NYSC 천문관측 실습과정 소개
2022. 11. 9. 강원석
1. 들어가며
밤하늘을 아름다움과 숭배의 대상으로 바라보던 인류가 어느 순간부터 하늘의 모습
과 변화를 기록하기 시작했습니다. 고대 그리스 니케아(Nicaea)의 히파르쿠스
(Hipparchus)는 기원전 2세기에 이미 삼각측량법으로 태양과 달의 거리와 크기를
구하고자 했으며, 프톨레마이오스(Ptolemy)에 따르면 말년에는 별의 위치와 밝기를
기록했다고 알려져 있습니다. 여기서 우리가 쓰는 별의 “등급” 개념이 등장합니다.
히파르코스는 별을 1등급에서 6등급까지 밝기 순으로 정렬하였고, 이것을 현재 우
리가 별의 밝기를 표현하는 방법으로 쓰고 있습니다. 그래서 밝기를 나타내는 등급
의 숫자가 밝을수록 작은 것이지요.
그러면 별의 밝기는 어떻게 측정하는 것일까요? 본 실습과정에서는 그 과정을 현재
“천문학자”가 주로 쓰는 방법대로 차근차근 살펴볼 예정입니다. 현재 천문관측은 대
부분 CCD(Charge-Coupled Device) 카메라를 이용하여 수행합니다. CCD 카메
라로 얻어낸 이미지에 담기는 정보가 우주를 지나온 별 빛의 정보만 담고 있기 않
기 때문에, 가장 먼저 해야 할 것은 이미지에서 빛의 정보만 걸러내는 작업입니다.
그 과정을 CCD 카메라가 빛을 담아내는 원리를 바탕으로 실습을 하면서 수행해보
겠습니다. 그리고 별 빛이 담긴 이미지에서 별의 밝기를 추출해내는 과정을 차근차
근 진행할 예정입니다.
그리고 20세기 들어 새로 등장한 천체분광학은 현대 천문학의 새로운 영역을 개척
합니다. 우주에서 오는 빛에 담긴 정보를 밝기가 아닌 스펙트럼으로 바라보게 된
것입니다. 천체 스펙트럼이 담고 있는 정보는 다양합니다. 스펙트럼은 천체의 물리
적인 특성과 화학적인 원소함량비를 아주 자세히 들여다볼 수 있게 해줍니다. 그러
나 그 자료를 얻는 분광기의 원리와 스펙트럼을 얻어내는 과정이 상대적으로 매우
어렵기 때문에 실습을 통해 간단히 그 원리를 체험해보는 것으로 이 과정을 마치고
자 합니다.
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2. 덕흥천문대 소개 및 천문관측의 과정
덕흥천문대는 방문객을 맞이하기 위한 공간이 아니라 연구 관측을 수행하는 곳입니
다. 현재 서울대의 연구팀들과 외부은하의 초신성 및 활동은하핵 블랙홀의 질량측
정 관측을 수행하고 있으며, 국제 협력 연구의 일환으로 외계행성 트랜짓(transit)
관측 또한 수행하고 있습니다. 실제 연구가 이루어지는 현장에서 천문학 연구에 사
용되는 관측장비를 직접 살펴보고, 천문관측이 어떻게 이루어지는지 그 과정을 간
단히 소개하고자 합니다.
덕흥천문대의 NYSC 1m 망원경은 두 개의 쌍곡면 거울로 만들어진 리치-크레티앙
(Ritchey–Chrétien) 방식의 광학망원경입니다. 주경의 지름은 1미터이고 초점거리
는 8,000mm로 F수가 8입니다. 얻는 사진의 한 변이 약 1/4도 밖에 안 되는 굉
장히 좁은 영역을 봅니다. 여기서 얻어진 이미지에는 빛뿐만 아니라 다양한 전기적
인 신호와 광학계의 특성이 함께 녹아들어가 있습니다. 그래서 그러한 잡음과 신호
를 제거하는 이미지 전처리(preprocessing) 과정을 수행해야 별 빛을 측정할 수
있는 정보를 얻게 됩니다. 이 시간에는 CCD 카메라가 담게 되는 다양한 정보를
이해하고, 어떻게 처리해야 하는지 그 과정에 대한 간단한 소개를 진행하겠습니다.
그림 2 NYSC 1m 망원경
그림 1 덕흥천문대 전경
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3. 측광관측 실습
이미지 전처리 과정을 이해했으면, 천문관측 자료를 얻는 것은 어렵지 않습니다. 대
부분의 천문대는 관측과정이 자동화되어 있거나 오퍼레이터가 상주하며 관측을 도
와주기 때문입니다. 덕흥천문대 또한 일부 자동화된 원격관측 시스템을 갖추고 있
기 때문에, 약간의 도움을 받으면 미리 조를 구성하여 강의실에서 조별로 관측을
수행하며 참관하는 것이 가능합니다.
