천체와우주 4. 빛과망원경
빛 ( 좁은의미의 ) 빛이란? 빛은어떻게만들어지는가? 사람의눈으로감각할수있는그무엇 파장이 380 nm 에서 740 nm 사이인전자기파 ( 넓은의미의 ) 빛이란? 모든파장의전자기파 전자기상호작용의매개체 뜨거운물체의표면에서나오는복사 원자가내는빛 싱크로트론복사 ( 가속되는전하 ) 체렌코프복사 ( 충격파 ) God said let there be light, and there was light. 해는지구에게빛과에너지의주된공급원이다. 뜨거워진물체는빛을낸다. 전자기파는진동수 ( 파장 ) 에다라여러이름으로불리고있다.
빛의감지 사람은빛에반응하는눈을가지고있다. 사진기술은천문학의발전에획기적인기여를했다. 사람의눈은렌즈로망막에상을맺은후, 막대세포 ( 명암 ) 와 3 종의원추세포 ( 색 ) 를통해밝기와색을인지한다. CCD(charge coupled device) 는사진기술에일대변혁을가져왔다. 사진의디지털화와빠른처리로천문학기술에도혁신을일으켰다.
빛의성질 직진 광선 회절과간섭 반사, 굴절, 분산 편광
빛의속력 빛의속력 자연의기본상수, 진공에서빛이전파하는속력 ( 특수상대성 ) 물질, 에너지, 정보가전달될수있는최대속력 현재 m 단위를정의하는데쓴다. ( 위의값이 1 m 를정의한다.) 빛의속력관련역사 1676년, Ole Rømer가목성의달이오의겉보기운동을관찰하여빛의속력이유한함을보였다. 1729 년, James Bradley 가광행차가유한한빛의속력때문에생기는것임을보이고이를바탕으로빛의속력을추정했다. 1865년, James Clerk Maxwell이빛의속력이전자기파의속력과일치함을보였다. 1905년, Albert Einstein이빛의속력은광원의운동과무관함을특수상대성의근본원리로세웠다.
뢰머의광속결정 목성의달중가장안쪽에있는이오의공전주기는 42시간 27분 22초이다. 이오가목성의그림자에들어가거나나오면서갑자기사라지거나타나타는식 (eclipse) 이주기적으로있다. 이오의식은지구가공전궤도상에 FG 또는 LK 영역에있을때관찰이가능하다. 지구가 F에서 G로움직이는동안이오의식 ( 이경우는이오가목성의그림자속으로사라지는것 ) 이나타나는시기가조금씩빨라진고, L 에서 K로움직이는동안은시기가조금씩느려진다. Ole Rømer (1644-1710) 이것은빛의속력이유한해서지구가 F에서 G로 1676년빛의속력을최이동하는동안이오와지구사이의거리가초로추정가까워지면서이오의빛이도달하는시간이짧아지기때문이다. A redrawn version of the illustration from the 1676 news report. Rømer compared dthe apparent duration of Io's orbits as Earth moved towards Jupiter (F to G) and as Earth moved away from Jupiter (L to K).
브래들리 - 광행차 1573, Thomas Digges 가태양중심설에따르면별의시차가있으므로, 이를측정하여확인할것을제안 1725년, James Bradley가 γ Draconis를관찰하여 9월에서 3월사이에남쪽으로 40 를움직였다가 3월에서 9월사이에는반대방향으로제자리에돌아온다는것을발견 James Bradley (1693 1762) 1762) 광행차발견 (1725-1728) 지구자전축세차요동 (nutation) 발견 (1728-1748) Bradley's dataonthenorth-south com Bradley s data on the north south com ponent of the aberration of γ-draconis in 1727 establishing stellar aberration.
