2부. 토성의 고리 속으로...

Step 1. 추적기능을 갖춘 두 번째 망원경으로 . . .

 1. 토성 따라 잡기(극축 정렬)

 극축 정렬

 지구가 천체 관측 및 천체사진 촬영에서 극축 또는 천구의 북극에 대한 개념의 이해는 필수적이다. 지구의 자전 때문에 하늘에 있는 모든 천체는 지구의 자전 반대 방향으로 이동하는 것 처럼 관측된다. 따라서 특정한 대상을 관측하기 위해서는 이를 관측하는 망원경도 천체의 이동방향과 속도가 같게 움직여야만 관측을 오래하고 긴시간 노출을 주어 사진을 촬영할 수가 있게 된다. 지구의 자전축의 북쪽과 나란한 방향을 천구의 북극이라하고 그 반대 방향을 천구의 남극을 향하고 있다고 정의한다. 
 즉 지구가 자전축을 중심으로 회전하기 때문에 지구대기권 밖에 있는 천체들 즉 달, 행성, 별들은 동에서 떠서 하늘을 가로 질러 서쪽으로 지는 것으로 보인다. 태양계의 모든 천체뿐만 아니라 성운, 성단, 우리 은하내의 천체, 우리 은하 밖의 천체들 모두가 지구의 자전에 의해서 이런 경로를 거쳐서 하늘을 가로 지르며 이동한다.
 이와 같은 지구자전에 의한 천체의 움직임을 보정하기 위한 장치가 적도의이다. 적도의의 기존적인 원리는 장치의 중심축을 천구의 북극에 일치하도록 조작하여 천체의 운동을 쉽게 추적할 수 있도록 하는 것이다.
  적도의의 중심 축을 천구의 북극 또는 남극에 방향을 일치시키는 것을 극측정렬이라고 한다.
 

그림 2-1 : 천구의 북극 방향과 밤하늘 천체의 운동
 

 적도의식 장치대는 극축에 해당하는 적경축과  적위축으로 된 회전축을 갖는데 이는 지구의 자전현상에 따른 천체의 움직임을 보정하고 관측 천체를 찾기 위해서 사용된다.

적도의의 적경축을 천구의 북극에 맞추는 것은 망원경 정렬의 기초인데 이 과정을 극축 정렬이라고 한다.  이것은 지구의 자전축과 망원경의 극축을 서로 평행하게 만드는 것이다. 극축이 정렬되면 적도의에 부착된 망원경은 적경을 따라 움직이는 것만으로 하늘을 가로지르는 천체를 추적할 수 있게 한다.

  안시관측에는 극축 정렬이 꼭 필요한 것은 아니며 북극성을 이용하여 대략적인 극축 정렬로도 안시관측에는 불편함이 별로 없다. 안시관측을 위해 주로 사용되는 돕스니안식의 경우는 극축정렬이 불가능한 경우에 해당한다.

경위대식의 경우 컴퓨터를 이용한 정교한 수치 계산에 의해 망원경의 고도와 방위각을 조정하여 관측 대상을 추적할 수 있으나 장비 비용이 너무 고가이고 장비를 구하기도 힘들기 때문에 대형 천문대 망원경이 아니고는 거의 사용되지 않는다.

정확한 극축 정렬을 위해서 적도의 극축은 방위각과 고도의 두 관점에서 조정해야하고 방위각은 나침반의 각도에 해당하는 수평적 개념이고 고도는 수평면과 관측 대상이 이루는 각도에 해당한다. 적위값은 관측지의 위도 또는 북극성의 고도에 대응하고 방위각은 나침반을 이용하여 각도를 조정할 수 있으나 천체관측과 관련된 적도의의 경우에는 북극성을 기준으로 북쪽을 결정한다.

