광학망원경

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1. 개요
2. 역사
3. 종류
4. 특성
5. 경위대
6. 기타
7. 천문학 연구용 망원경
참조

1. 개요

광학 망원경은 렌즈나 거울을 사용하여 멀리 있는 물체의 확대된 상을 관찰하는 기구이다. 17세기 초 네덜란드에서 발명되었으며, 굴절 망원경과 반사 망원경, 반사-굴절 망원경으로 분류된다. 굴절 망원경은 렌즈를, 반사 망원경은 거울을 사용하며, 반사-굴절 망원경은 렌즈와 거울을 모두 사용한다. 망원경의 주요 특징으로는 집광능, 분해능, 초점 거리, 초점비, 배율, 시야 등이 있으며, 천문학 연구에 사용되는 대형 망원경은 반사 망원경이 주를 이룬다. 망원경은 인간의 눈보다 훨씬 많은 빛을 모으는 '빛의 양동이' 역할을 하며, 21세기에는 디지털 기술과 연결되어 일반인들도 쉽게 천체 관측 및 사진 촬영을 할 수 있게 되었다.

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광학망원경

2. 역사

망원경은 과학자보다는 광학 장인들에 의해 발명되었다고 보는 것이 더 정확하다.^[1]^[2] 렌즈와 빛의 굴절 및 반사 특성은 이미 고대부터 알려져 있었다. 이러한 이론은 고대 그리스 철학자들을 거쳐 중세 이슬람 세계에서 더욱 발전했다.^[3]^[4] 망원경 발명의 핵심적인 단계는 안경 렌즈 제조 기술의 발전이었다.^[2]^[5]^[6] 이 기술은 13세기 베네치아와 피렌체에서 시작되어 네덜란드와 독일로 이어졌다.^[5]^[7]

1608년 네덜란드의 안경 제작자 한스 리퍼시는 최초의 굴절 망원경에 대한 특허를 출원했다. 몇 주 후, 야코프 메티우스를 포함한 다른 사람들도 이 기술을 알고 있다고 주장했다.^[8]

망원경 발명 소식은 빠르게 퍼져나갔다. 갈릴레오 갈릴레이는 이 소식을 듣고 1년 안에 자신의 개선된 망원경을 만들었으며, 이를 이용해 천문학적 관측 결과를 처음으로 발표했다.^[9] 갈릴레이의 망원경은 볼록 대물렌즈와 오목 접안렌즈를 사용했으며, 현재 갈릴레이 망원경이라 불린다. 요하네스 케플러는 볼록 접안렌즈를 사용하는 개선된 설계를 제안했는데,^[10] 이를 케플러 망원경이라고 한다.

18세기 초 색수차 보정 렌즈의 등장은 굴절 망원경 개발에 큰 진전을 가져왔다.^[11] 이는 케플러 망원경의 색수차를 보정하여 훨씬 더 짧고 큰 대물렌즈를 가진 망원경을 만들 수 있게 해주었다.

반사 망원경의 경우, 곡면 거울이 렌즈와 유사하게 작동한다는 이론은 알하젠에 의해 확립되었다.^[12] 갈릴레이 등은 이 이론을 바탕으로 거울을 대물렌즈로 사용하는 망원경 제작 아이디어를 논의했다.^[13] 포물면 거울을 사용하면 구면 수차를 줄이고 색수차를 제거할 수 있다는 장점 때문에 여러 반사 망원경 설계가 제안되었다.^[14] 1663년 제임스 그레고리가 그레고리 망원경을 제안했지만,^[15]^[16] 실제로 작동하는 모델은 만들어지지 않았다. 아이작 뉴턴은 1668년 최초의 실용적인 반사 망원경인 뉴턴 망원경을 제작한 것으로 인정받고 있다.^[17] 그러나 제작의 어려움과 합금 거울의 낮은 성능 때문에 반사 망원경이 대중화되기까지는 100년 이상이 걸렸다.

반사 망원경의 발전을 이끈 주요 기술은 다음과 같다.

18세기: 포물면 거울 제작 기술 완성^[18]
19세기: 은도금 유리 거울^[19]
20세기: 알루미늄 코팅,^[19] 분할 거울, 능동 광학

20세기 중반에는 슈미트 카메라와 같은 굴절-반사 망원경이 등장했다. 이 망원경은 렌즈(수정판)와 거울을 모두 사용하여 넓은 시야에서 구면 수차 없이 이미지를 얻을 수 있다.