뜨거운물체가내는빛 흑체와흑체복사 흑체 (black body) - 들어온빛 ( 전자기파 ) 을모두흡수하는이상적인물체 흑체는또한열복사를완전하게방출하는물체이다. 흑체복사 흑체복사스펙트럼을계산하는문제는양자역학탄생의계기가되었다. 흑체복사스펙트럼 슈테판-볼츠만의법칙 (Stefan-Boltzmann s Law) 흑체에서복사되는에너지는온도의네제곱에비례한다. 슈테판-볼츠만상수 뜨거운물체는온도에따라다른스펙트럼을가진전자기파복사를낸다. 스펙트럼방출도 빈의변위법칙 (Wien s Displacement Law) 방출도가최대인파장은온도에반비례 플랑크의복사스펙트럼 플랑크상수 (Planck s constant)
흑체복사응용의예 - 별과그행성사이의온도관계 태양이방출하는전자기복사의일률 : 지구에서의태양빛의세기 : 태양상수 지구에흡수되는전자기복사의일률 지구의온도는? 열적평형 : 흡수되는일률 = 방출하는일률
THEOLOGICAL THERMODYNAMICS 천국은지옥보다더뜨겁다! [Applied Optics (1972, 11 A14)] 천국의온도 [ 이사야 30:26] 여호와께서그백성의상처를싸매시며그들의맞은자리를고치시는날에는달빛은햇빛같겠고햇빛은칠배가되어일곱날의빛과같으리라. 태양상수가 1+7x7=50 배가된다. 지옥의온도 [ 요한계시록 21:8] 그러나두려워하는자들과믿지아니하는자들과흉악한자들과살인자들과행음자들과술객들과우상숭배자들과모든거짓말하는자들은불과유황으로타는못에참여하리니이것이둘째사망이라. 액체상태의유황 (1 기압에서녹는점 115.4, 끓는점 444.8 ) 의존재 반박 [The Journal of Irreproducible Results, Vol 25, No.4:17-18] 액체유황의존재로부터지옥의온도를알기위해서는지옥의압력을알아야한다. 지옥에떨어진영혼의수와지옥의용적으로부터추정되는지옥의압력 P Hell = 10 10 기압 지옥의높은압력상태에서는유황의끓는점이 525 보다훨씬높다. 따라서지옥이천국보다더뜨겁다.
원자가내는빛 원자의불꽃반응 태양의흡수선 원자마다고유의선스펙트럼을보인다. 원자를설명하기위해서는양자역학이필요 별의흡수선은별대기의구성원자와상태를알려준다.
망원경
망원경의역사 렌즈의발견 수정렌즈는선사시대부터알려져있었다. 2세기경 Ptolemy가반사, 굴절, 색을포함한빛의성질에대해 Optics에기록했다. 10세기경페르시아학자인 Ibn Sahl이당시의광학에대해자세한기록을만들었다. 12 세기경유럽에서는확대경, 렌즈를사용해불을붙이는것에대해잘문서화되어있었다. 13세기후반에서 14세기초에볼록렌즈를사용하여원시를교정하는안경이북이탈리아에서발명 1451년 Nicholas of Cusa가오목렌즈로근시를교정하는안경을발명했다. 최초의망원경 1608 년네덜란드의안경제작자인 Hans Lippershey, Zacharias Janssen, 그리고 Jacob Metius 가발명 볼록대물렌즈와오목접안렌즈, 두개의렌즈를사용한굴절망원경 Hans Lippershey가오목렌즈앞에볼록렌즈를놓아멀리떨어져있는물체를확대해보고있다. 그는두렌즈를나무통에장착하여첫망원경을제작하고특허신청을하였다.
갈릴레이망원경 1609 년망원경이발명되었다는소식을듣고독자적으로제작에성공 갈릴레이는 1609 년 6 월에베네치아에있다가멀리있는물체가가깝고크게보인다는네덜란드망원경에대해듣는다. 베네치아에서파도바로돌아온그다음날납관에볼록렌즈와오목렌즈를붙여그의첫망원경을만들었고, 며칠후더나은망원경을만드는데성공했다. 그는그것을들고베니스로가서여러사람들에게자신의발명품에대해자세하게알리고망원경을베니스총독에게기증하였다. 그대가로의회는그를파도바대학의종신교수로임명하고월급을두배로올려주었다. 갈릴레이의망원경도최초의망원경과같이볼록대물렌즈와오목접안렌즈로구성되었다. Galileo showed the Doge of Ve nice how to use the telescope (Fresco by Giuseppe Bertini) 갈릴레이의망원경은약 30 배의배율을가졌으나, 디자인의한계로인해시야가좁고상이흐리고왜곡이있으나하늘을관측하기에는충분했다.
