한편, 네덜란드와 독일 지역 공방들은 내부에 줄무늬나 기포 때문에 대형 유리를 제작할 수 없었지만, 작은 크기의 원판형 유리는 생산할 수 있었습니다. 당시 공방들은 단순히 유리만 만드는 것이 아니라 연마와 광택 기술을 함께 발전시켰습니다. 거친 사암으로 모양을 잡고, 점점 더 고운 연마제(에머리, 부석 가루)를 써서 매끄럽게 다듬은 다음, 송진·피치 같은 재료로 만든 패드에 연마제를 발라 미세한 흠집까지 제거하는 방식이었습니다. 이 과정을 통해 작은 렌즈 표면은 꽤 매끈하고 투명하게 가공할 수 있었죠.

이러한 기술적 배경 속에서 1608년 한스 리퍼셰이Hans Lippershey 가 두 개의 렌즈를 조합한 장치, 오늘날의 망원경을 만듭니다. 그는 확대경으로 특허를 신청하지만, 네덜란드 정부가 “너무 쉽게 복제할 수 있다”며 거절했죠. 같은 해 야코프 메티우스Jacob Metius 도 비슷한 특허를 냈고, 자카리아스 얀센 Zacharias Janssen 이 이미 만들었다는 주장도 제기되었습니다. 다만 리퍼셰이가 공식 기록을 남겼다는 이유로 흔히 망원경 최초 제작자로 불립니다.

망원경은 처음에는 ‘스파이글라스’라 불리며 군사와 항해 분야에서 곧바로 활용되었습니다. 당시 네덜란드는 해상무역과 식민지 개척의 최전선에 있었고, 멀리 있는 배와 해안을 먼저 보는 능력은 곧 무역과 전쟁에서 생사를 가르는 일이었죠. 항구와 등대의 위치를 확인하거나 수평선 너머 다가오는 배를 누구보다 먼저 발견하는 것은 막대한 이익과 안전을 보장했습니다. 이러한 이유로 망원경은 곧 장교들의 필수 장비가 되었고, 나폴레옹 전쟁 시기에는 의복과 무기만큼이나 중요한 군사 도구로 자리 잡았습니다.

 

망원경 발명 소식은 곧 이탈리아까지 퍼졌습니다. 망원경을 손에 넣은 갈릴레오 갈릴레이Galileo Galilei 는 배율이 대물렌즈의 초점거리와 접안렌즈의 초점거리 비율로 결정된다는 원리를 이해했죠. 그는 대물렌즈를 긴 초점거리의 볼록렌즈로, 접안렌즈를 아주 짧은 초점거리의 오목렌즈로 제작해 조합했고, 직접 렌즈를 연마해 기포와 흠집도 최대한 줄였습니다. 이렇게 완성된 망원경에 갈릴레이는 처음으로 '망원경Telescope'이라는 이름이 붙였죠. 이 이름은 그리스어로 '멀리 있는 것을 본다(Tele-Skopein)'는 뜻입니다. 갈릴레이의 망원경은 최대 30배율에 달해, 당시 네덜란드 망원경의 3~4배율보다 월등히 뛰어났습니다.

갈릴레오는 이 망원경을 군사나 항해가 아닌 하늘을 관측하는 데 사용해 달의 산맥과 분화구, 목성의 4개 위성, 금성의 위상을 발견했습니다. 달이 매끈한 구체가 아니라 요철로 가득 차 있다는 사실은 아리스토텔레스가 주장한 ‘하늘은 완전하고 불변한다’는 전통적 믿음을 무너뜨렸죠. 목성을 도는 위성 4개는 모든 천체가 지구를 중심으로 돈다는 천동설과 모순되었고, 금성의 위상 변화는 코페르니쿠스의 지동설을 강력히 뒷받침했습니다. 이로써 망원경은 우주를 바라보는 방식을 근본적으로 바꾼 과학혁명의 도구가 되었죠.

