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망원경 400년 역사 뒤에 숨겨진 우주와 천문학의 비밀

망원경에 대한 모든 것을 담은『망원경으로 떠나는 4백년의 여행』. 이 책은 망원경의 역사를 통해 망원경 제작 기술의 발달과 천문학의 발달 등에 관해 설명한다. 또한 20세기 망원경의 천문학적 결실과 망원경의 현주소에 이르기까지의 이야기도 함께 담았다.

《망원경으로 떠나는 4백년의 여행》은 덴마크 천문학자인 티코 브라헤의 업적과 성과를 통해 16세기 천문학적 지식과 망원경 탄생 이전의 역사, 처음 망원경을 만든 사람과 망원경 역사에서 중요한 역할을 한 갈릴레오와 케플러의 일대기, 현대의 다양한 망원경의 종류와 2018년으로 훌쩍 떠나서 뒤돌아 본 망원경에 관한 이야기 등으로 구성했다.

1. 구경병aperture fever에 시달렸던 천문학자들의 이야기
《망원경으로 떠나는 4백 년의 여행》은 망원경의 역사를 통해 망원경 제작 기술의 발달과 이에 힘입은 천문학의 발달을 조명하고 있다.
망원경 탄생 이전, 17세기에 발명된 망원경의 초창기, 성년의 나이에 이른 망원경의 성장, 20세기 망원경의 천문학적 결실과 역사에 대해서 기록하고 있으며, 마지막으로 망원경의 현주소를 2000년에 뮌헨에서 열렸던 심포지엄에서 다루어졌던 주제들을 중심으로 짚어보고 있다.
한편, 이 책의 끝에 있는 에필로그에서는 저자가 2108년이라는 미래 시점에서 망원경의 500년사를 돌아보는 독특한 형식을 취한 글로 마무리 지었다.
그러나 이 책은 단지 망원경의 발명과 변천사에 치중한 역사 그 자체로서의 서술만은 아니다. 저자인 프레드 왓슨이 말하는 것처럼-‘구경병aperture fever’이라고 규정하는-망원경의 크기에 필요 이상으로 집착하는 천문학자들의 유별난 과대망상증으로 말미암아 천문학이 발전해갔다는 논점으로 풀어내고 있다.
즉, 이 책에 등장하는 망원경은 천문학 발전의 필요 때문에 만들어지고 천문학에 도움을 준 망원경이 아니라, 망원경이 커지고 발전해 감에 따라 우리가 알게 된 우주의 크기가 늘어나고 천문학이 발전해 갔다는 것이다. 다시 말하자면 망원경의 역사는 망원경의 크기 변화와 관련이 깊다고 할 수 있다.
또한, 망원경의 발명과 발달 과정에서 등장하는 중요한 인물들의-갈릴레오, 뉴턴 같은 유명한 과학자들을 포함하여-탄생과 사망에 이르기까지 일대기적으로 묘사하고 있고, 또 그들에게 일어난 해프닝이나 겪은 일화들을 다루고 있어 이야기책을 읽듯이 쉽게 다가갈 수 있다. 아울러 망원경이 진화되는 단계마다 어떤 기술적 진보가 있었고, 그것은 어떻게 해서 가능했는가에 대한 과학적 설명도 충분히 주어지고 있다.

망원경은 글자 그대로 세계에서 가장 중요한 발명품이다. 이것은 가장 먼 우주의 구석진 곳에 숨어있는 자연의 비밀을 우리에게 알려준다. 또 가장 심오한 질문에 답할 수 있도록 과거 수십억 년을 우리가 뒤돌아 볼 수 있도록 해주는 타임머신이다.
4백 년 역사를 거치면서 망원경은 두 개의 안경알을 고정한 단순한 원통에서 우주 시대의 대성당(큰 돔)에 사는 웅장한 구조물로 발전했다. 이런 거대한 망원경은 우주의 비밀과 현대 최첨단 기술 사이의 경계면에 놓여있어 천문학에 관심이 없는 사람들을 포함해서 모든 사람의 관심을 끌 만하다.
과학사에서 제일 화려한 인물들에 얽힌 창의성과 끊임없는 노력을 한 이야기가 망원경 역사에는 풍부하다. 고전 문학에서 발견되는 망원경이라고 생각될 수 있는 발명품에 대한 알쏭달쏭한 소문을 통해 망원경의 역사는 시작한다. 그리고 문예 부흥기를 겪으며 여세를 몰아간다. 첫 번째 공식적 기록으로 망원경이 16세기 네덜란드의 외교적 위기 상황의 한가운데서 시작하는 망원경의 역사는 천문학자의 요구에 따라 많은 일을 할 수 있도록 더 정교해지는 것과도 관련이 있다.


