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일반지구과학 및 실습 Ⅰ
7 주 차 천 문 관 측 기 기 - 망 원 경 으 로 집 광 하 기 -
우주에서 오는 빛에 담긴 메시지를 해독하기 위해서는 희미한 빛을 모아야한다
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1. 망원경으로 집광하기
빛은 많은 정보를
지니고 있지만, 가능한 많은 정보를 해독하기
위해서는 망원경이
필요하다
우주에 대한 근원적인 질문에 과학으로 답하기 위해
3빛을 모으는 장치
빛을 검출하는 장치
망원경
눈, CCD
우 주 에 서 오 는 모 든 빛 이 지 상 에 서 관 측 되 지 않 는 다 !
빛
지 상 망 원 경 과 우 주 망 원 경 에 장 착 된 첨 단 기 기 를 이 용 하 여
우 주 에 서 오 는 다 양 한 빛 을 연 구 하 고 있 다 !
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망 원 경 으 로 우 주 의 모 습 을 알 아 내 는 방 법 은 ?
망원경은 인간의 눈보다 훨씬 더 많은 빛을 모을 수 있는 거대한 눈이다
• 집광력: 한번에 얼마나 많은 빛을 모을 수 있는가
• 집광면적에 비례 (망원경 지름의 제곱에 비례)
• 10m망원경은 2m망원경에 비해 지름이 5배이지만 집광면적은 25배된다
• 분해능: 두 점을 구분해서 볼수 있는 최대 각
• 인간의 눈은 1분 각의 각분해능을 지니고 있다
• HST의 분해능은 0.05초
망 원 경 의 주 요 성 능 두 가 지
망원경은 훨씬 더 많은 빛을 수집하고 육안으로 보는 것보다 더 자세하게 볼 수 있게 해준다
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망 원 경 기 본 디 자 인
굴절망원경:
• 사람의 눈처럼 렌즈를 이용하여 빛을 모으고 초점을 맺게 한다
• 갈릴레오의 망원경을 포함하여 초기의 망원경들은 모두 렌즈를 사용하는 굴절 망원경이었다.
• 세계 최대 크기의 굴절망원경은 1897년에 시카고 대학교의 여키스천문대에 설치된 직경이 1m, 경통 길이가 19.5m인 망원경
망원경은 크게 굴절망원경과 반사망원경의 두가지가 있다
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망 원 경 기 본 디 자 인
반사망원경:
• 정밀한 표면곡률을 갖는 주경을 이용하여 빛을 모은다
• 주경은 모은 빛을 반사시켜 망원경 앞에 달린 부경으로 보내고, 부경은 다시 빛을 반사시켜 눈이나 관측기기가 있는 위치에 초점을 맺게 한다.
• 초점의 위치는 주경의 가운데 구멍 뒷부분에 있거나 경우에 따라서는 망원경의 측면(가끔 작은 거울이 추가되는 경우도 있음)에 있다.
• 직경 8m 인 제미니망원경(하와이마우나케아산에 설치) 망원경은 크게 굴절망원경과 반사망원경의 두가지가 있다
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현 대 대 형 망 원 경
현대 천문학 연구에 사용되는 망원경은 거의 대부분 반사망원경이다
• 20세기에 들어와 망원경의 크기가 급속히 커지기
시작했지만, 주경의 유리 무게 때문에 크기의 한계에 도달
• (샌디에이고 외곽의) 팔로마산 5m 헤일망원경은 1948
• 년에 건설된 이후 40년 이상 세계에서 가장 강력한 망원경
• 1990년대에 기술혁신으로 가벼운 거울을 만들 수 있게 됨
• 8m 거울을 가진 제미니망원경
• 작은 조각거울 여러 개를 합쳐 하나의 거울처럼 만든 10m 켁망원경
• 현재 제작 중이거나 계획 중인 대형 망원경
• 유효 직경이 21m인 GMT(Giant Magellan Telescope, 거대마젤란망원경)
• 직경 30m의 TMT(Thirty Meter Telescope),
• 직경 39m의 EELT(European Extremely Large Telescope)
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파 장 에 따 른 집 광 방 법
가시광 빛만 연구하면 많은 사실을 놓치게 된다
• 모든 천체는 넓은 파장 영역에서 빛을 내기 때문에 천문학자들은 스펙트럼의 전 파장 영역에 걸쳐 빛을 연구해야 한다
• 행성은 상대적으로 차가워 적외선을 주로 방출
• 별은 자외선과 엑스선까지 방출
• 어떤 특이한 천체는 감마선까지 방출
• 모든 망원경의 기본 아이디어:
• 주경으로 빛을 모은 뒤 카메라 또는 다른 관측기기에 초점을 맺게 하는 것으로 동일
• 파장이 달라지면 망원경 설계가 달라지게 되어 새로운 도전이 필요
• 적외선과 자외선의 일부분
• 가시광 파장에 가까워서 가시광처럼 행동하기 때문에 가시광 망원경으로 검출가능
• 허블우주망원경이 가시광 뿐만 아니라 적외선과 자외선 영역에서도 관측 가능.