 긴 시간 노출해야 하는 어두운 천체 사진 촬영에서 극축 정렬은 더욱 중요하고 극축의 정렬이 정확하지 않다면 별이 움직이는 궤적을 남긴다. 가이드를 할 경우에도 극축이 정확하지 않으면 카메라 시야의 외곽에 있는 별은 가이드별을 중심으로 회전하는 미세한 움직임이 나타난다.

 극축 정렬을 하지 않고 천체를 관측할 경우 망원경의 시야에서 관측대상 천체의 움직이는 속도는 망원경의 배율에 비례한다. 120배의 배율로 관측을 할 경우 60배로 관측하는 것보다 움직이는 속도는 2배 더 빨라지고 고배율일수록 관측 시야가 좁아지기 때문에 관측천체는 아주 빠른 속도로 시야에서 사라지게 된다. 따라서 극축정렬과 추적 장치는 고급 관측에서는 없어서는 안 되는 요소에 해당한다.  극축을 정렬하는 데에는 적도의에 극축 망원경이 있는 경우와 없는 경우로 나눌 수가 있다.

극축망원경이 없는 경우의 극축 정렬

그림 2-2 : 천체망원경의 극축 정렬 원리

 극축 망원경을 사용하지 않고 적경축을 북극성에 나란하도록 정렬하는 방법으로 노출시간이 긴 천체 사진에는 부적합하지만 노출시간이 짧은 밝은 대상의 천체 사진 촬영은 가능하다.

① 망원경을 설치 후 수평을 맞춘 후 경통을 적경 축과 평행하도록 조정한 후 적경, 적위 잠금 노브를 조여 고정시킨다. 이후 적경, 적위축은 절대 움직이지 않는다.

② 망원경의 경통을 적도의의 적경축을 평행하게 고정시키고 망원경의 다리를 움직여 경통이 북극성을 향하도록 한다(탐색경의 시야에 들어올 정도로 조정한다).

③고도조절나사를 이용하여 고도 눈금이 관측지의 위도 값에 맞도록 조정한다.(36.5N 일 경우 눈금 36.5를 포인터에 맞게 조정하면 된다.)

④북극성이 망원경의 중앙에 오도록 방위각(수평)조절나사를 사용하여 조정한다. 이때 적경, 적위 조절나사를 사용하지 않도록 주의해야 한다.

⑤ 북극성이 십자선 중앙에 오면 극축정렬이 끝난 상태이다. 이제부터는 망원경의 삼각다리 부분을 건드리지 않고 적경, 적위축 조절나사만을 사용하여 대상천체를 찾고 추적 장치가 있으면 전원을 연결하여 추적을 시작하고 없을 경우에는 적경축 조정나사만을 사용하여 수동으로 대상천체를 추적하면 된다.

극축망원경을 사용한 일반적인 극축 정렬

                        
                                     그림 2-3 : 극축망원경이 내장된 두 종류의 적도의, Sky watcher(좌), Takahashi(우)


            
                                      그림 2-4 : 극축망원경에 나타나는 조견판, Sky watcher(좌, 가운데), Takahashi(우)

 
  요즘 적도의 장치대에는 극축망원경이 장착된 경우가 많다. 가격차이가 많지 않을 경우 극축망원경이 있는 적도의를 구하는 편이 고급 관측 기술을 사용하기 위해서는 도움이 된다.  극축망원경으로 극축을 맞추는 원리는 극축 망원경이 적도의 장치대의 적경축에 내장이 되어있기 때문에 극축망원경의 북극성위치가 표시된 부분에 북극성을 일치시켜 정렬하면 망원경의 극축이 북극성을 향하게 되는 것이다. 북극성의 위치가 북극축에서 0.7도각 정도 떨어져있기 때문에 시간에 따라서 북극성의 위치도 변하는데 이변화를 북극성 주변의 별자리의 배치(그림 2-4의 좌측그림) 또는 시간각에 따른 위치(그림 2-4의 우측그림)를 바탕으로 북극성의 위치를 나타내기 위한 것이 극축망원경의 조견판의 기본 원리이다. 극축정렬은 시간에 따른 북극성의 위치를 알고 여기에 적도의의 축을 나란하게 일치시키는 과정이다.
기본적인 극축 정렬 방법은 다음과 같다.

