목 차 1. 탐구동기및목적 1 2. 이론적배경 2 가. 다른파장에서의등급계 2 나.RGB 파장의표준등급변환 2 다. 색지수 3 라. 대기소광계수의결정 3 마. 산개성단 4 바.H-R 도 4 3. 탐구방법 5 가. 관측장비 5 나. 관측프로그램 7 다. 천체관측과정 9

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유미 여
6 years ago
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1 작품번호 1511 제 59 회전국과학전람회 소형망원경과 DSLR 카메라의측광 표준화를통한 범용장비의측광가능성탐구 출품분야학생부출품부문지구과학 구분성명 강정훈 출품학생 심재훈 이광표 지도교사최의선

2 목 차 1. 탐구동기및목적 1 2. 이론적배경 2 가. 다른파장에서의등급계 2 나.RGB 파장의표준등급변환 2 다. 색지수 3 라. 대기소광계수의결정 3 마. 산개성단 4 바.H-R 도 4 3. 탐구방법 5 가. 관측장비 5 나. 관측프로그램 7 다. 천체관측과정 9 4. 데이터수집및처리 13 가. 관측데이터의보정및측광 13 나. 대기소광계수 16 다. 등급변환식 17 라. 성단관측 18 마.NGC6910 의 H-R 도작성 18 1

3 5. 결과분석 19 가.DSLR 노출시간에따른특성화곡선 19 나. 대기소광계수 20 다. 등급변환식 22 라. 산개성단 NGC6910 의측광 22 마. 산개성단 NGC6910 측광데이터의보정 24 바. 측광데이터보정전과후의산개성단 NGC6910 의 H-R 도비교 24 사. 알라딘 NGC6910 의 H-R 도와의비교 결론및제언 26 가. 결론 26 나. 제언및추후연구계획 참고문헌및사이트 부록 ( 관측데이터 ) 28 2

4 < 표목차 > 표 1. SkyExplorer 사양 5 표 2. 가대사양 5 표 3. Autoguider 사양 6 표 4. SkyExplorer 사양 6 표 5. DSLR 사양 7 표 6. 찍기가장적당한구상성단과산개성단 11 표 7. 관측및촬영시간과별의정보를이용한대기소광량정리 20 표 8. secz 값에따른 R 등급변화 21 표 9. secz 에따른 G 등급변화 21 표 10. secz 에따른 B 등급변화 21 표 11. B, 대기소광보정 B, 측광 B 표 22 표 12. G, 대기소광보정 G, 측광 V 표 22 표 13. NGC6910 별 37 개측광결과 23 표 14. 대기소광보정한 G,B 등급 (37 개 ) 24 표 15. 색지수및 B,V 등급 (37 개 ) 24 표 16. 관측및촬영시간과별의정보를이용한대기소광량정리 29 표 17. NGC6910 별 37 개측광결과 30 < 그림목차 > 그림 1. UBV 등급계파장 2 그림 2. U,B,V 필터 3 그림 3. 천정거리에따른대기소광량 3 그림 4. 기기등급과고유등급의관계 3 그림 5. H-R 도 4 그림 6. 굴절망원경 KenkoSkyexplorerSE120 5 그림 7. SkyExplorer ISE I적도의 5 3

5 그림 8. 흐르는상방지를위한 Orion 사 StarshootAutoguider 6 그림 9. Autoguider 앞에장착하는망원경켄코사 SkyExplorerSE102 6 그림 10.CanonEOS 600d 7 그림 11.Maxim DL 프로그램 7 그림 12.Stelarium 천문프로그램실행화면 8 그림 13.PHD guiding 프로그램실행장면 9 그림 14. 카메라에어댑터를연결한모습 9 그림 15. 어댑터를망원경본체에연결한모습 9 그림 16. 별이센터에있지않은사진 10 그림 17. 별이센터에있는사진 10 그림 18. 초점이맞지않은사진 10 그림 19. 초점이맞은사진 10 그림 20. 천체관측사진 ( 대기소광 ) 11 그림 21. 천체관측사진 ( 성단관측 ) 11 그림 22. 디지털카메라로찍은구상성단 M3 12 그림 23. 디지털카메라로찍은산개성단 M67 12 그림 24. 별이흐른사진 12 그림 25.Autoguiding 후흐르지않은사진 12 그림 26.flatimage 사진 13 그림 27.darkimage 사진 13 그림 28.SetCalibration 창 (Flat 보정화면 ) 14 그림 29.SetCalibration 창 (Dark 보정화면 ) 14 그림 30.Maxim DL 로파일을불러들인모습 15 그림 31.Photometry 실행모습 15 그림 32. 표준성 16 그림 33. 산개성단 NGC6910 의관측 18 그림 34. 노출시간에따른 R등급 intensity 의변화 19 그림 35. 노출시간에따른 G등급 intensity 의변화 19 그림 36. 노출시간에따른 B등급 intensity 의변화 19 그림 37.secZ 에따른 R등급의변화 20 그림 38.secZ 에따른 G등급의변화 20 그림 39.secZ 에따른 B등급의변화 21 그림 40. 대기소광보정한기기B등급과본래 B등급그래프 23 4

6 그림 41. 대기소광보정한기기B등급과본래 V등급그래프 23 그림 42. 보정하지않은등급으로그린 H-R 도 24 그림 43. 보정한등급으로그린 H-R 도 24 그림 44. 보정하지않은등급으로그린 H-R 도 24 그림 45. 보정한등급으로그린 H-R 도 24 그림 46. 알라딘의 B,V 등급으로그린 H-R 도 25 그림 47. 가로축 B-V, 세로축 V로그린 H-R 도 25 그림 48. 알라딘 H-R 도와그린 H-R 도와의비교 25 5

