천체망원경 400년의 역사 - 상
갈릴레이(Galileo Galilei) 가 자신이 직접만든 망원경을 이용하여 천체관측을 시작한지 400년이 넘었습니다.
갈릴레이가 최초로 망원경을 천체관측에 사용한 이래 천체망원경이 어떠한 발전을 해왔는지, 그리고 어떠한 역사적인 관측들이 이루어져 왔는지 간단히 정리해 보도록 하겠습니다.
갈릴레이의 최초의 천체만원경
갈릴레오 갈리레이는 1609년에 직접 제작한 망원경을 이용하여 달표면이 울퉁불퉁하고 크레이터들로 뒤덮여 있다는 것과 금성이 달과 마찬가지로 위상이 변화 한다는것, 그리고 목성에 위성이 존재한다는 사실을 발견했습니다.
그러나 이때 사용한 망원경은 그 구경이 1.5cm 에 불과 했습니다.
이보다도 구경이 훨씬 크고 훨씬 정교하게 만들어진 현대의 아마추어용 천체망원경이나 쌍안경을 사용 하더라도 주의 깊게 들여다보지 않으면 목성의 4대 위성을 쉽게 확인할수 없는데 훨씬 열악한 장비를 사용하고도 그토록 위대한 발견을 해냈다는 점이 놀랍습니다.
1612년에는 구경 2.6cm 의 좀더 향상된 성능의 망원경을 만들기도 했습니다.
아래그림은 갈릴레이의 초상화와 망원경들 입니다.
굴절망원경과 반사망원경
갈릴레이 이후 망원경에 의한 천체관측은 주로 렌즈를 이용한 굴절 망원경에 의해 이루어져 왔지만 렌즈에서 발생하는 수차(收差, aberration) 때문에 관측의 어려움이 있었습니다.
수차는 렌즈의 형상이 적절하지 못해 빛을 정확히 한 점에 모으지 못하는 구면수차와 빛의 파장에 따라 굴절률이 달라지면서 발생하는 색수차 두가지가 있습니다.
구면수차는 렌즈의 연마기술이 점차 정교해지면서 극복 할수 있었습니다.
색수차의 경우도 색수차의 발생을 억제하는 유리가 개발되어 어느정도 극복 될수 있었으나 현재까지도 색수차가 전혀 발생하지 않는 렌즈의 제조는 불가능합니다.
반면에 거울에서 반사되는 빛에선 색수차가 발생하지 않기 때문에 뉴턴(Sir Isaac Newton)은 렌즈대신 오목거울을 사용하여 천체망원경을 제작하는것이 적합하다고 생각하였으며 자신이 직접 이러한 반사식만원경을 제작하기도 했습니다.
위의 사진은 1668년 뉴턴이 직접만든 2인치 반사망원경의 모형입니다.
그러나 당시의 열악한 도금기술로 인해 청동으로 도금된 반사경의 표면은 반사율이 10%정도에 불과했으며 그나마도 수명이 짧아 금방 변색되곤 했습니다.
게다가 연마기술의 부족으로 반사경 역시 렌즈와 마찬가지로 구면수차를 발생키는 문제가 있었습니다.
이러한 반사경 제작기술의 한계로 인해 초기의 반사망원경은 별다른 활약을 하지 못했습니다.
그러나 반사경은 빛이 반사되는 면 만을 정밀하게 연마하면 되는 이점이 있는 반면 렌즈는 앞면과 뒷면을 모두 연마해야 하고 렌즈 내부도 이물질이나 기포등이 없이 매우 균일해야 하는등 반사경에 비해 여러가지로 불리한 점이 있습니다.
게다가 가장자리의 테두리 부분에서만 하중을 지탱하는 렌즈와는 달리 반사경은 테두리 부분 뿐만 아니라 반사경의 뒤쪽 천체로 하중을 분산시킬수 있기 때문에 렌즈보다 대형화에 훨씬 유리합니다.
이러한 이점들로 인해 현대의 천문대에 설치된 천체망원경들은 대부분 반사식 망원경이 사용되고 있습니다.
천체망원경, 새로운 행성을 발견하다
육안으로 볼수 있는 5개의 행성(수성,금성,화성,목성,토성)은 고대로 부터 관측되어 왔습니다.
이들 외에 또다른 행성이 존재한다는 사실을 처음 발견하게 된 것은 영국의 천문학자 윌리엄 허셜(Friedrich William Herschel)이 천왕성을 발견한 1781년이 되어서 입니다.
수천년간 5개의 행성들 만이 관측되어 온것에 비교 한다면 228년 전에 이루어진 천왕성의 발견은 상당히 최근의 사건이라 할수 있습니다.
아래는 자신의 반사망원경을 이용하여 천왕성을 발견하는 허셜과 그의 조수역할을 했던 여동생 캐롤라인의 그림 입니다.
한편 허셜은 1785년 영국의 슬라우에 당시로서는 혁신적이라 할수 있는 48인치 구경의 대형 천체망원경을 건설했는데 이 망원경은 그후로 50년간 세계에서 가장 큰 망원경이 되었습니다.
이 망원경은 초점거리가 40피트 라는 의미로 Great Forty-Foot telescope 라고 불립니다.
아래는 허셜의 40피트 망원경의 그림 입니다.
