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- 약 400년 전, 갈릴레오는 최초의 굴절 망원경으로 달과 은하수를 관측, 목성의 네 개의 큰 위성 발견. 1990년 4월 발사된 허블 우주 망원경은 우주에 대한 우리의 이해 크게 발전시켜
- 2021년 12월 24일 발사,150만km 떨어진 라그랑주 포인트 2까지 긴 여정을 떠난 제임스웹 우주 망원경은 이미 모든 기대를 뛰어넘었다.
- 가장 최근에 추가된 것은 칠레의 베라 C. 루빈 천문대, 남반구 하늘 관측

망원경: 우주에 초점을 맞추다
허블, 웹, 유클리드, 그리고 다른 망원경들이 그토록 강력한 이유는 무엇일까?

허블, 제임스 웹, 그리고 새로운 루빈 천문대와 같은 망원경에서 촬영된 이미지는 우주에 대한 우리의 시각을 형성한다. 이러한 망원경의 이미지와 데이터는 천문학자들에게 우주의 과정과 현상에 대한 독특한 통찰력을 제공한다. 그렇다면 이러한 망원경의 품질은 무엇이 결정할까? 각 망원경의 차이점은 무엇일까? 그리고 각각의 강점은 무엇일까?

천문학자들은 지상 관측소와 우주 망원경을 모두 사용하여 하늘을 관측하고 우주 현상을 탐구한다. 그러나 모든 망원경이 모든 연구 과제에 적합한 것은 아니다. 허블과 제임스웹 망원경의 광학 기술은 가장 먼 천체까지도 고해상도로 촬영할 수 있다. 유클리드 우주 망원경이나 칠레의 새로운 루빈 천문대와 같은 다른 망원경들은 넓은 시야와 빠른 속도로 더 높은 점수를 받을 가능성이 높다. 이 네 가지 주요 망원경의 차이점을 알아본다. 

▲ 천문학자들은 다양한 망원경으로 우주를 탐험한다. 각각의 망원경은 어떤 강점을 가지고 있으며, 어떤 차이점이 있을까? © NASA/ESA; NASA; ESA; ESO; RubinObs/NOIRLab/SLAC/NSF/DOE/AURA/P. Horálek (Institute of Physics in Opava)

망원경의 어제와 오늘 ; 현대 망원경과 이전 것의 차이점

망원경은 수 세기 동안 천문학에서 가장 중요한 도구였다. 약 400년 전, 갈릴레오 갈릴레이는 최초의 굴절 망원경 중 하나를 사용하여 달과 은하수를 관측하고 목성의 네 개의 큰 위성을 발견했다. 수십 년 후, 영국의 박식가 에드먼드 핼리는 망원경을 사용해 남반구 하늘의 최초의 별 목록을 편찬하고 핼리 혜성의 본질을 발견했다.

행성 사냥꾼, 별 지도 제작자, 그리고 천체 사진의 아이콘

오늘날에도 우리는 천문대와 그 강력한 카메라 덕분에 우주 환경에 대한 독특하고 놀라운 통찰력을 얻을 수 있었다. 케플러와 TESS와 같은 우주 망원경은 수천 개의 외계 행성을 발견했다. 유럽의 위성 가이아는 우리 은하에 있는 수십억 개의 별과 다른 천체들의 지도를 작성하고 우리 은하의 구조와 역사에 대한 흥미로운 정보를 제공했다.

허블 우주 망원경이 촬영한 많은 이미지는 참으로 상징적이다. 1990년 4월 발사된 이후, 허블 우주 망원경은 다른 어떤 천문 기구보다도 우주에 대한 우리의 이해를 크게 발전시켜 왔다. 독수리 성운의 "창조의 기둥"과 같은 별의 요람, 멀리 떨어진 은하, 빛나는 초신성 잔해, 그리고 태양계의 행성들의 이미지는 천문학에 관심이 없는 사람들에게도 세계적으로 유명하다.