① 적도의를 삼각대를 이용하여 수평이 되도록 설치하고 적경축이 북극성을 향하도록 방향을 정한다.

② 고도조절 나사를 이용하여 관측지의 위도에 맞게 고도를 조정한다. 눈금 포인터에 위도에 해당하는 수치 눈금을 일치시키면 된다. 

③ 극축망원경을 통해 북극성이 극축망원경 안에 들어오도록 삼각대를 움직여 조정한다. 이 경우 극축망원경의 시야가 적위축에 가려서 보이지 않을 경우는 적위축을 돌리면서 극축망원경의 광로를 위한 구멍이 적경축과 평행하게 되도록 조정하면 극축망원경의 시야가 열리게 된다.

④ 전원장치가 있는 경우 전원을 넣으면 극축망원경 내의 조명장치에 의해 북극성 정렬을 위한 표시 선들이 보인다. 이제부터는 방위각, 고도 조절나사를 이용하여 북극성을 극축망원경 안의 북극성 표시 위치에 들어가도록 조정한다. 극축 망원경 내에 카시오페아와 북두칠성이 표시된 경우는 적경축을 회전시켜 관측시간의 북두칠성과 카시오페아자리의 방향과 일치하도록 한다. 극축망원경도 상이 반대로 보이는 도립상임을 잊지 말자.

그림 2-5 : 극축망원경 렌즈의 시야

⑤ 북극성 정렬이 끝나면 극축이 정렬된 상태이므로 적경, 적위축을 회전시켜 대상천체를 찾고 추적 장치가 있는 경우 추적 장치를 가동시키면 된다.

극축 망원경을 사용한 정밀한 극축 정렬(EQ6 형식의 극축망원경의 경우)

 극축망원경의 초기화 및 관측지 및 일시에 맞게 정렬하는 법

극축망원경을 사용하는데 극축망원경 자체가 잘못 설정되어 있으면 북극성을 이용하여 극축을 맞춘다고 하더라도 시간이 지나면 추적이 어긋날 수밖에 없다. 여기에서는 처음 구입하여 사용하는 극축망원경이 장착된 적도의 장치대 또는 한번도 극축망원경을 정렬하지 않은 적도의 사용자를 위해서 EQ6 적도의를 기준으로 단계별로 설명한다. 이 방법을 숙달하면 기본적인 원리는 유사하므로 다른 적도의의 극축망원경에도 쉽게 적용할 수 있다.

a. 극축망원경의 십자선 조정

이 단계에서는 망원경과 균형추를 장착하지 않고 적도의와 삼각대만 결합해서 조정하는 것이 편리하다.

① 적도의 장치대를 삼각대에 부착된 수평정렬 기포장치를 이용하거나 별도의 수평계를 사용하여 수평을 이루도록 설치한다.

② 극축망원경의 캡을 열고 적위축을 회전시켜 극축망원경의 시야가 열리도록 한다. 극축망원경은 적위축을 관통한 구멍을 통해 광로가 확보된다.

③ 먼 곳에 위치한 특정한 물체(안테나 끝단 등)나 야간의 경우 찾기 쉬운 밝은 별을 극축망원경의 십자선 중앙에 오도록 삼각대와 고도, 방위각 조절나사를 이용하여 조정한다.

④정렬이 끝나면 극축망원경이 내장된 적경축을 180도 회전시킨다. 이 경우 십자선 중심에 정렬된 대상이 십자선에서 이탈하지 않으면 정렬이 정확하게 되어있는 상태이고 대상이 십자선에서 이탈한 경우는 극축망원경의 십자선 정렬이 어긋난 상태이다. 즉 십자선 중심 자체가 극축망원경의 중심과 일치하지 않는 것이다. 정렬이 어긋난 경우는 극축망원경 접안렌즈 위쪽에 위치한 극축망원경 조절나사를 이용하여 어긋난 방향을 파악하여 어긋난 거리의 절반 만큼만을 십자선 중심 쪽으로 이동시킨다. 조정법은 탐색경 정렬방법과 유사하다.

