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망원경으로 태양을 관측하는 것은 항상 예상치 못한 위험이 따른다. 주의사항을 잘 지켜 태양표면의 흑점을 관측해보자.

태양은 다른 천체와는 달리 대낮에 볼 수 있을 뿐만 아니라 무척 크고 밝아서 비교적 작은 망원경으로도 태양의 표면모습과 흑점의 변화 등을 충분히 관측할 수 있는 유일한 항성이다.

그러나 태양의 관측은 이런 장점만을 가지고 있는 것은 아니다. 태양을 관측하기 위해서는 야간에 관측하는 일반적인 천체의 관측 방법과는 달리 아주 세심한 준비를 해야 한다. 잘못된 방법으로 태양을 관측하면 관측 장비에 대한 손실은 물론 신체적으로도 커다란 치명상을 입을 수 있다.

태양관측의 첫걸음

작은 돋보기로 태양광선을 모아 검은색의 종이를 태워 본 경험이 있을 것이다. 모아진 빛에 의해 잠깐 사이에 종이가 타들어가는 현상에 마냥 신기해하며…. 이렇듯 태양은 장난감 같은 작은 렌즈로 모은 것만으로도 물체를 태울 정도의 강력한 힘이 있다.

천체망원경은 돋보기보다 광학적으로나 그 크기에 있어서 대단히 우수하다. 천체망원경으로 태양을 관찰할 때도 역시 천체망원경의 렌즈나 반사경으로 태양광선을 모으기 때문에 똑같은 위험성이 따른다. 그렇기 때문에 만약 천체망원경으로 바로 태양을 잡아 접안경으로 그냥 들여다 보면 눈에 화상을 입는 등 치명적인 손상을 입을 수 있으며 직접적인 실명에까지 이를 수도 있다. 소형망원경에서 모아 직접 나온 빛은 알루미늄 쿠킹호일이 줄줄이 녹아 부서질 정도로 강하다.

어떻게든 태양광선을 감소시킨 후, 충분한 주위를 기울여가며 정확한 방법으로 관측을 하는 것이 태양관측의 첫걸음이다.

꼭 천체망원경이 있어야 태양을 볼 수 있는 것은 아니다. 학교 과학시간에 작은 유리판에 촛불의 그을음을 바른 검은 유리판이나 진한 색깔의 셀로판지를 여러겹 겹쳐서 태양을 봤던 기억이 있을 것이다. 이런 것들을 가지고 맨눈으로는 볼 수 없었던 강렬하게 빛나는 태양의 빛을 줄여서 태양을 마치 보름달을 보듯이 볼 수 있다 또 조금 경험있는 아마추어는 값싼 용접용 필터를 사용해서 태양을 보기도 한다. 그러나 촛불에 그을린 유리, 저가의 용접용 유리필터 등은 알고보면 대단히 위험한 방법이다.

촛불로 만들어진 유리판 위의 검은 탄소층은 훼손되기 쉬우며 용접용 필터 등은 단지 가시광선의 일부를 투과시키지 않을 뿐 적외선과 같은 열선이나 위험한 짧은 파장의 선들은 전혀 막아주지 못한다.

태양은 눈에 보이는 가시광선 뿐만 아니라 눈에는 보이지는 않지만 위험하기 짝이 없는 자외선, X선을 포함한 모든 종류의 전자기파를 방출하고 있다. 그것들이 집중되면 순식간에 눈을 멀게할 수 있기 때문이다. 지구를 둘러싼 대기가 특히 위험한 자외선 이상의 짧은 복사선들을 걸러주고는 있지만 엷은 구름에 가려 희미해진 경우라도 태양을 직접 보는 것은 극히 위험한 일이다. 망원경은 우리 눈보다 훨씬 구경이 커서 눈에 치명상을 줄 정도의 복사선을 모으기 때문이다. 망원경의 구경이 단지 50mm라도 눈보다 1백배나 많은 자외선과 X선을 모을 수 있다.

직시법과 투영법

태양의 관측은 주로 흑점을 기록하는 것인데 접안경에 태양관측 전용 선글라스를 끼우고 직접 들어다보는 '직시법'과 천체망원경을 통과한 태양을 영화와 같이 백색 스크린에 태양상을 투영하여 보는 '투영법' 등 크게 두가지가 있다.

