M3 구상성단 S2PRO, ISO1600, 320초, 노터치 가이드

CCD의 별 색상에 대해서

어제 천안의 황인준씨와 통화를 할 때 제가 한 이야기 요지는 이렇습니다. 전화가 되어 상세하게 말을 못했지만.

시리우스는 시리우스 A별과 연성인 B별로 이루어져있습니다. 그 각거리는 4.5초입니다. 시리우스는 -1.5등성이고 연성 B별은 8.5등성입니다. 두 별의 밝기 차이를 계산해보면, 별 한등급의 밝기는 2.5배이므로

2.5^(8.5-(-1.5)) = 9536배 ≒ 10000배

차이입니다. 그런데 -1.5등성이던 8.5등성이던 둘다 똑같은 점광원입니다. 시리우스를 향해서 천체사진 촬영을 해보는 경우를 생각합니다. 필름이던 CCD이던 상관이 없습니다. A, B별은 점광원이므로 필름면이나 CCD면에 점광원으로(CCD 경우는 한 픽셀만 차지, F8인 경우 에어리디스크의 크기는 10 마이크론이므로 10 마이크론 CCD 사용시)으로 상을 맺는다면 시리우스 2중성은 이론적으로 구경 60mm, F8 망원경으로도 찍힐 것입니다(60mm 망원경의 분해능은 2초이므로 총합해상도에서 4.5초는 충분히 구분되어 찍힘). 광량 문제는 노출만 많이 주면 해결됩니다.  

그런데 노출을 많이 주었을 때 주성(主星) A별은 밝기가 너무 밝아서 필름이던 CCD이던 크게 찍힌다는 것입니다. 반면에 어두운 별은 작은 동그라미로 찍히고. 그러므로 주성의 큰 동그라미에 반성이 숨어버려서 찍기가 힘듭니다. 그래서 지난번에 제가 경통 전면을 가리고 찍으면 될 것이다라는 의견을 적었습니다. 경통을 가리더라도 회절상 크기는 변하지 않을 것이므로, 제가 이번에 CCD로서는 경이적인 1200초(20분) 노출로 사진을 찍어보니 별들이 전부 큼직큼직하게 나왔습니다.

이 현상은 필름의 경우는 빛에너지가 현상액의 농도를 그 별 상점 주위까지 포화시키고, CCD도 별상점 주위까지 전자발생을 일으키기 때문이겠지요.

문제는 동그라미 면적이 밝기에 비례하지 않는다는 것입니다. 즉 8.5등성의 별 면적을 1로 보았을 때 -1.5등성의 별면적은 10000배가 되어야하지만 그렇지는 않습니다. 이것은 필름이던 CCD이던 똑같습니다. 여기서 밝기가 10000배라면 그 빛 에너지도 10000배 정도 된다는 가정하에서 이야기입니다.

이것은 아마추어 천체사진에서는 별로 의미가 없지만 프로 사진에서는 엄청나게 중요합니다. 프로 천문학에서 모든 데이터는 건판이나 CCD의 화상 정보를 가지고 판독할 것인데 그 밝기 파악하는데 있어 화상의 면적으로는 추정하기 어렵기 때문입니다. 별이나 성운의 밝기는 천문학 연구에서 무지 중요할 것이라는 것은 비전문가인 저도 쉽게 추정이 되는군요.  

‘입력 별 에너지’ 대비 ‘출력되는 별 에너지’의 비율을 ‘감마계수’라고 합니다. 감마계수가 1.0인 경우는 입력치를 그대로 출력치로 나타내주는 의미입니다(직선 기울기 1.0). 이른바 다이나믹 레인지가 가장 큰 경우인데 필름의 경우는 아무리해도 입력되는 별의 휘도(輝度)에 의한 농도 특성을 기울기 1.0인 직선으로 할 수 없습니다. 또 밝기 차가 2000배이상이면 현상액 농도가 포화가 되어버려 그 이상의 밝기차를 구분하는 것은 불가능합니다. 쉽게 말해서 조금만 밝아도 필름이 타버리는 것입니다.

