우주관측기기와 빛

천문우주학과 관측

관측자 <---- 계: 0차 실험 (관측)

관측자 <----> 계: 1차 실험 (1가지 조건 변화)

관측자 <----> 계: 2차 실험 (2가지 조건 변화)

천문학 = 관측 = 0차 실험

(예외: 운석, 우주 탐사)

관측자가 계內에 존재

천문우주학적 정보 = 빛

천문현상의 일회성

전자기파 = 빛

천문학의 연구대상들은 직접 물리량을 측정하기에는 너무 먼 거리에 있기 때문에 관측대상들이 복사하는 빛은 천문학에 있어서 가장 중요한 정보입니다. 일반적으로 빛이라 하면 사람이 볼 수 있는 가시광선을 말하는 경우가 많습니다. 하지만 사실 빛은 전자 복사의 일종으로서 모든 파장을 포함하는 전자기파이며, 가시광선은 전자기파 스펙트럼의 380에서 760 nm ( nanometer ; 1nm=1/1000000 mm) 사이에 해당되는 아주 좁은 영역에서 방사됩니다. 빛은 매질 없이도 진공상태에서 전파될 수 있으며 파장에 따라 독특한 파동으로 전도됩니다. 따라서 밀도가 매우 낮은 우주공간을 가로지를 수 있는 빛은 우리에게 각기 다른 파장에서의 우주의 모습을 전달해 줄 수 있는 것입니다. 가시 광선보다 전자기파 스펙트럼의 파장이 더 길 때 에너지는 적외선(Infrared)과 전파(Radio)가 되고 파장이 더 짧은 때는 자외선 (Ultraviolet), X-선 (X- ray), 감마선(Gamma-ray)이 됩니다. 전자기파 복사는 특정 파장에 해당하는 에너지를 운반하는 광자의 흐름으로도 기술될 수 있습니다. 어떤 특정한 에너지를 갖는 광자는 파동과 같이 행동하기도 하고 (간섭현상), 입자와 같이 행동(광전효과)하기도 합니다 (빛의 이중성). 파장이 긴 낮은 에너지의 광자들은 파동성이 강한 반면 파장이 짧은 높은 에너지의 광자들은 입자처럼 행동하는 성질이 강합니다. 관측대상에 따라 특정 파장에서의 빛의 세기가 다른 파장에서 보다 강한 경우가 대부분(예를 들어 태양은 가시광선영역에서 가장 많은 에너지를 방출한다)이지만 세기가 강하지 않더라도 모든 천체는 기본적으로 모든 파장에서 에너지를 복사하고 있습니다. 따라서 하나의 관측 대상을 여러 파장으로 관측하여 더 다양한 정보를 얻을 수 있습니다. 파장에 따른 빛의 성질 차이는 검출기와 같은 관측 기기를 만들 때 고려되며, 따라서 천체들의 어떤 성질을 알고 싶은지에 따라 우주를 관측하는 관측 기기의 형태도 광학 망원경부터 안테나를 이용하는 전파망원경 등 매우 다양합니다.

빛 = 전자기파


빛의 파장과 색

cf.
빛의 파동설 vs 빛의 입자설

Java 실험: 빛, 소리와 파동

파동의 중첩 현상

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영(Young)의 이중슬릿실험

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원자의 빛(광자) 흡수와 방출

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구면거울에서의 빛의 반사

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빛의 굴절

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렌즈에의한 빛의 굴절

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우주 관측 기기

사람의 감각 기관 (눈)

육분의, 혼천의, 간의

광학 망원경: 천체망원경

우주를 관측하는 기기 중 가장 대표적인 것이 천체망원경입니다. 천체망원경은 희미한 빛을 한곳에 모으는 장치인데 흔히 반사망원경과 굴절망원경으로 구별됩니다. 천체망원경의 성능은 집광력과 분해능으로 나타낼 수 있습니다. 집광력은 빛을 모으는 힘인데, 반사경이나 렌즈의 표면적에 비례합니다. 분해능은 근점해 있는 천체를 분리시키는 정도를 나타내는데 반사경이나 렌즈의 크기에 비례합니다.

집광력 = 반사경 (렌즈) 면적

분해능 = 반사경 (렌즈) 크기

빛의 속도는 유한합니다. 따라서 거리가 멀리 있는 천체로부터 오는 빛일수록 그만큼 오래 전에 그 천체를 떠나온, 즉 더 과거의 빛입니다. 이런 뜻에서 우주 관측 기기는 과거로 가는 타임 머신이라 할 수 있습니다. 이론으로 존재하는 타임머신이 아닌 실존하는 타임머신을 타고 천문학자들은 매순간 먼 과거로 여행을 합니다.

지상 망원경

생명체가 지구에서 생겨나고 살아 올 수 있었던 것은 지구 대기의 존재 덕분입니다. 하지만 지상에서의 관측에 있어 가장 큰 방해물은 바로 지구의 대기이다. 우리가 천체들로부터 얻는 유일한 정보인 빛은 지구의 대기에 있는 입자들에 의해 산란되고 흡수되기 때문에 지상에서의 관측에는 한계가 있습니다. 파장이 짧으면 짧을수록 대기에 의해 산란되는 비율이 크기 때문에 우주의 단파장에서의 모습은 거의 대기권 밖에서 우주 망원경으로 관측되고 있습니다. 대표적인 지상 망원경으로는 광학 망원경과 전파 망원경을 들 수 있습니다. 전파는 단 파장에 비해 거의 대기에 의한 심각한 손실이 없어 전파 중 어떤 파장은 날이 흐림 날도 관측 가능하지만, 광학 관측이나 대기에 의해 흡수가 잘 되는 분자를 관측하는 전파관측인 경우 망원경(천문대)을 되도록 도시의 인공 불빛으로부터 멀고 대기에 의한 별빛의 흡수가 적고 맑고 건조한 날이 많은 곳에 세웁니다. 외국의 하와이, 칠레에 있는 수많은 대형 망원경이 그 좋은 예라할 수 있습니다. 하외이에 있는 미국의 Keck 망원경(10m 망원경 2대)와 칠레에 있는 유럽남천문대의 VLT(8m 망원경 4대)가 대표적인 대형망원경입니다. 국내에는 보현산 (1.8m)과 소백산(0.6m)에 한국천문연구원 소속 천문대가 있습니다. 현재 연세대학교 천문우주학과에서는 일산에 0.6m 광학 망원경을 보유하고 있으며, 천안에 전천탐사와 새로운 천체 발견을 위한 우주탐사관측소를 건설 중입니다.


