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별하나를 고배율로 볼때 보이는것 (에어리디스크.에어리 패턴)|

  • 한승환
  • |조회수 : 2457
  • |추천수 : 0
  • |2016-12-23 오후 6:24:38

 

 

이중성 분해, 이중성 관측은 아마추어 천체관측의 한 분야로 근접한 별들을 분해해 보는 것이라 알려져 있습니다.

아랫글에 정동원님이 아주 쉽게 잘 설명해놓으신 글이 있습니다.

 

보통 쉬운 이중성이라고 하면 분리각이 아주 커서 가지고 있는 망원경의 최대 성능이 아니더라도 쉽게 두 개로 볼 수 있는 대상입니다. 그러나 이중성엔 이런 쉬운 이중성만 있는게 아니고 분리각이 매우 작은 이중성도 많습니다. 


이런 근접 이중성 분해의 경우엔 우선 자신이 가진 망원경의 성능을 알고 그 사용이 능숙해야 합니다. 망원경 구경별 이론적 각 분해능이라던지 에어리디스크, 배율,광축 심지어 seeing 같은 환경 변수도 영향을 끼칩니다. 용어는 어려워 보이지만 의외로 간단합니다. 분리각이 큰 이중성 부터 보다 보면 점점 더 작은 것도 보게 됩니다. 그런데 우리는 눈으로 보기 때문에 우리 눈으로 가늠해 볼 수 있게 확대 , 즉 배율을 높여야 할 때가 많습니다.

 

그럼 별 한개를 망원경과 환경이 허락하는 고배율로 초점을 맞춰 보았을때 보이는 모습은 어떤걸까요?

우선 기본적으로 알아야 할 '별을 고배율로 볼 때 보이는 에어리디스크와 에어리패턴'을 알아봅시다.


보통 별 한개 를 자신이 가진 망원경의 유효 최고배율로 (약 구경의2배) 보신적이 있으신가요?


3등급 이하의 적당히 밝은 별을 대기가 안정적인날 고배율로 초점을 맞춰 보면 별은 점이 아니라 어떤 면적을 가진

원반 형태로 보이게 됩니다. 더 밝은 별들은 오히려 그 밝기 때문에 seeing 영향으로 빛이 퍼져보여 가늠해 보기가 더 어렵습니다. 대기 안정도를 가늠할때 보통 seeing(시잉,시상)이라고 하는데 , 먼저 에어리디스크를 알아야 하기 때문에 나중에 다시 이야기 하겠습니다.

 

<우리가 망원경으로 별 한개를 고배율로 볼 때 눈으로 볼 수 있는 회절 패턴>

-aberrator3.0 프로그램 시뮬레이션으로 확대-


 별을 보통 무한 광원으로 가정 하는데 아주 멀리 있는 대상이라 그렇습니다. 무한 광원에서 온 빛은 다시 모여 결상이 되도 면적이 없는 아주 작은 점으로 결상이 되어야 합니다. 그런데 실제 망원경으로 보는 무한광원이라고 할 수 있는 별은 아주 작은 점으로 보이는 게 아니고 어떤 면적을 가진 디스크와 링 형태로 보입니다. 보통 아마추어 천체관측가에게 물어보면 '개구리 알' 처럼 보여 개구리 알로 표현되기도 합니다.


 

이것은 회절의 영향으로 구경을 가진 일반적 광학 망원경은 피할 수 없는 현상입니다. (빛,파동과 회절) 취미로 하는 아마추어 관측에서는 이런 자세한 이론까지 다 알고 시작하려면 내용도 방대해지고 어려워지니 빛의 회절현상 때문이다 정도만 알고 계셔도 됩니다.

 

<레이저 광원으로 만든 에어리디스크와 패턴>

-출처: 위키백과사전-

 

 이런 빛의 회절현상은 , 우리가 망원경으로 별을 자세히 볼 때 어떤 패턴을 형성하게 되는데 이것을 에어리패턴 이라고 합니다. 에어리 디스크,에어리 패턴 이런 말에 '에어리(airy)' 라는 말이 들어가는 이유는 영국의 학자인 "조지 비델 에어리"에서 따왔는데 1835년 이 현상에 대한 이론적인 설명을 해냈기 때문입니다.(George_Biddell_Airy)

 

윗 사진을 보면 별을 볼때의 패턴과 레이저로 만든 패턴이 다른 모습으로 보입니다. 사실 레이저광원으로 만들어낸 회절패턴과 우리가 별을 고배율로 볼때 볼 수 있는 패턴은 같은 모습입니다. 그러나 우리의 눈은 어두운 빛을 보지 못하기 때문에 가장 밝은 부분만 주로 보이게 됩니다.

