천체관측법/천체 사진

저 점을 다시 생각해보세요. 저곳이 이곳입니다. 저것이 우리의 고향이자, 우리 자신입니다. 여러분이 사랑하는, 당신이 아는, 당신이 들어본, 그리고 세상에 존재했던 모든 사람들이 바로 저 작은 점 위에서 일생을 살았습니다. 우리의 모든 기쁨과 고통이 저 점 위에서 존재했고, 인류의 역사 속에 존재한 자신에 차있던 수 천 개의 종교와 이데올로기와 경제체제가, 수렵과 채집을 했던 모든 사람들, 모든 영웅과 비겁자들이, 모든 문명의 건설자들과 문명의 파괴자들, 모든 왕들과 농노들이, 모든 사랑에 빠진 젊은 남녀들, 모든 엄마와 아빠들, 그리고 꿈 많던 아이들이, 발명가와 탐험가, 모든 윤리도덕을 가르친 선생님과 부패한 정치인들이, 모든 "슈퍼스타"나 "위대한 영도자"로 불리던 사람들이, 모든 성자와 모든 죄인들, 우리 종의 역사로 새겨진 모든 사람들이 바로 태양빛에 걸려있는 저 티끌 같은 작은 점 위에서 살았습니다.

— 칼 세이건 《창백한 푸른 점》

개요

불과 몇 십 년 전만 하더라도 그렇지 않았지만, 하늘을 찍는데는 도구를 가리지 않습니다. 카메라는 몇 십 년 전까지만 해도 부의 상징이었습니다. 지금은 부자와 빈자를 가리지 않고 대부분의 사람들이 카메라를 바지 주머니 속에 넣어 다닙니다. 1999년부터 시작된 이동형 통신단말의 혁명은 도저히 못 쓸만한 수준을 벗어나, 저가형 카메라 시장을 도태시켰습니다. 그렇다고 해서 스마트폰이 카메라를 대체할 수 있는 것은 아닙니다. 휴대성과 성능이라는, 각자의 장단을 갖고 여전히 공존하고 있습니다. 이 챕터에서는 카메라의 기능과 사용법, 추적사진과 일주사진을 중심으로 천체 사진을 찍는 법을 알아보도록 합시다.

전반적인 사진술 혹은 사진학에 관한 내용을 다루고 있지 않습니다. 그와 관련된 내용은 다른 곳에서 찾아주시길 바랍니다. 대신 바바라 런던의 《사진학 강의》 정도는 추천해드릴 수 있을 것 같네요. 바바라 런던의 사진학 강의는 사진학을 배우는 사람들에게 좋은 책입니다. 이해하기 쉽게 구성되어 있고, 사진학쪽에서 유명한 책이므로 서점에서 구매하거나, 주변 도서관에도 비치되어 있을 겁니다.

카메라

캐논 사의 EOS 5D Mark III 카메라입니다. 풀프레임 CMOS 이미지센서를 사용한 DSLR(Digital-SLR) 카메라입니다.

용어

셔터(Shutter)는 카메라의 빛을 가려주는 역할을 하는 부분입니다. 더 정확히 말해서, 빛을 원하는 시간만큼 받을 수 있도록 해주는 움직이는 가림막입니다. 셔터가 열리고 닫히도록 하는 장치를 통해 사진을 찍습니다. 보통은 셔터가 닫히고 나면 사진을 저장하고, 다음 사진을 찍을 수 있도록 준비합니다. 셔터를 길게 열어놓으면 그만큼 빛이 오랫동안 들어옵니다. 이렇게 되면 빛이 카메라 끝을 계속 치게 되므로 사진이 더 밝게 나옵니다.

반셔터라고 하는 사진을 찍는 기술이 있는데, 이건 AF(Auto Focus, 자동초점)을 통해 초점을 맞춰주는 것이라, 사실 셔터와는 큰 연관성은 없습니다.