7 1. 탐구동기및목적 오늘날에는천체를관측하고관측한천체를분석하기위한데이터는주로 CCD 카메라 (ChargeCoupleDevice) 로얻는다. 하지만이장비는상당히고가이고사용방법이복잡해연구기관을제외하고는탐구활동을위해사용하는것이쉽지는않다. 강원과학고등학교천문대또한 16 인치망원경과 CCD 등고가의고급관측장비들을가지고있다. 그러나이러한장비를활용하여탐구한결과를수업시간실험자료로사용해보지는못했다. 왜냐하면, 천체관측장비들의조작이나장비와관련된프로그램을익히기가쉽지않고, 관측한이미지를보정하고데이터를분석하는과정또한복잡하기때문이다. 이러한이유때문에천문동아리 Quasar 의일원인우리또한큰망원경을조작하고데이터를분석하는과정을익히는데많은시간과노력이필요했다. 이렇게어렵고복잡한작업을통해천문관련탐구활동을하던중우리가일반적으로쉽게사용하고접할수있는장비를활용하여천체를관측하고분석하면천문관련탐구활동에조금더쉽게접근하고다양한천문관련탐구활동을할수있지않을까생각하게되었다. 쉽게사용할수있는관측장비를찾던중우리가항상사용하는사진관측장치인 DSLR 카메라를활용해관측한천체이미지를분석할수있다면천체관측의탐구활동을수행하는것에조금더쉽게접근할수있을것이라생각했다. 이미많은아마추어천문인들이망원경과 DSLR 을이용해태양이나행성, 위성, 성운, 성단등을관측하여이미지를얻고있다. 하지만이러한관측이미지를측광을통한탐구활동에는사용하지않는다. 따라서 DSLR 의이미지를정량화하여측광이가능하다는것을확인할수있다면천체관측관련내용또한정량화된실험-실습이가능해질것으로생각했다. 그래서우리는학교에서주어지는동아리활동시간을이용해 DSLR 을이용하여성단을촬영해보았고 DSLR 과 CCD 는분명한차이가있음을알게되었다.CCD 는 U필터,B 필터,V 필터를사용하여단색의빛을받아들이는데반해,DSLR 은 R,G,B 파장대의빛을동시에받아들였고,CCD 는빛의밝기를표현하는범위가넓은 (65,000 단계 ) 데반해,DSLR 은밝기를 255 단계범위에맞게변환하여인식한다는것을알게되었다. 따라서이러한차이점을보정하는방법을찾는다면, 고가의 CCD 장비대신보편적으로사용하고있는 DSLR 을이용하여단순히사진을찍는것이아니라천문관련탐구활동을할수있을것이다. DSLR 로관측한이미지를보정하여실제관측이미지와비교하기위해서는많은과정을거쳐야한다. 관측장비의특성을먼저파악을해야하고, 그렇게파악한관측장비의특성을고려하여지구의자전에의해발생하는대기에의한별의변화를보정한후이미등급이알려진표준성을관측하여장비의측광가능성을확인해보아야할것이다. 이러한방법으로범용장비의측광가능성이확인된다면, 우리는별들이밀집되어있는성단을관측하여, 관측한성단의별의측광결과가유의미한값을갖는지여부를확인해본다면범용장비의측광가능성을확인할수있을것이다. 1

8 2. 이론적배경 가. 다른파장에서의등급계 과거의전자기복사검출장치 ( 사진건판, 광전측광계 ) 는일정한파장역에대해서만반응한다. 그러므로산출되는측정값은별로부터도착하는복사의일부만을검출한것이다. 그런데별빛의세기는파장에따라달라지므로, 별의등급은우리가관측하는파장또는색깔에따라달라진다. 원래사진건판은푸른빛에만민감하기때문에사진등급은 420nm 근처에중심을둔등급을말한다. 같은이유로사람의눈은녹색과노란색에가장민감하므로안시등급은 540nm 근처의파장역과관련되어있다. 오늘날에는넓은파장역의감도를가진 CCD 와필터를곁들여사용함으로써다양한영역의파장대에서등급을결정할수있다. 그러므로여러가지다른등급계가가능하다. 널리쓰이는광역등급계는 UBV 등급계이다.U 는자외선,B 는청색,V 는안시등급을나타내는것으로존슨 (Johnson,H,L.) 이개발하였다. 그림 1UBV 등급계파장이측광계를플럭스측정에사용하기위해서는반드시각파장역에대한에너지단위로눈금을맞추어야한다. 이러한눈금맞춤이가장어려운부분이다. 이것은일반적으로특수한필터와검출기에대한등급으로정의된표준별들에의존한다. 즉, 이러한별들이측광계가정확한측정을하기위한표준등급을정의한다는뜻이다. 예를들면,UBV 측광계용으로약 100 개의표준별을 ±0.01 등급으로측정해놓았다. 이별들중하나의플럭스를측정할수있다면, 측광계의눈금맞춤을하게되는것이다. 보통각필터에서 0등급에해당되는플럭스값으로눈금맞춤이이루어진다. 나.RGB 파장의표준등급변환 DSLR 로관측한이미지는 RGB 파장의플럭스를측광한다. 이렇게측광된값이실제로관측되어야할각파장의에너지와얼마나차이가나는지를알아야만그차이만큼을보정하여관측값을환산할수있다. 따라서관측된이미지를 RGB 파장별로분해하여각파장에서의플럭스등급을표준성에서측정되어야할플럭스등급과비교하여변환식을산출해야한다. 이러한변환식을통해관측장비를표준화할수있다. 2

다. 색지수 색지수란별의표면온도를알수있게해주는천체의색을측정하는단순한수적표현이다. 색지수를측정하기위해서는연속으로 U와 B나 B와 V와같이, 두개의다른필터를통해천체의등급을관측한다. 측광계는표면온도가약 10000K 되는별의색지수가 0이되도록맞추어져있다. 따라서, 이보다뜨거운별은음, 차가운별은양의색지수를가진다. 라.