이 시간에는 이미지 전처리에 필요한 자료를 얻는 과정을 미리 참관한 후에, 야간
시간을 활용하여 망원경의 초점을 맞추고 조별로 미리 정한 대상을 직접 관측하여
자료를 얻는 과정을 실습하겠습니다. 내가 선정한 대상에서 원하는 정보가 무엇이
냐에 따라 어느 영역에 집중할지, 어떤 필터를 쓸지, 어느 정도의 노출시간으로 촬
영해야할지 결정해야 합니다. 이러한 천문관측 현장의 경험과 이 과정을 통해 얻어
간 자료가 차후에 추가적인 실습의 자료나 후속 연구의 기반이 될 수 있기를 기대
합니다.
그림 4 2016년 1조 관측 이미지, M103
그림 3 덕흥천문대 원격관측 화면
(U: 500s, B: 250s, V:120s, R: 60s, I: 30s)
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4. 천문관측 자료처리 과정
천문학자는 대부분의 시간을 컴퓨터 앞에서 보냅니다. 관측하는 과정도 컴퓨터를
통해 이루어지며, 자료처리와 분석, 그리고 글쓰기까지 거의 모든 작업이 컴퓨터 앞
에서 이루어진다고 말할 수 있습니다. 따라서 천문학을 전공한 학생은 간단한 소프
트웨어 사용부터, 프로그래밍과 서버 관리까지 다양한 영역에서 능력을 발휘할 수
있습니다. 그 중에 구경 측광 과정은 프로그래밍 능력과 함께 빛을 읽는 방법에 대
한 이해가 필요하기에 천문관측법의 기본적인 내용을 모두 포함하고 있다고 말할
수 있습니다.
이 시간에는 덕흥천문대에서 사용 중인 측광 도구, TAPE(Tool for Aperture
Photometry for transiting Exoplanet)을 이용하여 관측을 통해 얻은 자료를 분
석하는 과정을 실습합니다. 관측 자료를 전처리하여 빛 정보만 담긴 이미지를 얻고
별의 밝기, 즉 등급을 얻어내는 구경 측광(Aperture Photometry) 과정을 실습하
겠습니다. Python으로 만들어진 도구를 사용하기에 프로그래밍에 대한 간단한 설
명, Python의 특징과 기본적인 사용법을 익힌 후에, 도구를 사용하여 구경 측광까
지 진행해보겠습니다. 실습을 효과적으로 운영하기 위해, 이미 관측된 자료를 모두
가 함께 공유하여 실습을 진행하겠습니다. 이 시간 동안 구경 측광이라는 방법의
특징과 측광 과정에는 어떤 과학적인 요소가 숨어있는지 같이 살펴보는 시간도 가
지도록 하겠습니다.
그림 5 전처리 전후의 이미지 변화
그림 6 외계행성 트랜짓 관측, 밝기변화 곡선
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5. 분광기 소개 및 분광관측의 과정
분광기는 천체의 빛이 가진 정보를 극대화시키는 도구입니다. 측광을 하면 보통, 필
터별로 2~6개 정도의 대상 천체의 빛 세기 정보를 얻습니다. 대상 하나에서 추출
할 수 있는 정보가 몇 개에 불과한 것입니다. 그러나 분광을 하면 파장별로 천체의
빛 세기 정보를 아주 자세하게 얻게 됩니다. 따라서 분광기는 천체가 가진 정보를
수백만~수천만 배 극대화시키는 도구라고 할 수 있습니다. 그만큼 분광기는 정밀하
고 복합한 도구이기에 그 내부 구조를 대략적으로 이해할 수 있어야 자료를 얻거나
처리하여 원하는 정보를 알아낼 수 있습니다.
분광기의 내부에는 기본적으로 천체의 빛을 받아들이는 슬릿, 빛을 가공해주는 렌즈
(거울)와 회절격자로 구성되어 있습니다. 슬릿은 내가 원하는 빛을 취사선택하게 해
주는 도구이며, 렌즈는 회절격자와 함께 빛을 효율적으로 파장별로 분산시켜주는 역
할을 합니다. 마지막으로 렌즈와 카메라 조합이 여기에 붙어, 우리가 그 스펙트럼을
저장하여 볼 수 있게 해줍니다. 이 구성 요소들이 각각의 역할을 하며 분광기의 성
능을 결정짓고, 최종적으로 얻게 되는 스펙트럼 이미지의 형태를 결정합니다. 따라서
분광기의 구조를 이해하고 있으면 여기서 얻어지는 자료의 품질을 파악하고 쉽고 빠
르게 처리하여 원하는 정보만 뽑아내는 것이 가능합니다. 이후에 진행할 분광관측
실습에 앞서, 분광기에 슬릿이나 광섬유를 통해 빛을 넣는 과정과 이렇게 얻어진 스
펙트럼에 파장매김을 할 수 있게 해주는 비교 광원 등을 촬영하는 과정들을 미리 설
명합니다.