20세기 후반에는 적응 광학과 우주 망원경이 개발되어 천문학적 시상 문제를 해결했다.

21세기 초에는 전자공학 혁명으로 컴퓨터에 연결된 망원경이 개발되었다. 이를 통해 일반인들도 비교적 저렴한 장비로 별과 위성을 관측하고, 디지털 천체 사진 기술을 활용하여 메시에 천체와 어두운 별을 겉보기 등급 15등급까지 촬영할 수 있게 되었다.^[20]^[21]

3. 종류

광학 망원경은 크게 렌즈를 이용한 굴절 망원경, 거울을 이용한 반사 망원경, 렌즈와 거울을 조합한 반사-굴절 망원경으로 나뉜다.

렌즈를 조합한 망원경: 굴절망원경
거울을 조합한 망원경: 반사망원경
렌즈와 거울을 결합한 망원경: 반사굴절망원경

많은 종류의 망원경은 2차 또는 3차 반사경을 사용하여 광로를 접거나 변경한다. 이러한 반사경은 뉴턴식 반사 망원경, 카세그레인 반사 망원경과 같이 광학 설계의 필수적인 부분일 수도 있고, 단순히 접안렌즈나 검출기를 더 편리한 위치에 배치하기 위해 사용될 수도 있다. 또한, 더 넓은 시야에서 영상의 질을 향상시키기 위해 특수하게 설계된 추가 렌즈나 반사경을 사용하기도 한다.

3. 1. 굴절 망원경

굴절 망원경은 대물렌즈로 볼록 렌즈를 사용하며, 보통 색수차를 줄이기 위해 2장 이상의 렌즈를 사용한다. 구면수차와 코마 수차를 최대한 제거한다. 굴절 망원경에서 색수차를 제거하는 방법은 실용 망원경의 경우 빛의 스펙트럼 중 C선(빨강)과 F선(파랑)을 겹치고, 사진용 망원경에서는 F선과 h선(보라)을 겹치면 거의 목적을 달성할 수 있다. 3장 렌즈를 사용하면 색수차를 더 완벽하게 제거할 수 있다.

접안렌즈에는 여러 종류가 있는데, 가장 간단하고 많이 쓰이는 것은 하이겐스식 또는 람스덴식(둘 다 2장 렌즈)이다. 접안경의 앞쪽 초점을 대물경의 초점에 일치시키면, 입사한 평행광선은 접안경을 통과한 다음 또 평행광선이 되므로, 무한원에 맞춘 눈으로 보면 천체의 점상을 얻을 수 있다. 망원경 렌즈의 모든 구면 중심은 동일 직선에 있도록 조정해야 하며, 이 직선을 광축이라고 한다.

망원경의 배율은 대물렌즈의 초점거리가 길수록 커지고, 같은 대물렌즈에 대해서는 초점거리가 짧은 접안렌즈를 사용하면 커진다. 그러나 실제로는 상에 반드시 회절 현상이 따르고, 대기의 동요 등으로 상이 흔들리기 때문에 무턱대고 배율을 높이는 것은 의미가 없다. 대체로 구경(대물렌즈의 지름)을 mm로 나타낸 수치가 배율의 한도이다. 빛이 극히 희미한 항성까지 볼 수 있는 능력, 즉 결상력은 지름의 제곱에 비례한다. 또 근접한 2점을 구분하는 능력, 즉 분해능은 구경에 비례한다. 따라서 천체망원경은 구경이 큰 것일수록 유효하다. 그러나 렌즈 내부의 왜곡이나 거품, 흠 등은 없어야 하므로 균일하고 양질의 대형 광학 유리를 만들기 어렵다. 따라서 굴절망원경은 세계 최대의 것도 구경 102cm에 그친다.

접안렌즈 대신에 사진 장치를 두면 사진용, 광전관을 두면 광전 측광용 망원경이 된다. 이 경우 두 천체의 각거리가 초점면상의 실장으로 얼마가 되는가의 관계가 배율에 해당하며, 초점거리가 클수록 유효하다.

3. 2. 반사 망원경

반사 망원경은 곡면 거울을 대물렌즈로 사용하여 빛을 모으는 방식이다. 렌즈 대신 거울을 사용하므로 색수차가 발생하지 않는 장점이 있다. 이러한 특징 덕분에 반사 망원경은 대구경 망원경 제작에 유리하다.

