[GMT특집2] GMT 거울 오차? "태평양 크기의 2cm 수준"
[GMT특집2] GMT 거울 오차? "태평양 크기의 2cm 수준"
  • 김진솔
  • 승인 2018.06.20 17:12
  • 조회수 3157
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<이웃집과학자>에서는 한국천문연구원의 박병곤 단장과의 인터뷰를 토대로 세계에서 가장 큰 망원경, 거대마젤란망원경(GMT)에 대한 특집 콘텐츠를 선보이고 있습니다. 이전 인터뷰 기사는 아래 링크를 클릭! 하세요!


[GMT특집1] 한국, 거대망원경으로 천문 '인싸' 진입

 

GMT의 눈, 주(主)거울!

 

GMT의 주거울과 부거울 출처: GMTO
GMT의 주거울과 부거울. 출처: GMTO

주거울은 GMT의 '눈'이라고 할 수 있습니다. 별 빛을 모으는 장치인데요. 주거울은 총 7개, 하나하나의 지름은 자그마치 8.4m입니다. 7개의 거울이 모이면 25m급의 망원경이 된다고 해요. 

 

이 거울을 만들기 위해서는 만만치 않은 기술이 필요한데요. 크기가 거대할 뿐 아니라 '비축반사경(off axis parabolic mirror)'을 만들어야 하기 때문입니다. 박병곤 단장도 "비축반사경도 많이 쓰긴 쓰는데 8.4m 크기의 비축반사경이라는 건 세계적으로 아무도 만들어본 적 없다"며 "이걸 만드는 게 기술적으로 굉장히 중요"하다고 강조했는데요. 이게 무슨 얘기냐고요? 차근차근 풀어서 설명드릴게요.

 

일반적인 포물면과 비축반사경 출처: asphericon
(좌)일반적인 포물면과 (우)비축반사경. 출처: asphericon

GMT에 있는 7개의 주거울 중 가운데 있는 거울은 축 위로 빛을 모으는 일반적인 '정축' 포물면입니다. 가장자리에 있는 6개의 반사경은 '비축' 반사경이에요.

 

GMT의 경우, 주변에 있는 6개의 주거울은 빛을 거울의 가운데가 아닌 옆으로 보내야 합니다. 이렇게 축 바깥으로 빛을 모으는 반사경을 '비축반사경'이라고 하는데요. 박병곤 단장은 "비축반사경도 많이 쓰긴 쓰는데 8.4m 크기의 비축반사경이라는 건 세계적으로 아무도 만들어본 적 없는 것"이라며 "이걸 만드는 게 기술적으로 굉장히 중요하다"고 말했습니다. 이 기술이 GMT 제작 시 가장 어려운 기술이라고 하는데요.

 

이 반사경이 핵심 기술이냐는 질문에 박 단장은 "핵심적인 부분이라고 따로 떼서 얘기할 건 없어요"라며, 그 이유를 "물론 반사경이 없으면 별을 못 보겠지만, 거울이 3개쯤 없어도 괜찮아요. 집광력, 면적이 좀 줄어들 뿐이죠"라고 단호히 말했습니다.

 

주조를 끝낸 GMT 주거울 위에서 포즈를 취한 GMTO와 애리조나대학 관계자들. 출처: GMTO

정말 거대하죠? 위 사진의 거대한 도넛 모양은 GMT의 가운데 위치할 주반사경입니다. 주조가 끝난 유리 위에 사람들이 앉아있는데요. 이렇게 놓고 보니 8.4m는 정말 어마어마한 크기네요.

 

오차 어느 정도?

 

망원경으로 선명한 이미지를 얻기 위해선 '오차 줄이기'가 중요합니다. 최초의 우주망원경인 허블망원경은 '오차' 때문에 곤욕을 치르기도 했는데요. 1990년 발사된 허블우주망원경의 거울에 1.3mm 오차가 있었던 겁니다. 이 때문에 기대에 못 미치는 영상을 얻었던 거죠. 이 오차는 1993년에서야 수리가 완료됩니다.

 

허블망원경 수리 전과 후 출처: NASA
허블망원경 수리 전과 후. 출처: NASA

위 그림은 수리 전 후 허블망원경이 같은 천체를 찍은 사진인데요. 정밀함이 곧 선명도를 결정한다고 할 수 있겠죠?

 

그렇다면 GMT의 주거울은 얼마나 정밀하게 만들어지고 있을까요? 8.4m인 GMT 주거울 면의 오차는 단 '20nm'라고 해요. 

 

GMT거울의 3D이미지 출처: 유튜브/Giant Magellan Telescope
GMT거울의 3D 이미지. 출처: 유튜브/Giant Magellan Telescope

 

GMT에서 오차의 기준은 'λ/20' 이하입니다. 박병곤 단장은 "GMT에서 완벽한 이론적인 곡률에 벗어나는 정도는 우리가 보는 파장의 1/20이하라는 뜻"이라고 말했는데요. 그는 "우리가 보는 파장이라는 게 550nm를 기준으로 하는데, 여기서 1/20이니까 완벽한 곡률에 약간 벗어나는 정도가 대략 25nm정도"라고 밝혔습니다. '머리카락 천분의 일' 수준이라는 건데요. 실제로는 이것보다도 더 정밀하게 제작하고 있습니다.

 

20nm가 어느 정도일까요? 박병곤 단장은 벽에 있는 세계지도를 보여줬습니다.

 

박병곤단장 사무실에 있던 세계지도
박병곤 단장 사무실에 걸린 세계지도.