• 더 긴 적외선 파장
• 망원경 자체의 열이 문제야기
• 관측하려는 파장과 동일한 파장에서 망원경이 열복사를 방출
• 적외선 우주망원경은 태양복사를 막는 차폐 설치로 망원경의 온도를 30∼50K까지 낮춤
• 스피처우주망원경은 냉매가 모두 소진되는 처음 5년 동안 액체헬륨으로 온도를 수K까지 냉각시켰다.
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전파는 다른 도전이 필요
• 동일한 크기의 망원경은 파장이 길어질수록 각분해능이 나빠진다
• 허블우주망원경은 가시광보다 적외선에서 분해능이 낮다.
• 파장이 긴 전파 영역에서 충분한 각분해능을 얻기 해서는 매우 큰 망원경이 필요하다.
• 아레시보 전파망원경 (←)
• 세계에서 가장 큰 단일 전파망원경
• 푸에르토리코의 천연계곡 305m에걸쳐 있다
• 일반적인 전파 파장에서 분해능은 1분각에 불과
• HST의 가시광 영역 각분해능에 비해 약 1,000배 정도 나쁜 수치
전 파 영 역 집 광
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JVLA전파망원경 (Karl G. Jansky Very Large Array,)
• 뉴멕시코 에 Y자모양으로 배열된 27개 전파망원경 간섭계로 분해능을 높임
• 40km직경의 단일전파망원경의 성능
전 파 영 역 집 광
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• ALMA전파망원경 ((Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)
• 2011년 칠레에 설치
• mm와 서브-mm 파장에서 가동되는 66개의 망원경이 결합
• 간섭계는 적외선과 가시광 파장 영역에서도 사용되는데 켁망원경처럼 두 대의 망원경을 이용하거나 LBT(Large Binocular Telescope)처럼 하나의 마운트에 두 대의
망원경을 설치하기도 함
전 파 영 역 집 광
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고에너지 영역에서는 또다른 도전이 필요
• 고에너지 자외선 또는 엑스선 광자에 초점을 맞추는 것은 연속적으로 날아오는 총알에 초점을 맞추는 것과 비슷
• 금속판에 정면으로 총알을 쏘면 금속판에 구멍이 나거나 부서지게 된다
• 총알을 금속판에 비스듬한 각도로 쏘면 스쳐 지나면 서 약간의 흠집만 낸다
• 찬드라우주망원경과 NuSTAR 프로젝트 같은 엑스선 망원경
• 의 거울은 이와 같은 방법으로 엑스선이 방향을 바꾸도록 설계
• 감마선은 에너지가 더 강하기 때문에 거울에 초점을 맺게 할 수 없다
• 페르미 감마선 우주망원경같은 감마선망원경은 광자를
붙잡기 위해 무거운 검출기를 사용하여 감마선이 오는 방향을 파악한다
고 에 너 지 영 역 집 광
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요 약
참 고 문 헌
• 우주의 본질 5장
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• 우주에서 오는 유일한 정보원인 빛을 어떻게 모은 망원경의 성능
• 다양한 파장에서 망원경의 집광방법