우주를 향해 크게, 더 크게! 거대망원경

  • 확대
  • 축소
올해는 세계에서 가장 유명한 망원경인 ‘허블우주망원경’이 우주로 발사된 지 25주년이 되는 해라고 하더군. 세계 최초로 지구 밖의 천체를 본 나, 갈릴레오 갈릴레이가 이런 자리에 빠질 수 없지~. 400년의 시간을 넘어 부랴부랴 달려 왔는데…. 헉! 저건 뭐지? 너무나 커다란 건물에서 너무나 커다란 구멍이 하늘을 향해 입을 쩍 벌리고 있잖아? 뭐? 저게 망원경이라고? 요즘에는 저런 건물로 우주를 본단 말이야? 말도 안 돼!

망원경은 400년 동안 이렇게 성장했다!

400년 동안 대체 무슨 일이 있었기에 망원경이 피사의 사탑보다 커진 거지? 400년 전 내가 쓰던 망원경도 당시에는 엄청 무겁고 컸는데 말이야. 아무래도 안 되겠어! 망원경의 역사를 추적해 봐야지!

 
거대망원경 비법➊ 큰 반사경
빛을 최대한 많이 모아라!

오호라~! 빛은 모으고(집광력), 물체는 더 잘 분간하기 위해(분해능) 망원경을 크게 만드는 기술이 발전한 거네! 세상 정말 많이 좋아졌어~.
그럼 내가 앞에서 본 그 초거대 망원경의 ‘창’은 대체 얼마나 큰 걸까? 10m? 20m? 뭐? 39m라고?!

‘벌집 거울’로 가장 많은 빛을 모은다! E-ELT


굴절망원경과 반사망원경은 둘 다 가시광선을 보는 ‘광학망원경’이에요. 그런데 굴절망원경은 사용하는 렌즈가 두껍고 무겁기 때문에 크기를 계속 키우는 데 한계가 있어요. 렌즈가 너무 커지면, 빛의 초점이 퍼지는 현상 때문에 상이 흐릿해지는 단점도 생기지요. 그래서 현재 가장 큰 굴절망원경의 대물렌즈는 직경이 1m에 불과해요.

반면 반사망원경은 여러 장의 작은 거울을 이어 붙여서 큰 거울처럼 쓸 수 있어요. 또 부경을 여러 장 이용하면 몸체도 짧게 만들 수 있지요. 이 때문에 지금 사용하고 있거나 앞으로 건설 예정인 거대망원경은 모두 반사망원경이랍니다.

ESO(유럽남방천문대)가 주도해서 만들고 있는 E-ELT(European Extremely Large Telescope)는 현재까지 계획된 망원경 가운데 가장 큰 39m급 반사망원경이에요. 지름 39m짜리 거울 한 장을 쓴 것만큼 집광력과 분해능이 높다는 이야기지요. 그 비결은 ‘벌집 구조’예요. 1.45m짜리 육각형 거울 798장을 마치 벌집처럼 촘촘히 이어 붙여 한 장의 거울처럼 만들었거든요.

왜 한 장을 크게 만들지 않고 여러 장을 이어 붙였을까요? 답은 단순해요. ‘그만큼 크게 만들 수 없기 때문’이지요. 거대망원경에는 빛을 최대한 잘 모을 수 있도록 오목한 곡면의 각도를 정밀하게 계산한 거울을 사용해요. 이때 우리가 상상하지 못할 정도로 작은 오차가 망원경의 성능을 떨어뜨릴 수 있어요. 곡면의 각도가 잘못되면 빛이 반사되는 각도도 달라지기 때문에, 빛이 제대로 모이지 못하고 상이 흐릿해지거든요.

그런데 거울이 너무 두꺼우면 유리가 ‘열팽창’을 일으키기 쉬워요. 작은 온도차에도 유리가 부풀었다가 수축했다가를 반복하게 돼요. 그러다 보면 곡면이 뒤틀려서 반사되는 빛이 엉뚱한 방향으로 퍼지기 쉬워요. 그래서 수cm 두께로 얇게 만들지요. 하지만 이렇게 얇은 유리를 너무 크게 만들면 자신의 무게를 이기지 못해 휘어질 수 있어요. 형태와 곡면 각도를 모두 유지하면서 만들 수 있는 주경의 최대 크기는 지름 8~9m랍니다. 그래서 E-ELT는 한 장의 큰 거울 대신 작은 벌집 모양의 거울을 이어붙이는 방식을 택한 거예요.