2. 망원경의 역사: 티코 브라헤의 혼천의에서 극대형 망원경(ELT)까지
이 책은 ‘덴마크의 눈’으로 불렸던 망원경의 발명에 지대한 영향을 끼친 천문학자 티코 브라헤를 되돌아보면서 그의 과학적 업적 및 성과의 중요성을 16세기의 천문학적 지식에 비추어 전달하면서 시작한다. 그리고 기록적으로 망원경과 관련한 어떤 내용이 남아 있는가를 고대의 저서들을 통해 훑어보면서, 망원경이라 부를 수 있으려면 어떤 구성 요소들이 필요한가, 망원경에는 어떤 렌즈가 필요한가, 망원경과 유사한 기구를 발명했다는 기록을 신뢰할 수 없는 까닭은 무엇인가 등에 대한 질문을 풀어나가면서 망원경의 탄생 이전의 역사와 이에 대한 역사가들의 반응을 담고 있다.
망원경이 처음 만들어졌던 17세기의 시대적 배경을 통해 역사는 망원경을 처음 만든 사람은 한스 리퍼라이라고 귀띔해준다. 더불어 초창기 망원경의 역사에서 중요한 두 인물인 갈릴레오와 케플러의 일대기를 통한 망원경에의 관심, 망원경의 천문학적 적용 및 발견 결과, 영국과 유럽 대륙의 역사적 배경 아래에서 망원경이 어떤 발전 과정을 거쳐 왔는지도 이 책에서는 빼놓지 않고 있다.
렌즈의 발달은 망원경의 진화에 이바지하였으며, 천문학자들의 망원경의 길이에 대한 욕망도 커졌다. 한편, 볼록렌즈 대신 오목거울을 사용한 망원경은 이론적으로는 가능했지만 당시의 기술적 한계 때문에 성공하지 못했으나, 이미 이론적 성과는 17세기에 이미 완성되었다고 여겼다.
여기서 우리는 또 다른 과학자를 만나게 된다. 제임스 그레고리는 스코틀랜드인의 삶을 과학적 측면에서 조명하고, 망원경의 연구 내용을 과학적으로 설명함으로써 가장 중요한 업적을 이루어냈다. 그는 세 종류의 망원경-렌즈 망원경, 거울 망원경, 렌즈와 거울을 함께 사용한 망원경-을 비교했다. 또한, 지금 사용하고 있는 반사 망원경의 특징을 전부 가지는 망원경의 설계 방법을 기록했고, 그것은 현재 그레고리 망원경으로 알려졌다. 그러나 그레고리는 초점거리 91센티미터인 금속거울을 만들고자 했으나 만족하지 못하고 실험을 포기하고 말았다. 이 실험에 성공하여 그레고리 망원경을 만든 것은 로버트 후크였다.
아이작 뉴턴은 반사 망원경을 만들려고 이전 세대에 해결되지 않았던 거울의 문제를 해결하고자 많은 실험을 거쳐야만 했다. 그 결과 거울 면을 만드는 기술을 향상시켰고, 망원경까지도 설계했다. 이를 통해 뉴턴은 ‘반사 망원경의 아버지’로 인정받고 있기도 하다.