그림 7 비교광원 스펙트럼 이미지
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6. 분광관측 실습
현대 천문학의 백미(⽩眉)는 천체분광학입니다. 최근에 발간되는 거의 모든 논문에
는 분광으로 얻어낸 자료가 쓰이고 있습니다. 측광으로 얻어내는 정보가 정밀함과
정확도로 승부를 한다면, 분광으로 얻어내는 정보는 다양한 수치모형과 맞물리며
우주의 다채로운 모습을 보여줍니다. 고분해능 스펙트럼을 얻으면 별의 유효온도와
표면중력, 그리고 세세한 원소함량까지 알아낼 수 있으며, 도플러 효과를 이용하면
크게는 은하의 후퇴속도를 알아낼 수 있으며, 작게는 부모항성의 운동을 통해 외계
행성의 궤도정보와 질량 또한 알아낼 수 있습니다. 최근에는 외계행성의 대기를 분
광하여 그 구성 성분까지 알아낼 수 있기에 많은 차세대 우주망원경과 대형망원경
에는 고분해능 분광기가 필수적으로 설치됩니다.
이번 분광관측 실습 과정에서는 고분해능 분광자료를 얻는 데 쓰이는 에쉘분광기의
간단한 원리와 분광기로부터 얻어지는 자료의 형태를 확인하고 어떤식으로 처리하
여 우리가 흔히 보는 스펙트럼으로 얻어지는지 알아보겠습니다. 물론 날씨가 좋다
면, 특정 별들을 직접 촬영하여 분광자료를 얻어보는 시간도 가질 예정입니다. 측광
과는 다르게 특이한 방식으로 관측이 이루어지기에 그 분광관측의 과정을 체험하는
것도 중요합니다.
그림 8 덕흥천문대 관측소에서 분광관측을 설명하는 모습
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7. 실습일정(안)
시
간
주 요 내 용
15:00~15:30
30분 접수 및 일정 안내(덕흥천문대)
15:30~16:00
30분 여는 마당(덕흥천문대)
16:00~17:40 100분 프로그램 1: 덕흥천문대 소개 및 천문관측의 과정
1
일 17:40~18:00
차
18:00~19:10
20분 이동(덕흥천문대 → 본관)
70분 식사 및 휴식
19:10~21:40 150분 프로그램 2: [조별] 1m 망원경 측광관측 실습
21:40~
08:00~09:30
-
90분 식사 및 휴식
09:30~11:40 130분
11:40~13:10
프로그램 3: 천문관측 자료처리 과정 실습 Ⅰ
- Python 프로그래밍, 이미지 전처리
90분 식사 및 휴식
13:10~17:40 130분
2
일 15:20~15:30
차
취침
프로그램 3: 천문관측 자료처리 과정 실습 Ⅱ
- 구경 측광의 원리 교육 및 실습
10분 휴식
15:30~17:40 130분 프로그램 4: 분광기 소개 및 분광관측의 과정
17:40~19:10
-
식사 및 휴식
19:10~21:40 150분 프로그램 5: [조별] 1m 망원경 분광관측 실습
22:00~
-
취침
08:00~09:15
-
식사 및 휴식
3 09:15~11:25 130분 우주인 훈련장비 체험 및 S.O.S.
- M.M.U., M.W., 4D, S.O.S.
일
차
11:25~11:40 15분 맺는 마당 및 기념 촬영
11:40~
-
중식 후 귀가
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8. 과정별 지도안
단위
프로그램명
덕흥천문대 소개 및 천문관측의 과정
참가대상
활동목표
활동개요
대학생
활동장소
덕흥천문대 세미나실
덕흥천문대 천체관측소
소요시간
100분
참가인원
30명
• 덕흥천문대 관측기기의 사용법을 익힌다.
• 천문관측 과정 및 CCD 카메라에 대한 이해를 높인다.
• 덕흥천문대 관측기기의 사용법과 함께 천문관측기기의 작동원리를 설명한다.
• 천문관측의 목적을 이해하고, 천문관측과정을 상세한 이야기를 통해 소개한다.