E-ELT는 칠레에서 건설을 시작해, 2024년부터 본격적으로 가동할 예정이에요. 허블우주망원경보다 15배나 선명한 사진을 통해 130억 광년 너머의 초기 우주와 외계행성을 세밀하게 살펴볼 수 있을 것으로 기대하고 있지요.
 
우리나라의 최대 망원경은?

우리나라에 있는 가장 큰 망원경은 보현산 천문대의 주경 1.8m 크기의 반사망원경이다. 우리나라에는 이보다 큰 망원경을 세우기 어렵다. 날씨 변화가 잦아 관측할 수 있는 날이 적고, 관측을 방해하는 도심불빛이 어디서나 보이기 때문이다. 대신 GMT 같은 거대망원경 건설에 참여해 천체 관측 자료를 확보하고 있다.

우리는 환상의 짝궁! LSST와 GMT

2015년 초, 칠레의 ‘체로 파촌’ 천체관측단지에서 건설이 시작된 또 다른 거대망원경이 있어요. 작지만 강한 LSST(Large Synoptic Survey Telescope)지요. LSST의 목표는 밤하늘을 넓게 훑어보며 우주의 암흑물질을 찾고 기원을 밝히는 거예요. 칠레가 위치한 남반구 전체 하늘을 사흘 만에 촬영할 수 있는 성능을 자랑한답니다.

LSST는 8.4m 직경의 주경 1개만 사용해요. 그래서 E-ELT나 TMT보다 볼 수 있는 어두운 천체의 수는 적어요. 하지만 두 개의 거울을 합쳐 파스타 접시처럼 만든 주경을 이용해 가장 넓은 하늘을 볼 수 있어요. 또 세계에서 가장 큰 3.2기가픽셀짜리 초대형 디지털카메라를 이용해 밤하늘 사진을 크고 정밀하게 찍을 수 있지요. 비유하자면 E-ELT는 좁고 깊게 보는 접사 사진, LSST는 넓고 얕게 보는 파노라마 사진을 찍는다고할 수 있어요.

LSST는 제공하는 데이터의 양도 거대해요. 하룻밤에 카메라에 담기는 데이터의 분량은 무려 15TB(테라바이트)! 다시 말해 천체사진으로 꽉 찬 1TB짜리 하드디스크 15개가 매일 밤 쏟아져 나오는 거예요. 게다가 이 데이터는 찍는 즉시 전세계에 무료로 공개될 예정이에요. 집에 가만히 앉아서도 우주 지도를 볼 수 있는 거지요. LSST의 촬영 기록은 다른 거대망원경이 흥미로운 관측 지점을 찾고 별을 분석하는 데 큰 도움이 될 거예요.

칠레에는 LSST와 손발을 맞출 GMT(Giant Magellan Telescope)도 건설될 예정이에요. GMT의 주경은 8m 크기의 둥그런 거울 7장을 마치 꽃잎처럼 모아 24.5m짜리 큰 거울 한 장과 같은 성능을 내지요.

GMT 역시 반사경을 만드는 데 가장 많은 노력과 시간이 들어가요. 중앙에 있는 거울은 곡면이 거울 중심을 기준으로 대칭을 이루지만, 바깥쪽에 있는 거울 6장은 각각 비대칭 구조로 깎아야 하거든요. GMT의 반사경을 모두 만드는 데는 적어도 10년 이상이 걸릴 것으로 예상하고 있어요. 2021년부터 가동될 GMT는 LSST가 찍은 넓은 하늘에서 흥미로운 천체를 찾아내 더 깊고 선명하게 보여 줄 거예요.