굴절 망원경이 출현한 지 60년이 지났을 때 드디어 반사 망원경이 세상에 첫선을 보였다.
반사 망원경은 프랑스의 로랑 카세그레인Laurent Cassegrain에 의해 완성된다. 오늘날 세계의 거의 모든 대형 망원경이 카세그레인의 망원경 배치를 그대로 따를 정도로 카세그레인의 발명품은 아주 중요한 것이었다.
반사 망원경의 대중화가 되기에 이른 것은 색수차가 없는 렌즈가 발명되면서부터다. 반사 망원경의 대중화를 앞당긴 사람은 윌리엄 허셜로, 그는 최초 ‘구경병’의 희생자이기도 했다.
19세기, 새로운 천문학 중심지로 떠오른 아일랜드의 윌리엄 파슨스William Parsons가 만든 ‘파슨스타운의 레비아탄’은 3피트(91센티미터)짜리 거울의 성공적인 실험 결과에서 나왔다. 열정에 불타던 윌리엄은 즉각 구경이 두 배가 되는 망원경을 만들기로 결심하고 일을 시작했다. 1842년 4월 13일 저녁, 버르 성 바깥마당에서 첫 번째 6피트(1.8미터)짜리 금속 거울을 주조했다. 그러나 반사면을 연마하는 과정에서 거울은 결국 금이 가고 말았다. 이후 두 번째 거울을, 그다음에는 세 번째, 네 번째, 다섯 번째 거울을 주조했다. 이 가운데 두 번째 거울과 다섯 번째 거울이 증기로 구동되는 연삭 과정과 광택 과정을 성공적으로 통과했다.
윌리엄은 길이가 56피트(17.1미터)인 레비아탄의 나무 경통을 지지하도록 3피트짜리 망원경의 경우와는 전혀 다른 구조를 채용했다. 그리고 바람이 불어도 안전하게 보호하려고 길이가 72피트(21.9미터)에 높이가 56피트(17.1미터)인 큰 벽 사이에 매달았다. 벽은 남북으로 정렬되어 있는 데다 충분히 멀리 떨어져(24피트 즉, 7.3미터) 있었기 때문에 망원경은 천체가 자오선을 지나갈 때 동서 방향으로 한 시간쯤 따라갈 수 있었다. 자오선은 남과 북 사이로 머리 위를 바로 지나는 가상적인 선이다
레비아탄은 준비를 끝냈다. 그리고 새로운 종류의 천체가 나타났다. 세상에 있는 다른 망원경으로는 절대 볼 수 없을 만큼 미묘한 모습이었다. 성운 가운데 하나는 사냥개자리에 있는 신기한 나선 구조의 천체였는데, 관측자들은 소용돌이 모양을 한 이 천체에 반해버리고 말았다. 이것은 ‘전에 천체 역학에서 심사숙고하지 못한 역학적 작용의 양식’이 있다는 것을 의미하고 있다. 나선 은하에서 첫 번째로 알려진 예를 발견한 것이다. 파슨스타운의 레비아탄은 이 ‘나선 성운’을 60개 이상 발견했고, 나선 성운의 발견은 레비아탄이 해낸 가장 위대한 업적으로 남아 있다.