9 다. 색지수 색지수란별의표면온도를알수있게해주는천체의색을측정하는단순한수적표현이다. 색지수를측정하기위해서는연속으로 U와 B나 B와 V와같이, 두개의다른필터를통해천체의등급을관측한다. 측광계는표면온도가약 10000K 되는별의색지수가 0이되도록맞추어져있다. 따라서, 이보다뜨거운별은음, 차가운별은양의색지수를가진다. 라. 대기소광계수결정 그림 2U,B,V 필터 별에서방출된복사는관측장치에들어올때까지다양한경로를거치기때문에실제별에서방출된복사를측정할수는없다. 따라서관측된별의복사플럭스를다양한소광을고려한보정식을통해환산해야만한다. 다양한소광중에는가장큰영향을미치는지구대기에의한소광을들수있다. 이러한대기에의한소광효과는별의수평선으로부터의고도에따라변한다. 따라서별이각기다른고도에있을때다음과같은일련의관측을수행하여그값을보정해주어야한다. 1) 관측지방과비슷한적위를가진별을선택하면별은천구상에서천정부근을지나며일주운동하는별을관측하게된다. 2) 별이낮게있을때, 별의밝기를측정하기시작하여별이천정을지날때까지별의밝기를측정한다. 3) 대상천체가각기다른천정거리에서보일때대기를통과하는경로차이를통해다음과같은식으로투과대기량을표현할수있다. 기기등급 : 고유등급 : 대기소광계수 : 투과대기량 : 라하면두등급의관계는 = - 1,2차소광계수를, 라하면 = - ( + ) 그림 3 천정거리에따른대기소광량 그림 4 기기등급과고유등급의관계 3

마. 산개성단 산개성단은수십개에서수백개의산만하게모인항성들의집단으로, 주로은하수부근에서발견되므로은하성단이라고도한다. 이항성들은여전히같은집단내의다른항성에게상호적으로약한중력적인영향을미치고있다. 지금까지알려진산개성단의수는약 1,000 개이며, 성단중가장가까운것은히아데스성단으로그거리는약 130 광년이고그밖의대부분은 1,500~6,500 광년이다.

10 마. 산개성단 산개성단은수십개에서수백개의산만하게모인항성들의집단으로, 주로은하수부근에서발견되므로은하성단이라고도한다. 이항성들은여전히같은집단내의다른항성에게상호적으로약한중력적인영향을미치고있다. 지금까지알려진산개성단의수는약 1,000 개이며, 성단중가장가까운것은히아데스성단으로그거리는약 130 광년이고그밖의대부분은 1,500~6,500 광년이다. 우리가이번탐구에관측한백조자리부근에위치한 NGC6910 산개성단은약 4800 광년떨어져있다. 이성단의절대등급은약7.4 등급이며전체성단을이루는항성의개수는 66 개이다. 바.H-R 도 그림 5 H-R 도 H-R 도 (Hertzsprung-Russeldiagram) 는별의등급과온도에따라별들의위치를표시한것으로, 별들이진화하는과정에따른물리적특성들을쉽게확인할수있는도표이다 년경헤르츠스프룽 (Ejnar Hertzsprung) 과러셀 (Henry Norris Russel) 은별들의절대등급과분광형의상관관계를조사하였다. 이두변수로나타내는도형을 H-R 도라고한다. 일반적으로가로축은별의온도또는분광형, 색지수를넣고, 세로축은별의절대등급을넣는다. 4

97 초 9배 50mm 그림 6 굴절망원경 KenkoSkyExplorerSE120 표 1SkyExplorer 사양 나 ) 적도의천체추적이가능한적도의식가대이다.

11 3. 탐구방법 가. 관측장비 1) 천체관측장비가 ) 천체망원경 이번탐구에이용한, 우리학교천문대에있는망원경중굴절망원경이다. 다음사진은 Kenko 사의 Sky ExplorerSE 120 망원경의모습이며, 표는망원경의재원이다. 켄코사 SkyExplorerSE120 망원경의종류대물렌즈점거리극한등급집광력분해가능파인더 굴절식 120mm 600mm 등별 배 0.97 초 9배 50mm 그림 6 굴절망원경 KenkoSkyExplorerSE120 표 1SkyExplorer 사양 나 ) 적도의천체추적이가능한적도의식가대이다. 본래극축이맞으면정확하게별의운동을추적가능하지만, 학교의고도와적경, 적위를정확하게파악할수없기때문에 Autoguider 에도움을받아성단을관측했다. SkyExplorer ISE I 적도의 재질구조높이천체데이터무게구동속도전원요구사항 알루미늄 38cm 개 10kg 최고 800 배속 DC 12V 전원장치 그림 7SkyExplorer ISE I 적도의 표 2 가대사양 5

12 다 )Autoguider Autoguider 는노출을많이주는사진을찍을때, 별이흘러가서사진에서별이흐르는상으로찍히는것을방지하기위해고안된장비이다. 연동되는프로그램은여러가지가있지만대표적으로밑에소개되는 PHD Guiding 프로그램을이용한다. Autoguider 앞에 SkyExplorerSE102 망원경을장착하여망원경을통해천체의이미지를받아들여 PHD Guiding 프로그램에이미지를보여지게한다. Orion 사 StarshootAutoguider 이미징센서센서크기픽셀배열픽셀크기칩노출범위마운팅 MicronMT9M mm x5.32mm 1280x x5.2 흑백 0.05 초 ~10 초 T-thread 그림 8 흐르는상방지를위한 Orion 사 StarshootAutoguider 무게 표 3Autoguider 사양 125g Autoguider 앞에장착하는망원경도타망원경과같이초점을조절할수있어짧은 시간노출을주어도별의상을얻을수있게되어보다정확한천체추적을 가능하게한다. 켄코사 SkyExplorerSE102 망원경의종류대물렌즈점거리극한등급집광력분해가능 굴절식 102mm 500mm 등별 배 1.14 초 그림 9Autoguider 앞에장착하는 망원경켄코사 SkyExplorerSE102 파인더 9 배 50mm 표 4SkyExplorer 사양 6

CanonEOS 600d 사양 이미지센서픽셀 약 2110 만화소 셔터스피드 1/4000~30 초, 벌브 무게 약 515g ISO 감도

13 2) 측광장치 -CanonEOS 600d 성단을관측할때 CCD 대신광도측정에이용했던디지털카메라이다. 다음사진은 Canon5D 의사진이고, 표는이카메라의재원이다. CanonEOS 600d 사양 이미지센서픽셀 약 2110 만화소 셔터스피드 1/4000~30 초, 벌브 무게 약 515g ISO 감도 100~6400 그림 10CanonEOS 600d 표 5DSLR 사양 나. 관측프로그램 1)MAXIM DL 미국 Difraction Limited 사의 CCD 제어및이미지처리소프트웨어이다. 우리는 Maxim DL 4.0 버전을사용하였다. 그림 11Maxim DL 프로그램 7

위장면은 DSLR 카메라를연결해촬영한사진을 Maxim DL 로불러온사진이다. Maxim DL 은이미지를관측하고처리하고분석하는프로그램으로본연구에서는측광의목적으로프로그램을사용한다.Maxim DL 은구경측광법으로데이터를분석하는데이는관측된이미지에서등급을알고있는천체의이미지영역과내가알고자하는천체의이미지의영역을지정후두영역의광자수를세어그차이로등급을구하는것을말한다.

