망원경 보충

망원경 보충

과외 · 성수중1-방준희 · 1-2 과학

1. 천체 망원경은 어떤 장치일까?

천체 망원경은 천체에서 오는 빛을 모아 어두운 천체를 관찰하고, 천체의 모습을 확대하여 자세히 살펴보는 장치이다. 빛을 많이 모을수록 어두운 천체를 관측하기 유리하며, 구경이 클수록 가까이 붙어 보이는 두 점을 구별하는 능력도 좋아진다. 실제 관측에서는 대기의 흔들림과 광학 장치의 상태도 영향을 준다.

이 강의에서는 대물렌즈를 사용하는 굴절 망원경을 중심으로 구조를 살펴본다. 반사 망원경은 대물렌즈 대신 오목거울인 주경으로 빛을 모은다. 가대의 종류에 따라 균형추가 없는 망원경도 있다.

2. 천체 망원경의 구조와 역할

2.1 대물렌즈와 접안렌즈의 차이

대물렌즈의 구경은 빛이 들어오는 유효한 지름이다. 구경이 크면 빛을 받는 면적이 넓어진다. 다른 조건이 같을 때 구경이 2배이면 빛을 모으는 면적은 약 4배가 된다.

접안렌즈는 교체하여 배율을 바꿀 수 있다. 같은 망원경에서는 초점 거리가 짧은 접안렌즈를 사용할수록 배율이 높아진다.

빛을 모아 상을 만드는 부품은 대물렌즈, 그 상을 확대해서 보는 부품은 접안렌즈이다.

2.2 초점 조절과 배율 조절의 차이

초점 조절 나사를 돌리는 것은 일반적인 망원경에서 배율을 바꾸는 방법이 아니다. 접안렌즈를 교체한 뒤에는 초점도 다시 맞춘다.

2.3 보조 망원경이 필요한 이유

주 망원경은 배율이 높을수록 한 번에 볼 수 있는 하늘의 범위가 좁아져 천체를 찾기 어렵다. 보조 망원경은 넓은 범위를 보여 주므로 천체의 위치를 먼저 찾는 데 유리하다. 관측 전에는 보조 망원경과 주 망원경이 같은 대상을 가리키도록 정렬해야 한다.

2.4 가대와 균형추

경위대식 가대는 망원경을 위아래와 좌우로 움직인다. 적도의식 가대는 한 회전축을 지구의 자전축과 나란히 맞추어 천체의 일주 운동을 따라가기 쉽게 만든다. 균형추는 대표적으로 적도의식 가대에서 경통 반대쪽의 무게 균형을 맞추는 데 사용한다.

3. 배율과 관측 순서

3.1 배율 계산

망원경의 배율 = 대물렌즈의 초점 거리 ÷ 접안렌즈의 초점 거리

예를 들어 대물렌즈의 초점 거리가 600 mm라면 다음과 같다.

배율이 높다고 항상 더 잘 보이는 것은 아니다. 높은 배율에서는 시야가 좁아지고 흔들림이 크게 느껴진다. 달이나 행성처럼 넓이가 있는 대상은 보통 더 어둡게 보이며, 대기 상태나 망원경 성능에 비해 배율이 지나치게 높으면 자세한 구조가 더 드러나지 않는다.

3.2 관측 순서

1. 평평하고 단단한 곳에 삼각대를 설치하고 가대와 경통을 고정한다.
2. 균형추가 있는 망원경은 경통을 안전하게 받친 상태에서 무게 균형을 맞춘다.
3. 태양과 충분히 떨어진 먼 지상 물체를 이용해 보조 망원경과 주 망원경을 정렬한다.
4. 초점 거리가 긴 접안렌즈를 끼워 낮은 배율로 시작한다.
5. 보조 망원경으로 천체를 찾은 뒤 주 망원경 시야의 가운데에 놓는다.
6. 초점 조절 나사를 천천히 돌려 가장 선명한 상을 얻는다.
7. 필요하면 배율을 높이고 초점을 다시 맞춘다.