이미지 센서(Image sensor)는 디지털 카메라나 휴대폰 카메라에서 빛을 받아들이는 부품입니다. 카메라의 셔터가 열리면 이 이미지 센서가 빛에 반응해서 전기적 신호로 바꿔줍니다. 아날로그 카메라의 필름(Film)의 역할을 완벽하게 대체하는 부품입니다. 원리는 반도체에서 비롯된 것으로, 태양전지 같이, 빛 알갱이인 광자가 이미지 센서의 한 픽셀을 때리고, 그 안에 있는 전자가 광자를 흡수하면서 움직여 전기적 신호를 전달합니다.

이미지 센서도 크기에 따라서 크롭센서와 풀프레임 센서로 나뉩니다. 크롭센서는 풀프레임 센서보다 작은 이미지 센서를 말하고, 풀프레임 센서는 대각선 길이 35mm의 이미지 센서를 말합니다. 센서 크기가 크면 화질이 좋아집니다. 노이즈가 덜 끼거나 사진의 디테일이 올라가는 효과가 있습니다. 그래서 당연히 풀프레임 센서를 가진 카메라가 크롭센서보다 좋지만, 화소와 센서는 다른 이야기고, 카메라의 성능이 센서만으로 결정되는 것은 아니므로 카메라를 선택할 때 여러가지를 고려해 보면서 결정하는게 좋습니다.

노이즈(Noise)는 사진을 찍을 때 나오는 무작위하게 튀는 픽셀들을 의미합니다. 셔터를 아주 짧게 열면 그 사이에 들어오는 빛 알갱이들이 너무나도 적어서 균일하게 들어오지 않습니다. 어떤 픽셀에는 더 많은 빛이 들어오고, 어떤 픽셀에는 더 적은 빛이 들어오게 됩니다. 이것은 우리가 보는 것하고는 다른 사진을 만들어줍니다.

노이즈를 없애는 가장 좋은 방법은 셔터를 오랫동안 열어주는 것입니다. 모래시계의 모래 알갱이들 중 첫번째로 떨어지는 알갱이는 어디에 쌓이는지 모르지만, 모래알갱이들이 우수수 떨어지면 어떤 모양을 예상할 수 있듯이, 오랫동안 빛에 노출시키면 어디로 튈지 모르는 빛 알갱이가 아니라 수북히 쌓인 빛 알갱이들의 모양을 볼 수 있습니다. 우리 눈이 그런식으로 사물을 인식하니 우리가 원하는 사진도 얻을 수 있을 것입니다.

ISO 값은 이미지 센서의 민감도(Sensitivity)를 말합니다. ISO 값이 높을수록 이미지 센서가 빛 알갱이 하나 당 반응하는 전기적 신호가 증가합니다. 더 밝은 이미지를 얻을 수 있다는 소리입니다. ISO 값이 높을수록 밝아지면서 동시에 노이즈가 심해집니다. 장노출의 경우 시간이 길어질수록 밝아지면서 노이즈도 감소한다는 것을 생각하면 대조적입니다. ISO 값은 어두운 곳에서 촬영하는데, 혹은 장노출을 사용하기에 부적절할 때 많이 높입니다.

ISO는 Image sensitivity of optical 같은 것의 약자가 아니라 국제표준화기구의 약자라고 합니다. 위키백과의 감광 속도 문서를 참고하세요.

조리개(Aperture)는 카메라 렌즈가 어디까지 받아들일지를 정해주는 장치입니다. 천체사진을 찍을 때는 잘 사용하지 않는 장치입니다. 조리개는 동그란 원에 가깝게 조이거나 풀 수 있게 만들어져 있습니다. 조리개를 많이 조이면 카메라 렌즈를 통과하는 빛들은 중앙 근처에만 존재하게 되고, 조리개를 완전히 풀면 렌즈 전체에 빛들이 들어오게 됩니다.

사실 초점은 렌즈의 광학적 특성 때문에 약간의 관용을 가지게 됩니다. 정확히 초점에만 서 있는 피사체만 찍을 수 있는 것이 아니라, 조금은 앞에 있어도, 조금은 뒤에 있어도 피사체의 초점은 맞습니다. 조리개를 풀어버리면 이 초점의 범위가 줄어들게 되고, 조이면 이 초점의 범위가 늘어납니다. 이것을 피사계심도라고 부르는데, 작가의 의도에 따라 피사계심도를 조절할 수 있습니다. 영화쪽에서도 유심히 살펴보면 많이 사용하는 걸 확인할 수 있습니다.

