세계에서 가장 큰 태양 망원경이 있는 빅베어 천문대 : V. 근적외선 분광 자기장 영상장치 (Near InfraRed Imaging Spectropolarimeter)

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지난 글들에 이어 태양 관측에 필요한 영상기기인 근적외선 분광 자기장 영상장치 (Near Infrared Imaging Spectropolarimeter)를 소개하도록 하겠습니다. 이하 줄여서 NIRIS라고 하겠습니다.

NIRIS는 이름처럼 근적외선 영역에서의 자기장 분광을 담당합니다. 실제로 사용가능한 파장의 영역은 약 1 마이크로미터에서 1.6 마이크로미터까지 입니다. 우리가 흔히 보는 가시광이 약 0.4 (보라색) 에서 0.7 (붉은색) 마이크로미터이니까 그보다 더 파장이 길지요. 붉은색 보다 더 바깥에 있어서 적외선이고 그중에 붉은색에 나름 가까운 편이라 근적외선 (near-infrared) 이라 부릅니다. 반대로는 원적외선(far-infrared) 이 있습니다. 보라색 보다 더 파장이 짧은 빛은 자외선 (ultraviolet) 이라 하지요. 자외선과 적외선 둘 다 우리 눈에는 보이지 않는 빛입니다.

이전 글에서 소개해 드린 FISS라는 태양 분광기도 그렇고 오늘 소개해 드릴 내용도 마찬가지로 태양의 영상 관측에 있어서 분광 (spectrometry) 이라는 단어가 계속 들어가고 있습니다. 나름 설명을 하자면, 빛을 파장의 단위로 쪼개서 빛의 세기를 분석한다고 할 수 있습니다. 파장이란 빛의 색깔을 의미하니까, 예를 들어 똑같은 별빛을 푸른색과 붉은색 중 어느쪽이 더 밝으냐를 따지는 것과 같은 원리입니다. 마치 사진 파일을 RGB로 분해해서 보는 것 같은 것이죠. 물론 실제 태양 분광은 RGB 세개 정도로 분리하는 게 아니라 관심 파장 영역을 수백개로 나눕니다. 이 파장에 따른 빛의 밝기 변화를 이해하면 우리가 영상의 수평 (x), 수직 (y)의 2차원 데이터에 하나의 차원을 더 하는 효과가 생깁니다. 그래서 같은 빛으로 부터 훨씬 많은 정보를 얻을 수 있는 것이죠.

FISS의 경우는 한 프레임을 찍을 때 마다 일차원의 공간과 파장 영역을 커버합니다. 그리고 나서 공간을 약간 이동하여 다른 일차원의 공간과 파장영역을 또 커버하구요. 이것을 시간 순으로 반복하면 2차원의 공간과 파장영역이 결합해서 3차원의 데이터가 나오는 것이죠.

NIRIS의 경우에는 아주 좁은 파장영역만을 통과시키는 필터를 사용합니다. 사진 한 장을 찍으면 특정한 파장에서의 2차원 영상 이미지가 얻어집니다. 그리고 나서 필터의 파장을 약간 이동시켜 다시 2차원 공간의 영상을 얻습니다. 이것을 계속 반복하여 2차원 공간에 파장의 차원을 더하여 역시 3차원의 데이터가 생겨납니다. 즉, FISS와 NIRIS는 스캔을 공간방향으로 하느냐, 파장방향으로 하느냐의 차이가 있습니다.

그림의 왼쪽이 NIRIS로 특정한 프레임에서 찍은 태양의 흑점 영상이구요, 이러한 영상을 파장을 바꿔가며 수십장을 찍습니다. 그러면 왼쪽 사진의 흰색으로 그은 수직선의 픽셀들에 해당하는 파장의 데이터가 오른쪽 그림처럼 구해지게 됩니다. 따라서 왼쪽의 영상은 한 번의 프레임으로 찍은 거지만, 오른쪽의 분광 데이터는 시간순으로 누적된 데이터인 것입니다. 보통 한번의 스캔을 하는 데 1분이 걸리지 않습니다.

NIRIS의 분광 데이터를 보시면서 여러가지 궁금한 것들이 있으실 줄로 압니다. 내용이 좀 길어서 다음 글로 넘어가겠습니다만, 질문이 있으시면 답변해 드리겠습니다.