⑤ 다시 한번 적경축을 180도 회전시켜 기준으로 정한 대상이 십자선에서 얼마나 이탈했는 지를 확인한 후  십자선 중앙에 위치할 때 까지 4번 과정을 반복한다.

⑥ 십자선과 기준 대상을 완전히 일치시켰으면 극축망원경의 십자선 정렬을 끝난 상태이고 극축망원경 초기화를 실시한다.

b. 극축망원경 초기화(zero 조정)

이 단계는 극축망원경을 관측지와 관측시간에 맞도록 설정하기 위한 전단계로서 경도가 0인 곳에 정렬을 하는 단계로 제로(zero) 조정이라고도 한다.

① 적경축 잠금 노브를 풀고 적경축을 회전시켜 북극성의 위치가 아래를 향하고 십자선이 똑바로 설수 있도록 조정한 후 적경축 잠금 노브를 조여 고정시킨다. 이 상태는 북극성의 고도가 가장 높은 상태로 설정된 것이다(극축망원경의 상이 거꾸로 보인다는 것을 명심하자).

② 적경 설정 밴드 고정나사를 풀고 밴드의 눈금이 0인 곳을 포인터와 일치하도록 조정하고 고정나사를 다시 조여 고정시킨다.(1단계 제로 조정)
 

   
그림 2-6 :  날짜선 정렬                                         그림 2-7 : 시간선 정렬
 

③ 적경축 잠금 노브를 풀고 적경축을 회전시켜 적경 설정 밴드 시간 눈금의 1h 0m이 포인터에 일치하도록 조정하고 극축망원경 접안렌즈 위쪽에 있는 눈금 밴드는 날자 설정 밴드인데 이 밴드를 회전시켜 10월 10일이 포인터에 일치하도록 조정한다. 이 상태는 10월 10일 1시에 해당하는 북극성의 위치를 극축망원경에 설정한 것이 된다.

                                                              그림 2-8 : 10월 10일 01로 설정된 극축망원경

④ 적경축 잠금 노브를 다시 풀고 적경축을 회전시켜 적경시간 밴드의 0 눈금이 포인터와 일치하도록 설정한 후 잠금 노브를 조여 다시 적경축을 고정시킨다. 이 상태의 극축망원경 시야는 2번과 같은 모양으로 모인다.

⑤ 인덱스 표시(Index mark, 실선으로 패인 홈 형태로 되어있음) 밴드의 잠금 나사를 풀고 인데스 표시선의 0에 일치하도록 조정한 후 잠금나사를 조여 고정시킨다. 이 상태에서 날짜표시 눈금의 0이 포인터에 일치하도록 회전시키면 날짜 눈금 0과 경도눈금 0이 일치하게 된다(2단계 제로 조정).

이 단계가 완료되면  극축망원경의 초기화가 끝난 상태이고 만일 극축망원경의 십자선 정렬을 다시하거나 하면 극축망원경의 초기화를 다시 해야 한다. 즉 초기화는 한번 실시하면 매번하지 않아도 된다.

다음은 관측을 실시할 때마다 해야 하는 극축망원경 조정단계이다.

c. 관측일시에 맞는 극축망원경 조정

① 극축망원경 위쪽에 위치한 날자 눈금 밴드가 경도눈금 0 과 인덱스 표시선이 포인터에 일치하도록 적경축을 회전시킨다. 이 단계에서 관측지의 경도 127도(서울의 경우)와 시간 기준선의 경도 135도(시간 자오선)의 차이에 해당하는 8도를 서쪽으로 더 돌린 후 경도 눈금 0을 포인터에 맞게 눈금 밴드를 회전시켜 주면 시간 차에 대한 값이  보정된다.

