망원경의 작동 원리: 광학망원경, 전파망원경, 우주천문대 설명

망원경의 기본 역할은 인간의 눈이 포착할 수 있는 것보다 더 많은 전자기파를 모으고 초점을 맞추는 것입니다. 망원경의 주 거울, 렌즈 또는 안테나의 지름(개구부)은 두 가지를 결정합니다. 미국 국립전파천문학천문대(NRAO)에 따르면 얼마나 희미한 빛을 모을 수 있는지, 그리고 세부 사항을 얼마나 잘 분리할 수 있는지입니다. 개구부가 클수록 더 희미하고 더 먼 천체가 보이고 더 미세한 구조가 보입니다.

광학망원경: 렌즈, 거울, 그리고 대기 문제

클래식한 광학망원경은 렌즈(굴절망원경) 또는 거울(반사망원경)을 사용하여 가시광선을 모읍니다. 예를 들어 허블 우주망원경은 반사식 설계를 사용합니다. 빛은 2.4미터의 오목한 주거울에 맞고, 약 0.3미터의 작은 부거울로 반사되어, 주거울의 구멍을 통해 과학기구에 도달합니다. NASA 고다드 우주비행센터에 따르면 이렇게 설명됩니다. 리치-크레티엔 설계라고 불리는 이 2거울 구성은 넓은 시야에서 상을 선명하게 유지하도록 설계되었습니다.

지상에서는 최고의 위치라도 대기 난류로 인해 별이 깜빡이고 세부 사항이 흐려집니다. 이는 유럽남방천문대(ESO)에 따르면 설명됩니다. ESO는 칠레에서 초대형망원경을 운영합니다. ESO의 해결책은 적응광학입니다. 파면 센서는 별의 빛이 어떻게 왜곡되었는지 측정하고, 컴퓨터 제어 변형 거울이 실시간으로 왜곡을 보정합니다. 대상 근처에 밝은 천연 별이 없을 때, ESO는 강력한 레이저를 상층 대기에 발사하여 인공 기준 별을 만듭니다. ESO는 이 보정으로 지상의 가시 파장 이미지가 우주망원경 이미지만큼 선명해질 수 있다고 말합니다. 이것은 우주망원경 비용의 일부분입니다.

일부 망원경이 지구를 떠나야 하는 이유

지구의 대기는 단지 이미지를 흐리게 할 뿐만 아니라 전체 파장을 차단합니다. 천문학 교육 사이트 Las Cumbres Observatory에 따르면, 대기는 대부분의 자외선, X선, 감마선 및 대부분의 적외선 방사선을 흡수하거나 반사하며, 주로 가시광선, 일부 적외선 및 전파 스펙트럼의 일부를 통과시킵니다. 이것이 차단된 파장을 연구하기 위해 구축된 천문대(X선에 초점을 맞춘 Chandra 천문대, 감마선 Fermi 우주망원경, Spitzer 및 Herschel과 같은 적외선 임무)가 산꼭대기가 아닌 대기 위를 공전해야 하는 이유입니다.

X선망원경은 가시광선 망원경과 완전히 다른 광학 설계가 필요합니다. 하버드-스미소니언 천체물리학센터의 Chandra X선센터에 따르면, X선 광자는 매우 에너지가 높아서 총알이 벽을 관통하듯이 정면으로 향한 기존 거울을 통과합니다. Chandra의 해결책은 거울을 각도를 두어 배치하여 X선이 얕은 각도로 맞고 물 위의 돌이 튀듯이 초점으로 반사되게 하는 것입니다. Chandra는 4개의 배럴 모양 거울 쌍을 사용합니다. 이들은 몇 개의 원자 정도의 부드러움으로 연마되고 이리듐으로 코팅되며, 약 1.3마이크로미터 이내로 배치됩니다. 이는 인간의 머리카락 폭의 극히 일부입니다. Chandra X선센터에 따르면 이렇게 설명됩니다.