먼저 '직시법'은 말 그대로 천체망원경에 태양관측용 전용 선필터를 장착한 상태에서 눈으로 보면서 태양을 관측하는 방법이다. 이 방법은 태양의 생생한 모습을 실제로 볼 수 있다는 점에서는 좋지만 충분히 주의를 기울이지 않으면 대단히 위험하므로 정확한 방법으로 항상 조심을 하면서 관측해야 한다.

직시법이건 투영법이건 천체망원경을 사용해 태양을 관찰할 때는 보조의 탐색망원경인 파인더는 사용하지 않는다. 강한 태양의 빛과 열은 파인더의 시야에 보이는 십자선 패턴을 태워 없애버리는 경우도 있을 뿐만 아니라 파인더도 망원경이니까 역시 직시하면 위험하기 때문이다.

직시법은 대물렌즈 앞을 일부 가리고 접안경 앞 또는 뒤에 태양관측 전용 선필터(sunfilter), 선글라스(sun glass)를 끼워 대부분의 광선을 감소시킨 후 태양의 광구면을 직접 들여다보는 방법이다.

여기에서 말하는 선글라스 또는 필터라고 하는 것은 일반 안경 형태의 선글라스나 카메라에 사용하는 필터가 아니다. 망원경의 접안경에 붙여서 태양관측을 하기 위해 만들어진 태양관측 전용의 선글라스 또는 필터를 의미한다.

직시법은 흑점의 위치나 크기를 정확하게 스케치하기는 좀 어렵지만 부분을 확대해서 흑점의 자세한 구조를 보거나 그 수를 헤아리는데 적당한 방법이다.

선글라스는 상당히 진하고, 강한 광선을 잘 차단해 줄 뿐만 아니라 부착이 간단한 것이 장점이다. 선글라스를 붙이고 태양면을 보면 표면의 색이 녹색을 띠기도 하고 황색 또는 때로는 엷은 오렌지색을 띠기도 한다. 그러나 이것은 접안경에 붙인 선글라스 자체의 색이지 태양의 실제 색은 아니다. 태양면을 흰 종이에 투영해서 보면 알 수 있듯이 태양은 흰색이 정상이다.

장시간 선글라스를 부착하고 관측하거나, 많은 빛을 모으는 구경이 큰 망원경으로 관측하면, 선글라스가 고온이 되어 깨질 가능성도 있다. 관측 도중에 돌연 깨지면 갑자기 강한 빛과 열이 눈에 들어 오기 때문에 상당히 위험하다. 그래서 장시간 관측할 때는 가끔 망원경의 대물렌즈에 뚜껑을 씌우거나 망원경의 방향을 돌려 태양을 피히는 방법 등을 통해 관측을 잠시 쉬면서 망원경의 대물렌즈와 선글라스를 식혀 주는 것이 좋다.

구경이 7~8cm 이상인 굴절 망원경이나 반사 망원경에 선글라스를 사용할 때는 망원경 대물렌즈의 뚜껑에 붙어 있는 조리개를 사용해 망원경의 구경을 줄여 관찰하도록 한다.

조금은 고가이지만 직시법에서 안전한 방법은 쐐기형 선프리즘(sun diagonal prism)을 사용하는 것이다. 대부분의 빛과 열을 방출장치를 통해 프리즘 밖으로 빠져 나가게 하면서 프리즘 표면에서 반사하는 미약한 빛만이 아이피스에 닿도록 고안되어져 있는 기구다. 물론 이 때에도 접안경에는 그 밝기에 맞는 선글라스는 필요하다.

직시법 이외에 '태양 투영판'이라고 하는 판 위에 백색의 도화지 등을 대고 태양의 실상을 투영하고, 그 상을 연필로 그대로 묘사하는 방법인 투영법이 있다. 투영법은 (그림)과 같이 간단한 도구를 망원경에 부착하여 망원경을 환등기처럼 사용해 스크린으로 옮기는 방법이다. 적은 추가비용으로 안전하면서도 여러명이 동시에 관측할 수 있고 흑점들의 정확한 위치나 형태를 쉽게 스케치할 수 있는 등 장점이 많다.