14 위장면은 DSLR 카메라를연결해촬영한사진을 Maxim DL 로불러온사진이다. Maxim DL 은이미지를관측하고처리하고분석하는프로그램으로본연구에서는측광의목적으로프로그램을사용한다.Maxim DL 은구경측광법으로데이터를분석하는데이는관측된이미지에서등급을알고있는천체의이미지영역과내가알고자하는천체의이미지의영역을지정후두영역의광자수를세어그차이로등급을구하는것을말한다.Maxim DL 에서사용되는구경에는 Aperture,Gap, Annulus 가있는데여기서 Aperture 는관측하고자하는천체의구경을지정하며, Gap 은 CCD 이미지의배드픽셀이나기타이미지에서배제해야할것이있을경우에사용한다.Annulus 는환형고리라고하여 Gap 을사용한후에바깥쪽의이미지를다시계산할때사용한다. 이 3가지원으로적당한구경을지정해야별이광도변화를정확하게측정할수있다. 2)Stelarium Stelarium 천문프로그램은다양한교육및관측을목적으로제작된천문프로그램이다. 이프로그램은 60 만개이상의항성정보가수록되어있을뿐아니라, 행성, 성운등많은천체들의정보를포함하고있어원하는천체를쉽게찾고정보를파악할수있다. 또한,Stelarium 프로그램과망원경의가대를연결하여망원경을제어함으로써정밀한관측도할수있다. 뿐만아니라,Stelarium 프로그램은시간이지남에따라하늘의움직임을볼수있는시뮬레이션기능을포함하여미래의하늘을통해천체관측계획을세우는데에도용이하다. 그림 12Stelarium 천문프로그램실행화면 8

3 )PHD Gui di ng PHD Gui di ng은 앞서 말한 Aut ogui de r조작을 위한 프로그램으로서 다른

먼저 노출시간을 조정하여 Aut ogui de r 에서 사진을 불러오면 그 시야의 밝은 별을 찾아 Aut ogui de r

별이 흐르는 것에 따라 망원경을 똑같이 이동시킨다. 그림13PHD gui di ng 프로그램 실행 장면 다.

15 3 )PHD Gui di ng PHD Gui di ng은 앞서 말한 Aut ogui de r조작을 위한 프로그램으로서 다른 조작 프로그램에 비해 조작이 간편한 장점이 있다. 먼저 노출시간을 조정하여 Aut ogui de r 에서 사진을 불러오면 그 시야의 밝은 별을 찾아 Aut ogui de r 에 입력시키 면 자동으로 그 별을 c al i br at i on하는 과정을 거친 후 그 별의 gui di ng을 시작하고 별이 흐르는 것에 따라 망원경을 똑같이 이동시킨다. 그림13PHD gui di ng 프로그램 실행 장면 다.천체관측과정 1 )카메라 연결하기 가)카메라의 렌즈를 빼고 어댑터를 연결한다. 나)어댑터를 망원경의 본체에 연결한다. 그림 14카메라에 어댑터를 연결한 모습 그림 15어댑터를 망원경 본체에 연결한 모습 9

가 ) 관측하고자하는천체를센터에맞춘다. 나 ) 사진을한장촬영한다. 다 ) 초점조절나사를임의의방향으로회전시켜촬영한다. 라 ) 첫번째와두번째사진을비교하여상이더또렷해졌는지, 커졌는지를비교한다.

16 2) 센터맞추기 가 ) 망원경을별쪽으로향하도록한다. 나 ) 파인더를이용하여별이센터에오도록한다. 다 ) 카메라로별이센터에있는지확인한다. 라 ) 키패드를이용하여미세조절하면서센터를맞춘다. 마 ) 이때, 사진을찍어가면서센터를맞추면편리하다. 그림 16 별이센터에있지않은사진 그림 17 별이센터에있는사진 3) 초점맞추기 사진을찍은별이가장작고또렷해질때초점이맞는것이다. 가 ) 관측하고자하는천체를센터에맞춘다. 나 ) 사진을한장촬영한다. 다 ) 초점조절나사를임의의방향으로회전시켜촬영한다. 라 ) 첫번째와두번째사진을비교하여상이더또렷해졌는지, 커졌는지를비교한다. 마 ) 상이또렷해졌으면초점조절나사를전과회전시킨같은쪽방향으로계속회전시키고상이흐리고커졌다면그반대쪽방향으로회전시킨다. 바 ) 이과정을계속반복하여상이가장작고또렷해질때를찾는다. 사 ) 고정나사를이용하여망원경의초점이변하지않도록고정시킨다. 그림 18 초점이맞지않은사진 그림 19 초점이맞은사진 10

16 인치슈미트카세그레인식망원경이볼수있는시야안에서의찍을수있는성단과천문대의위치와계절을고려하여서현재관측한성단들의범위를정하였다. 또한, 원주시의급격한도시화로인한광공해의영향으로서쪽하늘의천체를관측하기가어려워동쪽하늘의천체를탐색하였다. 그결과, 다음과아래표와같이후보를얻게되었다.

