윌리엄 허셜(1738~1822)은 18세기 후반과 19세기 초반을 대표하는 천문학자로, 천왕성의 발견, 적외선의 발견, 그리고 망원경 개량을 통해 인류의 우주 관측 능력을 획기적으로 향상한 인물입니다. 그의 연구는 단순한 발견에 그치지 않고, 이후 천문학과 물리학의 발전에도 지대한 영향을 미쳤습니다. 이번 글에서는 허셜이 이룬 세 가지 주요 업적인 천왕성 발견, 적외선의 발견, 그리고 망원경의 발전에 대해 심층적으로 살펴보고자 합니다.
윌리엄 허셜의 천왕성 발견
18세기 후반까지 인류가 알고 있던 태양계의 행성은 육안으로 관측할 수 있는 수성, 금성, 지구, 화성, 목성, 토성이 전부였습니다. 그러나 1781년 3월 13일, 윌리엄 허셜은 기존의 행성과 다른 천체를 발견하며 인류의 태양계 관점을 바꾸는 혁신적인 발견을 하였습니다. 허셜은 본래 음악가였으나, 천문학에 대한 깊은 관심을 바탕으로 자신만의 반사망원경을 제작하고 하늘을 연구하였습니다. 그러던 중 그는 이전까지 별로 분류되었던 천체가 실제로는 행성임을 확인하였고, 이를 '조지의 별(Georgium Sidus)'이라 명명하였습니다. 하지만 후에 국제적으로'천왕성(Uranus)'이라는 명칭이 채택되었습니다. 이 발견은 기존의 천문학적 패러다임을 뒤흔들었으며, 더 나아가 이후 해왕성과 명왕성의 발견으로 이어지는 천문학적 탐사의 첫걸음이 되었습니다. 허셜의 천왕성 발견은 단순한 발견에 그치지 않고, 태양계의 크기와 행성 형성 이론을 재정립하는 데 큰 기여를 하였습니다. 또한, 천왕성이 기존의 육안으로 보이는 행성과 달리 망원경을 통해서만 확인할 수 있는 존재였기에, 더욱 강력한 천문학적 관측 도구의 필요성을 강조하는 계기가 되었습니다.
적외선의 발견
윌리엄 허셜은 천문학뿐만 아니라 광학과 물리학에도 깊은 관심을 가지고 있었습니다. 그는 태양빛의 성질을 연구하던 중, 가시광선을 넘어선 새로운 형태의 빛을 발견하는 데 성공하였습니다. 1800년, 허셜은 프리즘을 이용하여 태양빛을 스펙트럼으로 분해한 후, 온도계를 사용하여 각 색깔의 온도를 측정하는 실험을 진행하였습니다. 예상대로, 빨간색 쪽으로 갈수록 온도가 높아졌지만, 그는 더욱 놀라운 결과를 발견하였습니다. 빨간색 바깥의 눈에 보이지 않는 영역에서도 온도가 상승하는 현상이 관측된 것입니다. 이로 인해 허셜은 가시광선을 넘어선 새로운 유형의 빛, 즉 적외선을 발견하였음을 알게 되었습니다. 적외선의 발견은 현대 물리학과 천문학에서 중요한 역할을 하였습니다. 오늘날 적외선은 천체의 온도를 측정하고, 성운이나 은하 내부의 보이지 않는 구조를 연구하는 데 필수적인 도구로 사용되고 있습니다. 허셜의 발견이 없었다면, 현대 천문학에서 사용되는 적외선 망원경, 열 감지기 등의 발전도 어려웠을 것입니다. 그는 빛과 온도의 관계를 새롭게 정립함으로써, 인류가 우주를 바라보는 방식을 한층 더 넓혀주었습니다.