요하네스 케플러Johannes Kepler 는 갈릴레오의 망원경을 한층 더 발전시켰습니다. 그는 1611년 《굴절광학Dioptrice》에서 대물렌즈와 접안렌즈를 모두 볼록렌즈로 사용하는 새로운 설계를 제안했는데, 이것이 바로 케플러식 망원경입니다. 케플러식 망원경은 상이 위아래로 뒤집히는 단점이 있었지만, 갈릴레오식에 비해 훨씬 넓은 시야와 높은 배율을 제공했습니다. 무엇보다도 대물렌즈가 초점면에 상을 맺고, 이를 접안렌즈로 다시 크게 볼 수 있었는데, 이후 천문학자들은 초점면에 분광기를 놓아 별빛의 색을 분석하고, 측광기로 밝기를 측정하며, 나아가 사진 건판을 설치해 실제 하늘을 기록할 수 있었습니다.

그러나 케플러식과 갈릴레오식 굴절망원경은 모두 색수차라는 고질적인 문제를 안고 있었습니다. 색수차란 빛이 색깔마다 굴절되는 정도가 달라서 상의 색이 분리되어 보이는 현상입니다. 이 문제를 해결하기 위해, 서로 다른 굴절률과 분산률을 가진 유리를 조합하는 방식이 등장했습니다.

1729년 체스터 무어 홀Chester Moor Hall 이 크라운 유리와 플린트 유리를 결합한 아크로매틱 렌즈를 제작했습니다. 아크로매틱 렌즈는 일반적으로 두 대표 파장인 적색과 청색만을 거의 같은 초점으로 모아주었기 때문에 녹색 등 중간 파장에서는 잔류 색수차가 남아 있었습니다.

잔류 색수차를 더욱 줄이기 위해, 더 많은 파장을 동일 초점에 맺히도록 설계된 아포크로매틱 렌즈의 개념이 등장했습니다. 독일의 에른스트 아베Ernst Abbe, 오토 쇼트Otto Schott, 카를 자이츠Karl Zeiss 등에 의해 1886년경 이 새로운 렌즈 설계 및 광학유리 개발에 성공해 상업적으로 출시하죠. 이 렌즈는 세 가지 파장(보통 적색·녹색·청색)을 거의 동일 초점으로 모을 수 있었으며, 색수차 보정 성능이 비약적으로 개선되었습니다.

앨번 클라크Alvan Clark 는 1897년 이 기술을 바탕으로 세계 최대의 굴절망원경, 직경 약 1m의 예르키스Yerkes 망원경을 제작했습니다. 그러나 렌즈는 커질수록 무거워지고, 두꺼운 유리는 빛을 많이 흡수한다는 한계가 있었습니다. 결국 직경 1m를 넘는 대물렌즈는 사실상 불가능했고, 굴절망원경의 시대는 여기서 멈추게 되었습니다.

① 색수차 해결

아이작 뉴턴Isaac Newton 은 프리즘 실험을 통해 굴절망원경의 색수차가 단순히 렌즈의 결함이 아니라 빛 자체의 성질 때문이라는 사실을 밝혀냈습니다. 그는 “렌즈가 빛을 굴절시키는 한 색수차는 피할 수 없다”는 결론에 도달했고, 그래서 굴절 대신 반사를 이용하는 방법을 고안했습니다. 그렇게 1668년, 세계 최초의 반사망원경을 제작한 것이죠. 뉴턴이 만든 망원경은 직경 2.5cm, 길이 15cm의 소형이었지만 무려 40배율을 자랑했습니다.

1672년 프랑스의 카세그레인Laurent Cassegrain 은 뉴턴의 발상을 한층 더 발전시킨 독창적인 설계를 발표했습니다. 그는 가운데 구멍이 뚫린 오목한 주경과, 주경이 모은 빛을 다시 반사해 뒤로 보내는 작은 볼록 부경을 사용했습니다. 이렇게 하면 긴 초점거리를 짧은 망원경 안에 담을 수 있었고, 관측자가 훨씬 편한 위치에서 상을 볼 수 있었습니다. 오늘날까지도 천문대 대형 망원경의 기본 구조가 카세그레인 방식이라는 점에서 그의 아이디어는 매우 선구적이었습니다.

반사망원경은 또다른 장점이 있었는데 빛을 반사시켜 빛의 경로를 늘이기 때문에 초점거리를 늘려 망원경의 성능을 높일 수 있다는 것이죠. 윌리엄 허셜William Herschel 은 지름 120cm의 반사경으로 약 12m 길이의 거대 반사망원경을 제작했습니다. 이 망원경 제작은 영국 국왕이 직접 지원한 대규모 국책 프로젝트였죠. 허셜은 이 망원경을 통해 천왕성을 발견해 태양계의 경계를 넓혔고, 수많은 성운과 성단을 기록했습니다.