태양 관측 주의: 일반 망원경이나 보조 망원경으로 태양을 직접 보면 실명할 수 있다. 태양 관측은 전문가의 지도 아래 망원경에 적합한 전용 태양 필터를 앞쪽에 안전하게 장착하는 등 올바른 장비와 절차를 갖춘 경우에만 한다. 선글라스는 보호 장비가 아니다.

4. 태양계 행성의 순서와 분류

태양에서 가까운 순서는 수성 → 금성 → 지구 → 화성 → 목성 → 토성 → 천왕성 → 해왕성이다. 행성은 태양처럼 스스로 가시광선을 만들어 밝게 빛나는 별이 아니라, 주로 태양빛을 반사하여 보인다.

자전은 천체가 자신의 축을 중심으로 도는 운동이고, 공전은 다른 천체 주위를 도는 운동이다. 태양에서 멀리 있는 행성일수록 공전 주기가 길다.

중학교에서는 바깥쪽 네 행성을 목성형 행성으로 묶는다. 더 자세히 나누면 목성·토성은 가스 거대 행성, 천왕성·해왕성은 얼음 거대 행성이다. 여기서 ‘얼음’은 구성 물질의 종류를 나타내는 분류 용어이며, 내부가 모두 차가운 고체 얼음이라는 뜻은 아니다.

5. 태양계 8개 행성 자세히 알아보기

5.1 수성 — 태양에 가장 가까운 작은 행성

• 위치와 크기: 태양에서 첫 번째이며, 8개 행성 중 가장 작다.
• 표면: 암석으로 이루어져 있고 충돌 구덩이가 많아 달과 비슷하게 보인다.
• 대기와 온도: 열을 유지하고 운반할 만한 대기가 거의 없어 낮과 밤의 온도 차가 매우 크다. 낮에는 약 430℃, 밤에는 약 -180℃까지 내려갈 수 있다.
• 운동: 약 88일 만에 태양을 한 바퀴 돌아 공전 주기가 가장 짧다. 자전 주기는 약 59일이다.
• 위성과 고리: 둘 다 없다.

핵심: 태양에 가장 가깝지만 가장 뜨거운 행성은 아니다. 가장 뜨거운 행성은 두꺼운 대기의 온실 효과가 강한 금성이다. NASA 수성 자료

5.2 금성 — 두꺼운 대기로 매우 뜨거운 행성

• 위치와 크기: 태양에서 두 번째이며, 크기와 질량이 지구와 비슷하다.
• 대기: 이산화 탄소가 대부분인 매우 두꺼운 대기와 황산 구름이 있다. 표면의 기압은 지구 해수면 기압의 약 90배이다.
• 온도: 강한 온실 효과로 평균 표면 온도가 약 465℃에 이르러 8개 행성 중 가장 뜨겁다.
• 운동: 공전 주기는 약 225일, 자전 주기는 약 243일이다. 대부분의 행성과 반대 방향으로 자전한다. 이때 자전 주기와 해가 뜨고 다시 뜰 때까지의 시간은 다르다.
• 관측: 두꺼운 구름이 햇빛을 잘 반사하여 밝게 보인다. 지구보다 안쪽에서 공전하므로 주로 해 뜨기 전 동쪽 하늘이나 해 진 뒤 서쪽 하늘에서 볼 수 있다.
• 위성과 고리: 둘 다 없다.

핵심: 지구와 크기는 비슷하지만 환경은 매우 다르다. NASA 금성 자료

5.3 지구 — 액체 상태의 물과 생명체가 있는 행성

• 위치와 표면: 태양에서 세 번째이며, 암석으로 된 육지와 넓은 바다가 있다. 표면의 약 71%를 물이 덮는다.
• 대기: 주성분은 질소와 산소이다. 대기는 생명 활동에 필요한 환경을 제공하고 온도 변화를 완화한다.
• 물과 생명: 표면에 액체 상태의 물이 풍부하며, 현재 생명체의 존재가 확인된 유일한 행성이다.
• 운동: 자전 주기는 약 24시간, 공전 주기는 약 365일이다. 자전축이 기울어진 채 공전하면서 계절에 따라 햇빛을 받는 각도와 낮의 길이가 달라진다.
• 위성과 고리: 자연 위성은 달 하나이며 고리는 없다.