고대로부터 내려온 우주관의 붕괴 - 허블의 법칙의 발견
오래전부터 천문학자들은 우주는 무한이 거대하며 그 나이역시 무한하고, 앞으로도 무한히 먼 미래까지 현재와 같은 모습을 유지한다고 생각해 왔습니다.
그러나 이러한 가정은 심각한 모순을 가지고 있습니다.
우선 중력은 항상 인력으로만 작용한다는 점입니다.
우주공간에 흩어져 있는 천체들은 서로간에 인력이 작용하여 시간이 흐름에 따라 점차 접근 하다 결국 충돌을 하게될 것입니다. (태양계와 은하계의 구성원들은 비교적 안정된 궤도운동을 하고 있지만 은하들 사이에는 실제로 이러한 중력에 의한 접근과 충돌이 일어나는 것이 관측되고 있습니다)
이것이 무한히 오랜 시간동안 계속된다면 우주의 모든 천체들은 결국 하나의 거대한 블랙홀로 병합될 것입니다. (이러한 역설은 블랙홀이라는 개념이 등장하기 훨씬 이전인 뉴턴 시대부터 제기되어 왔던 것입니다)
만류인력의 법칙을 만들어낸 이후 이러한 역설을 직감하고 있던 뉴턴에게 영국의 성직자였던 벤틀리(Richard Bentley)가 편지를 보내 만류인력에 의한 우주의 본질적인 불안정성을 지적함으로서 그후 이 문제는 벤틀리의 역설로 불리게 됩니다.
또한가지 역설은 올베르스의 역설이라 불리우는 것으로 우주의 크기가 무한하다면 별들의 밀도가 유한하다 하더라도 밤하늘은 무한히 많은 별들로 가득차 있어야 한다는 것입니다.
그러나 실제로 우리가 보는 밤하늘은 별들보다는 어둠이 대부분을 차지하고 있습니다.
이러한 올베르스의 역설에 대한 해결책을 제시한 사람은 다소 엉뚱하게도 천체물리학자들이 아닌 미국의 시인이자 소설가인 에드가 앨런 포(Edgar Allan Poe) 였습니다.
그가 제시한 아이디어는 우주가 무한하다 하더라도 멀리 떨어져 있는 별들의 별빛이 아직 우리의 눈에 도달하지 않았기 때문에 우리는 우주의 유한한 일부분 밖에 볼수 없다는 것입니다.
상당히 재치있는 아이디어 이긴 하지만 여기에는 우주의 나이가 유한 해야 한다는 가정이 필요합니다.
만약 우주의 나이가 무한이라면 빛의 속도가 유한하다 하더라도 무한히 먼거리의 빛도 우리의 눈에 도달할 것입니다.
이처럼 무한한 나이와 무한한 크기를 가진 정적인 우주라는 기존의 우주관에 대한 여러가지 문제점들이 지적되고 있었음에도 불구하고 과학자들은 이러한 고전적인 우주관을 정설로 믿고 있었습니다.
20세기가 되어서도 말이죠.
그것은 아인슈타인(Albert Einstein) 역시 마찬가지였습니다.
그러나 그가 1916년 일반상대성 이론을 발표하자 사정이 달라졌습니다.
일반상대성 이론에 의하면 우주의 시공간은 자기 자신의 중력에 의해서 수축하려 하기 때문입니다.
아인슈타인은 이러한 문제점을 해결하기 위해 우주의 공간 자체가 척력을 갖는 '우주항'을 방정식에 추가 함으로서 물질들 사이의 중력에 대항하여 정적인 상태를 유지하는 우주모형을 만들었습니다.
그러나 이러한 모형도 벤틀리의 역설은 피할수 없습니다.
공간 자체가 척력을 발휘하여 우주 전체가 붕괴하는 것은 막을수 있다 하더라도 우주공간에 흩여져 있는 천체들은 서로간의 중력의 의해 접근하여 충돌과 병합을 계속 일으킴으로서 무한히 오랜 시간이 흐른뒤에는 우주공간에 블랙홀 외에 아무런 천체들도 남지 않게 될것이기 때문입니다.
이 문제는 결국 1929년 미국의 에드윈 허블(Edwin Hubble)이 멀리 떨어진 은하일수록 빠르게 멀어져 간다는 허블의 법칙을 발견함으로서 해결되었습니다.
우주는 정적인 상태가 아니며, 무한한 나이를 가지고 있지도 않았던 것입니다.
허블의 법칙은 우주가 팽창을 하고 있다는 것을 의미하며 따라서 우주의 과거를 거슬러 올라가면 우주의 모든 물질들이 하나의 점에서 출발했다는 것을 추정할수 있습니다.
이러한 우주의 시작이 이루어졌을 당시에는 우주의 팽창속도가 지금과 같이 중력에 의한 감속이 이루어지기 전이었으므로 팽창이 시작된 순간은 마치 거대한 폭발과도 같은 사건이었을 것입니다.
이것이 현대 우주론의 기초라 할수 있는 빅뱅이론의 시작이었습니다.
허블의 법칙이 발견된 이후 아인슈타인은 정적인 우주모형을 위해 일반상대성이론의 방정식에 우주항을 추가한것이 실수임을 인정하게 됩니다.
아래는 허블이 멀리 떨어진 은하일수록 빠르게 멀어져간다는 사실을 발견할때 사용했던 윌슨산 천문대의 Hooker 100인치 망원경 입니다.