반면에 CCD는 필름과는 비교가 되지 않습니다. 감마계수를 1.0으로 표현할 수있습니다. 컴퓨터 연산을 올려 계조수만 증가시키면 거의 제한없이 입력치와 같은 출력치를 낼 수 있습니다. 그런데 재미있는 것은 사람들은 필름 사진에 익숙해져 있으므로 CCD도 필름과 비슷하게 감마계수를 조정했다는 것입니다. 즉 어깨부분은 완만하게 하고 중간 부분은 기울기 1.0으로 내주었습니다. 우리가 흔히 사용하는 소프트웨어인 맥심이나 스텔라이미지 모두 그렇습니다.
...............................

문제는 CCD의 감마계수를 이와같이 조정한 상태에서는 필름이과 마찬가지로 CCD의 별의 동그란 면적 색상은 그냥 흰색이 되어야 된다는 생각입니다. 시리우스가 청색이라고 해서 동그란 면적 전체가 푸른 색으로 나와서는 안되고 그냥 흰색으로 표현되어야 한다는거지요. 이 말은 동그란 면적부분은 별상이 타버려서 현상액이 포화가 된 부분(at 필름)이거나 소프트웨어에서 포화점(at ccd) 점이기 때문입니다. 이론적으로는 한픽셀 이상의 밝기 면적의 경우는 전부 흰색이 되어야한다고 생각합니다.

그럼 시리우스 청색은 어디에서 표현되어야 할까요? 그것은 별상 원반의 테부리부분이라고 생각합니다. 이 부분은 포화점과 non 포화점의 경계역입니다. 이 영역에서 시리우스의 청색을 내주어야합니다. 물론 밝기가 어두워서 별상 원반이 아주 작은 경우는 제외하기로합니다.  
지난 번에 서울시립대학 이준화교수님 연구실에 가서 미국의 여러 아마추어들의 기가막힌 사진을 보았습니다. 그기서 한 아마추어 사진을 보니 노란별은 별상 원반전체가 노란색이고 파란별은 별상 원반 전체가 파란별인 것을 보았습니다.

이것은 필터를 사용했다하더라도 이론적으로 성립하지 않는다고 생각합니다.

제가 이번에 구상성단을 몇 대상을 찍어 합성을 해보았습니다. 아무리해도 별 색상이 안나오더군요. 그래서 과거에 S2PRO로 찍은 대상을 보았습니다. M3은 색상을 느낄 수 없는 흰색이었고(윗 그림) M13은 노출을 적게 주어서 그런지 청색별이 몇몇개 눈에 띄었습니다(갤러리란에 S2PRO M13을 올렸습니다). 그 대신 별이 아주 작게 찍혔습니다.

그래서 제 주장을 요약하면 이렇습니다.
1. CCD 에서 별색상 표현은 별상원반 테두리부분에서 표현될 것이며 이 색상은 수차가 아니다. 이게 자연스러운 것이다.

2  ccd에서는 성운기를 잘 표현하려면 감마값이 높아서 별상은 노출오바가 되기 쉽고 따라서 원반부의 색상은 흰색이 되어야한다. 이럴 경우는 컬러 합성시 흰색 원반으로 나오는 것이 자연스러운 것이다.

3.지난 번에 이준화교수님 연구실에서 보았던 미국 아마추어의 노란 별상 원반의 경우는 리얼이미지가 아니라고 생각한다. 이 별상은 적어도 수픽셀의 크기였는데 시상을 고려하더라도 포화점에 도달되었을 가능성이 많다. 이 경우는 흰색이 나와야한다. 그러므로 어디까지나 소프트웨어적으로 처리한 가상 이미지일 것이다.

4,필터를 사용할 경우 특정 파장대의 빛 에너지만 투과되어 별상 축소의 효과는 있으므로 이런 경우는 약간의 예외는 있을 것이다.  

스텔라이미지 소프트웨어에는 별의 밝기를 알 수있는 툴이 있습니다. CCD는 계조수만 늘이면 이와같은 데이터를 쉽게 얻을 수 있습니다. 이럴 경우 별상 면적 전체가 파란색이라고 해서 파란파장만의 밝기를 표현한다면 과학적으로는 오판할 가능성이 많겠지요.

결론적으로 아마추어 CCD 사진은 어디까지나 아마추어 영역에 머무를 수 밖에 없다는 생각입니다.