20세기에 들어서 도입된 유리 테스트 방법과 사진의 발달 등 기술의 발달이 새로운 망원경 제작에 영향을 미쳤다. 그것은 곧바로 미국의 헤일 망원경과 소련의 BTA 망원경의 혁신적인 기술 내용과 4미터짜리 망원경 8개를 남반구와 북반구에 설치함으로써 이뤄냈다.
한편, 20세기에는 망원경의 역할과 망원경의 확대된 의미(라디오 망원경, 우주 망원경) 그리고 새로운 종류의 망원경을 통해 벗겨지는 우주의 신비(퀘이사, 이중 퀘이사, 중력렌즈 등)에 대해서도 많은 이야기를 하고 있다.
20세기의 후반부에 이르러 인간은 우주 전체를 정면에서 바라보게 되었다. 1929년 에드윈 허블의 발견은 물리학자들로 하여금 우주가 팽창하고 있다는 사실을 깨닫게 했다. 우주의 기원과 진화에 대해 말해주는 것은 우주 과학이며, 최신 연구에 의하면 빅뱅이 137억 년 전에 일어났다고 한다. 20세기를 지나면서 실력 있는 과학자들이 우주의 문제들을 풀고자 애쓰고 있다. 1990년대에 들어서면서 상황은 훨씬 복잡해지고 있다. 우주의 팽창, 암흑에너지의 존재 등에 대한 신비들이 드러나지만 이 결과들을 알아내기 위해서 헤일 망원경 같은 광학 망원경만이 사용된 것은 아니다. 이제 ‘망원경’은 빛을 모으는 기계 이상의 의미를 띄게 되었다. ‘눈으로 볼 수 없는’ 천문학의 개척자는 윌리엄 허셜William Hershel이었고, 칼 구데 잰스키Karl Guthe Jansky는 1932년 은하로부터 오는 14.5미터 파장의 라디오파 간섭을 발견했는데, 그때 사용했던 안테나가 최초의 라디오 망원경이었다. 1937년 안테나 접시형의 기구가 사용되었는데, 그것이 최초의 10미터 지름의 반사 라디오 망원경이었다.
오늘날의 우주 망원경들은 매우 다양하다. 가장 유명한 것이 NASA의 ‘대천문대(Great Observatory)’라고 불리는 네 개의 망원경으로, 허블 우주 망원경(1990년 발사, 자외선과 가시광선의 관찰), 콤프튼 감마선 망원경(Compton Gamma-Ray Observatory, 1991년 발사, 2000년에 궤도 이탈), 찬드라 X선 망원경(Chandra X-ray Observatory, 1999년 발사), 스피처 우주 망원경(Spitzer Space Telescope, 2003년 발사, 적외선 관찰)이 그것이다.
지구 반대편 칠레에 체로 빠라날이라는 산 정상에서는 세계에서 가장 큰 광학 망원경이 마지막 조립 단계에 있다. 유럽 남반구 천문대가 건설 중인 이 거대한 망원경은 8미터짜리 망원경 네 개를 통합해 독자적으로 사용할 수도 있고, 함께 연결해 16미터 단일 망원경처럼 사용할 수도 있다. 이들 가운데 세 개는 벌써 작동하고 있다. 이 망원경에 생명을 불어넣은 유럽 회원 국가들의 언어는 매우 우아한데, 이상하게도 이 망원경에는 ‘매우 큰 망원경Very Large Telescope(VLT)’이라는 아주 평범한 이름을 붙여주었다.
현재 VLT가 건설 중인데도 불구하고 벌써 훨씬 더 큰 망원경에 대한 이야기가 오가고 있다. 뮌헨 심포지엄보다 4년 일찍 열린 유럽 학술 대회에서는 훨씬 더 큰 거울을 가진 놀라운 망원경에 대한 제안서 몇 개가 발표되었다. 하나는 ‘극대형 망원경Extremely Large Telescope’이라고 불렸는데, 어느새 이 이름은 새로운 망원경 부류를 총칭하는 용어가 되었다. 지름이 25미터나 되는 이 거대한 망원경에 사용될 거울은 한 장짜리 유리거울이 아니라 컴퓨터가 조정하는 작은 조각 거울들로 구성되어 있다. 현재 사용 가능하다는 것이 증명된 분할 거울 기술인 셈이다.


3. 2108년 9월 21일
저자는 ‘2108년, 망원경의 500년사’를 회상하는 입장에서 2108년에 이를 때까지 생긴 여러 가지 천문학적 사건들을 기록하며 《망원경으로 떠난 4백 년의 여행》의 막을 내린다.

추천의 말
프롤로그
01 덴마크의 눈
02 수수께끼
03 개화
04 개화기
05 진화
06 반사
07 거울 상
08 중상
09 하늘로 가는 길
10 예의 없는 천문학자
11 레비아탄
12 마음 아픈 일
13 꿈의 광학
14 은과 유리
15 은하와 함께 걷기
16 강력한 망원경
에필로그