헤일 망원경
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1. 개요
헤일 망원경은 1948년 캘리포니아 팔로마 산에 완공된 5.08미터 반사 망원경이다. 조지 엘러리 헤일의 주도로 건설되었으며, 록펠러 재단의 지원을 받아 캘리포니아 공과대학교에서 관리했다. 퀘이사의 발견, 핼리 혜성의 최초 CCD 카메라 관측, 천왕성 위성 발견 등 천문학 연구에 크게 기여했으며, 별의 진화, 우주론, 고에너지 천체 물리학 분야의 발전에 중요한 역할을 했다. 1949년 가동 당시 세계에서 가장 큰 망원경 중 하나였으며, 이후 현대 망원경 기술 발전에 영향을 미쳤다.
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| 헤일 망원경 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
| 발견 | 칼리반 시코락스 목성 LI 알코르 B |
| 구경 | 200인치 (5.1미터) |
| F값 | f/3.3 |
| 위치 | 팔로마 천문대, 캘리포니아주, 미국 |
2. 역사
헤일은 워싱턴 카네기 연구소의 지원을 받아 윌슨 산 천문대에 망원경 건설을 감독했다. 1908년 약 152.40cm 망원경과 1917년 약 254.00cm 망원경은 매우 성공적이어서, 1920년대 우주의 규모에 대한 이해를 급속히 발전시키는 데 기여했고, 헤일과 같은 선구자들에게 더 큰 망원경이 필요하다는 것을 보여주었다.
1949년, 이미지 왜곡 문제를 해결하기 위해 망원경에 대한 수정 작업이 이루어졌고, 1950년부터 본격적인 연구에 사용되었다.[3]
1948년, 미국 우체국은 헤일 망원경과 천문대를 기념하는 3센트 우표를 발행했다.
헤일 망원경은 캘리포니아 공과대학교(칼텍)와 코넬 대학교, 캘리포니아 대학교, 제트 추진 연구소의 천문학자들이 과학 연구를 위해 사용하고 있다. 최신 광학 및 적외선 어레이 영상 장치, 분광기, 적응 광학[9] 시스템을 갖추고 있으며, 럭키 캠 영상 기술을 통해 특정 관측에서는 거울을 이론적 해상도에 가깝게 만들기도 한다.[9]
헤일 망원경 제작에 사용된 코닝 연구소의 유리 테스트 블랭크 중 하나는 C. 도널드 셰인 망원경의 약 304.80cm 주경에 사용되었다.[10]
거울의 집광 면적은 약 약 199999.60cm2이다.[11] 헤일 망원경은 1975년 소련의 BTA-6이 완성될 때까지 세계 최대 망원경이었으며, 현재도 보상 광학을 이용하여 다양한 관측을 수행하고 있다.
2. 1. 건설 배경
조지 엘러리 헤일은 윌슨 산 천문대의 망원경(1908년)과 망원경 건설을 감독했는데, 이 망원경들은 1920년대 우주의 크기에 대한 이해를 급속히 발전시키는 데 크게 기여했다. 이러한 성과를 바탕으로 헤일은 더 큰 망원경의 필요성을 절감했다.[2]헤일의 이전 100인치 망원경 수석 광학 설계자였던 조지 윌리스 리치는 새로운 망원경이 리치-크레티앙 망원경 디자인이 되기를 원했다. 이 디자인은 일반적인 포물면 주경에 비해 더 넓은 가시 범위에서 더 선명한 이미지를 제공했을 것이다. 그러나 리치와 헤일은 갈등을 겪었고, 이미 프로젝트가 늦어지고 예산을 초과한 상태에서 헤일은 복잡한 곡률을 가진 새로운 디자인 채택을 거부하여 리치는 프로젝트를 떠났다. 윌슨 산 팔로마 망원경은 포물면 주경을 가진 마지막 세계 최고의 망원경으로 밝혀졌다.[2]
1928년, 헤일은 자신이 창립 멤버였던 캘리포니아 공과대학교(칼텍)가 관리하는 "200인치 반사 망원경을 포함한 천문대 건설"을 위해 록펠러 재단으로부터 600만달러의 보조금을 확보했다.[3] 1930년대 초, 헤일은 캘리포니아주(미국) 샌디에이고 카운티에 있는 팔로마 산의 지점을 최고의 장소로 선택했는데, 로스앤젤레스와 같은 도시 중심부에서 증가하는 광 공해 문제의 영향을 덜 받을 가능성이 높았기 때문이다.[3] 코닝 유리 공업이 주경을 만드는 임무를 맡았다.[3]
2. 2. 건설 과정
1928년 헤일은 록펠러 재단으로부터 200인치 망원경 제작 자금으로 600만달러를 지원받았다. 이 망원경은 헤일이 설립에 참여한 캘리포니아 공과대학교(칼텍)에서 관리하게 되었다.망원경 설치 장소는 캘리포니아주 샌디에이고 근교의 팔로마 산으로 결정되었고, 미국의 코닝이 내열 유리인 파이렉스로 반사경 제작을 시작했다.[44]
1930년대 초, 헤일은 캘리포니아주 샌디에이고 카운티의 팔로마 산을 최적의 장소로 선정했다. 이 지역은 로스앤젤레스와 같은 대도시에서 발생하는 광공해의 영향을 덜 받을 수 있는 곳이었다.