태양관측용 투영판은 망원경 구입시 부속장치로 함께 들어있거나 또는 별도로 시판되기도 한다. 투영법에 의한 관측시 접안부에는 선글라스를 붙이지 않는다. 투영되어진 태양의 크기는 투영판을 접안부에 가까이 대면 작게, 멀리 떨어 뜨리면 크게 된다. 이 때 투영판은 단단히 고정시켜 나중에 직접 그 위에서 그림을 그리더라도 움직이지 않아야 한다.

그림자판은 투영판에 그림자를 지게하여 태양 투영상을 좀더 명확하게 보이도록 해준다. 투영판이 멀어질수록 상은 커지지만 밝기는 거리의 제곱에 반비례하므로 적당한 위치를 잡도록 한다. 처음에는 태양 전체가 비치도록 저배율(MH25mm 정도)로 투영하고 세부는 고배율로 확대 투영한다.
 

흑점 관측 어떻게 하나

태양흑점의 관측은 스케치에 의존해 행하는 것이 기장 간단할 뿐만 아니라 얼룩이 적으며 오래간다. 흑점은 진한 암부와 그 주변의 반암부로 되어 있고 주로 태양의 적도 부근에 많이 나타난다. 매일 관측하면 그 위치가 자전에 의해 동쪽에서 서쪽으로 옮겨 가는 것을 알 수 있다.

구체적인 태양흑점 관측방법에 대해 알아보자. 우선 시용하는 천체 망원경은 구경이 5cm 이상의 굴절식 적도의가 바람직하지만 반사식도 상관없다.

가능하면 8cm~10cm급의 기대가 튼튼한 것을 준비할 수 있으면 좋다. 가끔 흑점을 보려고 할 때는 선글라스를 이용한 직시법 쪽이 보다 생생한 느낌이기 때문에 재미있을지 모르지만, 오랜 시간 계속해서 관측할 때는 안전한 투영법을 권하고 싶다.

투영판에는 약 15cm의 원을 그린 흰 스케치용지를 집게나 스카치테이프 등으로 고정시켜 관측시 흔들리지 않게 한 후 그 위에 흑점의 위치와 형상을 그려가면 된다. 렌즈에 낀 먼지나 상처를 흑점으로 착각하지 않도록 망원경을 흔들어 보아 반드시 움직임을 확인한 후 스케치하도록 한다.

모든 흑점을 그릴 수 있으면 동서선을 넣어서 흑점군 숫자 및 흑점의 총수를 세어 기록하면 더욱 좋다. 이렇게 해서 현장에서의 확인이 끝나게 되면, 이번에는 관측스케치를 정리해야 한다. 정리되어진 관측자료는 파일로 해서 보관하고 그 복사분을 1개월 단위로 모아 천문학회나 연구기관에 보고한다.

태양흑점의 관측은 하루정도 관측해서 성과가 나오는 것이 아니라 오랜 시간 동안의 자료누적에 의해 그 가치가 나타난다.

관측장소는 열을 잘 흡수하는 곳이 좋은데 이상적인 곳은 물 위라고 한다. 그러나 일반적으로 잔디밭이나 건물 내부에서 한다. 보도나 건물의 옥상위에서 관측하면 바닥에서 올라오는 열로 관측상이 좋지 않게 된다. 태양 관측은 기류 상태가 좋은 오전 중이 가장 이상적이다.

최적의 정소와 최소의 준비물

배율은 태양 전체가 보일 정도인 50배 내외가 적당하다. 태양관측을 5~10분간 하였으면 반드시 망원경을 다른 곳을 향하도록 돌려 놓아야 한다. 너무 오랫동안 망원경이 태양을 향하게 하면 선필터나 선글라스, 접안경의 렌즈가 열을 받아 깨지는 경우가 있기 때문이다.

투영법의 경우에는 물론이지만 직시법의 경우에도 망원경 외의 다른 데에 햇빛이 직접 닿지 않도록 가려 놓으면 훨씬 관측이 쉽다. 항상 같은 망원경, 같은 관측 방법, 같은 관측 장소, 같은 시간을 이용하는 것이 나중에 관측 자료를 비교, 정리하는데 좋다.

태양관측을 위해 필요한 준비물은 다음과 같다.