조리개도 조이면 빛을 조금만 모이게 만들기 때문에 어두워집니다.

카메라 종류

디지털 카메라는 크게 DSLR 카메라와 미러리스 카메라로 구분합니다. 미러리스 카메라가 거울이 없다는 이름이 붙은 것은 DSLR에는 거울이 있기 때문입니다. DSLR은 디지털-SLR의 약자이고, SLR 카메라는 일안 반사식 카메라의 약자입니다. 카메라로 피사체를 찍을 때 잠망경처럼 거울을 통해 먼저 사진으로 찍힐 부분을 보고서 찍기 때문에 SLR이라고 불립니다. 반면에 미러리스 카메라는 이런 거울 부분을 없애고 전자식으로 미리 찍힐 사진을 보기 때문에 미러리스라고 부릅니다.

DSLR과 미러리스는 취향이나 스타일에 따라 어떤 걸 선호하는지가 달라지기 때문에 무엇 하나 단정 지어서 좋다고 말하기는 힘듭니다. 카메라를 선택할 때 자신은 어느쪽이 더 맞는지를 생각하고 고르는 것이 좋습니다.

휴대폰 카메라는 디지털 카메라와 달리 몇가지 제약이 있는 카메라입니다. 스마트폰의 발전과 스마트폰 제조사의 관심 덕분에 휴대폰 카메라는 상당히 발전했지만, 물리적인 크기가 제한되어 있기 때문에 아날로그 카메라나 디지털 카메라를 온전히 대체하기 힘듭니다.

일단 35mm 풀프레임 센서를 기대하기에는 너무나도 힘든데, 스마트폰 뒷면에다가 넣기에는 너무 커서, 스마트폰 두께를 유지하면서 수차를 발생시키지 않는 렌즈를 넣는 것은 가능하다고 할지라도 비용이 큽니다. 큰 렌즈를 넣으면 미적으로나 손상 위험성 때문에 시도하기 쉽지 않습니다. 또, 렌즈가 교환식이 아니면 풀프레임 센서를 넣어서 얻는 이점이 크지 않다는 점도 있습니다.

조리개도 존재하지 않아서 피사계심도를 구현하기가 어렵습니다. 여러 레이어를 쌓아서 피사계심도를 조절하는 스마트폰이나(노키아 9 퓨어뷰) AI기술을 사용해서 피사계심도를 구현한 경우가 있지만, 시장성이 없거나, 광학적 기술이 아니라서 정확한 피사계심도를 구현할 수 없다는 단점을 가지고 있어 카메라를 대체하기는 힘듭니다.

그러나 간편하게 천체사진을 찍을 수 있다는 점에서 이점을 가지고 있습니다. 카메라보다는 디테일이 떨어지긴 하지만 일주사진도 찍을 수는 있습니다.

별사진

천체 하늘을 찍는 것을 때는 노이즈와 감도, 초점만 기억하면 됩니다. 노이즈는 적을수록 좋고, 감도는 적당하면 좋습니다. 두 개에 영향을 주는 것은 대부분 ISO와 셔터 노출 시간입니다. 초점은 밝은 별이나 피사체를 잡을 때 조절하면서 적당한 값을 찾아줍시다.

ISO는 감도를 높이지만 노이즈를 올립니다. 셔터 노출 시간이 길면 감도도 높아지고 노이즈도 낮아집니다. 따라서 아주 이상적인 것은 ISO를 줄이면서 셔터 노출 시간을 길게 잡아가는 것일겁니다. 그래서 삼각대 같은 고정할만한 것은 별 사진을 찍을 때 반드시 필요합니다. 그렇다고 셔터 노출 시간을 마냥 길게 잡는 것은 좋은 선택이 아닙니다.

사진을 찍을 때 셔터를 누르는 것만으로도 카메라가 흔들려서 사진에 영향을 줄 수 있습닏다. 따라서 원격으로 사진을 찍을 수 있게 하는 리모콘으로 찍거나 사진을 찍을 때 타이머를 사용하여 진동을 최소화 시키는 것이 좋습니다.