하지만 이때까지의 반사 망원경은 구리와 주석을 섞은 합금인 스페큘럼 메탈을 갈아 반짝이는 거울을 만들었는데, 이 재료는 반사율이 낮고 쉽게 산화되어 주기적으로 다시 연마해야 한다는 한계가 있었습니다.

 

하지만 은은 잘 반사되면서도 변색이 빠른 단점이 있었습니다. 이를 해결한 것은 1930년대의 존 스트롱John Strong 으로, 그는 거울 표면에 알루미늄을 진공 증착하는 방법을 고안했습니다. 알루미늄은 은보다 훨씬 오래 유지될 뿐 아니라, 자외선부터 적외선까지 넓은 파장을 고르게 반사했습니다. 이 덕분에 진정한 의미에서 대형 반사망원경 제작이 가능해졌습니다.

 

20세기 초에는 조지 엘러리 헤일George Ellery Hale 이 이 모든 기술을 종합해 초대형 망원경 건설에 나섰습니다. 그는 유리를 거대한 몰드에 부어 수개월 동안 천천히 식히면서 내부 기포를 없애는 당시로서는 혁신적인 방식으로 대형 거울을 제작했습니다. 그 결과 1917년 윌슨 산 천문대의 100인치 후커 망원경, 1948년 팔로마 천문대의 200인치 헤일 망원경이 완성되었습니다. 후커 망원경은 곧 천문학의 혁명적인 발견을 이끌었습니다. 에드윈 허블Edwin Hubble 은 이 망원경으로 안드로메다가 우리 은하의 일부가 아니라 독립된 외부 은하임을 밝혔습니다. 이어서 1929년에는 멀리 있는 은하일수록 더 빠른 속도로 멀어진다는 사실을 관측해, 우주가 정적인 무대가 아니라 끊임없이 팽창한다는 허블의 법칙을 발표했습니다. 이는 현대 우주론의 출발점이 되었고, 인류의 우주관을 송두리째 바꾸는 계기가 되었습니다.

또한 하와이의 케크 망원경은 36개의 작은 거울을 정밀하게 배열해, 마치 하나의 10미터짜리 거울처럼 작동하게 했습니다. 이렇게 세그먼트 거울 기술은 이후 우주망원경에도 이어지는 중요한 혁신이 되었죠.

과학 기술의 발전으로 눈으로 보지 못하는 적외선, 자외선 등의 빛의 스펙트럼이 있다는 것이 밝혀지고, 20세기 중반, 망원경의 시선은 가시광선을 넘어 전파로 확장되었습니다.

벨 연구소의 칼 얀스키Karl Jansky 는 대서양을 건너는 무선 통신에 자꾸 끼어드는 이상한 잡음을 조사하기 위해 거대한 회전식 안테나를 세우고 하루 종일 하늘의 전파를 기록했습니다. 그러다 잡음이 24시간 주기가 아니라 23시간 56분 주기로 반복된다는 것을 발견하죠. 이는 지구의 자전 주기와 일치하는 수치로, 잡음이 지구에서 오는 것이 아니라 은하 중심에서 오는 전파라는 뜻이었습니다. 얀스키는 인류 최초로 우주에서 오는 전파를 발견하며 전파천문학의 문을 열었지만, 당시 사람들은 별빛만 연구 대상으로 생각했기에 그의 업적은 오랫동안 크게 주목받지 못했습니다.

얀스키의 논문을 접한 그루트 레버Grote Reber 는 이 발견에 깊이 감명을 받아 자기 집 뒷마당에 직경 9미터짜리 접시형 안테나를 세워 세계 최초의 전파망원경을 제작했습니다. 그는 이 전파망원경으로 하늘의 전파 지도를 완성했죠. 특히 은하수 방향에서 강한 전파가 온다는 사실을 밝혀내며, 광학망원경으로는 볼 수 없는 우주의 또 다른 모습을 처음으로 드러냈습니다.

