GMT 거대망원경 광학계

자료: 광학과 기술(OPTICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY), October 2008

※ 용어:

• 영점 보정계 (null corrector)를 붙인 간섭계를 이용하여 측정하고, scanning pentaprism으로 기울기 오차를 측정한다. 마지막 단계의 광택작업은 stressed lap과 작은 툴들을 사용하여 요구하는 정밀도까지 정확하게 표면 형상을 만들어 주는 것이다....
• 주경(주반사경)은 위의 세 단계를 거쳐서 완성되는데, 각 단계마다......

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현재 선진국들은 대형광학망원경 분야에서 20년 만에 또 한번의 각축전을 벌이고 있다. 1949년에 미국의 Palomar천문대에 구경 5m의 망원경이 세워진 이후 3m~6m 크기의 대형망원경이 전 세계에 건설되었다. 이후 40년 만인 1990년대에는 2배의 구경인 6.5m~10m 초대형망원경들이 경쟁적으로 개발되어, 현재 십여 기의 초대형망원경이 운영되고 있다. 그렇지만 선진각국은 한 걸음 더 나아가, 25~42m의 거대망원경 개발에 또다시 경주하고 있는 것이다.

구경 6.5m 망원경 2기로 이루어진 마젤란 (Magellan) 망원경 개발을 주도했던 카네기재단의 천문대는 다시 한 번 구경 25m의 GMT (Giant Magellan Telescope) 개발을 주도하고 있다. 여기에는 미국 내의 하바드대학, 국립 Smithsonian 천문대, 아리조나대학, 텍사스 A&M 대학, 텍사스 오스틴 대학들이 참여하고 있다. 국제 파트너로는 호주가 있는데, 호주국립대와 AAL (Astronomy Australia Limited)가 참여하고 있다. AAL은 호주 내 13 개 천문우주관련 대학, 천문대, 기관들이 모여서 설립한 비영리 회사이다. 한국은 아직 Observer 자격으로 참여하고 있다. 이 GMT는 2018년에 완성되면 마젤란망원경이

설치되어 있는 칠레의 Las Campanas에 나란히 놓일 것이다.

1990년에 최초의 초대형망원경인 10m Keck 망원경을 건설하였던 캘리포니아공대는 캘리포니아주립대, 카나다와 손잡고 30m 망원경인 TMT (Thirty Meter Telescope) 개발을 주도하고 있다. 이 역시 2018년 완성을 목표로 하고 있으며, 북반구와 남반구에서 가장 좋은 관측지인 하와이와 칠레 중 한군데에 설치하고자 한다. 한편 미국의 Keck 망원경보다 8년이나 뒤늦게야 8m 망원경 4기를 설치했던 유럽은 이번에는 뒤처지지 않으려고 노력하고 있다. 유럽천문대가 주축이 되어 구경 42m인 EELT(European-Extremely Large Telescope)를 2017년에 완성한다는 목표로 열심히 추격하고 있는 것이다.

그렇다면 우리나라의 상황은 어떠한가? 현재 국내의 최대 망원경은 한국천문연구원이 보유하고 있는 보현산천문대의 1.8m 망원경이다. 이 망원경은 자랑스럽게도 만원권

지폐에도 나와 있지만 세계적인 망원경의 수준에는 못 미치고 있는 것이다. 전 세계적으로 4m급 망원경 뿐만 아니라 8m급 망원경들이 십여 대가 운영되고 있어서 보현산 망원경은 세계 50위권 아래로 밀려나 있는 것이다. 또한 스페인, 남아프리카공화국, 브라질, 칠레 등 우리나라와 경제수준이 비슷하거나 낮은 국가들도 8m~10m의 초대형 망원경을 보유하고 있는 것이다.

이에 국내의 천문·우주과학계의 숙원인 대형망원경의 확보를 위하여 한국천문연구원이 주축이 되어 노력하고 있다. 세계 최대급인 GMT 25m 거대망원경의 개발에 참여하고자 하는 것으로, GMT 25m 망원경의 광학계에 대하여 자세히 알아본다.

