망원경의 발명

천문학은 ‘천문학적’으로 비용이 많이 드는 분야다. 특히나 전 세계가 우주 개발에 박차를 가하고 있는 상황이라 관련 예산 규모는 그야말로 천문학적일 수밖에 없다. 2021년 6월에 개발해서 2023년 5월, 3차 발사에 성공한 누리호! 누리호 발사 성공으로 우리도 우리 힘으로 우리 위성을 우주 궤도에 안착시키는 데 성공했다. 정부가 누리호 개발에 투입한 비용은 1조 9600억 원에 이른다.

우주에 쏘아올린 인공위성 중에서 천체 관측용 위성을 ‘우주망원경’이라고 하는데, 차세대 우주망원경 제임스웹 우주망원경은 개발부터 현실화까지 무려 26년이나 걸렸다. 이렇게 오래 걸린 이유 중 하나가 약 13조 원에 달하는 비용 때문이라는 말이 있다. IT 기술에 기반한 새로운 산업혁명이 일어난 이후 우주 산업은 현대 문명을 돌아가게 하는 ‘심장’으로 평가받고 있다. 주요 대학들이 천문학과를 우주천문학과로 이름을 변경한 이유는 이와 무관하지 않다.

 최첨단 과학기술의 총합인 천문학! 천문학은 인류 역사와 함께 한 뿌리 깊은 학문이다. 문명 초기부터 인류는 태양과 달과 별의 움직임을 주의깊게 관찰해 삶의 지혜를 얻었다. 메소포타미아의 바빌로니아25인들은 점토판에 행성과 별자리, 월식과 일식의 주기를 기록했고, 이집트는 달과 태양의 주기를 계산해 1년을 365일로 하는 태양력을 만들어냈고, 중국에서도 음력과 태양력을 결합한 태음력을 사용했으며, 마야·아즈텍 문명에서도, 그리스에서도 천체 관측을 위한 연구가 끊이지 않았다.

시간을 측정하고, 계절에 따라 농사를 짓고, 밀물과 썰물에 맞춰 물고기를 잡기 위해서는 태양과 달, 별의 움직임을 알아야 했다. 고대 천문학은 사회와 문명을 이루는 데 매우 핵심적인 역할을 해온, 인류 역사와 함께 한 매우 실용적인 학문이었고, 현대에 오면서 한 국가의 과학기술력을 상징하는 학문 분야로 거듭나고 있다.

천문학적이라는 표현?!

우리가 상상할 수 없는 수나 양을 표현할 때 관용적으로 ‘천문학적’이라는 표현을 많이 쓴다. 천문학에서 다루는 숫자가 크기 때문이다. 천문학적 길이의 기본 단위는 AU인데, 1AU는 태양과 지구 사이의 평균 거리로 약 1억 5000만㎞다. 또다른 거리 단위인 광년(LY)은 빛이 일년 동안 나아가는 거리로, 빛은 1초에 20만㎞를 나아간다. 따라서 1광년은 9조 4608억㎞거리로, 상상하기 어렵다. 또한 우주에 얼마나 많은 별이 있을지는 추정하기가 불가능하다. 관측 가능한 우주에는 1700억 개 이상의 은하(Galaxy)가 있는 걸로 추정되는데, 태양계가 포함된 ‘우리은하’에만 최소 1000만 개에서 최대 100조 개의 별이 있다.

망원경의 발명, 우주를 신비의 영역에서 과학적 탐구 대상으로!

천문학의 역사는 이렇게 유구했지만, 아주 오랫동안 인류에게 우주는 너무나 풀기 어려운 미스터리였다. 다양한 방법으로 해와 별과 달을 관찰해 그 흐름을 추정해낼 수는 있었지만, 망원경이 등장한 17세기 초까지, 인류는 아무런 관측 장비 없이 맨 눈으로 천체를 관찰하며 우주의 신비를 어렴풋이 짐작만 해왔다.