적외선 거대 망원경: 먼지를 통해 보기, 그리고 시간을 거슬러 보기

제임스 웹 우주망원경(JWST)은 가시 빨강에서 중적외선 파장의 빛을 감지하도록 구축되었으며, 대략 0.6에서 28.8 마이크론을 포함합니다. NASA에 따르면 이렇게 설명됩니다. 주거울은 18개의 육각형 금 코팅 세그먼트에 걸쳐 6.6미터를 가로지르며, 허블의 약 5.6배 큰 집광 면적을 제공합니다. 금이 선택된 이유는 붉은색에서 중적외선 빛을 특히 잘 반사하기 때문입니다. NASA는 이러한 크기와 파장 범위의 조합으로 Webb이 130억 광년 이상 떨어진 은하의 희미한 적외선 빛을 감지할 수 있다고 말합니다. 그 적외선 빛은 허블의 기구가 감지할 수 있는 대부분의 가시광선을 차단하는 밀집된 먼지 구름을 통과할 수 있습니다. Webb은 태양-지구 라그랑주점(L2)을 공전하며, 지구로부터 약 150만 킬로미터 떨어져 있으며, 그곳에서 태양과 지구 모두의 따뜻함과 빛 산란 효과로부터 벗어납니다.

전파망원경: 하나의 거대한 눈처럼 작동하는 접시들

전파망원경은 천문학자가 사용하는 가장 긴 파장의 빛을 모읍니다. 약 1밀리미터에서 10미터 이상입니다. NRAO에 따르면 이렇게 설명됩니다. 각 안테나는 포물선 접시를 가지고 있으며, 들어오는 전파를 수신기로 초점을 맞춥니다. 수신기는 분석을 위해 신호를 증폭합니다. NRAO는 이 과정이 광학망원경처럼 작동하지만 훨씬 더 약하고 훨씬 더 긴 파장으로 조정되어 있다고 설명합니다. NRAO는 연구되는 전파 신호가 극도로 희미하다는 것을 지적하며, 그 추정에 따르면 일반적인 휴대전화 신호는 이 망원경이 감지하는 우주 전파의 약 10억 배 강합니다.

단일 접시는 해상도 문제에 직면합니다. 각도 해상도는 파장을 안테나 지름으로 나눈 값에 따라 달라지며, 전파 파장은 매우 길어서 Green Bank Telescope과 같은 큰 접시도 단독으로는 광학망원경의 세밀한 세부 사항과 일치할 수 없습니다. NRAO가 설명합니다. 해결책은 간섭법입니다. 여러 접시를 긴 거리에 걸쳐 연결하여 하나의 훨씬 더 큰 망원경처럼 작동하게 합니다. NRAO는 Very Large Array(27개의 작동 가능한 접시와 1개의 예비)가 뉴멕시코에 있으며 약 40마일의 레일 트랙을 사용한 구성에 펼쳐질 수 있으며, Atacama Large Millimeter/submillimeter Array(ALMA)는 칠레의 66개 접시를 연결하는 예로 인용합니다. 이 접근 방식은 은하를 지도화하고, 블랙홀을 감지하고, 가장 초기의 우주 구조를 연구하는 데 사용됩니다.

• 가시광선 망원경(지상 또는 우주 기반)은 인간의 눈이 보게 될 별, 은하, 성운을 포착합니다.
• Webb과 같은 적외선망원경은 먼지 구름을 투과하여 볼 수 있으며 가장 먼, 가장 오래된 알려진 은하 중 일부에 도달할 수 있습니다. NASA에 따르면 이렇게 설명됩니다.
• Chandra와 같은 X선 망원경은 폭발한 별, 은하 클러스터, 블랙홀 주변을 도는 물질을 연구하도록 구축되었습니다.
• VLA 및 ALMA와 같은 전파망원경 배열은 많은 접시를 하나의 유효한 기구로 결합하여 차가운 가스, 먼 은하, 블랙홀 환경을 지도화합니다. NRAO에 따르면