아이작 뉴턴은 1668년에 최초의 실용적인 반사 망원경인 뉴턴 망원경을 제작한 것으로 알려져 있다. 그러나 제작의 어려움과 사용된 합금 거울의 낮은 성능 때문에 반사 망원경이 널리 사용되기까지는 100년 이상의 시간이 걸렸다.^[17]

반사 망원경의 발전에 기여한 주요 기술들은 다음과 같다.

18세기: 포물면 거울 제작 기술 완성^[18]
19세기: 은도금 유리 거울 등장
20세기: 오래 지속되는 알루미늄 코팅,^[19] 분할 거울, 능동 광학 기술 개발

20세기 중반에는 렌즈와 거울을 함께 사용하는 굴절 반사계 망원경이 개발되어 넓은 시야에서 구면 수차 없이 이미지를 얻을 수 있게 되었다.

3. 3. 반사-굴절 망원경

반사-굴절 망원경은 렌즈와 거울을 함께 사용하여 빛을 모으고 초점을 맞추는 방식이다. 경통 앞쪽 끝에는 커다란 렌즈가 있고 뒤쪽에는 커다란 반사경이 있다. 이런 망원경은 포물면거울이 아닌 구면거울을 사용한다. 또한 렌즈가 광선을 약간 굴절시키면서 구면거울 때문에 일어나는 반사 오차를 바로잡는다. 이 망원경은 하늘에서 다른 망원경보다 더 넓은 상을 만든다. 굴절반사망원경은 독일의 광학기기 제작자인 슈미트가 1930년에 발명했다. 천문학자들은 커다란 슈미트망원경을 이용해 하늘에 있는 천체를 찍는다. 20세기 중반의 혁신은 슈미트 카메라와 같은 굴절 반사계 망원경으로, 렌즈(수정판)와 거울을 주요 광학 요소로 사용하며, 주로 구면 수차 없이 광시야 이미징에 사용된다.^[1]

4. 특성

광학 망원경의 특성은 망원경을 통해 물체를 관측하고 빛을 모으는 방식에 큰 영향을 미친다. 주요 특성으로는 초점 거리, 구경, 집광력, 분해능, 배율, 시야 등이 있다.

초점 거리와 구경: 초점 거리는 광학계가 빛을 얼마나 강하게 모으거나 분산시키는지를 나타내는 척도이며, 구경은 빛을 모으는 주 반사경이나 대물렌즈의 지름을 의미한다.
집광력: 망원경이 빛을 모으는 능력으로, 구경의 제곱에 비례한다. 집광력이 클수록 더 어두운 천체를 관측할 수 있다.
분해능: 망원경이 서로 가까이 있는 두 물체를 분리하여 식별할 수 있는 능력으로, 구경이 클수록 각 분해능이 좋아진다.
배율: 망원경을 통해 보이는 상을 확대하는 정도를 나타내지만, 배율이 높다고 해서 반드시 더 자세한 관측이 가능한 것은 아니다.
시야: 망원경을 통해 볼 수 있는 관측 가능한 세계의 범위를 의미하며, 접안렌즈의 종류와 망원경의 초점 거리에 따라 달라진다.

이러한 특성들은 서로 연관되어 있으며, 망원경의 종류(굴절 망원경, 반사 망원경, 반사굴절 망원경)에 따라서도 달라진다. 망원경의 특성을 이해하고 적절한 장비를 사용하면, 밤하늘의 다양한 천체들을 더욱 효과적으로 관측할 수 있다.

4. 1. 집광능

집광능은 망원경이 빛을 모으는 능력을 나타내는 지표이며, 망원경의 구경(대물렌즈 또는 주경의 지름)의 제곱에 비례한다. 집광능이 클수록 더 어두운 천체를 관측할 수 있다.^[22]^[23]

우리 눈이 완전히 암적응 되었을 때 동공의 크기는 최대 7mm 정도이다. 따라서 망원경의 집광능(P)은 다음과 같이 계산된다.

:

P=d^2/7^2

여기서 d는 렌즈나 거울의 유효구경을 의미한다.

집광력이 커지면 더 어두운 별을 볼 수 있게 되어 관측 가능한 한계 등급이 커진다.

예를 들어, 254mm 구경의 망원경은 사람 눈(동공 지름 7mm)보다 약 1317배 더 많은 빛을 모을 수 있다.