안전 및
• 덕흥천문대 견학 시, 망원경 근처에서 발생할 수 있는 충돌 사고 주의
유의사항
• 천체관측소 이동 시, 추락 주의
준비물
• 강의자료 PPT, 덕흥천문대 관측기기
활동단계
활동내용
활동시간
• 천문관측이란?
도입
- 천문관측의 목적 및 관측과정 안내
30분
- 미래 우주 및 대형 망원경 소개
• 덕흥천문대 소개
- 덕흥천문대 역할 및 연구활동 소개
- 덕흥천문대 관측기기 소개 (시야각 결정에 대한 활동 수행)
전개
• 덕흥천문대 견학
40분
- 안전사고 방지 및 이동경로 안내
- 1m 망원경, CCD 카메라, 분광기 소개
- 1m 망원경 측광 및 분광 관측의 과정 소개
- 1m 망원경의 측광 및 분광 자료 안내 및 설명
• CCD 카메라 이미지 전처리 과정 및 원리 소개
마무리
- CCD 카메라의 측광 원리
- CCD 카메라로 얻어진 이미지 전처리 과정 소개
- 전처리 과정을 위한 이미지 촬영 방법 안내
참고내용
• 관측천문학 Observational Astronomy (Birney et al.)
- 8 -
30분
단위
프로그램명
참가대상
활동목표
활동개요
안전 및
유의사항
준비물
1m 망원경 측광관측 실습
대학생
활동장소
덕흥천문대 또는
세미나실
소요시간
150분
참가인원
30명
• 1m 망원경을 스스로 구동하여 원하는 천체를 촬영할 수 있다.
• 양질의 관측 이미지를 판별할 수 있다.
• 조별로 관측 대상을 정한다.
• 1m 망원경을 직접 구동하여 자신이 원하는 대상의 관측 이미지를 획득한다.
• 망원경 구동 시, 주변 환경 및 기상 상태를 꼼꼼히 확인한다.
• 강의자료 PPT, 덕흥천문대 1m 망원경 시스템, 원격제어 S/W
활동단계
활동내용
활동시간
• 1m 망원경 원격관측 과정에 대한 안내
도입
- 관측실습 시 주의사항 안내
30분
- 1m 망원경 구동 방법 및 관측과정 유의사항 안내
• 조별 관측대상 확인
- 현재 관측가능 여부 확인
- 노출시간에 대한 대략적인 계산 수행
• 조별 측광관측 실습 수행
전개
- 조별로 원격관측 S/W를 이용하여 천체의 이미지 획득
90분
- 대기 중인 조는 다른 조의 관측과정을 참관
• 조별 관측자료 전처리 과정 실습 (병행)
- 관측한 자료의 자료처리 과정에 대한 간단한 소개
- CCD 자료처리 실습 과정 준비
마무리
참고내용
• 조별 촬영 완료된 이미지 확인 및 전송
- 관측일지 작성 및 확인
• 관측천문학 Observational Astronomy (Birney et al.)
- 9 -
30분
단위
천문관측 자료처리 과정 실습
프로그램명
(Python)
참가대상
대학생
활동목표
활동개요
안전 및
유의사항
준비물
활동장소
덕흥천문대 또는
세미나실
소요시간
260분
참가인원
30명
• CCD 전처리 및 측광 과정을 이해하고 수행할 수 있다.
• 프로그래밍 도구를 사용할 수 있다.
• 프로그래밍의 목적을 이해하고 Python 프로그래밍 도구를 익힌다.
• Python 도구를 이앵효 자료처리 과정 및 측광을 수행한다.
• 관측한 자료를 백업하여, 자료처리 과정에서 발생할 수 있는 문제를 예방한다.
• 강의자료 PPT, 자료서버, 랩탑, Python 도구
활동단계
활동내용
활동시간
• 프로그래밍의 과정 및 Python 소개
도입
- 프로그래밍의 목적 및 과정 소개
60분
- Python 프로그래밍 언어 소개 및 실습
• CCD 자료처리 실습을 위한 사전 준비
- 1m 망원경 관측 자료 확인 및 다운로드
- Python 측광 도구 다운로드 및 구성 내용 확인
• CCD 이미지 전처리 과정 실습
- [재학습] 보정 이미지의 역할과 처리 방법에 대한 설명
- CCD 이미지 전처리 과정 순서 설명
- Python 전처리 도구 소개 및 실행
전개
140분
• CCD 이미지 측광 과정 실습
- 이미지 분석 (시상, 배경하늘 값 등)
- 구경 측광의 기초 설명 (구경 결정, 측광 오차 등)
- CCD 픽셀값와 광자수의 관계 이해, 이득(gain) 값 소개
- Python 측광 도구 소개 및 실행
• [심화] 측광 후 추가 과정 실습
- 서로 다른 이미지에서 서로 같은 별을 확인하여 정리하기
- 등급 표준화 수행하기
마무리
참고내용
• 자료처리 결과 가시화
- Python을 이용한 자료 읽기 및 그래프 그리기 실습
• 관측천문학 Observational Astronomy (Birney et al.)
