눈의 어두움 적응을 활용한 변성성 별 밝기 추정

요약:

본 논문은 천문학적인 관점에서 눈의 어두움 적응 과정의 생리학을 재조명하고, 이를 기반으로 별의 밝기를 추정하는 새로운 방법을 제시한다. 이 방법은 망원경 한계 밝기 근처에 있는 밝은 별이나 베텔게우스, 안타레스, 델타 스쿠르피이 같은 변성성에 적용 가능하다.

1. 서론: 변성성 별 관측

전문 천문학자와 천문대는 하늘에서 나타나는 모든 변성성과 신성의 빛 곡선을 추적할 시간이 부족하다. 이러한 작업은 주로 아마추어 천문학자들에 의해 수행되며, 이들은 국제 조직인 AAVSO(국제 변성성 관측자 협회)에 소속되어 있다. 그들은 주로 육안 관측을 이용하는 데는 그 이유는 CCD 장치의 상대적으로 높은 비용 때문이다. 본 논문에서 제시하는 밝기 추정 방법은 망원경 한계 밝기에 가까운 영역에서의 관측에 유용하다 (3절 참조). 이 방법의 오류 원인은 4절에서 다루며, 고도별 효율성은 5절에서 고려한다.

2. 어둠에 대한 눈의 반응: 밝기 추정자로서 생리학

눈의 어두움 적응 생리학은 두 가지 메커니즘으로 구성된다:

• 기계적 메커니즘: 동공이 최대 지름 (약 7mm)까지 확장된다.
• 화학 메커니즘: 망막 수용체의 로도핀과 아이오도핀(콘에 해당)이 재생성된다. 막대 세포는 원추 세포보다 작은 강도의 빛에도 훨씬 더 민감하게 반응한다 (색에 민감한 원추 세포와 달리). 이러한 요인들의 조합은 그림 1에서 보여주는 시간에 따른 어두움 적응 곡선을 생성한다 (Lerman, 1980 참조).

이 그래프는 의학 교과서보다는 천문학 응용을 위해 더 자세히 설명되어야 한다. 그림 1에서 30분간의 어둠 후 로그 빛 강도 감지 가능 수준은 4배 증가하며, 이는 포슨 법칙에 따라 10등분 증가한 것과 같다. 최적의 광학적 조건 하에서 육안 한계 밝기는 mlim = 6.5로 간주된다 (예: Jenniskens, 1994 참조). 이 곡선의 초기 지점은 mv ∼ -3에 해당하며, 이는 낮 시간대를 나타낸다. mv ∼ -3의 점상 물체는 배경 빛이 5 등분/평방초일 때(약 10도 이내의 태양 주변 명료한 하늘에서) 구별하기 어려우며, 이는 “흔적 남김(눈부심)” 수준의 빛에 해당된다.

… (원문 계속)

전문 한국어 번역:

국내 관측에서 한계가 되는 것은 태양 근처의 하늘에 도달하지 못하는 것입니다. 갑작스러운 광도 감소는 오직 일식 최종 단계에서 발생하며, 적절한 필터 없이 눈이 보호되지 않을 때입니다. 따라서 천문학적 용도로는 그림 1에서 제시된 것처럼 어둠 적응 후 7분 이후부터 시작하는 것이 합리적이며, 밝게 빛나서(깜짝 놀라서) 관측을 시작하지 않도록 가정합니다. 또한 별을 관측하기 시작하면 가장 밝은 별의 색을 즉시 구별할 수 있으므로, 콘(cones)은 이미 별의 빛을 감지하고 분석할 준비가 되어 있습니다.

곡선의 두 번째 부분은 다음과 같은 지수법으로 근사할 수 있습니다: mlim(t) = m0 + 3 · (1 - exp(-tτ)) (1) 여기서 τ = 5분이고, m0는 관측 시작 시 최소 밝기입니다. 작은 시간 간격에 대해서는 식 (1)이 mlim(∆t) = m0 + 3 · ∆tτ (2)로 단순화됩니다.

주의할 점은 검사 중인 별의 필드 전체가 비추시적 시야(fovea, 망막 중앙부)를 이용하지 않고 감지되어야 한다는 것입니다. 이 부위에는 막대 세포가 없습니다. 밝은 변광성을 측정하기 위해 어둠에 적응하지 않은 눈으로 비교 별이 보이는 데 필요한 시간 ∆t을 측정합니다. 식 (1)을 사용하여 기준 별 mvar = mref + ∆m에 대한 상대 밝기 Δm를 얻습니다.

3. 응용: 이 방법은 일반적으로 활용되지 않는 어둠 적응 시간을 매개변수 추정자로 사용할 수 있게 합니다. 제한 밝도에 가까운 객체나 더 어두운 비교 별이 없는 객체에 유용합니다. 변광성이 비교 별보다 약간 밝을 때도 이 방법을 적용할 수 있습니다. 망원경을 사용할 경우, 변광성과 비교 별이 모두 포함되는 시야각 약 40도가 필요하며, 더 나은 감지를 위해 100배 확대율이 권장됩니다 (Clark, 1997). 물론, 보조 없이 눈으로 이 방법은 일부 미라형 변광성 극대 또는 항성처럼 밝은 불규칙한 별인 안타레스, 베텔게우스, 사자자리 델타와 같은 주변에 적용될 수 있습니다. 저자는 1999년 7월 17일부터 22일까지 10cm 망원경을 사용하여 변광성 V1483 AQL의 감마를 제한 밝기(12)에서 10.7에서 12까지 감소하는 동안 5회 관측했습니다. 관측 데이터는 AAVSO 웹사이트에 SGQ 관측자의 코드로 등록되었습니다.**

…(본문이 길어 생략되었습니다. 전체 내용은 원문 PDF를 참고하세요.)…