:

P = \left(\frac {254}{7}\right)^2 \approx 1316.7

10미터 망원경은 2미터 망원경보다 25배 더 많은 빛을 모을 수 있다.

:

p = \frac {A_{1}}{A_{2}} = \frac {\pi5^2}{\pi1^2} = 25

케크 II 망원경은 36개의 육각형 분할 거울을 사용하여 10m 구경의 주거울을 만듦으로써 빛을 모은다.

4. 2. 분해능

분해능은 망원경이 서로 가까이 있는 두 물체를 분리하여 식별할 수 있는 능력을 나타내는 지표이다. 분해능이 높을수록 더 세밀한 부분을 관측할 수 있다. 광학망원경을 통해 관측되는 물체의 최소 분해 가능 표면적은 분해될 수 있는 제한된 물리적 면적을 의미하며, 달의 크레이터나 태양의 흑점의 분해 능력을 예로 들 수 있다.^[22]^[23]

대기의 난류와 망원경의 광학적 결함을 무시하면, 광학 망원경의 각 분해능은 빛을 모으는 주 반사경이나 렌즈의 지름(구경)에 의해 결정된다. 레이리 기준에 따른 분해능 한계 α_R(라디안)은 다음과 같다.

:α_R = 1.22 λ/D

여기서 λ는 파장이고 D는 구경이다. 가시광선(λ = 550 nm)의 경우 소각 근사를 사용하면 다음과 같이 표현할 수 있다.

:α_R = 138/D

여기서 α_R은 각초 단위의 분해능 한계이고 D는 밀리미터 단위이다.

이 식은 구경이 클수록 각 분해능이 좋아짐을 보여준다. 이상적인 경우, 이중성계의 두 구성 요소는 α_R보다 약간 작은 각도로 분리되어 있어도 구별할 수 있다. 이는 도우스 한계에서 고려된다.

:α_D = 116/D

분해능은 망원경의 최대 배율에 의해 결정되지 않는다.

대형 지상 망원경의 경우, 분해능은 대기 시상에 의해 제한된다. 이 한계는 망원경을 대기 위, 예를 들어 높은 산 정상, 기구 및 고고도 비행기 또는 우주에 배치하여 극복할 수 있다. 지상 망원경의 경우 적응 광학, 스페클 이미징 또는 럭키 이미징을 통해 분해능 한계를 극복할 수도 있다.

최근에는 광학 망원경 어레이를 사용하여 구경 합성을 수행하는 것이 실용화되었다. 넓게 분리된 작은 망원경 그룹을 신중하게 제어된 광학 경로로 연결하여 매우 높은 해상도의 이미지를 얻을 수 있지만, 이러한 간섭계는 별과 같이 밝은 천체의 이미징이나 활동 은하의 밝은 중심부 측정에만 사용할 수 있다.

4. 3. 초점 거리와 초점비

초점 거리는 광학계가 빛을 얼마나 강하게 모으거나 분산시키는지를 나타내는 척도이다. 공기 중에서 광학계의 초점 거리는 평행광이 초점에 모이는 거리이다. 초점 거리가 짧은 계는 초점 거리가 긴 계보다 더 큰 광학적 파워를 가지며, 빛을 더 강하게 굴절시켜 더 짧은 거리에 초점을 맞춘다. 천문학에서 f-넘버를 일반적으로

N

으로 표기되는 ''초점비''라고 한다. 망원경의 초점비는 대물렌즈의 초점 거리

f

를 지름

D

또는 계의 조리개 스톱의 지름으로 나눈 값으로 정의된다. 초점 거리는 기기의 시야와 초점면에 접안렌즈, 필름판 또는 CCD에 표시되는 영상의 배율을 제어한다.

초점 거리 1200mm, 구경 지름 254mm인 망원경의 예는 다음과 같다.