- 10 -
60분
단위
프로그램명
분광기 소개 및 분광관측의 과정
참가대상
대학생
활동장소
덕흥천문대 또는
세미나실
소요시간
130분
참가인원
30명
• 분광기의 원리와 결과물을 설명할 수 있다.
활동목표
• 분광관측의 과정을 스스로 수행할 수 있다.
• (심화) 분광자료에 대한 자료처리 과정을 익힌다.
활동개요
• 분광기가 스펙트럼을 얻어내는 원리를 구성요소를 기반으로 설명한다.
• 1m 망원경 분광기를 기준으로 분광 관측의 과정을 설명한다.
안전 및
유의사항
준비물
• 강의자료 PPT
활동단계
도입
활동내용
• 천체분광학에 대한 간단한 소개
- 천체분광학 또는 스펙트럼을 통해 알 수 있는 천체의 정보
활동시간
30분
• 분광기의 원리 소개
- 분광기의 역할 설명
- 분광기의 구성요소 별 역할 및 빛의 진행 경로 설명
- 분광기로 얻어내는 스펙트럼의 분해능 소개
- 스펙트럼의 형태와 구성요소 간의 관계 설명
- 여러 방식의 분광기의 특장점 설명
• 분광관측의 과정 소개
- 망원경을 대상으로 이동, 정밀 제어 (측광 CCD로 확인)
전개
- 분광기로 빛의 경로를 옮겨주는 사경 이동
- 분광기 가이드 CCD로 천체의 모습 확인
60분
- 분광기 fiber를 천체의 중앙으로 맞춤
- 분광기 CCD의 테스트 관측 수행 (노출시간 확인)
- 대상의 분광자료 획득 (분광기 CCD)
- 비교광원 및 플랫광원 촬영 및 이미지 획득
• (심화) 분광 자료처리 실습
- 분광 자료처리 과정 플로우차트 소개
- 분광 자료처리 과정에 필요한 IRAF task 소개
- 분광 자료처리 과정 매뉴얼 안내 (개별 실습용)
마무리
참고내용
• 분광 관측자료의 특징 소개
• 관측한 분광자료로 분석할 수 있는 천체의 특성 안내
• 관측천문학 Observational Astronomy (Birney et al.)
- 11 -
30분
단위
프로그램명
1m 망원경 분광관측 실습
참가대상
활동목표
활동개요
대학생
활동장소
덕흥천문대 주관측실
소요시간
150분
참가인원
30명
• 1m 망원경을 활용하여, 대상에 대한 분광자료를 얻는다.
• 1m 망원경 분광기 사용법을 알려주고 실습을 통해 직접 분광자료를 획득한다.
• (심화) 자신이 획득한 분광자료를 처리하여 대상의 스펙트럼을 얻는다.
안전 및
• 망원경 구동 시, 주변 환경 및 기상 상황을 확인한다.
유의사항
• 분광기 구동 시, 보조광원 램프의 전원상태를 확인한다.
준비물
• 강의자료 PPT, 1m 망원경, 고분산 분광기, 자료서버, 랩탑, Python 도구
활동단계
활동내용
활동시간
• 분광관측 대상 결정
도입
- 1m 망원경 분광기로 관측 가능한 대상 안내
30분
- 대상별 스펙트럼의 특성 및 자료 분석 방향 논의
• 조별 1m 망원경 분광관측 실습
- 조별로 분광 관측을 수행할 대상 선정
- 조별 선정한 대상 검토
- 망원경 및 분광기 구동 실습
- 대상 스펙트럼 이미지 획득
전개
- 비교광원 및 플랫광원 촬영 (단체로 진행)
90분
- 전처리 이미지 촬영 (BIAS, DARK) (단체로 진행)
• 분광 자료 확인
- 관측한 분광 자료 확인 (비교광원, 플랫, 대상)
- 선행 관측 조는 분광 자료 처리 실습 사전 수행
마무리
참고내용
• 분광 관측 자료의 특징 소개
• 관측한 분광 자료로 분석할 수 있는 천체의 특성 안내
• 관측천문학 Observational Astronomy (Birney et al.)
- 12 -
30분