셔터 노출 시간이 길다는 것은 온갖 위험에 도사리는 무시무시한 자연환경 속에서 연약한 카메라를 노출시키는 것과 같습니다. 어떤 돌발상황이 나올지도 모르기 때문에 장시간 노출은 위험합니다. 누군가가 앞을 지나간다던지, 더해서 빛을 비췄다든지, 아니면 카메라가 잘 고정이 안되거나, 바람이 세게 불어서 흔들리는 경우 담기는 사진 역시 흔들리게 됩니다. 그래서 셔터 노출 시간은 적당하게 잡는 것이 좋습니다. 스마트폰 카메라의 경우 보통 30초까지 찍을 수 있는데, 그정도로만 잡아도 노이즈가 적은 사진을 얻기 충분합니다.

ISO는 셔터 노출 시간에 맞춰 자신이 있는 환경에 따라서 조절하면 됩니다. 주변의 광공해가 조금 있는 환경이라면 ISO를 높이면 광공해에 의해서 하늘이 밝게 나올 수 있습니다. 그렇게 사진이 찍혔다면 ISO를 낮춰줍시다.

이런 점 때문에 은하수 같은 천체를 찍을 때는 광공해가 없는 곳으로 가야합니다. 웬만하면 도시를 피하고, 웬만하면 달이 없는 그믐이나 초승에 가야 은하수를 볼 수 있습니다. 은하수는 마치 배경처럼 있기 때문에, 일주사진이나 추적사진으로 찍기에는 무리가 있습니다. 따라서 높은 ISO와 장노출에도 하늘이 밝아지지 않는 곳에서 촬영해야 합니다. 운이 좋다면, 스마트폰 카메라로도 은하수가 희미하게 담길 수 있습니다.

사진합성

별사진에 큰 감흥을 느끼지 못할 수도 있습니다. 그냥 점 몇 개만 있는 것 밖에 안 보이니까요. 어쩔 때는 그 점 몇 개도 희미하게 보일 수도 있을 것입니다. 좀 더 인상적인 사진을 남기려면 사진 몇 장을 따로 찍는 것이 아니라, 사진을 계속, 많이 찍어 합쳐놓을 수 있습니다. 대부분의 일주사진이나 아마추어 천체관측에서 얻는 딥스카이들은 위에서 말한 장노출의 위험성 때문에 계속 사진을 찍고, 그것을 합쳐 붙여넣습니다.

사진합성에 쓰이는 프로그램은 대표적으로 유료 소프트웨어인 Adobe사의 Photoshop나 무료 소프트웨어인 Startrails, StarStaX, DeepSkyStacker가 있습니다. 찍는 환경에 맞춰서 알맞은 소프트웨어를 사용하면 원하는 결과가 나올 것입니다.

일주사진

Adhemar M. Duro Jr.씨가 칠레에서 촬영한 일주사진입니다. 유럽 남방 천문대 웹사이트에 업로드 되었습니다.[1]

일주사진은 별들이 밤하늘에서 움직이는 궤적들을 담은 사진입니다. 삼각대와 카메라, 그리고 추위를 견뎌낼 근성과 밤 샐 체력만 있으면 쉽게 남을 수 있습니다. 사진은 일반적인 별 사진을 찍을 때와 마찬가지로 ISO와 노출시간을 설정해주고, 구도를 잘 잡은 다음에 찍으면 됩니다. 바라보는 하늘에 따라, 한 쪽으로 움직이는 별들의 궤적을 찍을 수 있고, 한 점을 중심으로 도는 궤적을 찍을 수도 있을 것입니다.

또, 일주사진은 배경도 중요한 부분일 수도 있기 때문에, 구도를 담을 때 배경을 잘 잡는 것도 묘미가 될 수 있겠죠.

일주사진은 사진들을 모아놔서 합성해서 만드는 것이기 때문에 노출시간을 줄여서 찍을 수도 있습니다. 그렇게 찍으면 별들은 살짝 덜 보일 수 있어도, 상대적으로 밝은 곳에서도 일주사진을 만들 수 있습니다.

