2. 천체사진의 꽃, 추적 촬영

   망원경을 이용한 안시관측에서 관착할 수 없는 밤하늘 천체의 숨겨진 아름다운 모습을 보는 방법에는 추적촬영을 이용한 사진관측 방법이 있다. 긴 시간 동안 망원경이 관측하고자하는 천체를 따라가며 그 천체에서오는 신호를 카메라에 담아서 아주 미약한 빛조차 표현해내는 방식이다. 따라서 추적의 정밀함은 촬영된 이미지의 결과물에 그대로 나타나게 되면 이 과정에서 정확한 초점 정렬은 더욱 강조된다. 초점이 맞지 않으면 촬영시간이 길어질수록 초점의 영향이 사진 결과 물에 더 크게 반영되기 때문이다. 천체사진에서 추적 촬영은 천체사진의 꽃으로 불리는 이유는 천체사진 촬영의 모든 기술과 촬영도구, 촬영자의 경험이 조화롭게 이루어져야하는 종합적인 단계이기 때문이다.
 추적촬영에는 추적이 가능한 장치대만을 이용한 추적촬영과 가이드 별의 움직임을 파악하여 장치대의 추적오차를 수정함으로 정확한 추적을 가능하게하는 가이드 추적촬영방법이 있다.

장치대만을 사용한 추적촬영(노터치 가이드)

  망원경이나 렌즈의 초점거리에 따라 다르기는 하지만 약 15초 이상의 노출이 필요한 천체 사진 촬영을 하기 위해서는 지구의 자전현상을 보정하기 위해 천구의 북극과 평행하게 정렬된 적도의에 카메라를 부착시켜야 한다.

  지구의 자전축과 평행하고 천구의 북극을 향해 정렬된 축을 극축이라고 한다. 모터와 기어에 의해서 극축을 중심으로 지구의 자전속도와 동일하게 회전하는 적도의는 하늘에 있는 천체를 망원경 시야에 고정시키는 역할을 한다. 극축이 정렬된 적도의에 연결된 카메라는 긴 시간 노출하면서 별의 추적을 할 수 있게 한다.

  극축이 정렬된 추적가능한 장치대에 극축을 중심으로 회전하는 장치대의 기능만을 사용하여 천체의 이동을 추적하며 촬영하는 촬영법을 노터치 가이드 촬영이라고 한다. 이러한 추적장치에는 간단한 구조의 트랙커와 가이드팩이라고 불리는 제품들이 시중에서 판매되고 있으며 은하수 촬영에 많이 활용되고 있다. 그러한 장비들의 기본 원리는 지구가 자전하는 방향과 같은 속도로 장치대를 회전시키는 것으로 적도의의 적경축에만 모터가 달려있어도 추적이 가능하다.
 또한 노출시간이 비교적 짧은 태양이나 달사진을 촬영하는데에도 노터치 가이드 방법이 적용된다. 가이의 정밀도는 렌즈나 망원경의 초점거리와 관련있기 때문에 chwjarjfl 300mm 이하의 렌즈나 400mm 이하의 단초점 망원경의 경우 노터치 가이드 촬영법을 적용하여도 좋은 사진 결과물을 얻을 수 있다.

 이 방법을 적용하여 일반렌즈를 장착한 카메라 또는 광각 및 단초점 망원 렌즈를 사용한 카메라를 망원경의 위쪽에 부착하는 피기백 방법으로 촬영할 수도 있다. 장초점 렌즈를 사용하거나 망원경에 카메라를 직접 부착시키는 직초점 촬영 방법을 사용하는 경우는 적도의만으로 별을 추적하는 것은 긴 시간 노출하는 동안 오차가 발생할 수도 있다.

  사진 촬영에 사용된 카메라와 망원경의 초점 거리 그리고 적도의 자체의 안정성과 회전기어 및 모터의 기계적 정밀도에 따라서 긴 시간 노출 촬영을 위해서는 가이드 장비가 필요할 수도 있다.