N = \frac {f}{D} = \frac {1200}{254} \approx 4.7

수치적으로 큰 초점비는 ''긴'' 또는 ''느린'' 것으로 간주된다. 작은 숫자는 ''짧은'' 또는 ''빠른'' 것으로 간주된다. 이러한 용어를 사용할 때를 결정하는 명확한 기준은 없으며, 개인마다 판단 기준이 다를 수 있다. 현대 천문 망원경 중에서는 초점비가 f/12보다 느린(숫자가 큰) 망원경은 일반적으로 느린 것으로 간주되고, f/6보다 빠른(숫자가 작은) 초점비를 가진 망원경은 빠른 것으로 간주된다. 빠른 계는 시야 중앙에서 멀어질수록 광학 수차가 더 많이 발생하는 경우가 많으며, 느린 계보다 일반적으로 접안렌즈 설계에 더 까다롭다. 빠른 계는 느린 계보다 주어진 시간에 더 많은 광자를 모으는 목적으로 천체사진에서 실용적인 목적으로 종종 사용되며, 이를 통해 시간 경과 사진의 결과를 더 빠르게 처리할 수 있다.

광시야 망원경(예: 천체사진기)는 위성과 소행성 추적, 우주선 연구 및 하늘의 천문 관측에 사용된다. 낮은 f-비율을 가진 망원경에서 광학 수차를 줄이는 것은 큰 f-비율을 가진 망원경보다 더 어렵다.

4. 4. 배율

망원경을 통해 보이는 상의 시각적 배율

M

은 망원경의 초점거리

f

를 접안렌즈 초점거리

f_{e}

(또는 지름)로 나누어 결정할 수 있다.^[22]^[23] 최대 배율은 접안렌즈의 초점거리에 의해 제한된다.

예를 들어 초점거리가 1200mm이고 접안렌즈가 3mm인 망원경을 사용하면, 시각적 배율은

M = \frac {f}{f_{e}} = \frac {1200}{3} = 400

이 된다.

망원경의 배율은 대물렌즈의 초점거리가 길수록 커지고, 같은 대물렌즈에 대해서는 초점거리가 짧은 접안렌즈를 사용하면 커진다. 다만 실제로는 상(像)에는 반드시 회절(回折)현상이 따르고, 대기의 동요 등으로 상이 흔들리기 때문에, 무턱대고 배율을 높이는 것은 무의미하다. 대체로 구경(口徑, 대물렌즈의 지름)을 mm로 나타낸 수치가 배율의 한도이다.

망원경을 통한 배율은 물체를 더 크게 보이게 하지만 시야(FOV)를 제한한다. 높은 배율에서는 영상의 질이 현저히 저하되며, 바로우 렌즈를 사용하면 광학계의 유효 초점 거리가 증가하여 영상의 질 저하가 배가된다.

스타 다이어고날을 사용할 때도 유사한 작은 효과가 나타날 수 있는데, 이는 빛이 유효 초점 거리를 증가시키거나 감소시키는 여러 개의 렌즈를 통과하기 때문이다. 영상의 질은 일반적으로 광학계(렌즈)의 질과 관측 조건에 따라 달라지며, 배율에 따라 달라지는 것은 아니다.

배율 자체는 광학적 특성에 의해 제한된다. 어떤 망원경이나 현미경이든, 실용적인 최대 배율을 넘어서면 영상은 더 커 보이지만 더 자세한 내용은 보여주지 않는다. 이는 기기가 분해할 수 있는 가장 미세한 세부 사항이 눈이 볼 수 있는 가장 미세한 세부 사항과 일치하도록 확대될 때 발생한다. 이 최대 배율을 넘는 배율은 때때로 "무의미한 배율"이라고 한다.

망원경으로부터 최대한의 세부 사항을 얻으려면 관측 대상에 적합한 배율을 선택하는 것이 중요하며, 어떤 대상은 저배율에서, 어떤 대상은 고배율에서, 많은 대상은 중간 배율에서 가장 잘 보인다. 배율에는 최소값과 최대값의 두 가지 값이 있다. 더 넓은 시야의 접안렌즈를 사용하면 동일한 접안렌즈 초점 거리를 유지하면서 망원경을 통한 배율을 동일하게 유지할 수 있다. 좋은 대기 조건에서 작동하는 고품질 망원경의 경우, 최대 사용 가능 배율은 회절에 의해 제한된다.

4. 5. 시야

시야(Field of view)는 특정 시점에 망원경이나 쌍안경같은 기기를 통해 볼 수 있는 관측 가능한 세계의 범위를 말한다. 시야는 접안렌즈의 사양이거나 접안렌즈와 망원경 조합에서 결정되는 특성으로 여러 가지로 표현될 수 있다. 광학의 회절 때문에 시야가 정의된 최대값보다 크게 보일 수 없는 물리적 한계가 존재한다.

