간한 비축수차까지 다 잡을 수 있다. 4장만 되면 상면만곡까지 완벽에 가깝게 잡아낼 수 있다. 여기서 한 장을 더 추가하면 초점거리까지 팍 줄일 수 있어 카메라 렌즈랑 포지션이 비슷해진다(...)[12]
빛이 반사하는 원리를 이용한 망원경. 따라서 렌즈가 아닌 거울을 이용한다. 반사 망원경이 발명된 이유는 굴절 망원경의 색수차 때문. 이 때 당시에는 아크로매틱 렌즈가 개발되지 않았었고 개발 된 이후에도 설계 최적화 기술이 너무나도 떨어져서 현대의 것에 비할 것이 못 되었다. 가공 기술이 부족했던 것은 덤이다. 따라서, 빛이 굴절해서 색수차가 나는 거라면 굴절시키지 않으면 되지 않냐? 해서 나온게 반사 망원경. 색수차는 거의 없다.[13] 굴절 망원경이 경통이 밀폐되어 있는 것에 비해 경통이 밀폐되어 있지 않다. 따라서 굴절 망원경에는 없는, 경통 내부의 대기의 대류 때문에 상이 굴절 망원경처럼 또렷하게 나오지는 않는다. 또한 부경에 의한 차폐와 반사경에서의 빛 흡수 때문에[14] 동일한 구경의 굴절 망원경보다 집광력이 떨어진다. 그리고 두 방식의 망원경 모두 부경이 주경보다 앞에 있는 것이 공통된 특징. 굴절 망원경에 비해 경통의 길이를 짧게 만들 수 있다.
3.3.1.2.1. 그레고리식 반사 망원경 (그레고리안)[편집]
< 망원경 내의 빛의 흐름. 출처 정보 >
두 개의 오목 거울을 써서 만든 반사 망원경. 1663년 스코틀랜드의 수학자/천문학자인 제임스 그레고리가 발명했다. 개념 자체는 뉴턴식보다 먼저 탄생했으나 실제 만들어진 것은 그보다 늦었다.[15] 똑바로 서 있는 상을 보여주기 때문에 지상을 관측하기 좋다. 카세그레인식에 대체되어 요즘 와서는 별로 쓰이지 않는 형식이긴 한데, 소형 관측용 망원경에 일부 이 형식이 쓰인다. 하지만 너무 커서 기준곡면을 제작하기 어려운 망원경은 이 방법을 쓴다. 대표적인 게 거대 마젤란 망원경(GMT)
3.3.1.2.2. 뉴턴식 반사 망원경(뉴토니안)[편집]
< 망원경 내의 빛의 흐름. 출처 정보 >
뉴턴식 망원경은 중간이 뚫려있지 않은 포물면경(주경)으로 받아들인 빛을 45˚기울어져 있는 평평한 부경(사경이라고도 한다.)이 다시 반사시킨다. 타 망원경과는 현격히 다른 부분을 꼽자면 다른 망원경은 시선의 방향이 관측대상을 향해 있지만, 뉴턴식 망원경은 시선의 방향이 망원경 옆부분이다. 빛의 이동경로상에 부경이 있어서 천체관측시에 가운데가 부경에 가린 상을 보일 것 같지만, 실제로는 부경이 관측할 때 보이지는 않는다. F값은 보통 6 정도이며, 사진촬영용의 경우 4인 망원경도 어렵지 않게 볼 수 있다. 대구경으로 만들기도 다른 망원경보다는 쉬워서, 보통 입문용으로 추천한다. 특히 가대가 돕소니안의 경우 거의 뉴턴식 반사망원경만 사용된다. 하지만 망원경이 아주 커지면 가대에 가해지는 부담이 커지기 때문에 카세그레인 혹은 그레고리안 등 관측 장비를 뒤에 달 수 있는 것만 사용된다. [16]
< 망원경 내의 빛의 흐름. 출처 정보 >
시외르 귀욤 카스그랭이 뉴턴식을 보완하기 위해 고안하였다. 카세그레인식 망원경은 중간이 뚫려있는 포물면경(주경)으로 받아들인 빛을 다시 중앙의 볼록한 쌍곡면경(부경)으로 반사시키는데 이때 반사된 빛이 주경의 뚫려있는 부분으로 통과한다. 타 망원경과 시선방향이 같다. 또한 바리에이션도 많은 편이다. 주경과 부경 모두 쌍곡면경을 쓰는 리치 크레티앙 방식이나 카세그레인식의 대표격인 돌 커크햄 식 등. 요즘에는 이것도 교정을 해서 나온다. F값은 8 이상으로 조금 긴 편이다.