2. GMT 망원경의 광학계

GMT의 주경은 원형의 8.4m 반사경 7장으로 이루어져 있다. 가운데에 한 장이 놓이고 그 주변에 6장의 반사경이 둘러싸여 있다. 이들은 곡률반경이 36m인 하나의 타원면을 이루어서 f/0.7의 매우 짧은 초점비가 된다. 부경 역시 7장의 반사경으로 지름 3.2m를 이루게 되는데, 각각의 반사경은 지름이 1.06m이다. GMT의 광학계는 Magellan 망원경과 마찬가지로 Gregorian 방식으로, 부경이 오목타원면이다.

Gregorian 방식을선택한이유로는다음의몇가지가있다.

1. 부경은 광학적으로 지상 약 160m에 conjugate되는데, 넓은 시야각에서 ground layer AO (Adaptive Optics, 적응광학)을 하는데 아주 좋다.

2. Gregorian 방식은 주초점(prime focus)에 인공별을 두어서 망원경 내에서 적응광학계를 검정(calibration)할 수 있다. Cassegrain 방식은 이러한 검정이 불가능하다.

3. 망원경의 초점면이 관측기기 쪽의 방향으로 굽어져있어서 시상(seeing) 한계까지의 광시야 다천체 분광을 위한 collimator를 설계하는 데에 적절하다.

4. Cassegrain 방식과 다르게, 편평한 field screen을 망원경의 부경 아래에 위치한 exit pupil에 설치할 수 있다.

Gregorian 방식은 일반적으로 많이 사용하는 Cassegrain 방식에 비해 망원경의 길이가 길어지는 단점이 있다. 이 단점은 주경의 초점비를 매우 짧게 만들어서 망원경의 길이를 최소한으로 줄이는 것으로 보완했다.

이러한 광학계에 의해 만들어지는 상은 그림 5와 같다. 이는 입사각이 0′, 2′, 3′, 4′일 때의 각각의 상의 모습으로서, 박스의 크기는 0.25˝이다.

다음 그림은 enclosed energy에 관한 도표이다. 파장이 500nm인 경우에 역시 입사각이 0′, 2′, 3′, 4′인 경우에 대하여 0.125˝(127μm)까지 계산되었다.

3. 주경 제작

GMT의 주경은 지름 8.4m의 반사경 7장으로 구성되어 있는데, 주변의 6장은 비축 비구면이면서 표면의 경사도가 매우 급하다. 이는 기술적으로 새로운 도전적인 사항으로서, 특히 표면정밀도를 시험하는 방법이 매우 중요하다.

GMT 주경의 설계와 제작은 파트너 기관 중에서 유일하게 시설과 장비, 경험을 축적하고 있는 아리조나 대학에서 수행된다. MMT(Multi mirror Telescope)와 Magellan, LBT(Large Binocular Telescope)의 주경 개발 경험을 가지고 있는 것이다. 이미 증명된 설계와 현존하는 망원경 개발 경험으로부터 시작하여 여러 주요 개선을 하게 되어 GMT는 더욱 좋은 성능을 가지게 될 것이다. 첫 번째 주경은 이미 제작을 시작하여 표면 가공을 하는 중이며, 내년( ‘09년) 초에 완성을 눈 앞에 두고 있다.

우선 주경의 형상에 대해 알아보면, 두께가 최대 704mm로서 지름과 두께 비가 약 12:1이므로 일반적인 반사경에 비해 상대적으로 얇은 것을 알 수 있다. 또한 경량화를 하여, 뒷부분에 벌집모양의 6각 구멍을 낸다. 이러한 honeycomb 반사경은 가벼우면서 강하여 중력에 의한 휨이 줄어들고 바람에 의한 영향도 적어진다. 또한 반사면의 얇은 유리와 강제적인 공기환기 방식으로 반사경의 thermal time constant를 한 시간 이내로 줄여서, 열에 의한 변형이나 mirror seeing이 궁극적으로 상에 크게 영향을 미치지 않도록 하였다. (이하 생략)