 

 

 

에어리 디스크(airy disk)는 이 에어리패턴의 중심에 있는 밝은 면적을 가진 디스크를 이야기 합니다. 보통 에어리패턴은 디스크>검은링>밝은링 순으로 계속 반복되어 있습니다. 이때 디스크를 제외한 우리 눈에 보이는 첫번째 밝은 링을 1st diffraction ring, first  diffraction ring등으로 부르기도 하며 우리말로 '첫번째 회절링' 정도로 부릅니다. 우리가 가장 쉽게 볼 수 있는 것은 첫번째 회절링 까지고 , 망원경의 차폐율이나 성능저하(구면수차), 별의 밝기에 따라 2~3차까지 보이기도 합니다. 우리가 망원경으로 이 패턴을 볼 때 성능이 괜찮은 망원경은 약84%~이상의 에너지가 저 디스크에 모이고 나머지의 에너지는 회절과 구면수차등의 영향을 받아 다른 링을 형성하며 퍼집니다. 망원경의 제한된 구경으로 모을 수 있는 빛이 저 디스크 패턴에 잘 밀집 될 수록 정밀한 망원경입니다. 망원경 성능표의 스트렐비 97%이런 말이나 (Strehl Ratio 0.97)로 표현하기도 합니다.

 

 이러한 회절패턴은 구경이 작은 망원경을 사용하면 낮은 배율에서도 쉽게 볼 수가 있습니다. 회절은 슬릿폭이 작을 수록잘 일어나는데 우리가 사용하는 망원경의 구경이 슬릿의 역활을 해서 그렇습니다. 작은 구경일 수록 슬릿 폭이 작은 것과 같습니다. 그런데 보통은 seeing이라는 환경 변수가 작용을 해서 시뮬레이션이나 인공광원을 사용한 회절 패턴같이 깔끔한 패턴을 보기는 힘듭니다. 이 시잉- seeing 이라는 하늘의 상태를 이야기 할때도 프로가 아닌 보통 아마추어 관측에선 '피커링 시잉 스케일'(The Pickering Seeing Scale)을 자주 이용하는데 그 기준이 하늘의 상태에 따라 보이게 되는 에어리패턴 입니다.

 

<우리가 관측할때 가장 흔하게 보게 되는 seeing 5/10(중간정도)일때 보이는 에어리패턴>

 

그리고 망원경의 성능을 이야기 할때 분해능이라는 것을 이야기 하는데 , 이 분해능이 에어리디스크의 크기와 큰 연관이 있습니다. 구경이 작을 수록 에어리디스크의 크기가 커져서 분해능이 감소하고 , 구경이 클 수록 에어리디스크의 크기가 작아져서 분해능이 높아집니다. The Pickering Seeing Scale과 이부분은 나중에 따로 관련된 이야기를 해보겠습니다.

 

참고로 위의 사진은 우리가 초점을 맞춰서 보았을때 보이는 모습입니다. 한마디로 초점면에서 보이는 모습이라는 것이죠. 초점면이 아닌 곳은 보통 부르기를 '초점 내외상','초점 전후상' 으로 이야기를 많이 하고 이 초점 전후상과 에어리 패턴을 혼동하시는 분들이 많습니다. 둘다 넓은 범위의 회절패턴이긴 하나 초점면에서 보이는 패턴을 '프라운 호퍼 회절 패턴' 이라고 합니다. 초점 전후에 보이는 패턴은 '프레넬 회절 패턴'으로 볼 수도 있는데 자세한 것은 광학전문가분들이 공부하실 내용이겠죠. ^^ 보통 에어리디스크 , 패턴으로 이야기 할때는 초점면에서 보이는 '프라운 호퍼 회절 패턴'을 이야기 하는 경우가 많습니다.

 

이 별 하나를 고배율로 볼 때 빛의 회절 현상에 의해 보이는 에어리패턴은 우리가 seeing을 가늠하고 구분지을때도 쓰이고 망원경의 성능과도 밀접한 관계가 있습니다. 이중성 분해 분야를 좋아 하시는 분들은 잘 알고 계시기도 하지요. 우리가 망원경으로 무한광원에 가까운 별을 볼때 어떤 현상을 보고 있는지 알고 보면 더 재미있는 것 같습니다.

 

 

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