[AstroTech/Week_2]3. 망원경의 원리와 활용

[AstroTech/Week_2]3. 망원경의 원리와 활용 (How Telescope Work)

2째주 3편은 망원경의 원리와 활용에 대해 이야기 합니다. 무려(?)13분 분량입니다.

Part 3 : The technology : how telescopes work (13 mins)

Andy looks at the technology issues. How do we form images? Why are telescopes so big and why does this make life difficult? How do we keep our pictures sharp, and how do we get that color information?

영문 동영상과 자막
https://class.coursera.org/astrotech-001/lecture/download.mp4?lecture_id=101
https://class.coursera.org/astrotech-001/lecture/subtitles?q=101_en&format=srt

한글요약 자막 (자막 달기가 너무 시간이 많이 드네요 ㅠㅠ)



[요약]

- 망원경의 역활은 빛을 모아 한 곳에 집중 시키는 것
- 큰 구경의 망원경 일 수록 더 많은 빛을 모을 수 있으므로 어두운 별을 관측하기에 좋다.
- 망원경에서 빛을 모으는 량은 대물경(반사경 혹은 대물렌즈)의 면적에 비례하고, 면적은 다시 직경의 제곱에 비례. 지름이 2배면 수집하는 광량은 4배
- 그런데 큰 망원경을 만들려면 구조물(경통)을 지탱하고 관측소 건물을 지어야 하니 그 비용도 높다. 비용은 직경의 세제곱의 비율로 증가. 지름이 두배증가하면 천문대 건조비용은 8배
- 큰 망원경은 지구 중력의 영향을 아주 많이 받는다는 것. 즉, 무거운 구조물은 휜다. 구조물의 경우 현대 건축 기술로 극복했지만 대구경 반사경이 휘는 문제는 어려운 일이다.
- 한장의 거대 반사경을 만드는 대신 거울을 잘라 반사면을 제어하여 집광시키는 Segmented Mirror 방식의 대구경 망원경과 거울면을 얇게 만들고 뒷면에서 제어가능한 봉으로 거울면을 미는 능동광학(Active Optics) 방식

Segmented Mirror
http://en.wikipedia.org/wiki/Segmented_mirror

Goptical project home/GNU 프로젝트로 대형 망원경 프로젝트가 있군요!!!
GNU Optical design and simulation library
https://www.gnu.org/software/goptical/

Active Optics(능동광학)
http://en.wikipedia.org/wiki/Active_optics

초대형 망원경들/Extremely large telescope
http://en.wikipedia.org/wiki/Extremely_large_telescope

- 망원경을 통해 영상이 만들어지는 원리는 카메라 혹은 인간의 눈과 같다. 렌즈에서 빛을 모으고 빛 감지기가 모아진 빛을 기록하는 것.

지상망원경(갈릴레오식)

볼록렌즈(대물렌즈)로 모은 빛이 눈의 망막에 촛점이 맺히게 하기 위해 접안부에 오목렌즈를 넣어 빛의 경로를 평행하게 만들어주는 방식으로 사람 눈의 렌즈(수정체)를 광학계의 일부로 활용 하는 것.

천체 망원경은 케플러식 망원경으로 대물경 및 접안경에 모두 볼록렌즈를 사용. 갈릴레오식 망원경에 비해 시야각이 넓다.

굴절망원경
http://en.wikipedia.org/wiki/Refracting_telescope

- 망원경에서 상이 맺히는 원리는 강의 동영상을 볼 것. 대물 렌즈의 촛점거리가 길 수록 촛점면(Focal Plane)에 맺히는 상의 크기도 크게된다. 배율이 높다. 19세기에서 20세기 초기의 망원경 경통이 긴 이유.
- 천체관측에서 배율 보다는 넓고 밝고 선명한 상을 얻는 것이 중요하다.

상을 흐리게 만드는 세가지 요인

첫째, 회절현상

- 빛이 파동인 까닭에 광학의 물리적 현상인 회절. 빛이 모아지면서 파동인 빛이 간섭하는 것. 가시광선의 범위는파장이 짧은 청색(500nm)에서 적색(700nm)까지 다른 파장의 빛이 대물경을 통과하며 한곳에 모이는데 이때 간섭이 일어남. 긴파장일 수록 간섭이 심하고 구경이 작을 수록 불리함.
- 사람의 동공은 약 5mm, 이론적으로 회절에 의한 뭉개짐으로 인한 해상력은 25 아크초. 1Km 밖에서 사람의 머리를 구분할 수 있는 정도.
- 지름 1m인 망원경의 해상력은 1/10 아크초. 하지만 대기의 영향으로 이정도 해상도를 얻을 수 없음

