[광학] 광학을 이용한 천문학 : 오늘날 우주를 밝히는 기술

 

 천문학은 인간이 우주에 대한 호기심으로부터 시작하여 우주를 이해하고자 하는 오랜 열망에서 시작된 학문이다. 초기의 천문학은 사람의 맨눈으로 밤하늘의 별과 행성을 관찰하는 것에만 의존했다면, 광학 기술이 점차 발전되면서 오늘날까지 우주를 탐사하는 방법에 대한 근본적인 변화가 일어났다. 이러한 천문학의 핵심 도구인 광학은 인간이 관측할 수 있는 우주의 경계를 확장했고, 과학적 발견의 문을 열 수 있는 열쇠이다. 1609년 갈릴레오 갈릴레이는 천문 관측에 굴절 망원경을 처음으로 적용하였고 이는 천문학의 혁신을 불러왔다.

그는 굴절 망원경을 사용하여 목성의 위성, 금성의 위상 변화 또 태양의 흑점 등을 관측하고, 그 당시 논란이 되었던 지동설에 대한 증거를 제시하였다. 이때 사용된 굴절 망원경은 망원경의 렌즈를 이용해 빛을 굴절시켜 관측하고자 하는 이미지를 확대하는 방식인데, 이는 색수차(chromatic aberration)와 같은 상을 맺히는 과정에서 한계가 있었다. 이후 1668년에 아이작 뉴턴이 반사 망원경을 개발해 냈고, 기존 굴절 망원경에서 가장 큰 문제로 꼽히던 색수차를 해결했다. 반사 망원경은 거울을 사용하여 빛을 모으는 방식이었기 때문에 굴절 망원경보다 더 크지만, 정밀한 관측이 가능했다. 반사 망원경은 오늘날 대형 천문대에서도 널리 사용되고 있는 기본 구조이기도 하다.

현대의 지상 망원경은 점점 진화한 기술 발전으로 인해 훨씬 크고 정밀하게 제작되었는데, 가장 유명한 대형 광학 현미경으로 알려진 하와이에 있는 케크 망원경은 약 10m 크기의 반사경을 사용하며 이를 이용하여 행성이나 은하, 블랙홀을 관측하는 데 중요한 역할을 하고 있다. 또한 대기의 난류로 인해 발생할 수 있는 이미지 왜곡을 실시간으로 보정하는 기술인 적응 광학(Adaptive Optics) 기술을 적용하였는데, 이에 따라 지상 관측의 해상도가 획기적으로 향상하였다. 또한 지구의 대기는 광학 망원경의 성능에 한계를 초래하는 문제가 있어, 대기권 밖에 위치한 우주 망원경은 필수적인 도구이기도 하다. 1990년에 발사된 허블 우주 망원경은 우주의 더 깊은 영역을 관찰하며, 빅뱅 이후의 초기 우주 모습을 밝혀내기도 했다. 또한 제임스웹 우주 망원경(JWST)은 적외선 관측에 특화되어 허블 망원경보다 100배 강력하며, 외계 행성과 은하 형성 과정에 대해 연구하는 데 주로 사용되고 있다.

 또한 광학 기술을 기반으로 하는 천문학은 여러 연구에 큰 영향을 미치고 있는데, 먼저 오늘날도 활발히 진행 중인 외계 행성 탐사이다. 우주는 광활하기 때문에 아직 발견하지 못한 외계 행성이 많이 있을 것이며, 오늘날 이러한 외계 행성의 크기, 궤도 심지어 대기 성분까지 연구하고 있다. 이때 사용되는 광학 기술은 대표적으로 두 가지가 있는데 먼저 행성이 별 앞을 지나가면서 발생하는 밝기 변화를 감지하는 '트랜싯 관측법', 또 하나는 별에서 방출되는 빛의 스펙트럼을 분석하여 행성의 대기 구성 요소를 확인하는 '광학 분광법'이 있다. 또한 광학 관측은 암흑 물질이나 암흑 에너지와 같은 우주의 미지 영역에 대한 탐구에도 도움을 주고 있는데, 빛이 강력한 중력장에 의해서 휘어지는 현상인 중력 렌즈 효과를 통해 암흑 물질의 분포를 연구하고 있고, 광학 망원경을 통해 초신성을 관찰하여 우주의 가속 팽창에 대해 이해할 수 있다. 또한 광학 망원경은 수십억 광년 떨어진 은하의 모습을 관찰하여 '초기 우주의 모습'에 대해 연구하는데, 이러한 관측은 은하의 형성과 진화 또 빅뱅 이론 검증에 크게 기여하였다. 그러나 이러한 광학 천문학에도 한계는 있다. 먼저 지상 망원경의 경우 관측하고자 하는 지역의 대기 흐름과 왜곡에 큰 영향을 받으며, 도시화로 인한 빛 공해로 인해 지상 관측 시 이미지 품질이 저하된다. 또한 광학 망원경은 현재 전자기 스펙트럼의 가시광선 영역만 관찰할 수 있는데, 적외선이나 자외선과 같은 다른 영역대의 탐사를 위해서는 다른 기술이 필요한 실정이다. 그러나 이러한 한계에도 불구하고 광학 천문학은 계속해서 발전해 나가고 있는데, 먼저 지름 약 39m의 거대한 반사경을 탑재한 초대형 망원경(ELT, Extremely Large Telescope)이 2028년 완공 예정이며, 해당 초대형 망원경은 외계 생명체 탐사와 암흑 물질 연구에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

또한 단일 망원경이 아닌 여러 망원경의 이미지를 결합하여, 단일 망원경보다 더 높은 해상도를 얻기 위한 '광학 간섭계 기술' 또한 주목받고 있다. 또 오늘날 여러 분야에 적용 중인 인공지능(AI) 기술을 적용하여 우주에서 실시간으로 측정되는 데이터를 분석하고 전송할 수 있는 차세대 망원경도 주목받고 있다. 광학 기술은 천문학의 도약과 발전에 크게 기여하였으며, 우리 인류가 우주의 본질에 대해서 탐구하는 데 핵심적인 역할을 하고 있다. 망원경의 발전은 단순한 행성 관측을 넘어 빅뱅 이론의 검증, 외계 행성 탐사, 우주 가속 팽창 등의 현대 천문학에 주요한 발견을 끌어내기도 했다. 이러한 광학 기술은 앞으로도 더 정밀하고, 강력한 도구를 제공할 것이며, 아직 알아내지 못한 우주의 더 깊은 비밀을 풀어나갈 수 있는 열쇠가 될 것이다. 인류는 광학을 통해서 단순히 우주를 바라보는 것을 뛰어넘어 우주에 대해 이해하고, 그 속에서 자신이 어느 위치에 존재하는가를 끊임없이 재확인하는 여정을 계속할 것이다.

[광학] 빛과 시각 : 인간과 동물의 시각 체계

 

[광학] 나노 광학과 플라즈모닉스 : 빛과 나노 세계의 융합

 

[광학] 원자 분자 광 물리학에 대한 이해