겉보기 시야(Apparent Field of View, AFOV)는 접안렌즈의 시야 제한판의 지각되는 각 크기로, 보통 도(°) 단위로 측정된다. 이는 접안렌즈 광학 설계의 고정된 특성이며, 일반적으로 판매되는 접안렌즈는 40°에서 120°까지의 다양한 겉보기 시야를 제공한다. 접안렌즈의 겉보기 시야는 접안렌즈의 시야 제한판 지름과 초점 거리의 조합에 의해 제한되며, 사용되는 배율과는 무관하다.

매우 넓은 겉보기 시야를 가진 접안렌즈에서는 관찰자가 망원경을 통해 보이는 시야가 자신의 주변 시야까지 뻗어나가는 것처럼 인지할 수 있다. 마치 접안렌즈를 통해 보는 것이 아니거나 관심 대상에 실제보다 더 가까이 있는 것 같은 느낌을 받을 수 있다. 반대로, 좁은 겉보기 시야를 가진 접안렌즈는 터널이나 작은 창문을 통해 보는 것 같은 느낌을 줄 수 있으며, 접안렌즈의 검은색 시야 제한판이 관찰자의 시야 대부분을 차지한다.

더 넓은 겉보기 시야는 관찰자가 배율을 낮추지 않고도 관심 대상의 더 많은 부분(즉, 더 넓은 실제 시야)을 볼 수 있게 해준다. 그러나 실제 시야, 겉보기 시야 및 배율 간의 관계는 직접적이지 않다. 더 넓은 겉보기 시야와 상관관계가 있는 왜곡 특성이 증가하기 때문이다. 대신 실제 시야와 겉보기 시야는 모두 접안렌즈의 시야 제한판 지름의 결과이다.

겉보기 시야는 실제 시야와 다른데, 실제 시야는 배율에 따라 변하지만 겉보기 시야는 변하지 않기 때문이다. 광시야 접안렌즈의 더 넓은 시야 제한판은 망원경의 초점면에 형성된 더 넓은 영역의 실상을 볼 수 있게 하여 계산된 실제 시야에 영향을 미친다.

접안렌즈의 겉보기 시야는 눈으로 인지되는 전체 시야의 밝기에 영향을 줄 수 있다. 시야 제한판의 겉보기 각 크기가 접안렌즈에 의해 형성된 출사동에 의해 관찰자의 망막이 얼마나 많이 조명되는지를 결정하기 때문이다. 그러나 겉보기 시야는 시야 내에 포함된 물체의 겉보기 면광도(단위 면적당 밝기)에는 영향을 미치지 않는다.

실제 시야(True Field of View, FOV)는 특정 접안렌즈와 망원경 조합을 통해 실제로 보이는 폭을 의미한다. 실제 시야를 계산하는 두 가지 공식은 다음과 같다.

접안렌즈의 겉보기 시야를 이용한 방법: $v_{t} = \frac {v_{a}}{M}$ 여기서 $v_{t}$ 는 실제 시야(FOV), $v_{a}$ 는 접안렌즈의 겉보기 시야, $M$ 은 사용되는 배율이다.^[26]^[27]
접안렌즈 시야 조리개를 이용한 방법: $v_{t} = \frac {d_f}{f_t} \times 57.3$ 여기서 $v_{t}$ 는 실제 시야(FOV), $d_{f}$ 는 접안렌즈 시야 조리개 직경(밀리미터), $f_{t}$ 는 망원경의 초점 거리(밀리미터)이다.^[26]^[27]

접안렌즈 시야 조리개를 이용한 방법이 겉보기 시야를 이용한 방법보다 더 정확하지만,^[27] 모든 접안렌즈에 쉽게 알 수 있는 시야 조리개 직경이 있는 것은 아니다.

