태양 필터를 이용한 태양 관측 - 흑점 관측과 주연감광현상

<2012년 금성 일면통과가 있었을 때 촬영한 태양>

태양을 관측하는 방법은 정말 여러가지가 있습니다. 맨 눈으로 관측 할 수도 있고, 봉지과자의 봉지를 눈에 대고 볼 수도 있습니다.

 

오늘 설명할 내용은 태양필터 중 흑점관측필터(ND 필터)를 사용하여 태양을 관측했을 때 볼 수 있는 자연현상입니다. 잘 알려진 것처럼 흑점 관측 필터를 이용하면 태양의 흑점을 관측할 수 있습니다. 오늘은 흑점 뿐 아니라, 보통 그냥 간과하고 넘어가는 주연 감광(limb darkening)현상까지도 소개해 볼 예정입니다. 

  1. 개요

<흑점관측필터(ND필터)>

흑점관측필터라고들 많이 부르는 ND필터는 위의 사진처럼 망원경의 경통의 후드에 끼울 수 있도록 만들어 졌습니다. 포일같은 재질로 되어있는 것도, 위의 사진처럼 유리로 되어있는 것도 있습니다. 어느것이 좋다고 말하기는 애매하며, 금액, 재질, 내구도 등등에서 장단점이 있기 때문에 상황에 맞는것을 구입하여 이용하면 됩니다.

 

무엇을 사던 가장 중요한건 망원경 경통 후드의 크기에 꼭 맞는것을 구입해야 하는 것입니다. 요즘은 위 그림처럼 나사를 이용해 고정시킬 수 있는 필터가 많이 이용됩니다. 나사가 없는 경우 약간 크다면 안쪽에 부직포를 대서 꼭 맞게 재단하면 됩니다. 태양관측은 매우 위험할 수 있기 때문에 어느 경우건 안전이 가장 중요하다는것을 명심해야 합니다.  

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  2. 관측 방법

관측 방법은 적도의식 망원경을 기준으로 설명을 드리도록 하겠습니다. 

 

기본적인 망원경의 설치 과정은 생략하겠습니다.

 

 중요한 것 몇 가지만 이야기 하면, 벌건 대낮이라 북극성을 기준으로 극축 정렬을 할 수 없기 때문에 대략적으로 극축망원경이 북쪽을 향하도록 놓습니다. 이 때 나침반이나 스마트폰 나침반 어플을 사용합니다. 북쪽을 맞추는게 좋은 이유는 간단합니다. 어지간하면 요즘 망원경은 전부 자동추적을 할텐데, 이 때 대략적으로라도 북쪽을 맞추어 놓아야 태양이 시야에서 벗어나지 않습니다. 그렇지 않으면, 1,2분 관측하고서 계속 망원경을 태양 방향에 맞춰 움직여 줘야 하는 불편함을 겪게 됩니다.

저의 경우 나침반을 쓰긴 했는데, 보시면 아시는 분들도 계시겠지만, 나침반같은 클리노미터를 사용 했.....(뭐 북쪽만 맞으면 되니까..ㅋ)

기본적인 망원경 설치가 끝나면 위 사진처럼 태양필터를 끼우고, 파인더용 태양필터가 있으면 함께 끼웁니다. 만약 파인더용 태양필터가 없으면, 저렇게 캡을 씌워 두셔야 합니다.

 

파인더 정렬은 관측 전에 필수로 되어 있어야 합니다. 왜냐하면 태양 필터를 끼워 두었기 때문에, 태양을 찾는게 굉장히 어렵기 때문 입니다. 또한 파인더 필터가 있으면 그냥 파인더에 눈을대고 태양을 찾으면 되지만, 그렇지 않다면 절대 파인더에 눈을 대고 찾아서는 안됩니다. 이 때는 손바닥이나 A4용지 같은것을 파인더 뒤에 대고 투영된 태양상을 이용해 태양을 찾습니다. 태양을 찾고 시야에 태양이 들어오면, 가급적 파인더 뚜껑은 닫아둡니다. 만약 뚜껑을 계속 열어두면 파인더의 크로스 헤어(십사전)가 태양의 고온에 끊어집니다. 

  3. 무엇을 관측할 수 있을까

우선 흑점관측 필터(ND필터)는 태양에서 오는 모든 파장대역을 감광시켜주기 때문에, 가장 자연적인 상태, 다시 말해 맨 눈으로 관측했을 때와 가장 유사한 형태로 태양을 볼 수 있습니다. 이 필터로 관측했을 때 볼 수 있는 곳은 태양의 광구, 다시말해 우리눈으로 볼 수 있는 태양의 표면임을 염두해 두어야 합니다. 

 가. 흑점 관찰

가장 흔하게 보는 것 중 하나가 흑점 관찰입니다. 태양에 있는 작은 검은 점들인데, 사실 그냥 흑점을 봐라 이러면 볼게 별로 없이 슥 자니가 버리기 때문에 관측 전에 자세히 알아두는게 좋습니다. 우선 흑점에는 본영과 반영이 있습니다.

<태양 흑점>

가운데 완전 시커먼 것이 본영(umbra), 그 주변에 덜 시커먼 것이 반영(penumbra)이라고 생각하면 됩니다. 그리고 보통 흑점은 쌍극자로 형성됩니다(아닌 경우도 많긴 합니다). 흑점이라는 것이 자기선속의 꼬임으로 인해 자기력선이 광구 위로 튀어올라오며 생기는 경우가 많아 한 쪽이 N이면, 다른 한쪽은 S가 되는 경우가 많습니다. 여기서는 글의 주제에 한참 벗어나기 때문에 이에 관한 자세한 설명은 생략합니다. 이는 추후 포스팅 하겠습니다.