GMT는 우리나라의 한국천문연구원이 제작에 참여하고 있어요. 이 덕분에 완공된 뒤에는 우리나라도 1년에 한 달 정도 사용할 수 있지요. 그래서 외부은하나 우주의 기원을 연구하는 우리나라 연구팀들의 기대가 크답니다.
 
거대망원경 비법➋ 합성망원경
작은 망원경들의 힘을 합쳐라!

얼른 거대망원경으로 하늘을 보고 싶지만 아직 공사 중이라니…. 살짝 아쉽네. 어? 저기 하늘을 향해 입을 쩍 벌린 저 안테나는 분명 전파망원경이렷다! 그런데 대체 똑같은 게 몇 개나 있는 거야? 하나, 둘, 셋…, 예순 여섯?!

우리는 하나! 전파망원경의 모임 ‘합성망원경’


전파망원경은 우주에서 날아오는 ‘전파’를 관측하는 망원경이에요. 전파는 적외선보다 파장이 긴 빛을 말해요. 반사경 크기를 늘리는 데 한계가 있는 광학망원경과 달리, 전파망원경은 얼마든지 안테나(접시) 크기를 늘릴 수 있지요. 하지만 전파 방해가 적으면서 큰 안테나를 설치할 수 있는 넓고 오목한 장소를 찾기가 어려워요.

그래서 요즘에는 전파망원경 여러 대를 넓은 지역에 설치해 또 다른 거대망원경을 만들고 있어요. 이런 망원경의 모임을 ‘합성망원경’이라고 불러요. 합성망원경을 이루는 전파망원경들은 한 지점을 집중적으로 관측하지요. 각 망원경이 받은 전파를 모두 합쳐 가장 선명한 영상을 얻는답니다.

합성망원경은 전파망원경을 설치한 지역 전체가 하나의 망원경과 같은 역할을 해요. 다만 망원경이 있는 곳만 빛을 모으기 때문에, 그 크기만 한 망원경의 분해능은 발휘해도 집광력은 매우 떨어져요. 비유하자면, 크고 불투명한 망원경 렌즈의 표면에 빛이 들어오는 깨끗한 창이 점점이 박혀 있는 것과 같아요. 그래서 과학자들은 전파망원경의 수를 늘려 집광력을 높이거나, 최대한 간격을 넓혀서 분해능을 높인답니다.

합성망원경의 원조 ALMA

ALMA(Atacama Large Millimeter/sub-millimeter Array)는 칠레의 아타카마 사막에 늘어선 전파망원경 66대의 집합이에요. 2013년부터 가동을 시작했지요. 우주에서 날아오는 여러 전파 중 파장이 밀리미터(mm)인 전파를 탐지한답니다. 지름 7m와 12m짜리 망원경을 촘촘하게 배열한 형태로, 좁은 영역 안에서 많은 양의 빛을 받을 수 있지요. ALMA는 초기우주에서 은하가 태어나는 모습을 찾고, 우리 은하도 자세히 관측하고 있어요.
 
나라를 뛰어넘은 LOFAR와 종합선물세트 SKA

합성망원경의 구경을 늘리려면 국경을 뛰어 넘어 지구 곳곳을 연결해야 해요. 2010년부터 가동을 시작한 LOFAR(LOw-Frequency ARray, 로파)가 대표적인 예지요. LOFAR는 네덜란드, 영국, 프랑스, 독일, 스웨덴의 유럽 5개국이 힘을 합쳐 만든 거대망원경으로, 2m 이하인 작은 안테나 2만 5000여 대가 곳곳에 퍼져 있어요. 전 지역을 연결한 원의 지름은 무려 1000km에 달한답니다. LOFAR는 파장이 미터(m) 단위인 긴 전파를 집중적으로 잡아내요.

센티미터(cm) 길이의 파장은 남아프리카와 오스트레일리아에서 2024년부터 관측을 시작할 SKA(Square Kilometre Array)가 책임질 거예요. SKA에는 3000대의 전파망원경이 쓰이는데, 이 망원경의 안테나를 모두 합친 크기가 무려 1km2에 달한답니다. 또 세 종류의 안테나를 골고루 이용해 저주파, 중주파, 고주파수 전파를 모두 받는 것이 특징이지요.