그러나 1608년, 네덜란드의 안경 제작자 한스 리퍼셰이가 망원경을 발명하면서 이러한 한계를 뛰어넘게 되었다. 하지만 리퍼셰이의 망원경은 당시에 정부 특허권 심사를 통과하지는 못했다. 이미 망원경과 관련한 이론과 개념이 널리 퍼져 있어서 심사 당시에 여기저기서 특허를 요청하는 망원경이 많아 거절당했다고 한다. 유리 제작의 발달로 이 무렵 고급 장비들이 꽤 보급되었던 모양이다. 그럼에도 네덜란드 정부가 리퍼셰이에게 상당한 액수를 지불한 걸 보면 리퍼셰이의 발명품이 꽤 의미있었던 것은 사실로 보인다. 네덜란드 정부는 리퍼셰이의 망원경을 해안에 접근하는 적들의 배가 있는지 감시하는 데 사용했고, 그래서 ‘스파이글라스’라고 불렀다.

망원경의 작동 원리는 매우 단순하다. “가장 간단한 망원경은 원통의 양 끝에 두 개의 렌즈를 끼워 넣어서 사용한다. 첫 번째 렌즈가 광선을 안쪽으로 모으면, 눈은 그것이 더 큰 광원으로 오는 것으로 인식한다. 두 번째 렌즈는 접안렌즈 역할을 해서 광선이 다시 평행하게 눈으로 들어와 초점이 맞춰질 수 있게 한다.”(《시크릿 유니버스》)

이탈리아 과학자 갈릴레오 갈릴레이는 리퍼셰이의 망원경에 대한 소식을 듣고 그의 망원경을 개선해 새로운 망원경을 만들어 천체를 관측했다. 그리고 불과 10개월 만인 1610년 3월, (Sidereus Nuncius, 별에서 온 메신저)라는 소논문에 망원경을 통한 천체 관측 내용을 발표했다. 갈릴레이 망원경은 대물렌즈는 볼록렌즈를, 접안렌즈는 오목렌즈를 사용했다.(▲ 갈릴레이 망원경)

소논문의 주요 내용은 다음과 같다. ‘달 표면이 매끄럽지 않고 크레이터^[1]와 산으로 덮여 있으며, 은하수는 인간의 눈으로는 분해할 수 없는 수많은 별로 이루어져 있다. 또한 목성 주위를 도는 4개의 위성을 발견했으며, 금성이 위상(달의 모양 변화와 비슷한 현상)을 보인다는 사실을 관측했다.’ 금성의 위상 변화는 지구 중심설(천동설)이 틀렸다는 것을 입증하는 결정적 증거였으며, 갈릴레이의 주장은 큰 반향을 불러일으켰다.

먼저 목성의 위성 발견은 모든 천체가 지구를 중심으로 공전해야 한다는 천동설의 핵심 가정을 반박하는 중요한 증거가 되었다. 또한 금성이 보름달처럼 보이는 현상은 천동설로는 설명할 수 없으며, 이는 금성이 태양을 공전한다는 강력한 증거로서 코페르니쿠스의 지동설을 뒷받침했다.

천동설에 따르면 우주의 중심에는 지구가 위치하고, 달·수성·금성·태양·화성·목성·토성이 지구를 중심으로 회전한다고 보았다. 그러나 천동설에서는 금성이 항상 태양과 지구 사이에 있어야 하기 때문에 반달 이상의 위상이 보일 수 없다. 금성이 태양 반대편에 위치할 수 없다고 가정했기 때문이다. 그러나 갈릴레이는 금성이 보름달 형태로 보이는 현상을 관측했고, 이는 금성이 지구가 아니라 태양을 중심으로 공전한다는 결정적인 증거가 되었다. 그의 발견은 천동설을 지지하던 기존 우주관에 대한 도전이었으며, 신비롭고 신성한 영역으로만 여겨졌던 우주를 과학적 탐구의 대상으로 전환하는 데 결정적인 역할을 했다.

우주망원경 허블과 제임스웹, 우주로 쏘아올린 인류의 호기심

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특집 맛보기 ❷ 허블망원경의 구조와 장비: 허블망원경, 어떻게 생겼을까

키워드리포트
01 망원경의 발명, 현대 천문학의 출발점 | 02 지상 천체망원경의 한계, 망원경을 우주로 쏘아올릴 생각
03 천문학자 허블의 업적을 기린, 허블 우주망원경 | 04 ‘서른다섯 살’ 허블망원경, 첫 시련과 한계, 그리고 수명
05 차세대 우주망원경, 제임스웹의 화려한 등장| 06 제임스웹 우주망원경의 활약,  ‘우주를 향한 인류의 질문은 멈출 수 없다’

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