망원경의 색수차, 왜 생길까?

허블 우주 망원경으로 촬영한 혜성(Comet)

ⓒ NASA

천체망원경으로 촬영한 혜성이다. 중앙에서부터 은은히 빛나는 푸른빛이 아름답다. 그런데 우주에 흩뿌려진 보석 같은 별이 발하는 색이 어떤 종류의 천체망원경으로 보았는지에 따라 조금 다를 수 있다고 한다. 어떻게 그런 차이가 오는 걸까?

혹시 망원경을 한 대 구매하고자 정보를 찾다가 ‘색수차’란 말을 들어보았을까? 멀리 있는 물체의 빛을 가까이 모아서 상을 보여주는 천체망원경은 렌즈, 빛의 파장, 초점 위치 등이 중요한데, 그 중 색수차는 이 세 가지 모두가 다 복합적으로 작용하며 나타나는 현상이다. 색수차는 결과적으로 색상과 상의 선명도 등에 영향을 미치기 때문에 앞서 말한 종류별 천체망원경에 따라 달라지는 별빛을 만드는 원인이 된다.

색수차는 왜 발생하는 걸까?

천체망원경은 크게 두 가지로 나뉜다. 렌즈를 쓰는 ‘굴절식 망원경’과 거울을 쓰는 ‘반사식 망원경’이다. 즉, 볼록렌즈(대물렌즈)를 사용해 빛을 모아 오목렌즈(접안렌즈)로 상을 확대하는 방식이 ‘굴절식’, 오목거울을 사용해 빛을 모은 것이 ‘반사식’이다. 두 가지 종류 모두 멀리 있는 물체의 빛을 모아서 보여준다는 공통 원리를 따르고 있지만, 이때 빛을 모으는 도구인 렌즈와 거울이 색수차를 만든다.

흔히 굴절식과 반사식의 특징을 비교할 때 역시 자주 등장하는 기준이 바로 이 색수차이다. 좀 더 자세히 살펴볼까?

굴절식의 볼록렌즈는 빛을 모으는 역할을 하는 것이 맞지만, 정확히 말하면 여러 가지 색의 빛을 똑같은 위치에 초점을 맞추는 것은 아니다. 빛은 색깔에 따라 각각의 길고 짧은 파장이 있는데, 파장이 짧은 자색 또는 청색 등은 렌즈와 가까운 위치에 초점을 만든다. 이와 달리 파장이 긴 적색은 청색 등과 비교해 렌즈에서 먼 위치에 초점을 만든다. 파장의 길이가 초점이 생기는 위치를 달리하기에 발생하는 것이 바로 색수차다. 그래서 색수차가 나타나는 천체망원경으로 관측하면 정확한 관찰이 어렵다.

빛의 색깔에 따라 초점 위치가 다른 볼록렌즈

반사식은 어떨까?

반사식의 오목거울은 굴절식과 달리 색수차가 제로다. 빛이 렌즈를 통과할 때와 달리 반사경을 통과할 때는 모든 색의 빛이 1점에 모인다. 그 결과, 색이 번지지 않고 선명하며 예리하다. 정확한 색광을 볼 수 있다는 것, 바로 이 점에 반사식의 최대 강점이다. 그래서 반사식 망원경으로 볼 때는 정확한 관찰의 어려움을 걱정할 필요가 없다.

모든 색의 빛이 1점에서 모이는 오목거울

물론 굴절식의 약점인 색수차를 없애려는 노력 또한 있었다. 어떻게 하면 될까 고민의 고민 끝에 ‘무색렌즈’가 등장했고, 이는 재질이 다른 볼록렌즈와 오목렌즈를 조합해 색수차를 상쇄한 렌즈였다. 그런데도 미세한 색수차가 남았고 무색렌즈를 개량한 ‘세미 아포크로매트 렌즈’가 등장하기도 했다. 오목렌즈, 볼록렌즈, 오목렌즈 3개를 차례로 겹친 렌즈로 색수차를 줄이는 데 큰 역할을 했다.

색수차는 알고 보니 렌즈를 사용하는 굴절식에만 해당하는 현상이었지만 현재는 그 색수차도 거의 발견되지 않을 만큼 렌즈 기술이 발달했다. 우리가 기억해야 할 것은 색수차를 만드는 빛의 파장과 렌즈를 통과해 모이는 초점의 위치 차이다. 천체망원경의 경통 안에서 벌어지는 빛, 파장, 렌즈 등의 조합과도 같은 색수차, 왠지 천체망원경을 통해 보는 우주 세상만큼 신선한 현상이지 않은가?

이제 곧 2012년 6월 6일(수)이면 ‘금성의 태양면 통과(Venus Transit of Sun)’가 펼쳐질 예정이다. 신비한 마법의 통, 천체망원경으로 경이로운 우주쇼를 마음껏 누려보자. 그것이 굴절식이든, 반사식이든 말이다.

[사이언스올 지식 링크]

1. 과학행사

- 태양계 신비체험과 천체사진전

2. 과학실험

- 태양의 관측

- 달의 관측

- 신기한 거울 

3. 과학용어사전

- 굴절 망원경(refracting telescope) 

- 반사 망원경(reflecting telescope) 

- 케플러식 망원경(Keplerian telescope)

- 갈릴레이식 망원경(Galilean telescope) 

- 쿠데식 반사망원경(reflecting telescope of coude-type) 

4. 연구동향자료

- 경통에 따른 망원경의 분류-반사 굴절 망원경

5. 생활과학백과

- 태양에서 나오는 빛은 어떠한 빛인가?

[참고자료]

『천체망원경입문(관측과 제작법)』, 도서출판 과학도서

김지영 사이언스올 편집위원