그림 2-9 : 경도보정눈금
 

② 적경축을 회전시켜 관측 일자에 해당하는 눈금이 포인터에 일치하도록(그림은 3월 4일에 해당) 조정하고 적경축 잠금 노브를 조여 고정시킨다.

③ 적경눈금(시간)밴드 고정나사를 풀고 관측시간을 포인터에 일치하도록 회전시킨 후 고정나사를 조여 고정시킨다. 밴드의 위쪽 눈금은 북반구의 시간, 아래쪽은 남반구의 시간을 의미한다.

④ 적경축을 회전시켜 시간 눈금의 0h 0m이 포인터에 일치하도록 한 후 적경축 잠금 노브를 사용하여 적경축을 고정시키고 극축망원경 안의 북극성 표시 위치에 북극성이 오도록 방위, 고도 조절나사를 이용하여 조정한다. 이때 적경축과 적위축 조절나사를 사용하면 않된다.

⑤ 북극성을 극축망원경의 북극성 표시 원안에 넣으면 극축 정렬이 완료된다.

사진관측에 필요한 표류이탈법에 의한 극축 정렬

적도의에 내장된 극축 망원경을 사용하면 극축 정렬을 쉽고 빠르지만 정렬은 장시간 노출을 해야 할 경우에는 표류이탈법에 의한 극축 정렬이 필요할 수 있다.

극축 망원경을 사용하여 극축 정렬이 완료된 상태에서도 십자망선을 갖춘 가이드 아이피스를 사용하여 고배율(200배정도)로 별을 모니터하면 시야의 별이 한 지점에 정확히 머무르지 않는 것을 관측할 수 있다. 이런 현상에는 몇 가지의 원인이 있다.

첫째로 대기의 안정도가 좋지 않다면 별은 약간씩 흔들리는 것처럼 보이고 대기 상태가 아주 나쁘면 별이 시야에서 잠깐씩 사라져 깜박이는 것처럼 보일 수도 있다. 대기 안정도가 뛰어나다고 하더라도 별이 처음 있던 자리에서 조금씩 천천히 움직일 수도 있다. 이때 동서 방향으로 흐르는 것은 지구의 자전을 보정하기 위해서 움직이는 적경 축 기어와 회전 모터의 정밀도가 문제가 있어서 나타나는 것이다.

이것은 웜기어의 회전 주기와 일치하는 오차로 나타나기 때문에 주기 오차라고 한다. 별을 자세히 모니터하면 웜기어 주기의 약 1/2에 해당하는 동안은 한 방향으로 움직이고 그 다음에는 다시 반대 방향으로 움직임을 반복한다. 이 움직임은 약하고 천천히  나타나지만 기어의 회전속도를 빠르게 하면 쉽게 알아볼 수 있다. 성능이 좋은 적도의는 수 초각 정도의 주기오차를 가지고 있지만 일반적인 적도의의 경우는 수분각이 될 정도로 크게 나타나기도 한다.

긴 시간 노출을 하는 딮스카이를 촬영하려면 이러한 주기오차를 고배율의 가이드아이피스를 사용한 수동가이드 방법이나 CCD카메라를 사용한 오토가이드 방법으로 제거 할 수 있다. 적위 값에 해당하는 남 북 방향으로 움직이는 경우는 극축이 정확하게 정렬되지 않았을 경우에 발생한다.

표류이탈에 의한 극축정렬은 고배율의 가이드 아이피스로 별의 적위 방향의 흐름을 모니터하고 흐름의 방향을 파악해서 적도의의 극축방향을 조정하면서 이루어진다.