① 망원경

관측하려는 목적에 따라 약간 다른 것을 사용하나 실제로 어느 것을 사용해도 큰 차이는 없다. 구경 6cm 정도의 굴절망원경이 적당하고 적도의로 되어 있으면 더욱 좋다. 또한 중·대구경의 망원경일 경우 태양 관측시에는 렌즈나 반사경의 유효구경 전부를 이용할 필요가 없다. 망원경의 구경이 이상이면 열 때문에 렌즈가 깨질 염려가 있고 눈에 위험이 가므로 조리개를 써서 6cm 이내로 좁힌다.

② 선필터 또는 선글라스

직시법에 사용하기 위한 태양관측 전용 선필터나 선글라스를 준비한다. 부착하는 위치는 직접 접안경의 앞 또는 뒤에 부착하거나 대물렌즈 앞뚜껑에 부칙하는 것이 있는데 될 수 있으면 접안경 쪽보다는 대물렌즈 뚜껑쪽에 부착하는 것이 좋다.

③ 접안경

접안경에는 대물렌즈가 모은 강한 빛과 열을 받는다. 그러니까 두장 이상의 렌즈를 포개어 덮은 케루너식(k)이나 오루소스코픽식(or) 등의 접안경을 태양관측에 사용해서는 안된다. 태양관측시에는 호이겐스식(H)이나 멋텐제호이겐스식(MH.HM)을 사용하도록 한다. 플라스틱으로 된 저가의 접안경은 절대로 사용해서는 안된다.

④ 투영판

가벼운 금속판이나 나무로 망원경의 광축에 대해 수직이 되도록 부착한다. 크기는 지름 약 20~30cm의 원형 또는 사각형으로 하고 접안경과 투영상 사이를 투영상이 선명하도록 나무상자와 같은 것을 부착하여 빛을 차단시켜 주면 더욱 좋다. 이 정도의 크기가 투영상의 흑점수를 세거나 흑점군의 위치를 나타내는데 알맞은 정밀도를 기대할 수 있다. 용지 위의 원의 크기, 투영상의 크기, 배율은 한번 정해지면 가능한 그대로 끝까지 해 나가도록 한다.

⑤ 관측기록용지

투영상의 흑점을 스케치할 용지로서 15cm(각자의 망원경 크기와 접안경의 초점거리에 따라 대략 50~60배 정도의 배율로 확대)의 원을 그리고 관측날짜, 시간, 날씨, 시잉(seeing), 남북 반구의 흑점수와 흑점군수, 흑점 상대수, 자전축, 태양면 적도, 태양면 중심 경도 등을 적어 넣을 수 있도록 칸을 마련하면 좋다.

⑥ 태양면 경위도표

관측기록 용지에 스케치된 흑점의 위치를 읽어가기 위한 것으로 투명한 비닐이나 트래이싱 페이퍼(tracing paper)로 만들어져서 관측기록 용지 위에 포개놓고 각 흑점위치에 대한 경위도 좌표를 관측, 기록용지에 적어넣는다. 태양면 적도는 매일 변하는데 이 값들은 태양 자전축, 태양면 중심 경도와 같이 역서나 천문잡지 둥에 발표돼 있다.

⑦ 기타

이외에 준비해야 할 것은 스케치를 위해 지우개로 쉽게 지워지는 HB종류의 연필, 백지, 지우개, 눈의 피로를 덜어주기 위한 일반 선글라스 등을 준비한다.

태양복사열에 의한 대기의 교란이 낮 중에선 오전 9~11시에 적기 때문에 가능하면 이 때 관측한다.

관측전에는 망원경을 설치하고 다음의 사항을 점검한다.

① 망원경의 광축에 대해 투영판이 수직이 되었는가?
② 접안경과 광량조절장치, 투영판은 제대로 설치하였는가?
③ 관측기록용지에 연 월 일 시간 등은 기입하였는가?

위의 점검이 끝났으면 다음과 같은 순서로 관측을 진행한다.

첫째 흑점 관측 기록용지의 원안에 태양상을 나타나게 한다. 태양 투영판에 관측 용지를 붙이고 투영판을 전후 좌우로 움직여서 태양의 상이 관측용지의 중앙에 오도록 한 다음 투영판을 아래 위로 움직여서 태양의 상이 뚜렷이 보이도록 한다. 투영판 위에 검은 반점이 나타나면 그 모양과 위치를 관측용지 중앙에 정확히 표시한다.