용해 실험을 거쳐 여러 시제품을 제작한 끝에, 1934년 말 뒷면을 비워 경량화한 경재가 완성되었다.[44]
주경 경재와 연마 시 거울 중앙 구멍에 채워 넣는 유리 재료는 1936년 4월 육로로 미국을 횡단하여 파사데나의 공장에 도착, 연마가 시작되었다.[44] 1936년에는 천문대 시설과 돔 건설이 시작되었다.
1938년 중반에는 주경의 거친 연삭과 샌딩이 끝나 광학 테스트를 할 수 있게 되었다.[44] 거울을 지지하는 레버 기구 장착에 반년이 걸렸고, 1939년부터 조정이 시작되었다.[44] 1941년 9월에는 주경이 거의 포물면이 되었지만, 제2차 세계 대전의 영향으로 1942년 2월부터 1946년 1월까지 작업이 완전히 중단되었다.[44]
1947년 중반에 만족할 만한 포물면에 도달하여 주경을 팔로마 천문대로 옮겼다.[44] 쿠데식 망원경용 평면 거울은 달걀 모양인데다 크기가 커서 제작이 어려웠지만, 1948년 2월에 완성되었다.[44]
1948년 6월 1일부터 3일까지 미국 천문 학회와 태평양 천문 학회에서 800명이 참가하여 완성 기념식이 열렸다.[44] 6월 3일 오후 돔에서 개관식이 거행되었고, 캘리포니아 공과대학교의 리 앨빈 듀브리지가 헤일 망원경으로 명명할 것을 선언했다.[44]
셀룰로이드로 1/32 축소 모형을 제작하여 광탄성으로 왜곡을 확인한 후,[44] 강판으로 1/10 축소 모형을 만들어 테스트했다.[44] 이는 20인치(50.8cm) 카세그레인식 망원경으로 파사데나에서 학생 실습 등에 사용되고 있다.[44] 코닝에서는 작동하는 1/10 축소 모형도 제작했다.[4]
1949년 1월 26일 오후 10시 06분 태평양 시간대[5][6], 미국의 천문학자 에드윈 파월 허블의 지휘 아래 NGC 2261(허블의 변광 성운)을 대상으로 최초의 빛을 보았다.[7][8]
3. 구조
헤일 망원경은 "말굽 마운트"라고 불리는 특별한 형태의 적도 마운트를 사용한다. 이는 극 베어링을 열린 "말굽" 구조로 대체하여 망원경이 북극성과 그 근처의 별들을 포함한 전체 하늘에 접근할 수 있도록 수정된 요크 마운트이다.
광학 튜브 어셈블리(OTA)는 1935년 캘리포니아 공과대학교(Caltech)의 마크 세루리에가 발명한 세루리에 트러스를 사용하며, 모든 광학 장치를 정렬 상태로 유지하도록 굽혀지도록 설계되었다.[12] 셀리에 트러스에 의한 연성 구조를 채용하여, 초점부와 주경이 항상 같은 위치에 맞춰져 광축이 어긋나지 않도록 되어 있다. 이 구조는 스바루 등의 후대 대형 망원경에도 계승되었다.
적도의식 가대는 영국식 적도의의 변형인 호스슈(말굽)식 적도의이다. 이것에 의해 100인치 망원경으로는 관측할 수 없었던 극축 방향의 관측도 가능하다.
헤일 망원경은 1975년에 소련의 BTA-6이 완성될 때까지 세계 최대의 망원경이었으며, 캘리포니아 공과대학교 외에 코넬 대학교, 캘리포니아 대학교, 제트 추진 연구소 등에서 운영해 왔다. 현재에도 보상 광학을 이용하여 각종 관측을 수행하고 있다.