핵심: 계절은 주로 지구와 태양 사이의 거리 변화 때문이 아니라, 자전축의 기울기와 공전 때문에 생긴다. NASA 지구 자료

5.4 화성 — 붉은 표면과 과거 물의 흔적이 있는 행성

• 위치와 색: 태양에서 네 번째이다. 표면의 철 성분이 산화되어 붉은빛을 띤다.
• 대기와 환경: 이산화 탄소가 주성분인 희박한 대기가 있다. 지구보다 춥고 건조하며, 먼지 폭풍이 발생한다.
• 표면: 거대한 화산인 올림푸스산과 깊고 긴 협곡이 있다. 극지방에는 물의 얼음과 이산화 탄소 얼음이 있다.
• 물의 흔적: 과거에 물이 흘렀던 지형과 물과 관련된 광물이 발견되었다. 이것이 곧 생명체 발견을 뜻하지는 않는다.
• 운동: 자전 주기는 약 24.6시간으로 지구와 비슷하고, 공전 주기는 약 687일이다.
• 위성과 고리: 포보스와 데이모스라는 작은 위성 두 개가 있으며 고리는 없다.

핵심: 붉은색, 희박한 대기, 극관, 과거 물의 흔적을 연결해 기억한다. NASA 화성 자료

5.5 목성 — 태양계에서 가장 큰 행성

• 위치와 크기: 태양에서 다섯 번째이며, 크기와 질량이 가장 큰 행성이다.
• 구성: 수소와 헬륨이 주성분인 가스 거대 행성이다. 지구처럼 걸어 다닐 수 있는 뚜렷한 고체 지표면은 없다.
• 대기: 밝고 어두운 띠 모양의 구름과 거대한 폭풍인 대적점이 특징이다. 대적점은 땅 위의 무늬가 아니다.
• 운동: 약 10시간 만에 자전하며 공전에는 약 12년이 걸린다.
• 위성과 고리: 이오·유로파·가니메데·칼리스토가 대표적인 큰 위성이다. 희미한 고리도 있다.
• 관측: 소형 망원경으로 대표적인 큰 위성들을 볼 수 있으며, 조건이 좋으면 구름 띠도 관찰할 수 있다.

핵심: 가장 큰 행성, 빠른 자전, 줄무늬와 대적점이 대표 특징이다. NASA 목성 자료

5.6 토성 — 크고 밝은 고리가 두드러지는 행성

• 위치와 크기: 태양에서 여섯 번째이며, 목성 다음으로 크다.
• 구성: 수소와 헬륨이 주성분인 가스 거대 행성이다.
• 고리: 주로 얼음 조각과 일부 암석·먼지로 이루어진 수많은 입자가 토성 주위를 공전한다. 고리는 하나의 단단한 원판이 아니다.
• 밀도: 평균 밀도가 물보다 작다. ‘물에 뜰 만큼 밀도가 작다’는 설명은 밀도 비교를 위한 비유이다.
• 운동: 자전 주기는 약 11시간, 공전 주기는 약 29년이다.
• 위성: 두꺼운 대기를 가진 타이탄, 얼음 아래 바다가 있는 것으로 알려진 엔셀라두스 등이 있다.

핵심: 고리가 가장 두드러지는 행성이지만, 고리가 있는 유일한 행성은 아니다. NASA 토성 자료

5.7 천왕성 — 자전축이 크게 기울어진 행성

• 위치와 분류: 태양에서 일곱 번째인 얼음 거대 행성이다.
• 구성: 내부에 물·암모니아·메테인 계열 물질이 풍부하며, 대기에는 수소·헬륨·메테인이 있다.
• 색: 대기의 메테인이 붉은 계열의 빛을 흡수하여 청록색 계열로 보인다.
• 자전축: 공전 궤도면에 수직인 방향을 기준으로 약 98° 기울어져, 거의 옆으로 누운 상태로 자전한다. 이 때문에 매우 독특하고 긴 계절 변화가 나타난다.
• 운동: 자전 주기는 약 17시간, 공전 주기는 약 84년이다.
• 위성과 고리: 여러 위성과 희미한 고리가 있다.

