망원경의 구경 - 집광력과 분해능

망원경의 구경은 두 가지 측면에서 장점을 줍니다.
첫째, 집광력. 구경이 클수록 더 많은 빛을 모을 수 있다.
둘째, 분해능. 구경이 클수록 상을 더 뚜렷하게 볼 수 있다.


1. 집광력

천문학자들은 천체로부터 오는 빛을 연구하여 그 천체를 이해하는 연구 방법을 사용합니다. 파장에 따른 빛의 세기를 통해서 천체에 관한 아주 많은 물리량을 연구할 수 있습니다.

그런데 불행히도 천체는 매우 멀리 있어서 그 천체로부터 오는 빛의 양이 매우 적습니다. 빛의 양이 적으면 측정하는 데 있어서 오차가 커질 뿐 아니라 아예 아무런 정보도 알아내지 못하는 경우가 많습니다.

천체에 가까이 갈 수 있다면 좋겠지만 현실적으로 그것이 어려우므로, 천문학자들은 가능하면 빛을 많이 모으길 원합니다.

빛을 많이 모으기 위해서는 더 큰 구경의 망원경이 필요합니다. 구경이란 망원경의 지름을 뜻합니다. 예를 들어 떨어지는 빗방울을 더 많이 모으고 싶다면 주둥이가 더 넓은 양동이를 사용해야 하는 것과 마찬가지 이치입니다.

이렇게 빛을 더 많이 모아서 볼 수 있다면 그 천체에 대해서 더 많은 것을 더 정확하게 알 수 있습니다. 또한, 보다 멀리 있어서 보다 어두운 천체들도 더 밝게 보이기 시작합니다. 더 많은 빛을 모을 수 있다는 이유 때문이지요.

그래서 천문학자들은 가능하면 더 많은 양의 빛을 모을 수 있도록 더 큰 망원경을 만들기를 원합니다.

하지만 망원경이 계속 커진다고 해서 무작정 좋은 것은 아닙니다. 빛을 많이 모은다고 하더라도 지구 대기의 굴절 효과가 수시로 변화하는 현상 때문에 천체로부터 더 정확한 정보를 얻어내는 것이 쉽지 않기 때문입니다. 또한 망원경이 거대해질수록 자체의 무게 때문에 변형이 일어나는 좋지 않은 결과도 생깁니다.

천체 망원경에는 렌즈가 아닌 거울을 사용하는 경우가 많습니다. 렌즈는 크게 만들기 어렵고 비싼데다 빛이 렌즈를 통과하는 동안 상당량의 빛이 손실되기 때문입니다. 그래서 천문학자들은 반사 망원경을 더 좋아합니다. 렌즈를 사용하는 굴절망원경과는 달리 반사 망원경은 거울의 반사를 이용함으로써 빛의 흡수를 크게 줄일 수 있기 때문이죠.

흔히 사용되는 반사 망원경은 대개 거울을 두 개 가지고 있습니다. 일차적으로 천체의 빛을 모으는 거울을 주경, 주경과 사람의 눈(또는 검출기) 사이에서 빛의 경로를 바꾸어주거나 초점이 맺히는 위치를 바꾸어주는 거울을 부경이라고 합니다.

망원경이 빛을 모으는 능력은 주경의 크기(지름)에 의해 결정됩니다. 구경 10 m의 망원경이라는 것은 주경의 지름이 10 m라는 것을 의미합니다.  


2. 분해능 (Resolving power)

분해능(Resolving power)은 "두 물체를 분해해서 볼 수 있는 광학 장비의 능력"을 말합니다. 천문학에서는, 좀 더 세밀하게, "어떤 광학 장비가 동일한 밝기의 두 별을 구분하여 보는데 필요한 최소한의 각"으로 정의되기도 합니다. 이것을 각해상도(angular resolution)로 정의하는 것이 좀 더 일반적입니다만, 천문학에서는 그것을 그대로 분해능으로 사용하는 관습이 있습니다.

* 참고 : 분야에 따라서 해상도와 분해능의 개념이 통일되어 있지 않으며 경우에 따라서는 상반된 의미를 나타내기도 하는 등의 문제가 있습니다. 예를 들어, 모니터와 같은 디스플레이의 해상도는 픽셀의 개수로 표현하기도 합니다. 분해능과 해상도는 다분히 관습적인 차원에서 접근할 필요가 있습니다.

두 물체가 서로 매우 가까이 붙어 있거나, 관측자로부터 매우 멀리 위치하면, 두 물체는 한 물체처럼 인식되기 십상입니다. 하지만, 두 물체가 서로에게서 같은 각거리만큼 떨어져 있다고 하더라도, 구경이 충분히 큰 망원경으로 보면 이러한 물체들도 별도의 두 물체로 구분하여 인식할 수 있습니다. 분해능이 우수한 망원경은 상의 전체 영역을 더 잘 분해해주기 때문에 상을 더 뚜렷하게 해줍니다. 분해능이 0.01도인 천체망원경을 예로 들어보겠습니다. 이 망원경은 0.01도보다 더 멀리 떨어져 있는 두 물체는 구분하여 인식할 수 있게 해주지만, 0.01도보더 더 가까이 붙어 있는 두 물체의 경우, 두 물체로 구분하여 주지 못합니다. 다시 말해, 분해능이 작은 망원경으로 보아야 상을 더 뚜렷하게 볼 수 있으며, 이런 망원경을 두고 분해능이 좋은 망원경이라고도 합니다.

망원경의 분해능은 구경에 반비례하고, 관측하는 빛의 파장에 비례합니다. 다시 말해, 구경이 클수록 분해능이 좋으며, 전파보다 빛과 같이 짧은 파장의 빛으로 볼 때 분해능이 더 좋습니다.

** 주의 : 하지만, 망원경의 구경이 어느 정도 이상 되면, 그 때부턴 망원경의 분해능보다는 대기의 상태가 더 중요해집니다. 사실, 대기도 렌즈처럼 빛을 굴절시킵니다. 그런데, 대기는 균질하게 구성되어 있지 않으며 매 순간 물리적 특성이 달라집니다. 그 때문에 대기의 굴절률은 시도 때도 없이 다양하게 변화하고, 그 때문에 상이 문드러져서 보입니다. 이러한 대기의 상태를 시상(seeing)이라고 합니다. 시상이 좋은 날에 상을 더 뚜렷하게 볼 수 있습니다.

* 눈의 분해능. 눈의 분해능은 1각분(1각분=1도를 60으로 나눈 것) 가량입니다. 금성의 각지름은 지구와의 거리에 따라 60.2-68각초(1각초=1각분을 60으로 나눈 것) 가량으로서 대략 사람 눈의 분해능 한계와 비슷합니다. 대기의 시상이 극도로 좋은 날, 매우 좋은 시각을 가진 사람은, 초승달 모양의 금성을 실제로 관측할 수 있는 것으로 알려져 있습니다.


푸른행성의 과학, http://www.skyobserver.net