"나노라는 말을 사람들이 많이 쓰긴 하지만 피부에 와닿진 않아요. 그래서 GMT 8.4m와 경면오차 20nm 각각에 곱하기 100만을 합니다. 8.4m에다 곱하기 100만을 하면 8,400km가 되는거에요. 그걸 20nm에다가 또 100만을 곱해요. 그러면 이게 2cm가 돼요. 세계지도에 있는 큰 동그라미는 8,400km에 해당하는 동그라미를 그린 거에요. 그랬더니 태평양을 가득 채웁니다. 쉽게 말하면 태평양에 파도가 2cm밖에 안 되는 거에요"

 

한 번 더 풀어 설명해드리면 태평양에 놓인 원의 지름이 8,400km죠? 이 원은 살짝 오목한 주거울의 모양이라고 가정합니다. 이렇게 커다란 거울을 아주 균일한 모양으로 만드는 건 사실 불가능에 가까울 정도일텐데요. GMT 주경은 워낙 정교하게 만들어서 태평양 크기로 확대해서 들여다봐도 오차가 고작 2cm밖에 안 난다는 겁니다.

 

8400km에 오차는 2cm!
8,400km에 오차는 2cm!

박 단장은 우리나라가 설계를 맡은 '부거울'에 대해서도 같은 방법으로 설명했습니다. "GMT 부경은 지름이 1m인데 저것도 저 동그라미가 100만을 곱했을 때 동그라미에요. 저 동그라미 안에 한반도를 그대로 집어넣을 수 있습니다. 경면오차에 100만을 곱하면 1.3cm정도니, 주경과 마찬가지로 우리나라 전체의 최고로 높은 산이 1.3cm다, 그렇게 얘기 할 수 있는 거에요. 굉장히 정밀한 거죠" 한반도를 모두 덮을 정도의 크기로 확대해서 들여다봤을때 오차는 고작 1.3cm라는 설명입니다.

 

한반도를 다 덮는데 오차는 단 1.3cm!
한반도를 다 덮는데도 오차는 단 1.3cm!


8.4m 7개가 25m급?

 

망원경 성능을 판단하는 방법은 여러 가지가 있습니다. 그 중 대표적 두 가지는 '분해능'과 '집광력'인데요. 각각에 따라 GMT는 25m급, 그리고 22m급이라고 이야기 할 수 있습니다.

 

먼저 분해능은 뭘까요? 더 친숙한 말로는 '해상도'를 결정하는 요인이라고 있는데요. 엄밀한 정의는 멀리있는 두 점을 '떨어진 두 점'으로 분리할 수 있을까에 대한 척도입니다.

 

이는 관찰하려는 파장이 일정할 때 망원경의 끝과 끝이 멀수록, 더 가까운 것까지 구분할 수 있다고 합니다. 천문연의 관련자료를 참고하면 수식으로는 λ/D라고 쓸 수 있는데요. GMT의 끝과 끝은 약 25m고, 따라서 25m급의 분해능을 가졌다고 할 수 있죠. 끝과 끝의 거리와 반비례하는 분해능에 대해 박병곤 단장은 쌍안경을 예시로 들었는데요.

 

대물렌즈 사이의 거리가 넓을수록 분해능이 올라가요! 출처: pixabay(변형)
대물렌즈 사이의 거리가 넓을수록 분해능이 올라가요! 출처: pixabay(변형)

"군대 최전방에 가면 관측병들이 쌍안경으로 휴전선 너머를 봐요. 근데 쌍안경 대물렌즈는 보통 접안렌즈보다 넓게 떨어져 있잖아요. 분해능은 대물렌즈와 대물렌즈 사이의 길이에 비례하는 거에요. 자동차의 헤드라이트 2개가 가까이서 보면 두 개로 보이잖아요? 근데 멀면 멀수록 각거리가 짧아지기 때문에 어느 순간 두 개가 붙어 있는 것처럼 보이죠. 그니까 분해가 안 되잖아요. 그걸 다시 떨어뜨려서 보려면 망원경으로 봐야 돼요. 지름이 작은 망원경으로 보면 안 떨어져요. 근데 이게 좀 큰 망원경이나 방금 얘기했던 쌍안경, 그런걸로 보면 다 떨어져 보여요"

 

망원경의 성능을 판단하는 또 하나의 중요한 척도, '집광력'이란 얼마나 빛을 잘 모으는가에 대한 척도인데요. 박 단장은 '등가지름(equivalent aperture)'이란 개념을 설명했습니다.

 

"등가지름이 뭔가하면 면적으로 얘기하는 거에요. 저 8.4m 거울 사이에 뻥 뚫린 데가 많이 있어요. 저기론 빛이 안 들어가잖아요? 그러니까 빛을 받는 면만 가지고 빛을 모은 다음에 루트를 씌우는 게 22m인거죠"

 

<이웃집과학자>에서 조금 더 자세히 설명해드릴게요. 각 주경의 지름은 8.4m죠? 그러면 반지름r은 r=8.4m/2입니다.
거울은 총 7개 이므로 총 면적은πr^2, 123.48π인데요.

 
같은 면적을 가진 하나의 거울의 반지름은 어떨까요? √(123.48π/π)겠죠? 그러면 반지름이 약 11m, 즉 지름이 22m가 되네요. 따라서 GMT는 집광력으로 판단했을 때 22m급이라고 말 할 수 있습니다.

 

이 엄청나게 정교하고 거대한 거울은 어떻게 만드는 걸까요? <이웃집과학자>의 GMT 특집 3편을 기대해주세요.
 

##참고자료##

 


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