천체 망원경이 어떻게 빛을 모으며 빛의 경로는 어떠한지를 살펴보겠습니다. 매우 먼 거리에 있는 점광원으로부터 입사하는 빛을 생각해보겠습니다. 별이라고 생각하면 됩니다. 별이 보내오는 빛은 우주 공간을 꽉 채우며 진행하지만 편의상 몇개의 대표 광선으로 표현하겠습니다.

볼록렌즈는 아래의 그림처럼 별이 보내는 빛을 모아 상을 맺습니다. 별이 매우 멀리 있기 때문에 별로부터 입사하는 빛은 서로 나란합니다. 이렇게 나란하게 입사하는 빛이 상을 맺는 위치에서 렌즈까지의 거리를 초점거리(focal length)라고 합니다. 가까운 곳에 있는 물체로부터 입사하는 빛은 퍼지면서 렌즈로 입사하는데, 이런 경우에는 초점거리보다 더 먼 곳에 상을 맺습니다.

별 A와 B 그리고 C는 하늘에서의 위치가 다르며, 위치에 따라 망원경의 광축과 나란하게(A) 또는 비스듬하게(B와 C) 입사합니다. 한편, 오목렌즈는 빛을 퍼뜨리기 때문에 이렇게 나란하게 입사하는 빛의 경우 상을 맺지 못합니다. 초점을 맺는 데 사용하는 대물렌즈로는 볼록렌즈 또는 오목거울을 사용하며, 오목렌즈나 볼록거울은 사용할 수 없습니다.

별 A와 B 그리고 C에서 오는 빛을 한번에 표시하겠습니다. 하늘에서 위치가 다른 세 별은 그림처럼 시야의 서로 다른 위치에 상을 맺습니다. 천체망원경을 이용하여 목성처럼 매우 멀리 있으면서도 크기를 갖는 천체를 관찰하는 경우에도 이와 같은 방식으로 빛모으기를 이해할 수 있습니다. 서로 다른 방향에 보이는 세별이 목성의 서로 다른 부분이라고 생각하면 이해하기 쉽습니다. 목성의 서로 다른 위치에서 출발한 빛은 시야의 서로 다른 위치에 각각 점상을 맺으며, 이것들이 한꺼번에 인식되어 크기를 갖는 상으로 인지되는 것입니다.

오목렌즈는 대물렌즈로 사용할 수는 없지만, 접안렌즈로는 사용할 수 있습니다. 갈릴레오가 천체 관측에 활용한 망원경이 바로 이런 망원경입니다(갈릴레오식 망원경). 주의할 것은 접안렌즈를 대물렌즈의 초점거리 안쪽에 설치한다는 점입니다. 아래의 그림에서는 대물렌즈가 미처 초점을 맺기 전에 접안렌즈가 빛을 가로채어 퍼뜨려서 평행광을 만들고 있습니다.

볼록렌즈를 사용하는 경우에 비해, 오목렌즈를 접안렌즈로 사용하는 경우에는 시야가 좁아집니다. 이것 역시 다음 그림에서 이해할 수 있습니다. 푸르고, 노랗고, 붉은 색으로 표시된 빛이 각각 물체의 위쪽과 가운데, 그리고 아래쪽에서 출발한 빛이라고 하겠습니다. (선의 색은 실제 빛의 색을 나타낸 것이 아니라는 점에 주의) 접안렌즈로 사용된 오목렌즈는 빛을 퍼뜨리기 때문에 붉은 색과 푸른 색으로 표시된 빛은 수정체로 입사하지 않고 퍼져 나갑니다. 이런 경우에는 물체의 위쪽과 아래쪽에서 출발한 빛을 관찰할 수 없고, 오직 가운데에서 출발한 빛을 볼 수 있습니다. 다시 말해서, 물체의 가운데 부분만 관찰 가능한 것입니다. 반면, 접안렌즈로 볼록렌즈를 사용한 경우에는 물체의 위쪽과 아래쪽에서 출발한 빛도 수정체로 입사하여 관찰이 가능합니다. 이처럼 볼록렌즈를 접안렌즈로 사용한 망원경을 케플러식 망원경이라고 합니다. 갈릴레오식 망원경은 케플러식 망원경에 비해 시야가 좁습니다.

케플러식 천체 망원경이 모은 빛을 사람의 눈이 어떻게 받아들이며 대뇌는 그것을 어떻게 인식하는지 알아보겠습니다. 아래 그림에서 접안렌즈를 빠져나온 빛이 수정체에 입사하고 있습니다. 입사한 빛은 수정체에 의해 망막에 상을 맺습니다. 이 경우 망막에 맺혀진 상은 실제 하늘의 좌표와 일치합니다. 하지만, 망막에 맺혀진 상은 시신경 교차에 의해 점대칭되어 대뇌로 전달됩니다. 이 때문에 사람이 인지하는 시야는 상하좌우가 뒤집힙니다.

조영우

demishrain@gmail.com

어스블로그 | 푸른행성의 과학 | Youngwoo Cho Photography