거대망원경 비법➌ 우주망원경
대기의 한계를 돌파하라!

망원경을 이렇게 크게 만들 수 있다니, 역시 내 후손들의 기술은 굉장해! 그렇다면 그 유명한 허블우주망원경은 대체 얼마나 큰 걸까? 뭐? 겨우 2.4m? 지상의 거대망원경에 비해 너무 작은 거 아냐?

우주의 ‘돛단배’, 제임스 웹(JWST)


허블우주망원경은 지상이라면 소형에 속할 2.4m짜리 주경과, 겨우 13m에 불과한 자그마한 몸체를 갖고 있어요. 하지만 우주 나이를 알아내고, 130억 광년이나 떨어진 초기 우주를 관측했어요. 지상에 있는 10m급 망원경인 켁과 비슷한 성과예요. 작은 주경으로도 많은 성과를 낸 건 허블이 우주에 있기 때문에 가능한 일이에요.

지상망원경에 들어오는 빛은 대기를 거치면서 꺾이고 흩어져요. 그래서 천체에서 출발한 빛이 그대로 주경까지 도달하지 못하고, 망원경은 자신의 분해능을 100% 발휘하지 못하지요. 반면 우주망원경은 대기의 영향을 전혀 받지 않기 때문에 구경이 작아도 지상보다 선명하게 천체를 볼 수 있어요. 또 대기에 흡수돼 지구에 도달하지 못하는 적외선이나 자외선, 엑스선, 감마선 등 다양한 파장의 빛을 자유자재로 관측할 수 있어요.

허블우주망원경은 2017년에 활동을 마칠 예정이에요. 그 뒤는 ‘제임스 웹 우주망원경’이 우주를 책임질 거예요. 2018년 발사를 앞두고 있는 제임스 웹은 6.5m짜리 반사망원경이예요. E-ELT나 TMT와 마찬가지로 육각형 거울을 조합한 형태로, 이 덕분에 허블보다 13배나 먼 거리까지 관측할 수 있답니다.

제임스 웹은 적외선을 주로 관측해요. 적외선은 열을 내는 물체라면 어디서든 나오는 파장이에요. 관측에 방해가 되지 않도록 태양빛의 방해가 적고, 온도가 낮은 150만km 상공의 ‘라그랑주 점’에 머물 예정이에요. 또 몸체의 온도를 영하 233.15℃까지 낮추고, 빛을 막는 ‘차광판’을 이용해 태양의 영향을 최소로 만들 거랍니다.

그런데 제임스 웹 같이 거대한 망원경을 그대로 우주로 보내기는 어려워요. 망원경을 실을 로켓도 덩달아 거대해지고, 발사 비용도 천문학적으로 높아지거든요. 그래서 제임스 웹은 얇은 알루미늄 막 같은 가벼운 부품을 사용하고, 주경도 날개처럼 양쪽을 접을 수 있도록 만들었어요. 몸을 아주 작게 접은 채 로켓에 실려 발사된 뒤, 몸체와 주경을 펼치며 궤도에 진입할 예정이랍니다.
 
거대망원경 비법➍ 새로운 소재
세상에 이런 망원경이?!

우주로 E-ELT 같은 걸 보내면 좋을 텐데, 발사하는 데만 건설비용보다 훨씬 많은 돈이 든다고 하네? 지상의 망원경도 당분간 더 커지기 어렵다고 하고…. 뭐 새로운 기술은 없을까?

유리가 무거워? 새로운 소재를 찾아!


유리로 만든 반사경은 자신의 무게 때문에 휘기 쉽고, 우주로 보내기도 어려워요. 그래서 과학자들은 크고 얇고 가벼운 반사경을 만들기 위해 고심하고 있지요. 그 중 하나가 1995년부터 논의되기 시작한 ‘액체거울 망원경’이에요.