위 방식들 모두 사진촬영이나 안시관측에 두루 쓰인다. 물론 사진촬영용은 값이 뻥튀기 된다. 뉴턴식 망원경의 경우 돕소니안이라는 가대 방식을 이용해 구경 10인치 정도의 망원경을 200만 원 안쪽으로 구입할 수도 있다. 카세그레인식의 경우 긴 F값을 살려서 행성을 관측하거나, 작고 밝은 대상을 관측할 때 쓰인다. 리치 크레티앙 방식의 경우는 사진촬영용으로 많이 쓰인다.
대표적인 바리에이션으로는 리치-크레티앙 식과 돌-커크햄 방식이 있다.
리치-크레티앙 방식은 주경 쌍곡면, 부경 쌍곡면(Conic수가 더 강력한)을 쓰며 주변부 코마수차가 매우 적다. 따라서 별상이 동그란 대신 강한 비점수차가 생기며 이에 맞춰 최적 초점면을 보정하면 상면만곡이 추가로 따라온다. 예를 들어 허블 우주 망원경 (2.4 미터) 이라든가 Keck 망원경 (10미터), Very Large Telescope (8.2 미터) 등 세계적인 대형 천체 망원경과 전문적인 천체 망원경은 거의 이 방식을 사용하고 있다.
돌-커크햄 식은 주경 타원면, 부경 구면을 사용하며 정밀하게 가공하기 쉽고, 작은 크기의 구면 부경 또한 만들기 그리 어렵지 않기 때문에 주로 행성 관측용으로 사용된다. 대표적인 시리즈는 다카하시 제작소의 뮤론이 있다. 광학계 특성상 주변부 코마수차가 강하게 발생하기도 하지만 특수 보정렌즈를 사용하면 완벽에 가깝게 수정된다. 이를 Corrected-Dall-kerkham, CDK라 부르며 SCT를 능가하는 수차 보정력을 보여주지만 주변에서 보기 아주 어렵다.
3.3.1.3.1. 쿠데식 반사 망원경[편집]
3차 반사경을 사용하여 비점수차를 잡은 방식. 반사망원경의 3대 광학 수차인 구면수차와 코마수차는 물론 비점수차, 상면만곡까지 없애 광학적으로 가장 완벽한 방식이다. 대표적으로 1970년대에 개발된 Korsch 방식이 있다. 광학계가 복잡해지지만 시야각이 매우 넓어 넓은 영역을 정밀하게 관측하는 용도으로는 최적의 방식. 대표적으로 KH-11 키홀 정찰위성, 제임스 웹 우주 망원경, 유럽 초거대 망원경 등 최신의 세계적 초대형 망원경에 점차 쓰이기 시작하고 있다.
반사망원경의 부경 지지부 또는 접안부쪽에 보정렌즈를 붙인 바리에이션이다. 굴절망원경의 단점인 색수차가 거의 없으면서도 반사망원경보다 안정적인 관측(슈미트식, 막스토브식 등 폐쇄형 구조)이 가능한 것이 특징이다. 또한 구경 대비 길이가 짧아 대구경 망원경도 들고다니기 편하다. 단점은 초점비가 굴절망원경 이상급으로 높아 천체 사진에 불리하며 주경 초점 조절식은 장시간 관측 시 주경이 처져 초점이 어긋나는 일이 발생한다. 카세그레인 계열의 복합광학계 망원경은 부경이 뉴턴식에 비해 2배 정도 커서 부경차폐율도 높은 편이다. 또한 상면 만곡이 심한 편이나 별도의 보정렌즈로 제거할 수 있다. 그에 반해 뉴턴식 복합광학계 망원경은 초점거리가 짧아 카세그레인식에 비해 천체사진에 조금 더 유리하다. 그러나 대부분 단종상태이며 제품간 성능의 편차가 크다.