케플러망원경 볼록대물렌즈와볼록접안렌즈로구성한굴절망원경을제안 (1611) 갈리레이망원경에비교해시야가넓고상이선명, 그러나상의상하좌우가바뀐다. 케플러식망원경의큰장점은두렌즈사이에초첨면이존재해서시야에서볼수있는측정기구를둘수있다는것이다. Christoph Scheiner 가처음으로실제제작 (1630) William Gascoigne 는우연히초첨면에놓인거미줄이보이는것을발견하고, 이에착안하여두렌즈사이의초첨면에그물망과마이크로미터를두어천체의각거리측정에활용 (1630 대후반 )
Christiaan Huygens 구경 57 mm 초첨거리 3.7 m 망원경제작 1655-1659 년토성의위성과고리발견 배율을높이기위해렌즈의구경을키우면서색수차, 구면수차발견 초점거리를늘리면색수차를줄일수있다는사실발견, 망원경의길이가길어지게된다. Giovanni Cassini Huygens' explanation for the aspects 11 m 망원경제작, 토성의 5 번째위성 (Rhea) 발견 of Saturn, Systema Saturnium, 1659 관의길어지는문제때문에관이없는공기망원경 (aerial telescope) 등장 실제관측을위해서는관찰자의고도의기술과끈기가필요 Johannes Hevelius가만든 45 m 길이의케플러식굴절망원경을그린목판화. 망원경의관이너무길어서휘고, 움직이면진동이심하고, 가끔씩부셔져서연구에는별로활용되지못했다.
Marin Mersenne 1636 년포물면주거울과 2 차거울로된망원경제안 James Gregory Optica Promota(1663 년 ) 에서원뿔단면거울을이용한망원경은색수차와구면수차가없음을지적 실제제작은초기에는기술부족으로실패, 10 년후성공 뉴튼 Light path in a Newtonian telescope 1666년굴절망원경의색수차는빛의색에따른굴절률의차이에서기인함을인지 1668 년구경 1.3 inch 의첫반사망원경완성대물거울재료로경청동사용. Laurent Cassegrain 1672년 2차거울로볼록쌍곡면거울을사용한반사망원경고안 A replica of Newton's second reflecting telescope which h was presented to the R oyal Society in 1672.
William Herschel 1774 년음악선생이었으나, 취미생활로반사망원경제작을시작 1789 년 2 차거울을없앤 Herschel 식반사망원경제작 William Herschel's 49 inch (1 200 mm) "40 William Herschel's 49-inch (1,200 mm) "40 -foot" telescope of 1789 (Illustration from Encyclopædia Britannica Third Edition pub lished in 1797)
망원경의성능 집광능 (light-gathering gathering power) 어두운물체를볼수있는능력 망원경의주렌즈 / 거울의면적에비례 눈 vs 망원경 : 렌즈 / 거울에의한손실 눈과 CCD 의감도비교 분해능 (resolution) 물체를구별해낼수있는능력 대기의요동에의한한계 : 1 adaptive optics 수차 (aberration) 색수차 구면수차 coma
최적의관측지 Mauna Kea 하와이, 고도 4,200 m 망원경들 Keck I, II, Subaru, Gemini, Atacama desert 칠레, 고도 2,600 m 망원경들 VLT, ALMA,
세계최대의굴절망원경 세계최대의굴절망원경세계최대의굴절망원경 Yerkes Observatory in Wisconsin, 1890s, 지름 1m
Mt. Wilson 100 inch Telescope Mt. Wilson Observatory
KECK I, II W. M. Keck Observatory Keck I, II 지름 10 m, 초점거리 17.5 m 반사망원경
Very Large Telescope European Southern Observatory VLT 지름 8.2 m 반사망원경 x 4 개
허블우주망원경 허블망원경 최초의우주망원경. 1990 년시작, 1993 년거울교정이후 5 회추가수리및업그레이드 고도 559 km 지구궤도를하루에 14~15 회공전 Ritchey Chrétien 망원경 ( 쌍곡면주거울과 2 차거울을사용하는특화된 Cassegrain 망원경 ) 구경 2.4 m, 초점거리 57.6 m 의주거울
본다는것은 가시광선 X 선적외선초음파 가시광선 X 선중성미자
전자기파스펙트럼
X 선망원경 Focusing X-ray Chandra X-ray Observatory X 선으로본 Tycho 초신성의잔해 PSR B1509-58
감마선망원경
전파망원경 Combined Array for Research in Millimeter-wave Astronomy (CARMA) VLA (Very Large Array) 전파망원경
The Arecibo radio telescope is currently the largest single-dish telescope in the world. First opening in 1963, this 305 meter (1000 foot) radio telescope resides in a natural valley of Puerto Rico.
중성미자망원경 Super KamiokaNDE Masatosh Koshiba, 2002 년노벨물리학상수상 지하 1000 m, 지름 39.3m, 높이 41.4m 스테인리스탱크 순수한물 50,000톤 11,146개의광증배관 - 물속에서광속보다빠른입자가만드는체렌코프빛을검출한다 SN1987A 의중성미자관측 뮤온중성미자의진동관찰.