아래의 그림 2-1은 노터치 가이드 촬영법에 사용되는 가이드팩 촬영 장비와 적도의의 추적기능만을 사용하여 태양의 흑점과 토성의 사진을 촬영하는 사진을 제시하였다.

                 그림 2-1 노터치 가이드 촬영장비로 사용되는 빅센 가이드팩(좌)과 적도의의 적경모터만을 사용한 태양(중앙)과 행성(우) 촬영

피기백(Piggyback) 촬영

  긴 시간 노출촬영을 하여도 별의 이미지가 흐르지 않게 하기 위해서는 극축이 정확히 정렬된 적도의에 카메라가 부착되어야 한다.
  피기백 촬영이란 단어 뜻 그대로 등에 업혀있다는 것으로 그림2-2와 같이 망원경의 위쪽에 작은 망원경이나 카메라를 부착하여 이를 이용하여 촬영하는 방식을 의미한다.
  단초점렌즈를 사용하여 망원경의 위쪽에 피기백 방식으로 카메라를 부착하여 촬영대상을 추적하며 촬영하는 방식은 삼각대를 사용한 고정 촬영 방식보다 더 발전한 단계이다. 카메라를 망원경의 위쪽에 있는 카메라 연결고리 위쪽에 부착함으로서 망원경을 가이드하면서 동시에 카메라로 사진을 찍을 수 있다. 작은 카메라의 경우는 간단한 볼 마운트나 연결 소켓만을 이용하여 망원경에 부착할 수 있지만 카메라에 부착된 렌즈가 큰 경우에는 별도의 촬영용 플레이트를 사용해야 한다.

그림 2-2 경통위에 카메라를 연결(좌), 경통위에 소형 망원경에 CCD카메라(가운데), 동영상카메라(우)를 연결한 피기백 촬영방식

  카메라에 연결된 망원경의 무게가 크거나 부착되는 부가 장비가 많을 클 경우에는 카메라 장비를 적도의의 적위축의 끝에 있는 균형추 봉 끝에 부착할 수도 있다. 이 경우는 카메라와 장비가 균형추의 역할을 하기도 한다.

 피기백 촬영을 잘 활용하면 같은 시간에 더 많은 사진을 촬영할 수 있고 같은 대상을 배율이 서로 다르게 촬영할 수 있고 별자리와 관측대상의 위치를 동시에 표현할 수 있는 사진 결과물을 얻을 수도 있다. 

수동가이드

 성능 좋은 적도의도 장시간의 고배율 직초점 사진 촬영에서는 정확도에서 오류가 나타날 수도 있고 대기 상태에 따라서도 별이 정확하게 점상으로 찍히지 않고 흐를 수도 있다. 300mm이상의 초점거리의 카메라 렌즈를 사용하거나 망원경을 사용하여 직초점 촬영법으로 긴 노출을 통하여 사진을 찍기 위해서는 적도의의 추적 성능에 따라 차이는 있지만 대부분의 경우 가이드가 필요하다. 가이드 과정은 고배율 가이드 망원경의 십자선 중앙에 가이드 별을 위치하게 하고 이를 유지 시키는 것이다. 가이드 아이피스는 종류가 다양하지만 가장 일반적인 형태는 밝기 조정이 가능한 적색 램프로 비춰지는 아이피스의 초점면에 이중 십자선이 새겨진 형태로 만들어져 있다.

 비축가이드를 사용하면 관측대상의 상과 초점 상태가 동시에 보인다. 비축가이드 렌즈를 통해서 적당한 밝기의 가이드별을 찾을 때 까지 가이드 망원경을 움직여서 가이드 별을 찾아 초점을 맞춘다.

 독립적인 가이드 망원경을 사용할 경우엔 관측 대상은 사진 촬영용 망원경의 중심에 상과 초점을 맞추고 가능한 한 관측 대상에 가깝고 밝기가 적당한 가이드별을 선정하여 가이드 망원경의 십자선 중심에 위치하도록 조정한다. 가이드 아이피스의 십자선은 적도의의 적경과 적위의 방향에 해당하는 동서남북의 방향과 일치시킨다. 적도의 조정 장치의 버튼을 별의 움직이는 방향과 일치시켜 미리 설정해 놓으면 실제 촬영에 편리하다.

