갈릴레오 망원경의 개요
갈릴레오는 네덜란드 사람이 망원경(멀리 있는 물체를 보는 기구)을 만들었다는 소문을 듣고, 스스로 빛의 굴절에 대한 이론을 바탕으로 1609년에 첫 번째 망원경을 만들었다. 이것은 굴절망원경으로서, 볼록의 대물렌즈와 역시 볼록의 접안렌즈로 이루어져 있으며, 물체가 뒤집혀 보이지 않고 똑바로 보이게 된다. 갈릴레오는 계속해서 망원경을 만들며 성능을 개선했으며, 자신의 망원경으로 달과 목성 등을 관측하고 기록을 남겼다. 이로써 갈릴레오가 천체망원경을 발명한 것으로 알려졌다.
메디치가의 코시모 2세 대공에게 바쳤던 망원경으로, 20배의 배율을 갖고 있다. 피렌체의 과학역사박물관(Istituto e Museo di Storia della Scienza)에 보관되어 있는데, 이 박물관은 2010년에 바뀌기 전의 이름인 갈릴레오 박물관(Museo Galileo)으로 더 잘 알려져 있다. 베르티니(Giuseppe Bertini)의 1858년 그림으로, 갈릴레오가 자신이 만든 망원경을 베니스의 총독에게 보여주는 장면을 그린 것이다.
갈릴레오 망원경의 구조
갈릴레오 망원경은 납으로 된 경통의 양 끝에 안경알을 끼워서 만들었는데, 둘 다 볼록렌즈로서, 각 렌즈의 한 면은 평면이고 다른 한 면은 볼록이었다. 그는 처음에는 3배 정도의 배율을 갖는 망원경을 만들었는데, 나중에는 30배 배율의 망원경도 만들었다. 이 원리는 그의 1610년도 저서인 시데리우스 눈치우스(Sidereus Nuncius)에 설명되어 있다. 그 저서에는 망원경의 배율을 아는 방법도 설명되어 있다. 종이에 작은 원을 그리고, 그 원보다 20배 더 큰 원을 그 옆에 그려서 벽에 붙인다. 멀리 떨어진 곳에서 한 눈은 망원경을 통해서 작은 원을 바라보고, 다른 쪽은 맨눈으로 큰 원을 바라본다. 두 원이 같은 크기로 보이면 망원경은 20배의 배율을 가진다.
또한 별 간의 각거리를 측정하는 방법도 위 그림와 같이 제시하였다. 관측자의 눈이 그림의 맨 왼쪽에 있는 E에 있고, 망원경의 통이 ABCD에 있다. 망원경 통에 렌즈가 없으면 FG 만큼의 물체가 보이게 된다. 렌즈를 끼우면 확대가 되어서 HI 만큼만 보이게 될 것이다. 관측자 E로부터 물체 H까지의 거리와 물체의 거리 HI를 알면 시야각 HEI를 계산할 수 있다. 이 각도는 몇 각분(‘) 정도이다.
그리고, 망원경의 앞(대물렌즈)의 구경 CD에, 서로 가까이 있는 두 별이 보일 정도의 크기로 만든 구멍 뚫린 판을 놓는다. 그러면 통의 지름 CD에 대한 구멍 지름의 비가 각 HEI에 대한 구멍의 각도 비가 되는 것이다. 구멍에 해당하는 각도가 두 별 간의 각도인 것이다. 이렇게 해서 구한 두 별 사이의 각도는 1~2분 정도의 정밀도를 가진다고 하였다.
갈릴레오식 망원경의 원리
원리
갈릴레오식 망원경은 그림과 같이 볼록 대물렌즈와 오목 접안렌즈로 구성되어 있다. 대물렌즈의 초점 안에 접안렌즈를 놓는데, 접안렌즈의 초점을 대물렌즈의 초점과 일치시킨다. 그러면 광축과 평행하게 입사한 광선은 대물렌즈에 의해 초점으로 수렴된다. 그림 1에서 빨간색 실선으로 표시된 이 광선들은 초점 이전에 있는 오목 접안렌즈에서 다시 평행광선이 되고, 눈의 수정체에서 다시 수렴하여서 망막에 한 점으로 맺힌다.