17 4) 관측하려는대상관측하기 가 ) 위과정을통해센터와초점이맞은별을 Stelarium 프로그램에Sync 한다. 나 ) 관측하려는대상에 Slew 한다. 다 ) 사진촬영시간을조금씩늘려가며 (15 초 ) 사진을촬영하여가장대상이잘나올때를찾는다. 라 ) 카메라의최대노출시간은 30 초이므로이이상의시간을촬영시, 카메라의촬영모드를 BULB 로설정하고릴리즈를이용하여촬영한다. 그림 20 천체관측사진 ( 대기소광 ) 그림 21 천체관측사진 ( 성단관측 ) 5) 관측대상정하기가 ) 관측가능한적경과적위를가지는성단의탐색 우리는이연구를수행하기위하여작년겨울부터관측대상을탐색하였다.16 인치슈미트카세그레인식망원경이볼수있는시야안에서의찍을수있는성단과천문대의위치와계절을고려하여서현재관측한성단들의범위를정하였다. 또한, 원주시의급격한도시화로인한광공해의영향으로서쪽하늘의천체를관측하기가어려워동쪽하늘의천체를탐색하였다. 그결과, 다음과아래표와같이후보를얻게되었다. 그중성단을찍기에아무런문제가없는지알아보기위하여 M3과 M67 을시험관측하였다. 그리고우리천문대에서가장관측에용이한 NGC6910 을최종관측대상으로선정하였다. EpochJ2000 천체실시등급직경적경적위 M3( 구상 ) 13h42m 11.23s ' M15( 구상 ) 21h29m 58.33s ' M67( 산개 ) 08h51m 20.1s ' NGC h23m 12s ' [ 표6] 찍기가장적당한구상성단과산개성단 11

노출시간 4 18초 초점거리 50mm I SO 500 사진의 크기 5616 *3 744 관측일자 2013.1.9 노출시간 164 초 초점거리 50mm I SO 64 0 사진의 크기 56 16*374 4 관측일자 20 13.

18 노출시간 4 18초 초점거리 50mm I SO 500 사진의 크기 5616 *3 744 관측일자 노출시간 164 초 초점거리 50mm I SO 64 0 사진의 크기 56 16*374 4 관측일자 [ 그림22]디지털카메라로 찍은 구상성단 M3 [ 그림23]디지털카메라로 찍은 산개성단 M67 6)Aut ogui de r구동하기 가)위 과정을 통해 관측 할 시 노출시간이 늘어났을 때 별의 상이 흐르는 사진을 볼 수 있다. 나)이때 Aut ogui de r 를 노트북에 연결하고 PHD Gui di ng 프로그램을 열어 카 메라에 연결 후 관측대상 등급에 따라 Aut ogui de r 가 찍는 사진의 노출시 간을 조절한다. 다)Aut ogui de r 가 노출시간에 맞는 사진을 불러오면 그 사진 내에서 al t +s 를 눌러 그 안에서 Aut ogui de r 가 따라다니기에 최적의 별을 찾는다. 라)N,E,W,S c al i br at i on후 Gui di ng이 시작된다.이후 사진은 노출 시간 을 많이 주어도 흐르지 않음을 볼 수 있다. 그림 24별이 흐른 사진 그림 25Aut ogui di ng후 흐르지 않은 사진 12

4. 데이터수집및처리 가. 관측데이터의보정및측광 1) 영상보정 CCD 관측결과는카메라의특성이나주변온도등여러요인에의한효과가포함되어나타난다. 따라서별빛이외의다른효과들을제거해주어야순수한별에의한결과만을얻을수있게된다. 이와같이별빛에의한결과만을얻어내기위한작업을전처리라고한다.

이런차이를보정하기위해, 해가진후천문박명이되기전과새벽에해가뜨기전에바닥고르기영상 (FlatField) 을얻는다. 이때, 흰천이나종이등으로앞을가려주면, 보다균일한빛을얻을수있어좋은영상을얻을수있다. 바닥고르기영상을얻기위해서는화면에빛이들어오는것을막아야하는데, 그렇게해야영상에잡음이외의티가생기지않는다.

19 4. 데이터수집및처리 가. 관측데이터의보정및측광 1) 영상보정 CCD 관측결과는카메라의특성이나주변온도등여러요인에의한효과가포함되어나타난다. 따라서별빛이외의다른효과들을제거해주어야순수한별에의한결과만을얻을수있게된다. 이와같이별빛에의한결과만을얻어내기위한작업을전처리라고한다. 전처리를정교하게수행하려면 CCD 카메라의각픽셀의특성이똑같지않기때문에이를보정하기위한평탄화작업, 암전류를보정하기위한작업, 바이어스보정작업등이필요하다. 가 ) 바닥고르기영상 (Flatimage) 보정 CCD 의각화소들은양자효율이다르고, 먼지등의입자에의해가려져서빛을받아들이는양에서차이가난다. 이런차이를보정하기위해, 해가진후천문박명이되기전과새벽에해가뜨기전에바닥고르기영상 (FlatField) 을얻는다. 이때, 흰천이나종이등으로앞을가려주면, 보다균일한빛을얻을수있어좋은영상을얻을수있다. 바닥고르기영상을얻기위해서는화면에빛이들어오는것을막아야하는데, 그렇게해야영상에잡음이외의티가생기지않는다. 일반적으로이에서언급한바와같이천문박명이되기전해가지는반대방향즉, 동쪽하늘의 60 ~ 70 되는고도에두고망원경의초점을맞추지않은상태로촬영한다.Flat 영상은한번찍어두면동일한노출시간의사진에대해서는계속반복해서사용해도큰지장은없다. 이때좀더정확한보정을원한다면, 날마다다른 Flat 영상을얻으면된다.Flat 영상은여러장을찍어 Median 을이용해합성한다. 나 ) 암전자영상 (Darkimage) 보정 CCD 칩은온도가 -100 이하에서는암전자가거의발생하지않기만이보다높은온도에서는온도에따라지수함수꼴로암전자가생성된다. 이를보정하기위한암영상은카메라셔터가닫혀있는상태에서별을찍을별의시간과같은노출시간으로하여얻는다. 그림 26flatimage 사진 그림 27darkimage 사진 13

dark,flat 하나씩보정할사진을불러온다. (4) 어떤종류의전처리영상을처리할지를선택한다.Type 을 dark,flat 중선택한후 AddGroup 을누른다. 이때상단의화면에그룹이생성된다. 여기에는촬영한노출시간, 칩사이즈,binning 등에대한정보가표시된다.