두 가지의 관측을 통해서 조정하는데 하나는 적도의 극축의 방위각을 조정하기 위한 자오선 부근의 한별의 관측을 통해서 다른 하나는 극축의 고도 조정을 위한 천구의 적도 부근의 동쪽 또는 서쪽 지평선 부근의 별의 관측을 통해서 조정 한다. 모니터하는 동안 적경축을 움직여 보정이 가능한 동서 방향의 별의 움직임은 무시한다.

행성의 사진관측에서는 표류이탈법을 사용한 극축 정렬까지는 필요하지 않은 경우가 많으며 이 방법의 실제 사용법은 어두운 천체 사진 촬영을 위한 뒤 부분에서 자세히 설명된다.

빅센 GP적도의 극축 망원경 세팅방법
 

① 고도조절나사를 풀어 적경축이 수평이 되도록 조정한다. r극축망원경의 극망 안에 보이는 사다리꼴 모양의 별자리는 남반구의 팔분의(Octans) 별자리를 나타낸 것으로 남밤구에서 극축을 정렬할 때 사용하는 것으로 북반구에서는 필요없는 대상이다. ② 적경축 잠금 나사를 풀고 적경축을 회전시켜 북극성 위치에 해당하는 원이 6시방향을 향하도록 조정한다(이 상태는 북극성의 고도가 최대가 되는 위치이다). ③ 적경축 잠금 나사를 잠근다.   ④ 적경/시간 눈금 잠금나사를 풀고 적경/시간 링을 회전시켜 0시가 적경 기준표시자와 일치하도록 조정한다.   적경/시간 눈금 잠금나사를 잠그고 월일 눈금판을 회전시켜 10월 10일 오전 1시가 되도록 조정한다(이 때가 북극성의 고도가 최대로 되는 날이다). ⑤ 경도자오선 고리의 고정 나사를 풀고 경도 자오선 보정판의 0 이 자오선 표시선과 일치하도록 조정한다.

빅센 GP적도의 극축 정렬 방법

① GP적도의의 적경축을 북극성을 향하도록 설치한다. ② 수평계의 물방울을 이용하여 적도의의 수평을 유지한다.    ③④ 적위축을 회전시켜 극축망원경의 시야가 확보되도록 조정한다. ⑤ 극축망원경의 초점조절링을 사용하여 북극성에 초점이 맞도록 조정한다. ⑥ 관측지의 경도를 참조하여 관측지의 표준자오선과의 경도 차이 값을 월일 눈금판을 돌려서 조정한다.(서울의 경우 127E 에 해당함으로 시간 표준자오선인 135E에 비하여 서쪽으로 8도정도 치우쳐 있기 때문에 자오선 보정 눈금판을 서쪽으로 8도 회전시켜 자오선 표시선에 일치 하도록 조정한다) ⑦ 적경눈금판 잠금 나사를 풀고 적경 눈금판을 회전시켜 적경 0 이  적경축 중심 표시점에 일치하도록 조정한 후 잠금나사를 잠근다. ⑧ 적경축 잠금나사를 풀고 적경축을 회전시켜 관측 일시에 맞도록 월일판과 시간(적경)판을 조정한 다음 적경축 잠금나사를 잠근다. ⑨ 극축망원경 극망에 보이는 원안에 북극성이 위치할 수 있도록 고도 및 방위조절나사를 사용하여 조정한다.

극축정렬 프로그램을 이용한 극축정렬

                 
                                             그림 2-10 극축정렬용 CCD카메라를 부착한 적도의와 극축정렬 프로그램 컴퓨터 화면

    최근에는 북극성 주변의 별의 위치를 소형 CCD 카메라로 촬영한 뒤 이를 바탕으로 북극성의 위치를 계산으로 찾아내는 프로그램을 이용한 극축정렬 방법이 사용되고 있다. 정밀한 극축정렬은 천체사진에 필수적이기 때문에 천체사진 촬영가들 사이에서는 적지 않게 사용되고 있으나 컴퓨터를 이용해야하는 단점이 있다.
  위 그림은 Pole master이라는 극축정렬 제품을 예로 제시한 것이다.