 

보통은 흑점의 크기를 모르는 경우가 많습니다. 망원경으로 관측해도 볼펜으로 점을 찍어놓은 정도의 크기이기 때문에, 크게 관심을 가지지 않는 것 같습니다. 하지만, 웬만한 흑점 하나가 지구보다 크다는 걸 이야기 해 주면 굉장히 놀랍니다. 모든 흑점이 지구보다 큰건 아니겠지만, 아래 그림을 보면 알 수 있듯, 웬만한 흑점은 지구보다 큽니다.

<흑점과 지구의 크기 비교>

  흑점을 매일 관측하면 흑점의 위치가 조금씩 태양의 동쪽에서 서쪽으로 움직이는 것을 볼 수 있습니다. 이건 태양의 자전 때문이며, 지구에서 봤을 때는 동쪽에서 서쪽이지만, 태양의 입장에서는 서쪽에서 동쪽으로 움직이는 것이니 주의해야 합니다. 

 

또한 흑점의 개수와 위치도 매일 달라집니다. 이는 잘 알려진 흑점의 극대, 극소기 주기에 의해 나타나는 현상입니다. 

 

어쨋든 흑점을 관측할 때는 1) 본영과 반영을 반드시 볼 것이며, 2) 쌍으로 나타나는지 단으로 나타나는지, 3) 저 작은 흑점 하나가 지구보다 크다는 사실 도 눈여겨 보면 좋습니다.

<흑점과 자기장의 대략적인 그림>

실제로 관측한 사진을 자세히 보면, 소형 굴절망원경임에도 본영과 반영 정도는 구분할 수 있고, 독립적으로 존해하는 경우도 있지만, 위 사진처럼 흑점 군으로 존재하는 경우도 많습니다. 거의 10년 전에 찍은 사진이라 사진 촬영에 미숙할 때라서 초점이 잘 안맞고 그러네요ㅠㅠ

 나. 주연 감광(limb darkening)현상

흑점 관측 필터를 이용하여 태양을 관측할 때 흑점을 보라는 이야기는 꼭 하는데, 주연감광현상은 많이들 빼 먹는 경우가 많습니다.

 

흑점관측 필터로 태양을 자세히 관찰하면, 태양의 중앙부보다 주변부가 아주 약간 색이 어두운 것을 볼 수 있는데, 이것이 주연감광현상입니다. 위 사진은 주연감광현상을 좀 더 극적으로 보이게 하기 위해 약간의 컨트라스트를 조정한 것입니다.

 

  주연 감광현상이 나타나는 이유는 다소 어렵습니다만, 최대한 간단히 이야기 해 보자면, 광학적 두께와 상관이 있습니다. 광구의 밀도는 어디서나 일정하다고 가정하고, 빛이 광구의 가스에 흡수나 산란되지 않고 온전히 투과할 수 있는 거리를 L이라고 해 보겠습니다. 그러면 우리가 보았을 때 원형 태양의 중심에서 나오는 빛이 광구를 통과하는 거리는 L이 되며, 이는 태양의 어느 지점에서나 마찬가지로 빛이 통과 가능한 거리는 L이 됩니다. 그런데, 똑같은 깊이에서 태양의 가장자리에서 출발한 빛은 태양의 중앙보다 훨씬 더 많은 두께를 통과해야합니다. 때문에 이 빛은 지구까지 도달하지 못합니다. 통과해야하는 깊이가 너무 깊어서 빛이 나오지 못하는 것입니다. 얕은 바다의 바닥은 보이지만 깊은 바다의 바닥은 보이지 않는 것과 마찬가지입니다. 하지만 태양의 가장자리에서는 광구의 좀 더 높은 곳에서 출발하는 빛은 L이라는 두께를 투과하여 지구에 도달할 수 있는데, 가장자리가 어둡다는 말은 그만큼 빛이 약하다는 소리입니다. 태양의 가장자리에서 출발한 빛은 광구의 더 높은 고도에서 출발한 빛이라고 이야기 하였는데요, 다시말해 광구의 상층으로 갈 수록 온도가 감소함을 의미합니다. 아래 그림을 보면 이 현상을 좀 더 쉽게 이해할 수 있습니다.

주연 감광을 통해 우리가 알 수 있는 사실은 광구에서는 태양의 고도가 높아질 수록 온도가 낮아진다는 사실입니다.

 

참고로 이와 반대로 주연 증광현상도 있다 합니다. 이는 태양의 대기 층인 채층에서 나타나는 현상인데, 채층의 경우 고도가 높아질 수록 온도가 증가합니다.

 

흑점이나 주연 감광과 같은 현상에 대해서는 다음번에 자세히 포스팅 하겠습니다.

  4. 마치며

태양 필터를 이용한 태양관측만 잘 하여도 재미있는 현상들을 많이 관찰할 수 있습니다. 특히 부분일식과 같은 이벤트가 있을 때는 더없이 신기하기도 합니다. 특히 2012년도에는 금성일면통과 현상이 있었는데, 이때 빼먹지 않고 태양관측을 했었습니다. 여기 그 사진들을 하나씩 남기도록 하겠습니다.

가. 2012년 금성 일면통과

아래 사진의 검정색 점이 금성입니다. 금성이 태양과 지구 사이를 통과하며 우연히 지구와 시선방향에 위치가 겹쳐 나타난 현상입니다. 앞으로 100년정도는 못 볼 현상이라 하네요.

<금성 일면통과. 작은 동그라미가 금성입니다.>

나. 부분일식

아래 사진은 벌써 10년 전인 2012년도의 부분일식입니다. 우리나라에서는 보기 드물만큼 해가 많이 가려졌던 일식입니다. 처음에 해가 좀 노르스름한건, 동쪽으로 떠 오른지 얼마되지 않아서 입니다.