20 다 )MaxIm DL 을통한이미지보정 (1) dark,flat 의두가지영상을보정에사용하기위해 Maxim DL 을실행한 다. 그리고 Process 메뉴의 SetCalibration 을선택한다. 그림 28SetCalibration 창 (Flat 보정화면 ) 그림 29SetCalibration 창 (Dark 보정화면 ) (2) 상단의 5가지항목에서보정영상의종류를지정하고, OK 버튼을누른다. (3)SourceFolder 에서전처리할사진들을불러온다.dark,flat 하나씩보정할사진을불러온다. (4) 어떤종류의전처리영상을처리할지를선택한다.Type 을 dark,flat 중선택한후 AddGroup 을누른다. 이때상단의화면에그룹이생성된다. 여기에는촬영한노출시간, 칩사이즈,binning 등에대한정보가표시된다. (5) 선택한전처리영상을합성한다. Add' 를눌러영상이있는폴더에서전처리를진행할파일을선택한다. 이때, 촬영한파일이생성된다. 그후 Combine' 에서보정영상을어떻게합성할것인지를선택하고 Replacew/master' 를누르면합성된사진이화면하단의공간에형성된다. (6) 촬영한영상들은모두불러온후에 Process' 메뉴에서 CalibrateAl' 을누른다. 이러한과정을모두마치면 flat,dark 모두를보정한사진을얻게된다. 14

SplitTricolor 버튼을누르면불러들인이미지를 R,G,B 파장의이미지로나눌수있고, 각각을 Calibration 기능을통해전처리과정을거쳐측광을할수있다.

21 2) 측광 DSLR 로천체를촬영하게되면 JPEG 파일과 RAW 파일두가지형식으로이미지가저장이된다.Maxim DL 로측광할때는이미지를 R,G,B 파장의이미지로나눠야한다. 그러기위해서 Maxim DL 5로촬영한천체사진을불러들인다. 그림 30Maxim DL 로파일을불러들인모습그후, 메뉴창에서 Color 의 SplitTricolor 라는버튼을누른다.SplitTricolor 버튼을누르면불러들인이미지를 R,G,B 파장의이미지로나눌수있고, 각각을 Calibration 기능을통해전처리과정을거쳐측광을할수있다. 전처리과정을거친후, 메뉴창에서 Analyze 의 Photometry 버튼을누른다. 그러면 Photometry 창과 Information 창이뜨게된다. 이때 Photometry 창에서 new reference star 와 new check star 을지정하여측광할수도있고, 마우스를별에가져가 Information 창에뜨는 intensity 와 magnitude 정보를읽어도된다. 그림 31Photometry 실행모습 15

나. 대기소광계수의결정 1) 대기소광보정의필요성 별빛은관측장비에들어오면서여러경로를거치며흡수, 산란되어실제별빛을측정할수는없다. 별의밝기의대기소광은별의수평선으로부터의고도에따라변한다. 따라서별이각기다른고도에있을때다음과같은일련의과정을거쳐그값을보정해주어야한다.

22 나. 대기소광계수의결정 1) 대기소광보정의필요성 별빛은관측장비에들어오면서여러경로를거치며흡수, 산란되어실제별빛을측정할수는없다. 별의밝기의대기소광은별의수평선으로부터의고도에따라변한다. 따라서별이각기다른고도에있을때다음과같은일련의과정을거쳐그값을보정해주어야한다. 2) 표준성의관측 관측지방의위도와비슷한적위에위치한별을선택하면남중고도는 90 도에가까워지므로천정을지나는별을관측할수있다. 별이뜰때부터별을관측하기시작하여별이천정을지날때까지혹은별이천정을지날때부터질때까지별을관측한다. 우리는어두워져실질적으로천정거리의변화를보이며관측할수있는천체를택해야했기때문에표준성 HIP89878 을선택하였고, 밤 10 시부터다음날 1시까지관측하였다. 사진의크기 5184*3456 픽셀 초점거리 50mm 노출시간 260s 그림 32 표준성 ISO ISO-400 3) 대기소광계수의결정 별빛의대기에의한소광정도는별의천정거리에따라달라진다. 별의등급은천정거리에서 sec 를취한값에따라선형적으로변화함이알려져있다. 먼저, 대기소광의효과를정량적으로분석하기위하여 secz(z: 천정거리 ) 를구하였다.secZ 를구하는데에는천체의적경과적위, 관측장소의위도, 관측시간정보를입력하면 secz 가산출되는 Excel 프로그램을이용하였다. secz 가구해지면 secz 를가로축,R,G,B 파장의기기등급을세로축으로하여그래프를그릴수있다. 기기등급을구할때는위과정을거쳐이미지를보정하고보정한이미지를측광한다. 또한, 각각의파장에따라서대기에대한소광정도가다르므로 R,G,B 등급을따로구하여그래프를그린다. 16

23 Excel 프로그램을이용하여구한 secz 를가로축, 세로축을기기등급으로하여그래프를그리면 대기소광계수 천정거리 위와같은식을나타내는그래프를얻을수있다. sec sec sec 위식을적용하여 DSLR 로측광한 R,G,B 등급을보정할때는다음과같은식에서관측한천체의천정거리와등급을 Z와 R( 혹은 G,B) 에대입하면대기에의한소광을제거한기기등급을얻을수있다. 위과정을거쳐 secz 에따른 R,G,B 파장의기기등급의일차함수그래프와그래프의수식을얻을수있다.R,G,B 등급각각의그래프의기울기는 R,G,B 파장에대한대기소광계수를의미한다. 대기소광을보정해줌으로써지구대기바깥에서관측하게될별의기기등급을측광할수있다. 다. 등급변환식 1) 등급변환식의필요성 천문학자들은측광기기로 CCD 를사용한다.CCD 는 B,V 필터로측광하기때문에 B등급과 V등급으로별의등급이표시된다. 반면에 DSLR 을측광기기로사용할경우 R,G,B 필터로측광하여 R,G,B 등급으로별의등급이표시된다. 그러나고가의 CCD 를대체하여대중적인 DSLR 로도측광할수있는지탐구하기위해서천체를관측하여기존에 CCD 정보로알려져있는천체와비교해볼필요가있었고, 산개성단의 H-R 도를그려봄으로써확인하기로하였다.H-R 도는 B,V 등급에관하여표현되므로 R,G,B 등급을 B,V 등급으로변환할필요가있다. 2) 표준성의관측및보정 서로다른등급을가진표준성을관측하여위과정을거쳐측광하고앞서구한 R,G,B 등급의대기소광계수를이용하여측광데이터에포함되어있는대기의영향을상쇄시킨다. 3) 등급변환식의작성 보정한측광데이터를가로축, 표준성의표준목록에있는등급을세로축으로하여그래프를그린다. 위과정을통해구한그래프의상관관계를적용하면 DSLR 로측광한측광데이터를 CCD 로측광한데이터로변환할수있다. 17

라. 성단관측및성단측광데이터의보정 1) 관측대상의선정 DSLR 을이용한측광과 CCD 를이용한측광의관계를파악하여대중적인 DSLR 로전문측광기기인 CCD 대체여부를탐구해보는이번연구에서,B,V 등급이중요하게사용되는 H-R 와 DSLR 로측광하여작성한 H-R 를비교함으로써 R,G,B 등급과 B,V 등급의관계를알아내기로하였다.