둘째, 대기

- 빛은 대기를 통과하며 광로의 변화를 일으킴. 대기가 불안정하면 촛점이 흔들림.
- 대구경 망원경은 대기의 영향을 많이 받음. 이를 극복하기 위해 능동광학이 적용됨.
- 지상의 대기 불안정을 피하려고 높은 산에 올라가지만 1 아크초 이상의 흐림은 피할 수 없음.
- 대기를 피하기 위해 우주로 망원경을 올려보냈음. 1/10 아크초의 선명한 해상도의 사진을 얻을 수 있었음

셋째, 가공기술과 환경

- 제아무리 렌즈나 반사경을 잘 가공한다 해도 오차는 있는 법. 더구나 인간이 범하는 치명적인 실수도 있음. 실제로 허블 우주망원경의 반사경 가공시 1~2밀리미터의 오차가 있었다는 것을 발사후 반견됨. 나중에 보정 렌즈를 끼워 수리 함. 비용은 엄청 났지만 엄청난 결과를 얻음.
- 빛의 파장별 구면수차(spherical aberration)의 영향. 인간의 눈의 이론적 해상력은 25아크초 이지만 구면 수차의 영향으로 실제로는 1아크분(60아크초)에 불과함
- 그외 대형 망원경은 온도의 영향을 받음. 렌즈나 반사경은 온도에 의해 구면이 변형을 일으키는 것

끝으로 컬러사진을 얻는 법

- 별의 색상별 밝기는 대상의 물리량을 측정하는 아주 중요한 자료임.
- 필터를 사용하여 각 파장대별 사진을 각각 찍고, 각 파장에서 밝기 비율로서 색을 정함.
- 다음 강의편에서 밝기와 색을 바탕으로 작성된 H-R도를 설명하겠음.
- 허쯔스프렁-러셀 도(H-R Diagram)는 천체물리학의 혁명을 이끈 중요한 업적

KickSat/킥샛 궤도진입 후 텔리메트리 전송 중

KickSat/킥샛 궤도진입 후 텔리메트리 전송 중

초소형 개인소유 인공위성 킥샛/KickSat 에 대한 소식입니다. 이와 관련하여 앞서 올린 글이 있으니 참조 하시구요.

KickSat/킥샛-진정한 개인소유 인공위성 ?
http://goodkook.blogspot.kr/2014/04/blog-post_13.html

KickSat 페이지
http://zacinaction.github.io/kicksat/

킥스타터(KickStarter)의 킥샛 프로젝트 페이지 소식 게시판에 따르면 2014년 4월 19일 CRS-3에 실려 발사되었고 무사히 339Km 고도 지구궤도에 진입했다고 합니다. 현재 궤도는 CelesTrak 을 통해 TLE 데이터를 받을 수 있습니다. 오비트론(Orbitron) 소프트웨어로 추적이 됩니다.

http://www.celestrak.com/NORAD/elements/cubesat.txt

킥샛은 발사 후 텔리메트리 신호를 송신하고 있어 내부 배터리 충전이 순조로운듯 보였습니다. 텔리메트리 신호는 아마추어 무선 밴드를 통해 전송되고 있어 전세계 햄으로 부터 보고가 들어오고 있다 합니다. 관련 정모는 메일링 리스트를 통해 접할 수 있습니다.

킷샛 메일링 리스트/포럼
https://groups.google.com/forum/#!forum/kicksat-gs

킥샛 제안자 "자크 맨체스터"의 트위터
https://twitter.com/zacinaction

킥샛의 신호를 들으려면 5소자 정도의 430Mhz(70cm밴드) 야기 안테나로도 가능하다고 합니다. 킥샛의 텔리메트리 수신을 위한 정보는 아래와 같습니다.

KickSat: 킥샛은 3U짜리 큐브샛으로 초소형 개인 위성의 모선인 셈이죠.

Frequency: 437.505 MHz
Power: 1 Watt
Modulation: AFSK
Bit Rate: 1200 bps
Packet Format: AX.25

Sprites: 스프라이트는 모선 킥샛에서 방출되는 초소형 위성으로 개인 소유죠.

Frequency: 437.240 MHz

Power: 10 mW
Modulation: MSK
Encoding: Data bits are encoded as 511 bit PRN codes (Gold Codes)
Chip Rate: 64 khz (this is the rate at which PRN bits are transmitted)
Bit Rate: 125 bps (this is the rate at which data bits are transmitted and is equal to Chip Rate / PRN Length)
Packet Format: Custom




스프라이트는 신용카드 반 만한 초소형 위성으로 기판에 태양전지와 마이크로 프로세서, 그리고 소형 송신모듈이 달려 있습니다. 소유주가 작성한 프로그램이 담겨 있어 방출되면 이 신호를 수신할 수 있다고 합니다. 이런 류의 장난 같은 시도가 무슨 의미가 있겠냐고 하겠지만 생각하기 나름이겠죠. 내 소유의 위성이라니 멋지지 않습니까? 우주에 쓰레기 하나를 더하는 것 아니냐는 우려가 있는데 이런 류의 위성들은 수명이 아주 짧아서 몇달 내에 지구 대기권으로 떨어서 소멸된답니다.