액체 상태의 금속을 납작한 원반에 담고 천천히 회전시키면 표면이 평평하게 유지돼요. 여기에 빛을 반사시키면 반사경처럼 사용할 수 있지요. 반사 능력이 뛰어나고 상온에서도 액체 상태를 유지하는 수은을 가장 많이 쓴답니다. 같은 지름을 가진 다른 반사경보다 분해능은 떨어지지만, 반사경의 이동과 관리가 쉽다는 것이 큰 장점이에요. 그래서 달 표면이나 우주 공간에 망원경을 세울 때 새로운 대안으로 주목받고 있어요. 현재 6m 구경의 액체거울망원경인 LZT(Large Zenith Telescope)가 캐나다 밴쿠버에서 가동 중이랍니다.

한편 2010년부터 미국 방위고등연구계획국(DARPA)이 개발 중인 초대형 우주망원경 ‘모이어(Moire)’는 반사경이 아닌 지름 20m 짜리 ‘막’을 달고 있어요. 이 막은 빛을 반사하지 않고 그대로 통과시켜요. 대신 막에 나 있는 수많은 틈새로 빠져나간 빛이 파장에 따라 서로 다른 모양을 나타내요. 이 모양을 분석해 어디에서 어떤 빛이 왔는지 알아낼 수 있답니다.

모이어에 쓰이는 막은 비닐랩만큼 얇고 가벼운 고분자 소재예요. 쉽게 말해서 얇은 플라스틱 같은 재질이지요. 이 막을 잘 접은 뒤 로켓으로 쏘아 올릴 계획이지요. DARPA는 모이어를 통해 우주에 망원경을 보낼 때 들어가는 비용 문제를 해결할 수 있을 거라 보고 있어요.

모이어보다 훨씬 큰 ‘플라스틱 원반’도 있어요. 미국 콜로레도대학교 연구팀과 NASA가 공동으로 만드는 초대형 우주망원경 ‘아라고 (Aragoscope)’가 그 주인공이지요. 아라고는 지난해 6월 NASA가 상상 속의 기술을 현실에 구현하기 위해 연 아이디어 대회 ‘NIAC’에서 선발된 신개념 우주망원경이에요.

아라고에서는 지름 800m짜리 원반이 반사경 역할을 해요. 약 250m인 63빌딩 세 채가 줄지어 들어가도 자리가 남을 정도로 거대한 규모지요. 빛이 불투명하고 가벼운 플라스틱 원반의 가장자리에서 퍼졌다가 다시 중심에 모이는 원리랍니다. 원반이 매우 크기 때문에 허블보다 1000배나 높은 집광력과 분해능을 자랑할 것으로 보여요. 이건 무려 지상 4만km 높이에서 지표면에 있는 토끼 한 마리까지 볼 수 있는 성능이에요.

NASA와 콜로레도대 연구팀은 올해 1월부터 본격적으로 아라고를 설계하기 시작했어요. 아라고가 완성되면 허블이나 제임스 웹이 보지 못한 우주를 볼 수 있을 거예요.
 
나도 얼른 지상과 우주의 다양한 거대망원경을 만나고 싶은걸? 물론 빨라야 2018년부터 볼 수 있겠지만, 400년이나 기다렸는데 좀 더 못 기다리겠어? 어쩌면 그 사이에 또 새롭고 획기적인 망원경이 등장할 수도 있고…. <어린이과학동아> 친구들도 두근대는 마음으로 기대해 줘. 새로운 거대망원경들이 보여 줄 깊고 새로운 우주를 말이야!

글 : 김은영 기자 gomu51@donga.com
글 : 임혜경
도움 : 이형목 교수, 한국 단장
도움 : 이명균·임명신 교수
도움 : Steward Observatory Mirror Lab, ESO, NASA, ESA/HUBBLE, TMT Observatory Corporation, Giant Magellan Telescope Organization, The LSST Corporation, DARPA, UBC Liquid-Mimor Telescopes, 위키피디아 외
사진 : Steward Observatory Mirror Lab, ESO, NASA, ESA/HUBBLE, TMT Observatory Corporation, Giant Magellan Telescope Organization, The LSST Corporation, DARPA, UBC Liquid-Mimor Telescopes, 위키피디아 외
어린이과학동아 2015년 06호


위로