24 라. 성단관측및성단측광데이터의보정 1) 관측대상의선정 DSLR 을이용한측광과 CCD 를이용한측광의관계를파악하여대중적인 DSLR 로전문측광기기인 CCD 대체여부를탐구해보는이번연구에서,B,V 등급이중요하게사용되는 H-R 와 DSLR 로측광하여작성한 H-R 를비교함으로써 R,G,B 등급과 B,V 등급의관계를알아내기로하였다. 천체를 H-R 도상에나타낼때, 데이터의수가적다면 H-R 도상에서비교하기가힘들어진다. 따라서데이터의양이많아 H-R 도상에서뚜렷한개형을그리고있는성단이관측대상으로적당하다고생각했다. 구상성단은성단의중심으로갈수록밝은별이밀집되어있어서, 우리가가진망원경으로는분해하기가쉽지않다. 또한,DSLR 의최대밝기범위인 255 를넘지않도록구상성단을측광하려면적당한노출시간을찾고, 노출시간을달리하여여러번측광해야하는번거로움이발생한다. 따라서산개성단중에서도우리가관측가능한시간대에밤하늘에떠있는 NGC6910 을택하여위와같은과정으로관측한후측광한다. 사진의크기 5184*3456 픽셀 초점거리 50mm 노출시간 180s 그림 33 산개성단 NGC6910 의관측 ISO ISO-400 2) 성단측광데이터의보정 산개성단 NGC6910 를관측하여측광한데이터를 Maxim DL 에서 calibration 한후, 정량적인식을통해대기소광의영향을보정한후, 등급변환식을이용하여 G,B 등급을 V,B 등급으로환산한다. 마.NGC6910 의 H-R 도작성 R,G,B 등급을대기소광과등급변환식을통해환산한 B,V 등급을이용하여가 로축을 B-V, 세로축을 V 등급으로하여산개성단 NGC6910 의 H-R 도를작성한다. 18

25 5. 결과분석가.DSLR 노출시간에따른특성화곡선 디지털카메라의특성을이용하여성단을분석해보는이번연구에서관측에사용한카메라의특성화곡선이필요하였다. 노출시간에따른특성화곡선이란, 노출시간에따른 DSLR 이인식하는광원의밝기를대응시킨곡선이다. 측광기기마다고유한특성화곡선이있으며, 노출시간에따라밝기가선형적으로증가하는구간과, 비선형적으로증가하는구간이나타난다. 이때, 선형적으로증가하는구간이길수록좋은측광기기에속하며 DSLR 의밝기를신뢰할수있다. 반면, 비선형적으로밝기가증가한다면기기의측광이정상적이지못하므로보정해야한다. 그림 34 노출시간에따른 R 등급 intensity 의 변화 그림 35 노출시간에따른 G 등급 intensity 의 변화 DSLR 의특성을얻기위해 x축을노출시간,r,g,b 파장의 intensity 값을 y축으로하여그린특성화곡선이다.3분가까이노출을주어도선형적으로 intensity 값이증가하는것을볼수있다. 그림 36 노출시간에따른 B 등급 intensity 의 변화 19

26 나. 대기소광계수 빛이대기를통하여망원경으로들어올때, 대기에의하여산란되거나흡수된다. 따라서우리가측정하는빛이실제의빛보다어둡게된다. 이는대기소광계수를구 하여대기의영향을보정할수있다. 대기소광계수를구하기위하여 HIP89878 을선 정하여노출시간 1초,interval 을 1분으로, 약 10 시부터 11 시 16 분까지측광한별의 고도와천정거리, 그리고천정거리의 sec 를취한값을구하였다. 시간 고도 고도 천정거리 천정거리 ( 라디안 ) secz-z: 천정거리 10:07: :08: :09: :10: :11: :12: :13: :15: :16: :17: 표7 관측및촬영시간과별의정보를이용한대기소광량정리 가로축을 secz, 세로축을측광한 HIP89878 의 R,G,B 등급으로하여그래프를그 렸다.secZ 에따른세등급의변화는다음과같다. 그림 37secZ 에따른 R 등급의변화 그림 38secZ 에따른 G 등급의변화 20

27 위그래프에서일차함수의기울기는대기소광계수 k, 그리고 y절편은대기소광의영향을제거한빛의등급이다. R파장의대기소광계수 k는 ,G 파장의대기소광계수 k는 ,B 파장의대기소광계수 k는 이다. 필터 대기소광계수 R G B 그림 39secZ 에따른 B 등급의변화 secz R 등급 표8 secz 값에따른 R 등급변화 secz G 등급 표9 secz 에따른 G 등급 변화 secz B 등급 표10 secz 에따른 B 등급 변화 21

28 다. 등급변환식 R,G,B 등급과 B,V 등급사이의상관관계를알기위하여,aladin v7.5 을이용하여조사한표준성의 B,V 등급을조사하고 DSLR 을이용하여 G,B 등급을측광하였다. 그결과는다음과같다. B등급 대기소광을보정한 B등급 측광 B등급 표11. B, 대기소광보정 B, 측광 B 표 G 대기소광을보정한 G V 표12. G, 대기소광보정 G, 측광 V 표 가로축을 DSLR 로측광하여대기소광을보정한 B 등급, 세로축을 aladin v7.5 프로 그램에서조사한 B 등급으로하여그린그래프는다음과같다. 또한가로축을대기 소광을보정한 G 등급, 세로축을 V 등급으로하여그린그래프는다음과같다. 22