스프라이트는 출력이 10mW라 지상에서 자신의 신호를 수신하려면 LNA 가 필요할 것 같습니다. 백여개의 스프라이트가 방출되는데 모두 같은 주파수를 씁니다. 각 위성을 구분하기 위해 코드분할 방식(휴대전화 단말기처럼) 전송을 하게 된다는 군요. 아이디어 적용이 멋집니다.

더 자세한 것은 아래 링크를 참조하세요.
https://github.com/zacinaction/kicksat/wiki

스프라이트(Sprite)라고 부르는 초소형 위성은 킥샛이 궤도에 진입 후 16일 후에 방출되기로 예정되었습니다. 주 전원의 전압이 8볼트를 넘어야 방출 할 수 있다고 하는데 최근 텔리메트리 신호를 수신한 바에 의하면 약 7.5볼트 수준으로 합니다. 그래서 업-링크 연결이 않되어 지상명령을 수신할 수 없다고 하네요. 하지만 서서히 충전이 되는 것으로 보아 기대를 버리지 않고 있답니다. 조만간 좋은 소식을 기대합니다.

지상에서 킥샛의 텔리메트리를 수신하고 보고하면 기념품을 보내 준다니 한번 시도해 봐야 겠군요.

[AstroTech/Week_2]2. 태양: 모든별의 기준?

[AstroTech/Week_2]2. 태양: 모든별의 기준?

별을 관측하여 밝기와 색으로 구분합니다. 별의 일생 연구의 발판이된 허쯔스프렁-러셀/H-R Diagram 도의 첫 소개입니다.

2부(3분): 영문강좌동영상  / 영문자막

한글요약 자막


별은 너무나 멀리 떨어져 있어서 연구하기 어렵습니다. 황색을 띈 "태양"은 별을 연구하기 위한 아주 좋은 대상입니다. 태양은 모든 별의 기본형 일까요?

워낙 넓은 우주의 규모를 감안하면 오차는 많지만 성단 내의 별들은 지구에서 거의 비슷한 거리에 떨어져 있다고 볼 수 있죠. 성단의 사진을 찍어 밝기와 색으로 분류해 봅니다. 바로 H-R도의 시작입니다. 별을 연구하는 것은 태양을 좀더 잘 알기위한 겁니다.

성단 사진 속에는 황색, 백색, 적색, 청색을 띄는 별이 있고 밝기도 다양하죠. H-R도 상에서 태양은 황색으로 약간 어두운 편에 속합니다.

천체사진은 참 아름답습니다만 이를 통해 과학연구를 하려면 계측치를 얻어야 하죠. 과학연구를 위한 천체사진은,

광각의 사진을 얻어야 합니다. 많은 별을 한번에 담아야 하니까요. 여러장의 사진을 모아 이어 붙일 수도 있겠습니다만 관측 조건에 따라 다른 사진이 됩니다.

높은 선명도(해상력)을 가져야 합니다. 수많은 별들이 찍혀 있을텐데 이 별들을 각각 색과 밝기로 구분할 수 있어야 하니까요.

다양한 색상으로 찍어야 합니다. H-R도의 중요 인자는 별의 색상입니다. 넓은 파장범위를 포함하는 사진이어야 하겠지요. 더블어 색의 구분도 세밀한 것이어야 합니다.

우주 관측 도구는 역시 망원경입니다. 다음편은 망원경에 대한 이야기 입니다.

참고) Hertzsprung-Russell Diagram
http://en.wikipedia.org/wiki/Hertzsprung%E2%80%93Russell_diagram

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6b/HRDiagram.png

[AstroTech/Week_2] 1부. 우주사진 찍기

[AstroTech/Week_2] 1부. 우주사진 찍기

천체 사진 찍기의 과학적 의미를 살펴봅니다.

천체사진은 천문학의 핵심이라 할 수 있죠. 화려하고 멋진 천체 사진에서 과학적 관측으로서의 사진찍기를 이야기 합니다.