3.3.1.4.1. 슈미트 카세그레인식[편집]
비교적 보급형으로 보는 기종에서 많이 볼 수 있는 바리에이션이다. 주경, 부경이 구면인 카세그레인식 망원경에, 슈미트 보정판을 더한 것. F값은 보통 8부터 10 정도로 나온다. Meade, Celestron 등의 제조사에서 자주 볼 수 있다.
이쪽은 카세그레인식에 막스토프 보정판을 더한 것이다. 슈미트 카세그레인 방식에 비해 보정판을 제작하기 쉬운 것이 장점. F값은 못해도 10에서 크게는 20까지도 나오고, 보통 12내지 15로 나온다. F값이 큰 만큼 고배율 내기가 좋아서 행성관측이나 비교적 소형으로 보이는 천체를 관측하는 데 쓰인다.
3.3.1.5.1. 슈미트 뉴토니안[편집]
주경 구면에 보정상수 -1인 보정판을 붙여 사용하는 망원경으로써 보정판 만들기도 어렵고 F수를 많이 줄이기도 어려워서[17] 사장된 형식이다. 대표적인 망원경으로 미드의 SN시리즈가 있었다. 아래 단락의 막스토프 뉴터니안 처럼 행성용 광학계로 만들어도 될 텐데라는 생각이 들지만 슈미트 보정판은 생산 공정상 아주 정밀한 제작이 어렵다. 게다가 유리가 평면 가까워서 미세한 반사상도 생긴다.
3.3.1.5.2. 막스토프 뉴토니안[편집]
막스토프 카세그레인식에서 사용되는 보정렌즈를 뉴토니안에 붙인 것. 대부분 부경의 크기 비율이 매우 작다.[18] 현재는 러시아의 Intes Micro, Explore scientific, Sky-watcher 에서 제조한다.
광학기술의 발전이 상당해짐에 따라 보정렌즈가 딱 어떤 식을 따른다고 보기 어려운 경우가 늘어나고 있다. 또한, 주경이나 부경의 곡면도 포물면경이나 쌍곡면경을 사용하는 것이 아닌 타원면경이나 구면경을 사용하는 경우도 있다. 이런 망원경은 어떤 식을 따른다고 표시하기보다는 각 회사의 고유한 명칭으로 불리는 편. Meade사의 ACF(Advanced Coma Free), 몇몇 회사들의 CDK(Corrected Dall Kirkham), Astrograph 등. 오목한 포물면경을 이용해서 부경의 가림을 없앤, 빛의 이동경로가 숫자 7을 돌려놓은 모양과 비슷한 망원경도 있다.[19] 이는 Herschelian이라 부르는 형식으로 광학적으로 코마수차를 필연적으로 가져서 F수가 큰 디자인 밖에 안 나온다. 게다가 거울이 하나뿐이라 보는 방향이 땅을 향한다.
대신 Schiefspiegler계열에 속하는 Yolo라 부르는 또다른 비축 광학계가 나오는데 이는 카세그레인식 망원경을 잘라놓은 것과 비슷한 모양이다. 여기서 웨지를 가진 약한 평볼록렌즈를 추가한 설계도 있다. 이 설계를 채용한 망원경 한대가 국내에 들어와 있다.[20] 초점거리가 길고 거울을 기울이는 점 때문에 크기가 크고 실용성이 떨어진다.
가끔 해외의 천문덕들은 야간투시경을 천체망원경에 장착하여 이용하는 경우도 있다. Night vision astronomy라는 곳에서 전용 시제품도 나와있다. 미세한 빛을 100-100,000배 가량 증폭시키는 야간투시경의 원리상 렌즈 또는 반사경의 집광력을 이용한다면 이론상 몇십 미터 크기의 망원경과 동일한 집광력을 얻는 것이 가능하다. 근적외선 범위까지 볼 수 있는 것 또한 경우에 따라선 이점이 될지도? 단점으로는 흑백 또는 녹색 단색으로 보인다는 점과 노이즈와 야간투시경의 성능에 따라 안시관측보다 해상도가 떨어질수도 있다는점, 분해능의 향상은 기대할 수 없다는 점이다. 사실 마지막 두 가지는 단점이라 하기도 애매한 게 어차피 어두운 천체는 맨눈으로 보면 식별조차 힘들기에 안시로는 해상도의 의미가 없고 분해능은 일정수치 이상이라면 지구의 대기 때문에 실성능의 향상을 기대할 수 없다.