29 그림 40 대기소광보정한기기 B 등급과본래 B 등급그래프 그림 41 대기소광보정한기기 G 등급과본래 V 등급그래프 등급변환식 B:y=0.8624x V:y=0.9066x 위의 수식을 통해 (B 등급 )=0.8624*(DSLR 로 측광하여 대기소광을 보정한 B등 급 ) 의관계가 B등급과 B등급사이에서성립함을알수있다. 또한, 위의수 식을통해,(V 등급 )=0.9066*( 대기소광을 보정한 DSLR 로측광한 G등급 ) 의 관계가성립함을알수있다. 라. 산개성단 NGC6910 의측광 산개성단 NGC6910 중 37 개의별을 R,G,B 파장별로측광한결과는다음과같다. R G B 표13. NGC6910 별 37 개측광결과 23

30 마. 산개성단 NGC6910 측광데이터의보정 앞에서구한대기소광계수와등급변환식을이용하여측광한 NGC6910 의 R,G, B 등급을보정한다.R,G,B 등급을대기소광보정한등급과등급변환식을거친 V, B 등급의데이터는다음과같이산출된다. 대기소광보정한 G 대기소광보정한 B B-V V 등급 B 등급 표 14. 대기소광보정한 G,B 등급 (37 개별 ) 표 15. 색지수및 B,V 등급 (37 개 ) 바. 측광데이터보정전과후의산개성단 NGC6910H-R 도비교 그림 42 보정하지않은등급으로그린 H-R 도 그림 43 보정한등급으로그린 H-R 도 그림 44 보정하지않은등급으로그린 H-R 도 그림 45 보정한등급으로그린 H-R 도 24

31 사. 천체성도프로그램 Aladin 의 NGC6910H-R 도와의비교 그림 46Aladin 의 B,V 등급으로그린 H-R 도 그림 47 가로축 B-V, 세로축 V 등급으로그린 H-R 도 그림 48 알라딘 H-R 도와그린 H-R 도와의비교 별등급이명시되어있는천체성도프로그램 Aladin 에서주어진 NGC6910 의별들의 등급을찾아그린 H-R 도와직접관측및측광하여그린 H-R 도와비교해보아주계 H-R 도상에서측광의유의미함을확인할수있었다. 25

32 6. 결론및제언 가. 결론 1) 특성화곡선 DSLR 노출시간에따른특성화곡선을보면, 노출시간을 3분가까이주어도광원의 R,G,B 파장의 intensity 가선형적으로증가한다. 따라서우리가사용한 DSLR 은 3분가까이노출을주어측광을하여도측광데이터를신뢰할수있다. 2). 대기소광계수 HIP89878 을약 3시간촬영하고측광하여 secz 에따른 R,G,B 등급의변화를그래프로나타낸결과,R 파장의대기소광계수 k는 ,G 파장의대기소광계수 k는 ,B 파장의대기소광계수 k는 임을얻을수있다. 대기소광계수의크기가 B,G,R 파장의순서로큰것으로보아파장이가장짧은 B파장이대기에의한산란이가장크다는것을알수있다. 3) 등급변환식여러개의표준성을촬영하고측광함으로써,(B 등급 )=1.0704*(DSLR 로측광하여대기소광을보정한 B등급 ) 의관계가 B등급과 B등급사이에서성립함을, 또 (V 등급 )=0.9214*( 대기소광을보정한 DSLR 로측광한 G등급 ) 의관계가성립함을알수있다. 4)NGC6910 의 H-R 도측광값의분석을통해얻은대기소광계수와등급변환식을거쳐보정한측광값으로그린 H-R 도가보정하지않은측광값으로그린 H-R 도보다산발적이지않고주계열부분이더잘드러나있다. 알라딘의 NGC6910 의 H-R 도와 DSLR 로측광하고보정한데이터로그린 H-R 도를비교해보면주계열의개형이일치함을알수있다. 5)DSLR 과 CCD 의비교대기소광과등급변환식등데이터의보정과정을거쳐서측광한다면천문학자가쓰는 CCD 처럼 DSLR 을이용해서도측광할수있다. 나. 제언및추후연구계획 1) 관측한이미지를분석하기위해천문프로그램인 Maxim DL 프로그램을사용하였는데, 이러한전문프로그램뿐만아니라범용으로사용할수있는이미지프로그램을활용하여분석하는방법을고안하면더욱접근이수월한천문탐구활동이될것이다. 2) 측광의가능성을탐구하기위해성단을관측하였는데, 성단뿐만아니라소형망원경으로관측할수있는소행성관측, 태양계관측, 변광성관측등다양한 26

33 탐구활동의가능성을확인해가며소형망원경과 DSLR 카메라의활용범위를확대하는것도큰의미가있을것이다. 3) 우리가구한 H-R 도를기존논문에기제된 H-R 와비교하여 NGC6910 의정보를알아낸다면더의미있는연구가될것이다. 7. 참고문헌및사이트 1.SimBad 천체프로그램 htp:/simbad.u-strasbg.fr/simbad/sim-fbasic 2. 천문학및천체물리학제 4판,ZeilikGregory, 시그마프레스 3. 작은망원경과함께떠나는성운 성단산책, 박승철, 가람기획 27

34 < 부록 > 표 16 관측및촬영시간과별의정보를이용한대기소광량정리 시간 고도 고도 천정거리 천정거리 ( 라디안 ) secz-z: 천정거리 10:07: :08: :09: :10: :11: :12: :13: :15: :16: :17: :18: :19: :20: :21: :22: :23: :24: :25: :26: :27: :28: :29: :30: :31: :32: :33: :34: :35: :36: :37: :38: :39: :40: :41:

35 10:42: :43: :44: :45: :46: :47: :48: :49: :50: :51: :52: :53: :54: :55: :56: :57: :58: :59: :00: :01: :02: :03: :04: :05: :06: :07: :08: :09: :10: :11: :12: :13: :14: :16:

36 r g B 표17. NGC6910 별 37 개측광결과 30

제49회 부산과학전람회

제49회 부산과학전람회 작품번호 1507 출품분야학생부출품부문지구과학 2012. 07. 10 구분성명 출품학생 지도교사 윤정관 이경훈 그림 1> 전세계광해분포지도 (Globe at Night 포스터 ) - 1 - 그림 2> 우리나라의광해분포지도 (Cinzano et al., 2001) - 2 - - 3 - 그림 3> 광해에의한하늘밝아짐이천체관측에미치는영향 (Stellarium