1부 (4분) 동영상강좌 링크 / 영문자막 / 한글요약자막 동영상

요약: 밤하늘의 관측도구 망원경
광학은 변함이 없으니 100년전 망원경도 관리만 잘되면 요즘도 잘 작동함. 현대의 망원경이 발달하게된 세가지 요인으로,

1. 규모가 커졌음. 대구경 망원경이 가능하려면 광학계(반사경, 렌즈)의 가공기술 뿐만 아니라 망원경을 설치할 대형 돔의 건설기술이 필요함

2. 높은 산 정상에 천문대를 설치할 수 있음. 구름위로 올라가면 하늘 관측이 더욱 요이함. 고지로 올라가 천문대를 건설할 수 있는 현대적인 수송능력

3. 우주로간 망원경. 허블 우주 망원경과 그 활약은 더 말할 나위가 없죠!

아름다운 사진에서 과학적 관측 자료로서의 사진이 추구하는 방향

1. 사진에서 과학적 계량이 가능할 것
2. 어두운 대상을 담기위해 빛을 많이 모을 것(장노출, 겹침처리)
3. 별을 구분하기 위한 선명도(해상도)를 높일 것
4. 광각 사진을 얻을 것. 하늘에서 언재 어디서 무슨 현상이 있을지 모르니 넓을 하늘을 담을 수 있길 바람. 초신성, 혜성 들이 지금도 우연히 발견되고 있음.

- 무작정 달을 향해 찍다보니 달에 운석이 충돌하는 장면을 찍음.  http://goodkook.blogspot.kr/2014/02/blog-post.html
- 우주생성을 밝히는데 넓은 영역을 수년간 관측함. http://goodkook.blogspot.kr/2014/03/big-bang.html

5. 대상을 여러 파장으로 나누어 관측. 별의 물리량을 계량하는데 가장 크게 기여함. 전파,적외선,가시광선,자외선,엑스선등으로 나뉘어 관측한 결과 우주에 대해 알게된 무수한 사실들! 별의 색과 밝기의 관계로 시작한 허쯔스프렁-러셀(H-R)도의 위대한 성과!

앞으로 강좌를 통해 이런 내용을 자세히 배우게될 것 임

(참조) NASA의 밤하늘 사진지도
The Tycho Catalog Skymap - Version 2.0
http://svs.gsfc.nasa.gov/vis/a000000/a003500/a003572/

초보자를 위한 망원경 선택 안내

초보자를 위한 망원경 선택 안내

아스트로테크(AstroTech) 강좌의 포럼에 게시된 "초보자를 위한 좋은 망원경"
What's a good beginners telescope: https://class.coursera.org/astrotech-001/forum/thread?thread_id=61

초보자가 쓸만한 비싸지 않고 좋은 망원경을 추천해 주세요.

좋은 질문입니다. 아마 천문가들에게 가장 흔히 하는 질문일 겁니다. 이에 대해 여러가지 답변이 있지만 적절하지 않는 경우도 꽤 있더군요. 참고하십시요.

1. 망원경 보다는 괜찮은 쌍안경(10x35 나 좀더 큰)을 사세요.  두번째 숫자가 중요합니다. 이 숫자가 클 수록 더 많은 빛을 모을 수 있죠. 쌍안경은 정립상(망원경으로 보면 상하좌우가 뒤바뀜)을 보게 되어 사용이 쉽습니다. 게다가 어지간한 망원경보다 싸죠. 편안한 관측을 위해 쌍안경에 맞는 삼각대도 준비하십시요.

2. 어떤 경우에도 "백화점 망원경"을 사지 마세요. 광고에 나오는 배율에 현혹되면 후회합니다. 어떤 경우에도 참담한 꼴을 보게 될 겁니다.

3. 좋은 망원경은 개인적인 취향일 수 있습니다. 주로 관측하려는 대상에 따라 선택이 다를 수 있지요. 은하나 성운 같은 희미한 천체에 관심이 있다면 대구경 망원경이 좋죠. SCT(슈미트-카세그레인 망원경,복합계 망원경)이나 뉴튼식 또는 도브소니언 반사망원경이 좋습니다. 태양이나 행성을 주로 관측한다면 굴절 망원경을 대개 선택합니다. 굴정 망원경은 반사망원경보다 비쌉니다.

4. 가장 자주 사용하게 될 망원경이 가장 좋은 망원경 입니다. 크고 멋진 망원경 일수록 설치하고 정렬하는데 시간이 많이 걸립니다. 작은 망원경은 당장 집어들고 하늘을 볼 수 있어서 더 자주 손이 가죠.

그래서 뭘 선택하냐구요? 가능하면 인근의 천문 동호회나 "스타파티(관측회)"에 참여해 보는 겁니다. 다양한 망원경을 경험해볼 기회가 되죠. 선택에 필요한 조언을 얻을 수 있을 겁니다.

어쨌든 30년 이상 관측해왔고 천문대 대장을 지냈으며 지역 천문 동호회 회장을 지낸 사람의 조언입니다.

도움이 되길 바랍니다.