 사진 관측용 장비의 초점거리를 적용하여 미리 추적허용오차를 계산하여 가능한 한 오차 범위 내에서 십자선을 벗어나지 않도록 모니터한다.

가이드의 허용오차 계산법

T = 0.125 X (G/F)  ( G = 가이드망원경의 초점거리(mm), F = 카메라 렌즈의 초점거리(mm) )

가이드 박스의 지름은 0.2mm로 하고 필름 상에서 허용 가능한 별의 이동 변위 값은 0.025mm로 정한 경우이다.

 모든 적도의는 그 값에 차이는 있지만 기계적인 주기오차는 갖고 있다. 주기 오차가 큰 적도의의 경우에는 추적 허용 오차 범위 이상으로 별이 흐를 수 있으니 꾸준히 가이드 해야 한다.

그림 2-3 수동가이드에 사용되는 가이드 접안렌즈(좌), 접안렌즈 시야(가운데) 가이드망원경 연결된 망원경 세트(우)

  수동가이드는 그림 2-3과 같이 십자선이 그려진 가이드 접안렌즈를 가이드 망원경에 연결하고 십자선 중앙에 가이드 별을 넣고 이별이 중앙을 이탈하지 않도록 적도의 조정 패드의 이동 버튼을 사용하여 적도의를 조정하는 방식이다. 이는 촬영하는 동안 가이드별을 눈으로 계속 모니터해야하기 때문에 쉽지 않은 방식으로 최근에는 눈을 대신하여 감도가 좋은 동영상 카메라를 사용하고 가이드별의 이동정도를 보정하는 프로그램을 사용하는 오토가이드 방식으로 대치 되었다.

 불가피한 경우 수동가이드를 할 경우에 편안한 자세에서 가이드하기 위해서는 처음 노출을 했을 때의 가이드 망원경의 위치와 노출을 끝냈을 때의 위치를 미리 파악하여 관측 자세를 미리 정할 수 있고 불편한 경우에는 가이드 별을 다른 별로 바꿀 수가 있다. 오랜 시간 불편한 자세로 수동가이드 한다는 것은 특히 추운 날씨에는 큰 신체적 고통을 초래한다. 실제로 수동가이드를 하는 동안의 자세는 요가 자세와 같이 어려운 자세로 멈춰있어야 하는 경우가 많다.

오토가이드

  15-30 초 이상의 노출이 필요한 천체사진촬영을 하기 위해서는 지구의 자전현상을 보정하기위해 천구의 북극과 나란히 정렬된 적도의 장치대에 카메라를 부착시켜야한다.

  적도의에서 지구의 자전축과 평행하게 정렬된 적경축을 극축이라고 하며 모터와 기어에 의해 이축을 중심으로 지구의 자전 속도와 동일하게 회전하여 대상 천체를 망원경의 시야에 고정하는 역할을 한다. 정확히 극축이 정렬된 적도의는 긴 시간 노출하면서 별을 추적할 수 있게 한다.

  카메라를 망원경의 위쪽에 부착한 피기백 방법으로 광각렌즈, 일반렌즈, 단초점 렌즈와 같이 다양한 렌즈를 카메라에 연결하여 별을 추적하면서 사진을 촬영할 수 있다. 장초점 망원렌즈 또는 카메라를 망원경에 직접 부착시키는 직초점 촬영과 같이 망원경을 카메라 렌즈 대신 사용하는 경우는 초점거리가 길어져 배율이 커지기 때문에 적도의만으로 별을 추적하는 것은 충분하지 않다.

