왜 많은 작은 거울들로 큰 거울을 만들어야 하는가?

이 글은 케크 망원경의 사례를 통해 대형 거울을 여러 개의 작은 거울로 구성하는 이유에 대해 설명하며, 대형 단일 망원경 렌즈가 지원하기 어려운 인프라, 운송 문제, 제조 난이도 및 높은 비용 등의 문제가 있음을 밝혔습니다. 그리고 이러한 문제들을 해결할 수 있는 조합 거울 기술에 대해서도 설명하였으며, 초점 조정, 위상 조정 등의 기술적 어려움을 극복해야 한다고 지적했습니다.

왜 많은 작은 거울들로 큰 거울을 만들어야 하는가?

미국 하와이의 마우나 케아 산에는 다양한 망원경이 설치되어 있다. 이 망원경 중에서도 가장 유명한 것은 '케크(Keck)'라는 두 개의 망원경이다. 만약 당신이 이 두 망원경의 주거울을 볼 기회가 있다면, 아마도 망원경에 대한 인식이 바뀔 것이다. 이 망원경의 주거울은 하나의 완전한 반사경이 아니고, 36개의 육각형 작은 거울로 구성되어 있어서, 마치 모기장처럼 보인다. 이러한 작은 거울들을 조합하면, 큰 거울만큼 강력한 성능을 발휘할 수 있다.

이러한 기술은 바로 '조합 거울(segmented mirror)'이다. 왜 이러한 기술이 필요할까? 망원경의 구멍이 클수록, 멀리 있는 별들의 빛을 더 많이 수집할 수 있고, 더 멀리 있고 어두운 별들도 볼 수 있고, 더 자세한 별들의 사진도 찍을 수 있기 때문이다. 하지만 구멍이 8미터 정도가 되면, 더 큰 거울에 대한 예상치 못한 문제들이 발생한다. 가장 큰 문제는 기존의 인프라가 대구멍 거울의 요구 사항을 만족시키지 못하는 것이다. 10미터 구멍의 거울을 만들려면 어떻게 운송을 할까? 차량이 충분히 크지 않고, 도로, 다리, 터널도 충분히 넓지 않을 것이다. 게다가, 더 큰 거울을 만들기도 어렵고, 비용도 많이 들기 때문이다.

사람들은 이 문제를 해결하기 위해 작은 거울을 조합하는 기술을 개발했다. 이를 통해 제조 비용을 줄이고 인프라 제한 사항을 피할 수 있다. 그러나, 조합된 거울에도 여러 문제가 있다. 이 작은 거울들은 수집한 빛을 정확히 모아야 하고, 그것을 공초점(colimation)이라고 부른다. 공초점 없이는 모든 작은 거울들이 수집한 빛의 능력을 발휘할 수 없다. 하지만, 이 작은 거울들이 큰 거울처럼 선명한 사진을 제작하려면 공상위상(common phase)도 매우 중요하다. 이 매우 어려운 기술을 凯克望远镜이 달성했고, 그 결과 매우 자세한 별들의 사진을 찍을 수 있게 되었다.