둘째 투영상의 방위를 결정한다.

셋째 흑점의 위치와 군을 대략 확인한 후에 각 군의 흑점군을 스케치하며 각 군에 속한 각각의 흑점수를 셈한다. 이때 흑점의 반암부도 한 개의 흑점으로 셈하며 태양주변 감광현상(limb darking)으로 가장자리의 흑점수를 셈하기 어려울 때는 망원경을 이동하여 스케치 용지의 중앙에 태양주변이 오도록하여 셈한다.

흑점군의 정확한 분류를 위해 분류표와 전날의 기록용지를 참고로 하여 결정한다. 그 위치는 전날의 위치에서 조금 동쪽으로 이동했을 것이다. 또 날씨변화가 심하여 관측순서대로 모든 흑점관측을 끝내기 어려울 때는 흑점의 위치보다는 흑점군수와 흑점수를 먼저 셈하여 기록한다.

네째 태양면 동서 주변에 많이 나타나는 백반의 개략을 붉은 색연필로 그려넣는다. 백반은 주위의 광구면보다 밝은 반점으로 나타나며 백반이 많은 곳은 태양활동이 활발한 영역으로 흑점이 발생하기 쉬운 장소다.

다섯째 관측이 끝나면 날씨 시잉 투명도 등을 반올림하여 기입한다. 특이한 현상에 주의하여 접안렌즈로 배율을 높여서 큰 흑점이나 변화가 심한 흑점을 확대하여 스케치한다. 이때 회귀 흑점군을 알기 위해서는 흑점군의 이름을 세부분으로 표시한다. 그러나 흑점이 전혀 나타나지 않는 날도 있다.

스케치가 다 끝나면 반드시 연 월 일 날씨 온도 구름상태 바람상태 해의 안정상태 등을 기록한다.
 

흑점수를 세는 방법

망원경에 선글라스를 끼우고 직시법으로 흑점을 자세히 스케치하면서 수를 센다. 배율은 처음에 태양 전면이 보이는 60배 정도가 좋다. 흑점은 '흑점군'이라 하여 대개 집단을 만들고 있다.

"지금 보이는 흑점을 몇 개의 집단으로 나눌 것인가?"

이것을 판단하려면 흑점관측에 조금 익숙해져야 한다. 흑점이 적을 때에는 하나만 나타나는 수가 있는데, 이런 때에도 한 군으로 생각한다. 배율은 필요에 따라서 20~1백배까지 가감한다.

군의 수가 결정되면 거기에 따른 흑점 수를 계산하는데, 여기에는 몇가지 방법이 있다. 가장 표준적인 방법을 (표)로 만들었다.

태양의 자전축은 약 7°가량 기울어져 있기 때문에 지구에서 본 중앙의 위도는 -7°도에서 +7°까지 변화한다. 따라서 경위도표는 1°마다 8종류(+, -는 같이 쓰임)가 한 묶음이 되어 있다. 또한 지구의 자전축이 기울어져 있기 때문에 태양의 자전축은 북에 대하여 ±30°가량 기울어져 보인다.

흑점의 경도와 위도를 알면 태양면에서의 흑점의 움직임을 알 수 있다. 태양은 구체이므로 전체가 똑같이 회전하고 있는 것이 아니고, 적도에서는 빠르고, 극지방은 더디게 돈다. 흑점은 자전에 따라서 태양면을 이동할 뿐 아니라, 그 자체도 조금씩 자리를 옮기고 있다.

흑점은 위도가 너무 높은 쪽에서는 잘 나타나지 않는다. 또한 흑점 수의 극소기로부터 새로운 주기가 시작되려고 할 때에는 고위도에 나타나고, 최성기에 들어갈 쯤부터 위도가 낮은 쪽에 나타난다. 이것을 그림으로 나타내면 쌀알을 뿌려 놓은 듯한 나비 모양을 이룬다.(과학동아 93년 7월호 참조)

흑점의 관측은 연속적으로 할 필요가 있다. 데이터가 여러가지 있어야 거기서 새로운 현상을 발견할 수 있고, 그 변해가는 모양 등을 알 수 있기 때문이다.