위성공해

위성으로 인한 빛공해입니다. 스타링크 위성들이 사진을 방해한 사진입니다. Torsten Hansen씨가 찍은, 2021년 IAU OAE(국제천문연맹 천문학교육부)에서 빛공해 부문 3등으로 수상한 사진입니다.[2]

위성은 생각보다 많이 떠있습니다. 특히나 스페이스X사의 스타링크로 인해 더욱 많아졌습니다. 물론 우주시대에서 정치색이나 지역에 구애받지 않고 누구나 손쉽게 통신할 수 있는 체계를 만드는 것은 좋은 일입니다. 그것이 관측에 방해가 되는 것은 안타까운 일이죠.

옛날에도 위성이 없는 것은 아니었습니다. 2024년 2월 현재도 우주를 유영하는 ISS도 20년 전에도 있었습니다. 이것도 관측을 방해하지 않았다고는 말 못하죠. 하지만 무더기로 쏘아진 위성은 많은 천문학자에게 피해를 주고 있으며, 운이 나쁘면, 일주사진을 찍는데도 방해가 될 수 있을 것입니다.

사진은 위성으로 인한 빛 공해를 나타낸 사진입니다. 선명하게 찍힌 금성과 플레이아데스 성단과 함께 히믜한 줄들이 그어져 있습니다. 태양에 반사된 빛들로 인해 위성들도 하나의 별처럼 빛을 냅니다. 이것이 사진에 같이 담기면 의도하지 않은 사진을 만들어냅니다. 비관적이지만, 이런 사진은 계속, 더 많이 나올것입니다. 위성 공해를 피하는 방법은 없습니다. 찍는 시간에 위성이 지나가지 않길 바라는 것이 전부일 것입니다. 위성 공해를 최소화 하려면 받는 빛을 줄여야 할 것입니다. 찍히는 별도 줄어드는 것도 감수하면서 말이죠. 위성은 별들보다 더 빨리 지나가므로, 위성이 지나간 사진들은 버려서 합성하는 것도 답이 될 수 있습니다.

가이드 촬영(추적 촬영)

가이드 촬영을 위해 한 경위대에 두 개의 망원경이 장착된 모습. 별도로 보정을 위한 노트북도 연결되어 있다.

가이드 촬영은 희미한 관측대상을 찍거나, 관측대상의 노이즈를 최대한 줄여보기 위해서 찍는 사진술입니다. GoTo가 달린 적도의 망원경에 카메라를 장착하여 사진을 찍습니다. 어두운 딥 스카이 같은 경우, 눈은 물론, 망원경으로도 잘 안 보일 수 있습니다. 이 때 카메라를 통해서 계속, 지속적으로 촬영함으로서 그 대상을 촬영하는 것이 가능합니다.

은하의 존재에 대해 망원경이 생기고 300년이 지난 1920년에 논쟁이 있을 정도로, 딥 스카이 같은 경우에는 눈으로나 망원경으로나 잘 식별이 되지 않습니다. 허블 딥 필드가 사람들에게 큰 충격을 준 것도, 망원경으로도, 망원경에다가 카메라를 달아서 찍어도 안 보이던 영역이었기 때문입니다. 그만큼 우주는 어둡습니다. 카메라를 사용하는 것은, 이런 암흑 속을 보조해주는 장치이라서 그렇기도 합니다.

희미한 천체의 경우 사진 한 장으로 디테일이 나오지 않습니다. 어쩌면 그냥 평범한 밤하늘일 수도 있습니다. 하지만, 그것을 계속 찍어서 합치면, 다른 노이즈들과는 달리 다른 그림이 나타납니다. 그것이 바로 그 천체입니다. 가이드 촬영은 안드로메다 은하 같은 NGC 목록이나 메시에 목록의 천체를 관측합니다.

가이드 촬영 같은 경우 주 망원경에 이미 카메라가 달려 있는 상태이기 때문에, 별도로 적당한 보조 망원경을 달 수 있는 경위대와 적도의가 필요합니다. 보조 망원경을 주 망원경에 맞게 파인더를 정렬하듯이 정렬하고, 보조 망원경을 통해 대상을 잡으면서 GoTo를 동작시킵니다. GoTo가 정상적으로 움직이는 것을 확인했으면, 사진 촬영을 시작합니다.