핵심: ‘거의 누운 자전축’이 다른 행성과 구별되는 대표 특징이다. NASA 천왕성 자료

5.8 해왕성 — 태양에서 가장 먼 행성

• 위치와 분류: 태양에서 여덟 번째이며, 8개 행성 중 가장 멀리 있는 얼음 거대 행성이다.
• 대기와 색: 수소·헬륨과 메테인이 포함된 대기가 있다. 메테인의 빛 흡수 등이 푸른 계열의 색에 영향을 준다.
• 날씨: 매우 빠른 바람과 거대한 폭풍이 나타난다. 과거 관측된 대흑점 같은 어두운 폭풍은 시간이 지나며 사라지거나 새로운 것이 생길 수 있다.
• 운동: 자전 주기는 약 16시간, 공전 주기는 약 165년으로 8개 행성 중 가장 길다.
• 위성과 고리: 대표적인 위성은 트리톤이며 희미한 고리도 있다.
• 관측: 맨눈으로 보기 어려워 망원경이 필요하다. 교과서 사진의 상세한 모습은 주로 탐사선이나 대형 관측 장비로 얻는다.

핵심: 가장 바깥쪽 행성, 긴 공전 주기, 강한 바람을 기억한다. NASA 해왕성 자료

6. 한눈에 비교하기

아래 주기는 지구의 시간 단위로 나타낸 대략적인 값이다. 자전 주기는 자전축을 중심으로 한 바퀴 도는 시간이며, 태양을 기준으로 한 낮과 밤의 반복 주기와 항상 같지는 않다.

7. 자주 헷갈리는 내용

행성의 분류와 목록은 NASA 태양계 행성 안내를 참고한다.

8. 확인 문제

1. 천체의 빛을 모아 상을 만드는 렌즈와 그 상을 확대해서 보는 렌즈의 이름을 각각 쓰시오.
2. 초점 조절 나사를 돌리는 목적은 무엇인가?
3. 보조 망원경으로 천체를 먼저 찾는 까닭을 설명하시오.
4. 경통의 무게와 균형을 맞추는 부품, 망원경 전체를 지면에서 지지하는 부품을 각각 쓰시오.
5. 대물렌즈의 초점 거리가 800 mm이고 접안렌즈의 초점 거리가 20 mm일 때 배율을 구하시오.
6. 5번 망원경에 10 mm 접안렌즈를 사용하면 배율은 얼마인가?
7. 태양계 행성을 태양에서 가까운 순서대로 쓰시오.
8. 수성보다 금성의 평균 표면 온도가 높은 까닭을 설명하시오.
9. 화성이 붉게 보이는 까닭은 무엇인가?
10. 목성의 대적점과 토성의 고리는 각각 무엇인가?
11. 자전축이 거의 누워 있는 행성과 공전 주기가 가장 긴 행성은 각각 무엇인가?
12. 고리가 있는 행성을 모두 쓰시오.

정답과 해설

1. 대물렌즈, 접안렌즈. 대물렌즈는 집광과 상 형성, 접안렌즈는 확대를 담당한다.
2. 상이 선명하게 보이도록 초점을 맞추기 위해서이다.
3. 배율이 낮고 시야가 넓어 천체의 위치를 찾기 쉽기 때문이다.
4. 균형추, 삼각대. 방향을 조절하고 경통을 받치는 부품은 가대이다.
5. 40배. 800 ÷ 20 = 40이다.
6. 80배. 800 ÷ 10 = 80이다. 같은 망원경에서 접안렌즈 초점 거리가 절반이면 배율은 2배이다.
7. 수성 → 금성 → 지구 → 화성 → 목성 → 토성 → 천왕성 → 해왕성.
8. 금성의 두꺼운 이산화 탄소 대기가 강한 온실 효과를 일으키기 때문이다.
9. 표면에 산화된 철 성분이 있기 때문이다.
10. 대적점은 거대한 폭풍이고, 고리는 토성 주위를 도는 수많은 얼음·암석·먼지 입자의 집합이다.
11. 천왕성, 해왕성.
12. 목성, 토성, 천왕성, 해왕성.