분해능이 중요한 이유 - 빛의 회절과 분해능의 관계

고등학교 때 지구과학을 배우면 망원경의 모든 성능이 구경과 관계가 있다는 사실을 알게 된다.

배율은 접안 렌즈만 바꾸면 얼마든지 바뀔 수 있기 때문에 그리 중요한 요소는 아니다.

제일 중요한 것은 집광력과 분해능이다.

집광력은 망원경이 빛을 받는 면적이 넓으면 넓을수록 빛을 많이 받으니 구경의 제곱에 비례한다는 사실은 알고 있을 것이다.

그런데 왜 분해능은 구경이 크면 클수록 좋은 것일까?

1. 빛의 회절

회절이란, 파동이 장애물을 만났을 때 장애물 뒤까지 전파되는 현상이다.

회절로 인해 장애물 근처에 있는 빛의 경로가 변경된다. 빛도 파동이기 때문에 이러한 회절 현상이 나타난다.

그리고 빛이 좁은 공간을 지나게 되면 빛이 지나가는 경로 차이에 의한 독특한 무늬를 보여주게 된다.

이때 회절로 발생하는 무늬의 크기는 파장에 비례하고, 빛이 통과하는 공간(슬릿)의 크기에 반비례한다.

문제는 이러한 현상이 망원경으로 별이나 행성을 관측할 때에도 일어난다는 것이다.

별을 관측할 때에 망원경의 구경이 일종의 단일 슬릿이 된다.

위의 그림에서 빛이 단일 슬릿을 통과할 때 회절되는 것처럼, 망원경 구경의 끝 부분에서 빛의 회절이 일어나고, 이러한 빛의 회절은 상이 흐릿하게 보이도록 한다.

아래의 그림은 조리개가 달려 있는 망원경으로 구경(aperture)을 조절해가면서 서로 0.5mm 만큼 떨어져 있는 점광원을 촬영한 것이다.

망원경의 조리개가 많이 열려 빛이 들어오는 구경이 크면 클수록 빛이 잘 분해되어 보인다.

그림에서 (c)같은 경우에는 두 물체가 붙어 보이기 시작하는데, 관측자의 입장에서 이 거리보다 더 가까이 붙어있는 물체는 하나로 보이게 되는 것이다.

이 때 관측자가 본 두 물체 사이의 각도가 분해능이다.

따라서 분해능이 작으면 작을수록 물체를 선명하게 볼 수 있으며, 분해능이 작으면 성능이 좋다고 하는 것이다.

위의 이미지는 M13이라는 구상성단을 망원경의 구경을 다르게 하면서 촬영한 사진이다.

구경이 크면 클수록 선명한 이미지를 보여준다. 구경이 작다면 아무리 배율이 좋아도 이미지가 희미하게 보일 뿐이니, 물체를 정확하게 보는것이 불가능하다.

망원경의 분해능 공식과 단일 슬릿에서의 공식이 비슷한 것은 이 때문이다.

망원경 앞 부분에서의 회절이 물체의 상을 흐리게 하는 것이다.

따라서 망원경의 구경이 크면 클수록, 관측하고자 하는 파장이 짧으면 짧을수록 분해능 값은 작아지며, 관측자는 더 좋은 상을 얻을수 있다.

이 때문에 망원경은 무조건 구경이 큰게 좋다.

지구 과학에서 보는 여러 공식들을 지구 과학만을 배우며 이해해 나가는 것은 불가능하다.

물리, 화학을 함께 공부하면서 지구 과학을 배운다면, 공식을 이해하는데 많은 도움을 줄 것이다.