최대 시야각(Max FOV)은 망원경 광학계에 의해 제한되는 최대 유용 실제 시야각이다. 최대값을 넘어서는 증가는 최대값에서 유지되는 물리적 한계이다. 최대 시야각

v_{m}

는 망원경의 초점거리

f

로 나눈 배럴 크기

B

이며, 라디안에서 도(degree)로 변환된 값이다.^[22]^[23]

배럴 크기가 31.75 mm(1.25 인치)이고 초점거리가 1200 mm인 망원경을 사용하는 최대 시야각의 예는 다음과 같다.

v_{m} = B \cdot \frac {\frac {180}{\pi}}{f} \approx 31.75 \cdot \frac {57.2958}{1200} \approx 1.52^\circ

관측 가능한 세계는 망원경을 사용하여 볼 수 있는 것을 의미한다. 천체나 영역을 관측할 때 관측자는 여러 가지 기술을 사용할 수 있다. 무엇을 관측할 수 있고 어떻게 관측할 수 있는지는 시야에 따라 달라진다. 시야에 전체가 들어오는 크기로 천체를 관측하는 것은 망원경의 두 가지 특성인 초점 거리와 구경, 그리고 적절한 초점 거리(또는 직경)의 접안렌즈(접안렌즈)를 사용하여 측정한다. 관측 가능한 세계와 천체의 각지름을 비교하면 천체의 얼마나 많은 부분을 보는지 알 수 있다.

광학계를 통해 볼 수 있는 영역을 찾는 것은 접안렌즈가 제공하는 시야와 배율로 시작한다. 배율은 망원경과 접안렌즈의 초점 거리의 비율로 나타낸다. 구경

D

가 130mm(5인치), 초점 거리

f

가 650mm(25.5인치)인 뉴턴식 망원경과 같은 아마추어 망원경을 예로 들면, 초점 거리

d

가 8mm이고 겉보기 시야

v_{a}

가 52°인 접안렌즈를 사용했을 때, 관측 가능한 영역이 보이는 배율은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

M = \frac {f}{d} = \frac {650}{8} = 81.25

. 시야

v_{t}

는 배율을 겉보기 시야로 나누어 계산한다.

v_{t} = \frac {v_{a}}{M} = \frac {52}{81.25} = 0.64

. 따라서 실제 시야는 0.64°가 되어, 65 × 60 각분의 타원형으로 보이는 오리온 대성운과 같이 큰 천체를 망원경으로 전체를 관측할 수 없다.

5. 경위대

경위대는 망원경을 수직축과 수평축으로 회전시켜 천체를 추적하는 간단한 마운트이다. 경위대는 구조가 간단하여 다루기 쉽지만, 천체의 일주운동을 정밀하게 추적하기는 어렵다.

6. 기타

주어진 원본 소스에는 '기타' 섹션에 해당하는 내용이 없으므로, 이전 답변과 마찬가지로 '기타' 섹션에 대한 내용은 작성할 수 없다. 따라서 변경 사항이 없다.

7. 천문학 연구용 망원경

거의 모든 대형 연구용 천문 망원경은 반사 망원경이다. 그 이유는 다음과 같다.

렌즈는 재료 전체에 결함이 없어야 하지만, 거울은 표면만 완벽하게 연마하면 된다.
서로 다른 색깔의 빛은 속도가 달라 색수차가 발생한다.
반사 망원경은 더 넓은 스펙트럼의 빛에서 작동한다.
대구경 렌즈는 제조 및 조작이 어렵다. 렌즈는 가장자리로만 지지되지만, 거울은 뒷면 전체로 지지할 수 있다.

대부분의 대형 연구용 반사 망원경은 사용되는 계측기의 종류와 크기에 따라 주 초점, 카세그레인 초점, 나스미스와 쿠데 초점 등 다른 초점면에서 작동한다.^[28]

다중 거울 망원경(MMT)은 직경 4.5 미터의 거울을 합성하는 6개의 분절 거울을 사용하는 새로운 망원경 제작 시대를 열었다. 이후 단일 6.5m 거울로 대체되었고, 케크 망원경은 10m 분절 거울을 사용했다.

현재 가장 큰 지상 망원경은 직경 6~11미터의 주 반사경을 가지고 있다. 이 망원경들은 거울이 매우 얇으며, 능동 광학 기술을 통해 액추에이터로 최적의 형태를 유지한다. 이 기술은 직경 30, 50, 100미터의 미래 망원경 설계를 이끌었다.

최근에는 비교적 저렴한 2미터급 망원경이 개발되어 천문학 연구에 큰 영향을 주고 있다. 이 망원경들은 많은 천체를 지속적으로 관측하고 넓은 하늘 영역을 조사할 수 있다. 리버풀 망원경, 폴크스 망원경 북쪽 및 남쪽과 같이 많은 망원경이 로봇 망원경으로 인터넷을 통해 제어되며, 자동 추적을 가능하게 한다.