1960년대에는 당시 대학원생이었던 조슬린 벨 버넬Jocelyn Bell Burnell 이 전파천문학의 새로운 장을 열었습니다. 그녀는 케임브리지 대학에서 대형 전파망원경을 운영하며 수많은 기록 그래프를 분석하던 중, 이상하게도 일정한 간격으로 깜박이는 듯한 신호를 발견했습니다. 너무 규칙적이라 당시 연구팀은 농담처럼 그것을 “LGM(Little Green Men)”, 즉 작은 초록 외계인들의 신호라고 불렀습니다. 하지만 더 많은 연구 끝에 이 신호는 초신성 폭발 뒤 남은 중성자별이 엄청난 속도로 자전하며 내는 전파임이 밝혀졌죠. 이렇게 발견된 펄서Pulsar 는 중성자별의 존재를 직접 증명한 최초의 사례였고, 이후 블랙홀과 우주 극한 환경을 연구하는 핵심 단서가 되었습니다.

얀스키가 우연히 발견한 은하 전파, 레버가 뒷마당에서 완성한 전파 지도, 벨 버넬이 찾아낸 펄서는 모두 광학망원경으로는 볼 수 없는 것들이었죠. 이로써 전파망원경은 천체물리학의 핵심 도구로 자리잡게 되었습니다.

가시광과 전파를 제외한 대부분의 빛은 지구 대기권에 가로막혀 지상에 도달하지 못합니다. 별빛이 대기에서 흡수되거나 산란되기 때문에 지상 망원경으로는 결코 포착할 수 없는 우주의 신호가 존재하는 것이죠. 이 문제를 극복하기 위해서는 결국 망원경을 대기권 바깥으로 올려야 했습니다. 이 구상을 처음 제안한 인물은 독일의 로켓 과학자 헤르만 오베르트Hermann Oberth 였지만 그가 구상했을 때에는 로켓조차 본격적으로 발사하지 못했던 시기라 그의 제안은 공상처럼 여겨졌습니다.

그러나 20세기 후반, 우주개발이 본격화되면서 상황이 달라졌습니다. 1985년 나사NASA 에서 수많은 인공위성 발사 경험을 바탕으로 최초의 우주망원경을 완성했죠. 우주 팽창의 비밀을 밝혀낸 천문학자 허블의 이름을 따 허블 우주 망원경(HST)이라 명명되었습니다. 하지만 발사 직전 챌린저호 참사가 발생하면서 허블은 무기한 연기되었고, 오랜 기다림 끝에 1990년 디스커버리호에 실려 궤도에 안착했습니다. 하지만 제작 과정에서 발생한 초점 오류 때문에 허블 우주 망원경이 보내온 영상은 기대와 달리 흐리고 뿌옇게 번진 모습이었습니다. 나사는 1993년부터 여러 차례 우주비행사를 보내 수리와 보수를 진행해 정상 작동하게 되었죠. 수리 이후 허블 우주 망원경은 은하의 진화, 별의 탄생, 우주 팽창률 측정 등 수많은 발견을 해내었습니다.

21세기에는 극저온의 적외선을 포착해 우주의 가장 초기 신호를 보기 위한 제임스 웹 우주 망원경(JWST)이 제작되었습니다. 존 매더John Mather 와 동료들은 영하 200도 이하에서도 안정적으로 작동하는 베릴륨 세그먼트 거울을 설계했고, 이를 벌집 모양의 18개 조각으로 나누어 제작했습니다. 각 거울은 얇은 금막으로 코팅되어 적외선을 잘 반사했죠. 발사 후 우주에서 이 거울들이 하나하나 펼쳐지고 정렬되었습니다.

제임스 웹은 허블보다 훨씬 더 멀리, 더 오래된 빛을 보는 것을 목표로 삼았습니다. 이를 통해 빅뱅 직후 형성된 최초의 은하와 별, 외계 행성의 대기 속 생명 징후까지 탐지할 수 있을 것으로 기대되고 있습니다.

*이번 뉴스레터는 한국기계산업진흥회에서 발행하는 KOAMI Insight 매거진에 기고한 내용을 바탕으로 작성되었습니다.

김명호. (2020). 관찰과 표현의 과학사. 이데아.

지웅배. (2018). 별, 빛의 과학. 위즈덤하우스.