주경은 회전 포물면 거울[44]이며, 부경은 다음과 같다.
| 종류 | 직경 | 이심률 | 초점 거리 | 비고 |
|---|---|---|---|---|
| 카세그레인식 망원경용 볼록면 부경 | 104cm[44] | 약 1.52의 쌍곡면[44] | 81.3m[44] (F16[44]) | 합성 초점 거리 |
| 쿠데식 망원경용 볼록 쌍곡면 거울 | 91.4cm[44] | 152.4m[44] (F30[44]) | 합성 초점 거리 | |
| 81.3cm[44] | ||||
| 쿠데식용 평면 거울: 134.6cm×91.4cm 난형 거울, 직경 71.1cm 원형 거울, 50.8cm 원형 거울 (원형 평면 거울 이외의 거울은 뒷면에 리브를 넣어 경량화[44]) | ||||
돔은 두께 9.525mm의 강판제로, 직경 41.8m, 높이 50m이다.
3. 1. 주경
코닝 유리 공업에서 제작한 직경 약 508.00cm의 파이렉스(붕규산 유리) 재질 주경을 사용한다.[14] 주경은 36개의 융기된 몰드 블록으로 주조되었는데, 이는 와플 다리미와 유사한 모양이다.[15] 이러한 벌집 거울 구조는 필요한 파이렉스의 양을 약 36287.40kg 이상에서 약 18143.70kg으로 줄여, 사용 시 더 빠르게 냉각되고 뒷면에 여러 개의 "장착 지점"이 있어 무게를 균등하게 분산시키는 장점이 있다.[15] 카세그레인 반사경 구성에서 빛이 통과할 수 있도록 중앙 구멍 모양도 몰드의 일부로 제작되었다.[16]
몇 달 동안 냉각된 후 완성된 거울 블랭크는 철도로 캘리포니아주 패서디나로 운송되었다.[17][18] 패서디나의 광학 연구소에서 특수 제작된 약 609.60cm 약 11339.80kg ''거울 셀'' 지그를 사용하여 평평한 블랭크를 정밀한 오목 포물선 모양으로 만드는 연삭 및 연마 작업이 진행되었다.[20] 13년 동안 거의 약 4535.92kg의 유리가 연삭 및 연마되어 거울의 무게가 약 13154.18kg으로 줄었다.[21] 이후 거울은 존 스트롱이 발명한 알루미늄 진공 증착 공정을 사용하여 반사 알루미늄 표면으로 코팅되었다.[21] 이 코팅은 18~24개월마다 재코팅된다.[21]
주경은 회전 포물면 거울[44]로, 유효 구경 508cm[44], 초점 거리 16.5m[44], F3.3[44]이다.
3. 2. 가대 (Mounting)
헤일 망원경은 북극성과 그 근처의 별들을 포함한 모든 하늘을 관측할 수 있도록, 요크 마운트를 변형한 특수한 형태의 적도 마운트인 "말굽 마운트(Horseshoe Mount)"를 사용한다.[12] 적도의식 가대는 영국식 적도의의 변형인 호스슈(말굽)식 적도의이다. 이것에 의해 100인치 망원경으로는 관측할 수 없었던 극축 방향의 관측도 가능하다. 광학 튜브 어셈블리(OTA)는 세루리에 트러스를 사용하여 모든 광학 장치를 정렬 상태로 유지하도록 설계되었다.[12]3. 3. 돔 (Dome)
돔은 두께 9.525mm의 강판제로, 직경 41.8m, 높이 50m이다. 상부 돔의 이동 무게는 약 1,000 미국 톤이며 바퀴로 회전할 수 있다.[26] 돔 문은 각각 125톤이다.[27]4. 관측 및 연구 성과
헤일 망원경은 1949년 1월 26일 에드윈 파월 허블의 지휘 아래 NGC 2261을 대상으로 첫 관측을 시작했다.[5][6][7][8] 이후 칼텍, 코넬 대학교, 캘리포니아 대학교, 제트 추진 연구소의 천문학자들이 과학 연구를 위해 이 망원경을 지속적으로 사용하고 있다.
헤일 망원경은 최신 광학 및 적외선 어레이 영상 장치, 분광기, 적응 광학[9] 시스템을 갖추고 있으며, 럭키 캠 영상 기술을 통해 특정 관측에서는 거울을 이론적 해상도에 가깝게 만들었다.[9] 1975년 소련의 BTA-6이 완성될 때까지 세계 최대의 망원경이었다.