세계의 대형 천문대

Keck (미국): 2 x 10 m, 하와이

Subaru (일본): 8.2 m, 하와이

Gemini (영국, 미국 외):2 x 8 m, 칠레

VLT (유럽천문대): 4 x 8 m, 칠레

W.M. Keck 천문대 2 x 10 미터 망원경

전파 망원경

가시광선과 전파(21cm)로 본 목성의 모습

천문관측용 로켓 및 인공위성

앞에서 언급한바와 같이 지상에서는 대기의 산란으로 선명한 상(좋은 분해능)을 얻을 수 없으며 대기에 의한 흡수로 관측 가능한 빛의 파장대에 제한이 있습니다. 따라서 현대 천문학에 있어서는 우주 망원경들은 천체에 대한 더 정확하고 많은 정보를 얻는데 중요한 역할을 하고 있다. 심지어 장파장인 전파 영역에서도 대기의 흡수가 심한 부분이 있기 때문에 일본과 러시아에서는 NASA가 지원하에 우주 전파 망원경을 계획중입니다. 대표적인 천문 위성으로는 대기권밖에 설치된 2.4 m 반사망원경인 허블우주망원경이 있습니다. 허블우주망원경은 주로 가시광선 영역과 자외선 영역에서 천체를 관측하고 있으며 수명이 다 해 가는 지금, 그 뒤를 이어 2007년 8m 급의 차세대 우주망원경(Next Generation Space Telescope; NGST)이 발사 예정되어있습니다. 그 밖에 자외선 (International Ultraviolet Explorer; IUE)이나 원자외선(Extreme Ultraviolet Explorer; EUVE). X-Ray (Rossi X-ray Timing Explorer; RXTE) , Gamma-Ray (Compton Gamma-Ray Observatory; CGRO) 천문위성 등 다양한 우주 망원경이 활동중이며 특히 자외선 우주 망원경으로 한국 최초의 천문 위성이 될 GALEX (GALaxy EXplorer)는 연세대학교 우주망원경연구단과 미국 Caltech, NASA가 2001년 발사 예정으로 제작중에 있습니다.

천문관측위성: ISO (Infrared Space Observatory)

ISO (Infrared Space Observatory): 애니메이션
Infrared Space Observatory (ISO) (credit)

원적외선(ISO)과 가시광선 영역에서 본 사수자리 Trifid Nebula

허블우주망원경

차세대 우주망원경 (Next Generation Space Telescope; NGST)
NGST는 2007년 발사 예정인 8 미터급 이상의 대형 우주망원경입니다.

차세대우주망원경 디자인 예


우주궤도망원경 및 달표면천문대

우주관측기기의 역할

새로운 관측 기기가 등장할 때마다 새로운 우주 의 모습이 관측되고 과거에도 그래 왔듯이 아직도 새로운 우주관이 기존의 우주관을 흔들어 놓을 가능성이 존재합니다. 우주 관측 기기는 단순히 과학자들의 호기심에서 비롯된 과학의 산물이 아닌 사회의 가치관에 변화를 줄 수 있는 사회적인 의미도 지니고 있습니다.

허블우주망원경: 대기권밖에 설치된 2.4 m 반사망원경

허블우주망원경으로 본 Abell 2218 은하단의 중력렌즈 효과

대기권밖에 망원경을 설치하는 이유

지상에서는 대기의 산란으로

선명한 상 (좋은 분해능)을 얻을 수 없다

지상에서는 대기에 의한 흡수로

관측 가능한 빛의 파장대에 제한이 있다

한국 최초의 우주망원경: GALEX
연세대학교 우주망원경연구단과 미국 Caltech, NASA가 2001년 발사 예정으로 제작중


북한의 인공위성 발사

허블우주망원경은 우주 공간에 설치되어 있다. 그 이유는?

(가) 대기의 방해를 받지 않고 별을 관찰하기 위해

(나) 우주에 설치하는 것이 비용이 싸기 때문에

(다) 미지의 별 쪽으로 신호를 보내기 위해

(라) 고장난 인공위성을 고치는데 편리하기 때문에

'테스트 이야기 과학상식' (김수영 엮음, 지원) 중에서

하늘은 왜 푸른색으로 보일까?

(가) 대기가 푸른빛을 반사하기 때문에

(나) 우주의 빛깔이 푸른색이기 때문에

(다) 빛이 푸른색으로 이루어져 있기 때문에

황혼녘에 태양이 붉게 보이는 까닭은?

(가) 태양이 빛깔을 바꾸기 때문에

(나) 다른 빛은 모두 흩어져 버렸기 때문에

(다) 붉은 빛은 가장 멀리까지 가기 때문에

(라)우리 눈이 착각을 일으키기 때문에

밤하늘의 별이 반짝이는 까닭은 무엇일까?

(가) 별 자체가 반짝이기 때문에

(나) 지구의 대기가 흔들리기 때문에

(다) 우주를 통과해 오기 때문에