▲ 독수리 성운(M16)의 "창조의 기둥"과 같은 허블 이미지는 오랫동안 천문학의 상징이 됐다. © NASA/ESA, STScI, J. Hester, P. Scowen (애리조나 주립대학교)

우주의 기원과 구조 추적

최근 몇 년 동안 우주와 지구 모두에 새롭고 강력한 망원경들이 추가됐다. 2021년 12월 24일 발사되어 150만 킬로미터 떨어진 라그랑주 포인트 2까지 긴 여정을 떠난 제임스웹 우주 망원경은 이미 모든 기대를 뛰어넘었다. 그 이후로 망원경의 카메라와 분광기는 우리에게 익숙한 우주 천체들을 완전히 새로운 시각으로 보여줄 뿐만 아니라, 그 어느 때보다 더 먼 우주의 역사를 들여다볼 수 있게 해주었다. 초기 은하와 활동 블랙홀의 근적외선 이미지는 우주의 기원에 대한 새로운 통찰력을 제공할 뿐만 아니라 새로운 의문을 제기한다.

▲ 제임스 웹 우주 망원경은 모든 기대를 뛰어넘었다. © NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez / CC BY 2.0

또 다른 새로운 관측 장비는 2023년 7월 1일 우주로 발사된 유럽 유클리드 우주 망원경이다. 1.2m 크기의 이 망원경과 두 개의 과학 장비는 향후 10년 동안 수십억 개의 은하 분포를 지도화할 것으로 예상된다. 이를 통해 천문학자들은 우주의 팽창 속도와 질량 분포를 측정하고 지난 100억 년 동안의 진화 과정을 재구성할 수 있을 것이다.

기록적인 카메라와 보이지 않는 파동

천문학의 "우주를 향한 눈"에 가장 최근에 추가된 것은 칠레의 베라 C. 루빈 천문대로, 2025년 6월 중순에 첫 번째 이미지를 전송했다. 이 망원경의 핵심에는 세계 최대의 디지털 카메라가 장착되어 있으며, 한 번에 3조 2천억 화소를 촬영할 수 있다. 8.40m 거울과 함께, 이 망원경은 넓은 하늘 영역을 빠르고 고해상도로 관측할 수 있게 해준다. 향후 10년 동안 루빈 천문대는 단명하는 현상들을 포착하는 것을 포함해 그 어느 때보다 더 포괄적으로 남반구 하늘을 관측할 것이다.

가시광선 및 적외선 영역의 이러한 망원경 외에도, 오늘날 천문학자들은 매우 강력한 감마선부터 장파장 전파에 이르기까지 우리가 볼 수 없는 파장의 복사를 포착하는 망원경과 안테나도 사용합니다. 이러한 망원경과 안테나는 먼지에 가려지거나 가시광선을 방출하지 않아 광학 망원경으로는 볼 수 없는 현상과 사건들을 관측할 수 있습니다.

▲ 루빈 천문대의 핵심은 32억 화소 카메라를 탑재한 시모니 망원경이다. 여기에서 이미지 센서는 백색광 고리를 사용하여 보정다. © RubinObs/NOIRLab/SLAC/DOE/NSF/AURA/W. O’Mullane

핵심은 첨단 기술

천문 기기의 설계 목적과 관계없이, 오늘날 망원경은 갈릴레오 시대처럼 렌즈와 거울로 이루어진 단순한 구조물이 아니라 컴퓨터로 제어되는 첨단 기술의 경이로움을 자랑한다. 강력한 컴퓨터와 센서는 망원경이 정확한 표적을 조준하고 최적의 선명도와 정밀도로 포착하도록 보장한다. 특수 코팅 처리된 이동식 거울은 아주 작은 빛줄기까지도 포착한다. 고해상도 CCD 칩은 포착된 빛을 선명하고 다채로운 이미지로 변환하고, 분광기는 멀리 떨어진 별과 은하에서 오는 복사선을 구성 요소로 분해한다.

이러한 기술 발전 덕분에 다양한 망원경을 각각의 목적에 맞게 완벽하게 조정할 수 있다. 그렇다면 천문학의 "슈퍼 아이(Super eye)"라고 불리는 이 망원경들을 서로 구분하는 것은 무엇일까? 각각의 특징은? 그리고 망원경의 성능은 무엇으로 정의될까? (계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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