4. 1. 주요 발견
헤일 망원경은 처음 50년 동안 별의 진화, 우주론, 고에너지 천체 물리학에 많은 중요한 기여를 했다.[29] 망원경과 망원경을 위해 개발된 기술은 별의 스펙트럼, 성간 물질, 활동 은하핵(AGN), 퀘이사 연구를 발전시켰다.[30]헤일 망원경을 통한 주요 발견은 다음과 같다:
| 발견 | 내용 |
|---|---|
| 퀘이사 발견 | 헤일 망원경으로 촬영한 스펙트럼을 통해 퀘이사가 높은 적색편이를 갖는 천체임을 최초로 확인.[31] |
| 핼리 혜성(1P/Halley) 관측 | 1982년 10월 16일, 천문학자 데이비드 C. 주잇과 G. 에드워드 다니엘슨이 헤일 망원경에 CCD 카메라를 장착하여 핼리 혜성의 접근을 최초로 포착.[32] |
| 천왕성 위성 발견 | 1997년 9월, 헤일 망원경을 사용하여 천왕성의 위성 칼리반(S/1997 U 1)과 시코락스(S/1997 U 2)를 발견.[33] |
| 알코르 B 발견 | 2009년, 헤일 망원경은 코로나그래프를 사용하여 큰곰자리 알코르의 동반성인 알코르 B를 발견.[36] |
| 목성의 새로운 위성 발견 | 2010년, 헤일 망원경으로 목성의 새로운 위성인 S/2010 J 1 (이후 목성 LI로 명명됨)을 발견.[37] |
| 성간 천체 1I/2017 U1 (오우무아무아) 관측 | 2017년 10월, 헤일 망원경은 최초의 성간 천체인 오우무아무아의 스펙트럼을 기록. 특정 광물은 확인되지 않았지만 표면이 붉은색을 띠는 것으로 나타남.[38][39] |
| 코넬 중적외선 소행성 분광학 (MIDAS) 조사 | 헤일 망원경과 분광기를 사용하여 29개의 소행성 스펙트럼을 연구.[35] |
| 심우주 광학 통신 실험 | 2023년 12월, 헤일 망원경은 NASA의 프시케 미션에서 심우주 광학 통신 실험의 수신 안테나 역할을 시작.[40] |
4. 2. 연구 분야
헤일 망원경은 처음 50년 동안 별의 진화, 우주론, 고에너지 천체 물리학에 많은 중요한 기여를 했다.[29] 망원경과 망원경을 위해 개발된 기술은 별의 스펙트럼, 성간 물질, 활동 은하핵(AGN), 퀘이사 연구를 발전시켰다.[30]퀘이사는 헤일 망원경으로 촬영한 스펙트럼에 의해 처음으로 고적색편이원으로 확인되었다.[31]
핼리 혜성(1P)이 1986년에 태양에 접근하는 것을 천문학자 데이비드 C. 주잇과 G. 에드워드 다니엘슨이 1982년 10월 16일 200인치 헤일 망원경에 CCD 카메라를 장착하여 처음 발견했다.[32]
1997년 9월에는 천왕성의 위성 2개가 발견되어 당시 행성의 총 위성 수가 17개가 되었다.[33] 칼리반(S/1997 U 1)은 브렛 J. 글래드먼, 필립 D. 니콜슨, 조셉 A. 번스, 존 J. 카벨라어스가 200인치 헤일 망원경을 사용하여 1997년 9월 6일에 발견했다.[34] 같은 시기에 발견된 또 다른 천왕성 위성은 시코락스(초기 명칭 S/1997 U 2)이다.
''코넬 중적외선 소행성 분광학''(MIDAS) 조사는 헤일 망원경과 분광기를 사용하여 29개의 소행성 스펙트럼을 연구했다.[35]
2009년, 헤일 망원경은 코로나그래프를 사용하여 큰곰자리의 알코르의 동반성인 알코르 B를 발견했다.[36]
2010년, 목성의 새로운 위성인 S/2010 J 1이 200인치 헤일 망원경으로 발견되었으며, 나중에 목성 LI로 명명되었다.[37]
2017년 10월, 헤일 망원경은 최초의 알려진 성간 물체인 1I/2017 U1 ("ʻOumuamua")의 스펙트럼을 기록할 수 있었는데, 특정 광물은 확인되지 않았지만 방문자의 표면이 붉은색을 띠는 것으로 나타났다.[38][39]
2023년 12월, 헤일 망원경은 NASA의 프시케 미션에서 심우주 광학 통신 실험의 수신 안테나 역할을 시작했다.[40]
4. 3. 외계 행성 직접 촬영
2010년 미국 항공우주국(NASA) 제트 추진 연구소 팀은 와류 코로나그래프를 사용하면 작은 망원경으로도 외계 행성을 직접 촬영할 수 있음을 증명하였다.[41] 이들은 헤일 망원경의 1.5m 부분을 사용하여 HR 8799 별 주위의 외계 행성을 직접 촬영하는 데 성공했다.
5. 1949년 당시 주요 망원경과의 비교
천문대
팔로마 천문대
마운트 윌슨 천문대
맥도날드 천문대
(오토 스트루브 망원경)