시야
갈릴레오식 망원경은 시야가 좁은 단점이 있다. 오목렌즈는 발산하는 특성이 있으므로 광축으로부터 조금만 벗어나는 광선도 쉽게 발산해버린다. 그림 2와 같이 광축과 각도를 가지고 들어오는 파란색의 평행광선은 결국 접안렌즈에서 발산하여 망막의 한 점에 모이지 않게 되는 것을 볼 수 있다.
정립 상
그렇지만 갈릴레오식 망원경으로 물체를 보면 바르게 보이는 정립 상을 볼 수 있어서 지상의 물체를 보기에는 좋다. 그림 3에서 보이듯이, 멀리 있는 물체는 대물렌즈에 의해 맨 오른쪽에 뒤집어진 상을 맺는다. 이 상은 다시 접안렌즈의 앞에 바로 서는 상을 맺은 것으로 우리 눈에 보이게 된다. 오페라글라스는 이러한 장점을 이용하여 갈릴레오식으로 만들어진다.
갈릴레오의 천체 관측
갈릴레오는 망원경을 달로 향해서 달의 표면이 편평하지 않고 구멍과 돌출부로 가득 찼다는 것을 발견했다. 달은 보석같이 매끄러운 표면을 갖고 있다는 당시의 통념을 완전히 깨는 것이었다. 목성에 4개의 위성이 있음을 발견하였는데 이들은 '갈릴레오의 4대 위성'으로 불린다. 또한, 토성의 고리, 태양의 흑정, 금성의 위상변화도 관측하였다. 이로써 지동설이 맞다는 증거를 제시하였다. 그리고 은하수와 성운(성단도 포함)이 별의 무리임을 밝혀냈다.
달 관측
갈릴레오는 달의 표면에 비치는 빛과 그림자를 관측하여 달 표면이 울퉁불퉁하다는 사실을 처음으로 발표하였다. 아리스토텔레스가 주장했던 대로 달의 표면이 매끄럽거나 평평하거나 완벽한 구의 모습을 하는 것이 아니고, ‘커다란 반점’과 무수히 많은 ’작은 반점‘이 있어서 표면이 거칠고 돌출부가 가득 차 있다는 것을 밝혀낸 것이다. 달의 그림자로부터 달에도 지구와 같이 산과 계곡, 바다가 있음을 알았고, 달의 위상에 따라 그림자가 변화하는 모습으로부터 산의 높이도 계산해냈다. 위상에 따른 달의 모습을 세세하게 그린 그림들도 그림 5와 같이 시데리우스 눈치우스에 싣고 있다.
목성 관측
1610년 1월 7일에 30배 배율의 성능을 가진 망원경으로 목성을 관측했는데, 그 주변에 3개의 작고 밝은 별(위성)이 있는 것을 알게 되었다. 그중 한 개는 목성의 서쪽에 있고 나머지 두 개는 동쪽에 한 줄로 있었다. 이후 1610년 3월 2일까지 2개월 가까이 지속적으로 관측하여 4개의 행성이 있음을 알게 되었고, 그의 후원자인 메디치가의 이름을 붙여서 ’메디치의 별‘이라고 불렀다. 이 명칭은 나중에 천문학자들이 갈릴레오를 기려서 ’갈릴레오 4대 위성‘으로 바꾸었다. 그는 이 위성들의 위치와 밝기를 관측하고, 변화하는 것을 기록하였다. 이로부터 갈릴레오 위성들이 목성의 주위를 돌고 있고, 가장 큰 궤도를 도는 위성의 주기가 15일 정도임을 밝혔다. 그는 이것이 코페르니쿠스의 지동성을 증명하는 증거라고 조심스럽게 주장하였다.
천체 관측
갈릴레오는 오리온 자리의 삼태성과 오리온대성운 부근에서 맨눈으로는 보이지 않는 80개의 별을 더 볼 수 있었고, 황소자리의 좀생이별(플레이아데스성단)에서도 40여 개의 별을 더 찾았다. ’프레세페성운’이라고 표현했던 프레세페성단에서도 새끼 당나귀별 근처에 36개의 별을 더 찾아서 그렸다. 이전에는 흰 구름같이 보였던 은하수가 무수히 많은 별로 이루어졌다는 사실도 알았다. 그는 1610년 9월부터 금성의 위상 변화를 관측하였다. 토성의 고리 역시 관측하였으나 3개의 고리가 있다가 없어지고 다시 보이는 관측 결과에 혼란스러워했다. 1612년에는 해왕성을 관측했지만, 이것이 행성인지 알지 못해서 희미하고 많은 별 중의 하나로만 기록했다.