  사진 촬영에 사용된 렌즈의 초점거리와 적도의의 정교함, 회전모터의 기계적인 정교함의 정도에 따라서 긴 시간 노출을 하려면 가이드 장비가 필요할 수 있다. 고배율의 주망원경 또는 보조망원경을 통해서 별을 추적하면서 추적과정을 조정하는 천체 추적 가이드의 기본원리는 가이드 아이피스의 십자망선 중앙에 별을 위치하도록 하는 것이다. 이러한 추적과정은 CCD카메라와 컴퓨터를 사용하여 가이드 별을 중심에 위치하도록 하는 조정을 통하여 자동으로 관측 대상 천체를 추적하는 것을 가능하게 하며 이런 과정을 오토가이드라고 한다.

가이드에 필요한 장비

  망원경의 극축정렬이 잘되어 있어도 장시간 노출을 필요로 하는 천체 사진 촬영의 경우에는 가이드 시스템이 필요하게 된다. 가이드 하는 방법에는 가이드망원경을 독립적으로 사용하는 경우와 주경의 접안부에 부착해서 사용하는 비축(off-axis)가이드 방법이 있다. 비축가이드 방법은 반사경을 사용하는 반사망원경에서 주로 사용되며 특히 슈미트-카세그레인식이나 뉴튼식 망원경의 경우는 대부분 비축 가이드 방법을 사용한다. 이는 반사 망원경의 경우에는 장시간 관측할 경우 반사경이나 사경의 움직임이 발생할 수 있는 구조적인 문제 때문에 이를 직접적으로 보정해야할 필요가 있기 때문이다. 독립적인 가이드 망원경을 사용하는 경우에는 구경이 70~90mm정도의 고배율의 소형 굴절망원경이 사용된다.

그림 2-4 오토가이드에 사용되는 적도의, 가이드용 CCD카메라, 비축가이더, 동영상 카메라

오토가이드를 위해서는 가이트포트와 컴퓨터와의 연결부가 있는 적도의가 필요하며 가이드 별을 추적하는데 사용되는 가이드용 CCD카메라와 가이드 망원경으로 사용될 수 있는 소형 망원경이 필요하고 가이드 소프트웨어가 설치된 노트북도 필요하다. 
* 비축가이더(off-axis guider, OAG) - SCT, 뉴토니안, 굴절-반사식의 망원경에서는 장시간 노출하여 사진촬영을 하는 동안 반사경의 움직임이나 반사경 곡면의 휨 현상이 발생할 수 있으므로 이러한 현상까지도 보정하면서 가이드할 수 있는 비축가이드 시스템을 사용하는 편이 낫다.

* 가이드망원경 - 가이드망원경은 구경이 70~90mm 정도의 소형 굴절망원경을 주로 사용하며 적도의 가대나 주경에 직접 부착하여 사용한다. 가이드망원경을 사용한 가이드 방식은 비축가이드보다 사용법과 설치가 편리하다. 대체로 망원경의 광학계가 안정적인 굴절망원경에서 주로 사용된다.

* 가이드망원경 연결 고리 - 가이드망원경을 주망원경에 연결할 때 필요하고 가이드 별로 사용하고자 하는 별을 찾을 수 있도록 조절이 가능한 구조로 되어있다.

* 가이드 아이피스 - 아이피스 내부에 조명 장치와 십자선이 그려져 있어 가이드별을 추적하는데 편리하도록 만들어진 아이피스로서 가이드 망원경의 접안렌즈로 사용한다.
 

그림 2-5 오토가이드에 사용되는 PHD Guiding 소프트웨어 실행 화면
 

오토가이드의 3가지 방법

* 내장 가이드를 이용한 오토가이드(셀프가이드) - 천체사진 촬영용 CCD 내부에 설치된 작은 가이드 칩을 이용하여 가이드를 하는 방식으로 이미징 CCD가 큰 풀프레임 CCD 카메라에서 사용되는 방식이다. 비축가이드와 같은 방식으로 가이드용의 작은 CCD를 설치하여 이 곳에 들어온 별을 가이드 성으로 활용하기 때문에 천체사진의 구도를 설정하는데 어려움이 있을 수 있고 밝은 별이 없는 지역에서는 가이드 성을 찾을 수 없는 곤란한 상황이 발생하기도 한다. 따라서 그림 2-5와 같이 CCD 카메라 앞에 별도의 비축가이더를 연결하여 사용하기도 한다. 이런 CCD는 별도의 가이드 망원경이 필요없어 편리하지만 CCD 카메라의 가격이 비싼 것이 단점이다.
 

