거대 망원경 전성시대 > 과 학

오는 2021년 관측 개시 예정인 ‘거대 마젤란 망원경(GMT)’을 포함, 최근 5개월 사이 3건의 거대 천체 망원경 건설 프로젝트가 착공됐다. 이들 망원경의 반사경 직경은 무려 25~39m에 달한다. 이에 비하면 현존 최대인 직경 10m급 반사경을 가진 하와이 W.M. 켁 천문대의 망원경도 장난감 수준이다.

이처럼 큰 망원경들은 어떤 지점이라도 관측 가능하도록 회전이 용이해야하며, 대기에 의한 간섭도 최소화되도록 설계하는 것이 핵심인데 건설이 완료되면 우리는 기존 망원경보다 100배 향상된 해상도로 천체를 관측할 수 있게 된다.

천문학자들은 이들을 활용해 빅뱅 직후의 별과 우주팽창을 연구할 계획이다. 또한 외계행성에서 생명체의 존재 징후를 찾는 데에도 활용할 예정이다. 특히 천문학자들은 이 거대 망원경들이 현재의 연구과제를 넘어 앞으로 만나게 될 미지의 과제 해결에도 제 몫을 톡톡히 해낼 것으로 기대하고 있다. ‘30m 망원경(TMT) 프로젝트’의 매니저인 개리 샌더스 박사는 잇따르고 있는 거대 망원경 착공이 그리 놀랄 일이 아니라고 말한다.

“20세기에는 30년마다 천체 망원경 설계의 혁신이 일어났습니다. 이제 새로운 혁신이 일어날 때가 됐어요.”

물론 GMT와 같은 고성능 망원경과 천문대의 건설에는 많은 돈이 든다. GMT, TMT 등도 10억 달러 이상의 예산이 잡혀있다. 기존 천문대의 자원을 활용함에도 말이다. 하지만 샌더스 박사는 이 천문대들의 활용성이 금전적 가치를 넘어설 것이라 확신한다.

“저희가 해결해야할 과제는 너무나 많습니다. 하지만 천문을 관측할 수 있는 밤은 1년에 최대 365번뿐입니다.”




▲ 거대 마젤란 망원경(GMT)
한국천문연구원을 포함해 11개 기관이 참여 중인 GMT는 직경 8.4m의 반사경 7장으로 직경 25m의 반사경을 구현한다. 회전식 원통형 돔 속에 광학망원경이 들어서는데, 환기구가 구조물 표면의 약 40%를 차지한다. 밤이 되면 모든 환기구를 열어 실내 온도를 신속히 외부 온도와 일치시킴으로써 온도 불일치에 따른 난기류 생성을 막는다.
위치: 칠레 라스 캄파나스산
착공: 2014년 11월
반사경 직경: 25m
가동 예정: 2021년




▲ 30m 망원경 (TMT)
TMT의 기획자들은 3개의 후보 설계안 중 가장 혁신적 안을 선택했다. 알루미늄 덮개를 가진 원형 돔이었다. 이 돔은 독립적으로 구동되는 2개의 링에 의해 회전한다. 최대 강점은 바로 속도다. 180도 회전에 5분이면 족하다.
위치: 하와이 마우나케아산
착공: 2014년 10월
반사경 직경: 30m
가동 예정: 2023년




▲ 유럽 초대형 망원경(E-ELT)
신형 거대 망원경 중 가장 보수적 설계를 택했다. 외관은 켁 천문대와 닮았지만 10배나 많은 철이 쓰인다. 또한 콘크리트 토대와 단열재가 돔 내부의 공기 25만㎥를 차갑게 유지시켜준다. 이것도 모자라 1,600가구가 사용할 전력량을 소비하는 에어컨까지 가동된다. 내부 공기가 차가워야 일몰 직후 곧바로 관측에 돌입할 수 있기 때문이다.
위치: 칠레 세로 아마조네스산
착공: 2014년 6월
반사경 직경: 39m
가동 예정: 2024년




[The Gold Standard] W.M. 켁 천문대
위치: 하와이 마우나케아산
관측 개시: 1992년
켁 천문대는 관측을 개시한 1992년 당시의 최대 천문대보다 2배나 컸다. 준공 이후 천문학자들의 사용요청이 밀려들면서 바로 옆에 2호 천문대 건설이 즉각 시작됐고, 1996년 첫 관측이 이뤄졌다. 그동안 이 쌍둥이 천문대는 2011년 노벨물리학상을 받은 암흑에너지의 존재 규명을 포함, 무수한 발견을 해냈다.



천체 망원경의 눈
천체 망원경의 관측능력은 주 반사경의 크기에 비례한다. 주 반사경은 하늘의 빛을 모아 탐지기로 보내는 역할을 하는데, 크기가 클수록 고해상도의 이미지를 얻을 수 있다. 아래의 일러스트는 주요 거대 망원경의 반사경 크기를 표현한 것이다.




대기 간섭 보정
현존 대형 천체망원경들은 준공 후 수년 뒤에야 대기 중 미립자들에 의한 관측 이미지 번짐(blurring) 현상을 보정하는 적응제어광학(AO) 시스템이 장착됐다. 하지만 차세대 망원경에는 기본 사양으로 들어간다. TMT의 수석 실험자인 뤽 시마르 박사에 따르면 AO 시스템은 액추에이터들을 활용해 반사경의 곡률을 초당 약 800회씩 변경, 반사경에 유입된 빛의 진행방향을 바꾸는 방식으로 대기의 간섭을 실시한 보정한다. “TMT, GMT, E-ELT의 개발비는 허블 우주망원경의 4분의 1 수준입니다. 하지만 AO 덕분에 분해능이 허블 망원경의 10배나 됩니다.”



“새로운 세대의 망원경이 등장할 때마다 과거에는 상상도 할 수 없던 것들을 발견하게 됩니다. 이런 의외의 발견이야말로 과학을 이끄는 원동력입니다.”
- 데브라 엘메그린, 미국 마사칼리지 천문학 교수. 전 미국천문학회(AAS) 회장



TMT Thirty Meter Telescope.
AO Adaptive Optics.
분해능 (resolving power, 分解能) 인접해 있는 2개의 광원(光源)을 식별할 수 있는 최소 거리. 망원경의 성능을 나타내는 척도의 하나다.

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