우주를 바라보는 눈, 대형 천체망원경의 세계            

수만 km 크기의 지구형상에서 수 m 크기의 자기 집까지 1000만 배 이상 스케일을 자유자재로 변화시키면서 목표지점의 형태와 정보를 수 초 안에 찾을 수 있게 해주는 구글어스를 보고 경이로움을 느낀 사람이 많을 것이다. 전자현미경을 처음 접하는 많은 사람도 비슷 한 경이로움을 느끼곤 한다.  

수 cm의 시료 형상에서 수 nm 이하의 나노형상, 심지어 원자 배열까지 1000만 배 이상 스케일을 변화 시키면서 목표하는 나노물질, 나노소자 등의 형태 및 성분정보 등 을 얻을 수 있게 해주는 전자현미경은, 나노세계의 네비게이터라 할 수 있다.

천 문학계는 더 멀리 있는 천체나 더 어두운 천체를 관측하기 위하 여 부단히 노력하고 있다. 이를 통해 지구 주위를 맴돌고 있는 위험 한 물체를 사전에 찾아 대비책을 마련하고, 외계에 생명체가 있는 지 조사하며, 우주의 전체 모습과 역사를 파악하고자 한다.  

이를 위하여 더욱 더 크고 성능 좋은 망원경을 개발하여 왔다. 광학망원경 분야에서는 1990년대에 구경 8~10 m급 망원경을 건설하였으며, 그 이후로 차세대 거대망원경을 개발하고 있다. 망원경 분야는 미터 급 의 초대형 광학의 수준을 넘어, 이제는 수십 미터 급의 거대 광학으 로 발전하고 있다.

지상용 광학 천체 망원경을 크게 만들려는 이유는 집광력과 해상도 를 높여 지금까지 보지 못한 어두운 별을 보거나 좀 더 자세히 우 주를 관측하기 위해서다. 망원경의 집광력은 거울의 면적, 즉 반지 름의 제곱에 비례해서 좋아지고 해상도는 반지름에 비례한다. 현재 선진국들은 대형광학망원경 분야에서 각축전을 벌이고 있다.  

유럽은 2017년 완공을 목표로 직경 39 m 망원경인 E-ELT(European- Extremely Large Telescope)를 개발하고 있고, 미국은 직경 30 m 망 원경인 TMT(Thirty Meter Telescope)를 개발하고 있다. 미국의 또 다 른 대형망원경인 거대마젤란망원경(Giant Magellan Telescope)은 최 대 직경이 25 m 로 2019년을 목표로 개발하고 있다. 이 가운데 우리 나라는 거대마젤란망원경 개발 사업에 참여하고 있다.  

거대마젤란 망원경은 우리나라에서 제일 큰 망원경인 보현산 천문대의 직경 1.8 m짜리 망원경해상도와 비교하여 집광력은 192배 이상 좋고 해상도 역시 14배나 높다. 이렇게 거대한 망원경을 이용하면 허블망원경이 지금까지 찍은 가장 오래된 우주보다도 더 먼 빅뱅 뒤 7억년 사이의 우주 모습을 볼 수 있을 것으로 예상한다.

하지만 크기만 크다고 무조건 해상도가 높아지는 것은 아니다. 먼 우주에서 오는 별빛은 대기를 지나면서 대기의 흔들림으로 인해 그 빛도 같이 흔들려 깨끗한 상(像)을 얻기가 어렵기 때문이다. 따라서 흔들리는 별의 상을 보상하여 원상 복원이 가능도록 도와주는데 적 응광학계(adaptive optics)가 많이 사용된다.  

이 적응광학계는 원래 미국에서 1970년대에 군사적인 목적으로 개발하였던 것을 1980년 대 말 천문학 쪽으로 응용분야가 확대되면서 기술이 꽃을 피운 분 야이다. 적응광학계는 강한 레이저 빛(sodium laser)을 90 km 상공 으로 쏘아 그 영역에 많이 존재하는 Na 원자와 공진하여 가상의 별 빛을 만들어 내는 장치와, 이 가상의 별빛을 관측하여 깨끗한 상을 만들어내는 변형거울(deformable mirror)로 구성된다.

가상의 별빛은 점광원 역할을 하므로 변형거울로 망원경으로 관측된 가상의 별빛 이 다시 점광원이 되도록 재현을 하면 그 주위에 있는 다른 별들의 영상도 같이 좋아지는 원리를 이용한 것이다. 하지만 지상에서 좋은 해상도를 얻기 위하여 노력해도 대기의 흡수 효과 때문에 X-선, 감마선, 자외선, 적외선 일부 등은 지상에서 볼 수 없다. 이를 극복하기 위해서는 우주에 대형 반사경을 띄어 올리 는 수밖에 없다. 우주용 천체망원경의 대표가 1990년 4월25일에 디 스커버리 우주왕복선에 실려 발사된 허블망원경으로 직경 2.4 m 반사경이 사용되었다.

이 망원경은 자외선, 가시광선 및 근적외선까 지의 영역을 사용하여 수많은 중요한 천체사진들을 찍어 지상에 전 송하여 역사상 가장 유명한 천체 망원경 가운데 하나가 되었다. 우리나라는 세계의 경제적 위치나 천문학의 수준에 비교하여, 보유 하고 있는 망원경은 보잘 것 없는 수준이다. 현재 8~10 m 크기의 초 대형 망원경 15기가 운영되고 있다. 우리와 경제 수준이 비슷한 스페 인과 남아프리카공화국도 구경 10 m의 초대형 망원경을 각각 보유 하고 있다. 심지어 멕시코와 남미 국가들도 초대형망원경 개발에 참 여하고 활용하고 있다.

반면에 우리는 구경 1.8 m 보현산 망원경이 국내 최대 크기이다. 천문학의 주요 척도인 망원경의 크기로만 보면 60년 이상 뒤처져 있다고 보겠다. KRISS 산업측정표준본부 우주광학센터는 국내에서 유일하게 직경 1 m 급 대형 비구면 반사경을 정밀하게 가공하고 평가할 수 있는 기 술을 보유하고 있다. 이 기술을 바탕으로 해상도가 0.5 m에 이르는 직경 1 m 인공위성용 반사경을 한국항공우주연구원과 같이 개발중 이며 거대마젤란망원경에 사용될 직경 1 m 부경시스템을 천문연과 개발중에 있다.

또한 지상용 천체망원경의 해상도를 높이기 위한 적 응광학계용 변형거울 개발도 국과연과 같이 진행하고 있다. 이를 통 하여 선진국에 뒤쳐져 있던 지상용 천체망원경이나 우주용 망원경 분야에서 빠르게 선진국을 추격하고 있다.
지난 3월에 미국의 하버드, 스미소니언 천체물리센터가 남극에 설 치된 ‘바이셉2’라는 전파망원경을 이용해 우리 우주가 138억 년 전 대폭발(빅뱅) 직후 급격히 부풀어 올랐다는 직접적인 증거가 발견되 었다는 보도가 있어서 큰 화제가 된바 있다.  

138억년전 일은 기껏 수 명이 100세를 넘기기 어려운 우리 인간들에게는 상상도 할 수 없는 과거의 이야기이지만 인류의 문명이 발전하는 한 생명의 기원이 되 는 사건에 대한 과학적인 조사는 앞으로 계속될 것이고 그 중심에는 현재 건설이 진행중인 대형 천체망원경들이 있을 것이다.   

글_ 양호순 (우주광학센터 책임연구원)