그림 2-6 셀프가이더가 내장된 SBIG STL-11000 CCD 카메라와 셀프가이더의 시야크기(우측 사진의 왼쪽 작은 사각형)

 * 가이드 망원경을 이용한 방식 - 과거에는 투유캠(Toucam)이나 Neximage, DSI와 같은 동영상 카메라를 많이 사용하였고 최근에는 QHY5 또는 LOsestar와 같이 감도가 뛰어난 동영상 카메라가 오토가이드용으로 사용할 수되 있다. 이러한 카메라로부터 얻은 가이드별의 움직임을 적도의에 연결해주는 가이드용 소프트웨어로는 PHD Guiding, Guide master, Maxim이 주로 사용되며 적도의에 따라 별도의 통신 케이블이 필요하기도 하다.
 카메라의 성능이 좋지 않을 경우 상대적으로 밝은 별을 가이드별로 정해야하며 관측대상 주변에 밝은 별이 없으면 관측대상과 많이 떨어진 곳의 별을 골라야 하는 등 가이드별의 선정에 어려움이 발생하고 가이드 도중에 가이드별을 놓치는 경우도 발생하기도 하기 때문에 가이드 카메라의 성능도 중요한 요소이다.

그림 2-7 가이드 망원경으로 사용되는 70mm 소형망원경과 가이드 망원경의 방향을 조절할 수 있는 가이드 링

가이드 아이피스를 이용한 수동 가이드로 수많은 시간을 보낸 천체 사진가들은 CCD를 이용한 오토가이더의 사용이 가이드 방법 중 최고의 방법이라고 추천한다. CCD 오토가이더는 컴퓨터를 이용하여 가이드 별을 연속적으로 촬영하여 별의 위치를 파악하여 추적하고 움직임이 발생하면 처음 가이드별 설정 당시의 위치로 되돌릴 움직임을 계산하여 적도의의 추적 장치에 신호를보내어 별의 움직임을 보정하는 원리를 적용하고 있다. 수동가이드에서는 항상 가이드 아이피스를 주시해야 했지만 오토가이드를 하는 동안은 노출 촬영시간에 다른 망원경이나 쌍안경을 사용하여 다른 대상의 천체를 찾거나 성도를 보거나 잠시 휴식을 취할 수 있는 시간적 여유가 있다.

그림 2-8 탐색경을 개조하여 만든 가이드 망원경을 고무줄로 연결한 상태와 가이드 링을 사용하여 경통에 결합한 예

 * 비축가이더(Off axis Guider)를 이용한 방식 - 최근의 가이드 방식은 가이드 망원경을 사용하는 방식에서 비축가이드를 사용하는 방식으로 전환되고 있는 추세이다. 비축가이드는 사진을 촬영하고 있는 망원경의 렌즈나 거울면에 투영된 별을 가이드 별로 활용하기 때문에 사진 이미지와 가이드 별의 이미지 사이에 오차가 없는 것이 장점이고 가이드의 정확성이 가이드 망원경을 사용할 때 보다 크고 가이드 망원경을 사용하디 않기 때문에 장비의 무게도 줄이고 장비를 설치하는 시간도 줄일 수 있는 것 또한 최근에 이 방식을 많이 사용하는 이유 중의 하나이다.

그림 2-9 DSLR 카메라 앞에 비축가이더를 연결하고 촬영하는 모습

그림 2-10 80mm 구경의 굴절 망원경과 비축가이더, Lodestar 가이드 카메라 그리고 QSI 583CCD 카메라가 EM11 적도의에 연결된 모습