초기 망원경의 검출기는 인간의 눈이었다. 이후 감광된 사진 건판이 사용되었고, 분광기를 통해 스펙트럼 정보를 수집할 수 있게 되었다. 사진 건판 이후 전하 결합 소자(CCD)와 같은 전자 검출기가 개선되어 더 높은 감도와 해상도를 제공하고, 더 넓은 파장 범위를 제공한다.

현재 연구용 망원경에는 다음과 같은 여러 가지 계측기가 있다.

서로 다른 스펙트럼 반응을 가진 이미저
스펙트럼의 다른 영역에서 유용한 분광기
빛 편광을 감지하는 편광계

광학 회절 현상은 망원경의 해상도와 영상 품질에 한계를 설정한다. 이는 에어리 원반의 유효 영역으로 결정되며, 회절 한계(레이리 기준, 도웨스 한계, 스패로우의 해상도 한계)라고 한다. 이 한계는 빛의 파장과 망원경 거울의 직경에 따라 달라진다. 지구상의 망원경은 천문학적 시상으로 인해 회절 한계에 도달하기 어렵다. 그러나 우주 망원경이나 적응 광학을 사용하면 회절 한계에 도달할 수 있다. 더 높은 해상도를 위해서는 더 큰 거울을 만들거나, 여러 망원경을 사용한 구경 합성을 수행해야 한다.

최근 지상 망원경에서 대기 왜곡을 극복하기 위한 적응 광학, 스페클 이미징, 광학 간섭계 등의 여러 기술이 개발되었다.

참조

_[1] 웹사이트 The Galileo Project > Science > The Telescope http://galileo.rice.[...]
_[2] 서적 Ian Stargazer: The Life and Times of the Telescope https://books.google[...] Allen & Unwin
_[3] 서적 The History of the Telescope https://books.google[...] Courier Corporation
_[4] 문서 Theories of Vision from al-Kindi to Kepler Univ. of Chicago Pr.
_[5] 웹사이트 The Galileo Project > Science > The Telescope http://galileo.rice.[...]
_[6] 서적 Renaissance Vision from Spectacles to Telescopes https://books.google[...]
_[7] 서적 The History of the Telescope https://books.google[...] Courier Corporation
_[8] 서적 The Origins of the Telescope Amsterdam University Press
_[9] 서적 The Origins of the Telescope Amsterdam University Press
_[10] 문서 Astronomiae Pars Optica and Dioptrice
_[11] 웹사이트 Sphaera - Peter Dollond answers Jesse Ramsden http://www.mhs.ox.ac[...]
_[12] 서적 Ian Stargazer: The Life and Times of the Telescope https://books.google[...] Allen & Unwin
_[13] 서적 Ian Stargazer: The Life and Times of the Telescope https://books.google[...] Allen & Unwin
_[14] 문서 works by Bonaventura Cavalieri and Marin Mersenne
_[15] 서적 Ian Stargazer: The Life and Times of the Telescope https://books.google[...] Allen & Unwin
_[16] 서적 The History of the Telescope https://books.google[...] Courier Corporation
_[17] 서적 Isaac Newton: Adventurer in Thought https://archive.org/[...] Cambridge University Press
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_[19] 웹사이트 Jean-Bernard-Léon Foucault Biography (1819–1868) http://www.madehow.c[...]
_[20] 뉴스 Les télescopes connectés débarquent. Episode 2/2 : l'eVscope https://www.cieletes[...] L'Association Française d'Astronomie 2018-11-00
_[21] 뉴스 New Telescope 'Gives Back the Sky' to City-Dwellers https://blogs.scient[...] 2018-09-13
_[22] 웹사이트 Telescope Formulae http://www.saharasky[...] SaharaSky Observatory 2012-07-03
_[23] 웹사이트 Optical Formulae http://www.nexstarsi[...] Ryukyu Astronomy Club 2012-01-02
_[24] 간행물 Observers' Handbook https://secure.rasc.[...] Royal Canadian Astronomical Society
_[25] 웹사이트 Telescope equations http://www.rocketmim[...] 2012-11-17
_[26] 웹사이트 Simple Formulas for the Telescope Owner https://skyandtelesc[...] 2017-11-20
_[27] 웹사이트 Determine Your True Field of View - Astronomy Hacks [Book] https://www.oreilly.[...]
_[28] 서적 Electronic Imaging in Astronomy: Detectors and Instrumentation https://books.google[...] Springer Science & Business Media

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