망원경의 제작
허셜의 천문학적 업적을 가능하게 한 또 다른 중요한 요소는 바로 그가 직접 설계하고 제작한 망원경이었습니다. 18세기 당시 대부분의 천문학자들은 굴절망원경을 사용하였으나, 허셜은 반사망원경이 더 우수한 관측 성능을 제공할 수 있다고 판단하고 이를 개발하는 데 주력하였습니다. 굴절망원경과 반사망원경에 대해 간단히 알아보면 굴절망원경(Refracting telescope)은 빛을 굴절시키는 렌즈를 사용하여 이미지를 확대하는 망원경입니다. 이 망원경은 기본적으로 두 개의 렌즈를 사용하며 하나는 빛을 모으는 대물렌즈로, 다른 하나는 이미지를 확대하는 접안렌즈입니다. 대물렌즈가 수집한 빛은 굴절하여 초점에 모이며, 이 빛을 접안렌즈를 통해 확대하여 우리가 볼 수 있는 이미지를 형성합니다. 굴절망원경은 구조가 간단하고 초점이 잘 맞춰지며, 긴 광학적 길이를 가지므로 고배율의 관찰이 가능하다는 장점이 있습니다. 그러나 렌즈에서 발생할 수 있는 색수차(빛의 굴절로 인해 색이 퍼지는 현상)가 문제가 될 수 있으며 대물렌즈가 크고 무거워질수록 망원경의 크기와 가격이 비례하여 증가하는 단점도 있습니다. 반사망원경(Reflecting telescope)은 거울을 사용하여 빛을 모은 후 이미지를 형성하는 망원경으로 이 망원경은 대물렌즈 대신 볼록한 거울을 사용해 빛을 반사시켜 초점을 맞추고, 접안렌즈를 통해 확대된 이미지를 관찰합니다. 반사망원경은 거울을 이용하므로 렌즈에서 발생할 수 있는 색수차 문제가 없으며, 큰 크기의 거울을 만들 수 있어 큰 망원경을 비교적 저렴한 가격에 제작할 수 있습니다. 또한, 거울이 빛을 반사하는 방식이기 때문에, 렌즈보다 빛의 흡수나 왜곡이 적습니다. 그러나 반사망원경은 거울의 청소나 관리가 필요하며, 대물거울의 품질에 따라 이미지 품질이 영향을 받을 수 있습니다. 윌리엄 허셜은 이러한 대물거울을 활용한 망원경을 제작하였으며 그가 제작한 가장 유명한 망원경은 1789년에 완성된 40피트(약 12m) 반사망원경으로, 당시 세계에서 가장 큰 천체망원경이었습니다. 이 망원경은 120cm의 주경을 사용하여 빛을 모았으며, 이를 통해 허셜은 천왕성의 위성인 티타니아와 오베론을 발견하였습니다. 또한, 성운과 성단의 형태를 보다 정밀하게 관측함으로써, 은하의 구조에 대한 이해를 넓히는 데 기여하였습니다. 그는 또한 반사망원경의 거울을 제작할 때 구리와 주석의 합금을 사용하여 표면 반사율을 높이는 기술을 개발하였으며, 망원경 구조를 최적화하여 더 넓은 시야를 확보할 수 있도록 하였습니다. 그의 망원경 기술은 후대의 천문학자들에게 큰 영향을 미쳤으며, 오늘날에도 반사망원경은 천문학 연구의 필수적인 도구로 자리 잡고 있습니다. 결론적으로 윌리엄 허셜은 천문학뿐만 아니라 광학과 물리학 전반에 걸쳐 혁신적인 연구를 수행한 과학자로, 그의 업적은 오늘날에도 큰 영향을 미치고 있습니다. 그는 개량된 망원경을 제작하여 관측 능력을 향상시켰고, 이를 바탕으로 인류 역사상 최초로 천왕성을 발견하였습니다. 또한, 적외선이라는 새로운 형태의 빛을 발견함으로써, 현대 물리학과 천문학의 발전에 중요한 기틀을 마련하였습니다. 그의 연구는 단순한 발견에 그치지 않고, 인류가 우주를 이해하는 방식을 근본적으로 바꾸는 데 기여하였습니다. 허셜이 없었다면 우리는 태양계를 더 늦게 이해했을 것이며, 보이지 않는 빛의 존재조차 인식하지 못했을 것입니다. 그는 망원경을 통해 별을 바라보았고, 그 과정에서 과학의 새로운 지평을 열었던 것입니다. 그의 업적은 오늘날에도 천문학자들에게 영감을 주며, 인류가 더 넓은 우주를 탐험할 수 있도록 돕고 있습니다.
