한국천문연구원에서는 적외선관측기술 개발의 일환으로 지상망원경용 근적외선 카메라인 KAONICS(KAO Near-Infrared Camera System)를 개발하고 있다. 이러한 개발의 선행 연구 과정으로서 우리는 보현산천문대와 소백산천문대의 근적외선($1-5{\mu}m$) 관측 조건을 정량적으로 조사했다. KAONICS의 기본 파장 밴드인 J, H, K, L 에 대해 대기 투과 모델을 사용하여 PWV(Precipitable Water Vapour)에 따른 대기투과율을 계산했으며, 각각의 파장 밴드에서 관측 한계 등급을 계산했다. 계산 결과, 두 천문대 모두 근적외선 영역에서 관측이 가능하며, 서로 비슷한 관측 능력을 가지고 있다는 결론을 얻었다.
한국천문연구원에서는 적외선관측기술 개발의 일환으로 지상망원경용 근적외선 카메라인 KAONICS(KAO Near-Infrared Camera System)를 개발하고 있다. 이러한 개발의 선행 연구 과정으로서 우리는 보현산천문대와 소백산천문대의 근적외선($1-5{\mu}m$) 관측 조건을 정량적으로 조사했다. KAONICS의 기본 파장 밴드인 J, H, K, L 에 대해 대기 투과 모델을 사용하여 PWV(Precipitable Water Vapour)에 따른 대기투과율을 계산했으며, 각각의 파장 밴드에서 관측 한계 등급을 계산했다. 계산 결과, 두 천문대 모두 근적외선 영역에서 관측이 가능하며, 서로 비슷한 관측 능력을 가지고 있다는 결론을 얻었다.
Korea Astronomy Observatory(KAO) has been developing the KAONICS, KAO Near-Infrared Camera System, which will be used for near-infrared observations in the ground-based telescopes of Korea. As a phase-A study for this work, we investigated observational environments at the Sobaeksan Optical Astronom...
Korea Astronomy Observatory(KAO) has been developing the KAONICS, KAO Near-Infrared Camera System, which will be used for near-infrared observations in the ground-based telescopes of Korea. As a phase-A study for this work, we investigated observational environments at the Sobaeksan Optical Astronomy Observatory(SOAO) and the Bohyunsan Optical Astronomy Observatory(BOAO) quantitatively. In the J, H, K, and L bands, atmospheric transmission was calculated mainly depending on the PWV(Precipitable Water Vapour), and limiting magnitudes were computed for the SOAO and the BOAO, respectively. We conclude that these observatories have similar observing capabilities and domestic observations are possible in near-infrared.
Korea Astronomy Observatory(KAO) has been developing the KAONICS, KAO Near-Infrared Camera System, which will be used for near-infrared observations in the ground-based telescopes of Korea. As a phase-A study for this work, we investigated observational environments at the Sobaeksan Optical Astronomy Observatory(SOAO) and the Bohyunsan Optical Astronomy Observatory(BOAO) quantitatively. In the J, H, K, and L bands, atmospheric transmission was calculated mainly depending on the PWV(Precipitable Water Vapour), and limiting magnitudes were computed for the SOAO and the BOAO, respectively. We conclude that these observatories have similar observing capabilities and domestic observations are possible in near-infrared.
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문제 정의
검출기에 입사되는 잡음원은 가장 지배적인 배경 열적 복사(background thermal radiation)만을 고려했으며, 신호 대 잡음비(S/N)가 10이 될 때 관측 가능한 것으로 계산했다. 그리고, 이 계산에서 적용되는 시스템은 현재 한국천문연구원에서 개발 중에 있는 KAONICS를 기준으로 고려를 하고자 한다. 현재의 KAONICS 설계 사양에 따르면 광학계의 투과율은 표 2와 같이 예상되며, 밴드별 필터 파장은 표-3과 같다.
또한, 퍼진 광원(extended source)을 관측할 경우에 대해서도 고려해 보았다. 예를 들어, 목성의 대기에서 방출되는 # 강도(intensity)는 L 밴드에서 평균적으로 #이다.
가설 설정
그림 10. H 밴드에서 적분 시간 및 주 · 부경의 온도에 대한 별의 관측한계 가시등급(S/N=1O 가정). 나머지 내용은 그림 9와 같다.
그림 11. K., 밴드에서 적분 시간 및 주 · 부경의 온도에 대한 별의 관측한계 가시등급(S/N=1O 가정). 나머지 내용은 그림 9와 같다.
그림 12. L 밴드에서 적분 시간 및 주 · 부경의 온도에 대한 별의 관측한계 가시등급(S/N=10 가정). 나머지 내용은 그림 9와 같다.
39 "/pix이다. 망원경의 온도를 263K으로 가정하고, S/N가 10이 되기 위해 관측이 요구되는 적분 시간은 소백산천문대에서 약 48분, 보현산천문대에서는 약 13분이다. 그리고 동일 조건의 L 밴드에서 협대역(△λ 〜 0.
대기 열적 복사의 가장 중요한 원천인 수증기의 대기권 전체에 대한 유효 온도는 지표면에 비해서 20 K 정도 낮은 것으로 알려져 있다(McLean 1997). 본 연구에서는 배경 열적 복사로 인한 잡음에 대해 최악의 조건을 상정하기 위하여 대기권 전체의 유효 온도를 관측지에서 측정한 기온에 비 해 10 K 낮은 것으로 가정하였다. 계산 방법은 위의 식 (6), (7), (8) 과정과 유사하다.
제안 방법
대기 투과율 계산과 더불어 우리는 소백산천문대와 보현산천문대에서 관측 가능한 천체의 한계등급을 계산했다. 검출기에 입사되는 잡음원은 가장 지배적인 배경 열적 복사(background thermal radiation)만을 고려했으며, 신호 대 잡음비(S/N)가 10이 될 때 관측 가능한 것으로 계산했다. 그리고, 이 계산에서 적용되는 시스템은 현재 한국천문연구원에서 개발 중에 있는 KAONICS를 기준으로 고려를 하고자 한다.
그림 7. 겨울철(PWV 최소) 평균 대기 투과율 비교. 흰색 막대는 표준 필터 시스템, 검정색 막대는 Mauna Kea 필터 시스템.
대기 투과율 계산과 더불어 우리는 소백산천문대와 보현산천문대에서 관측 가능한 천체의 한계등급을 계산했다. 검출기에 입사되는 잡음원은 가장 지배적인 배경 열적 복사(background thermal radiation)만을 고려했으며, 신호 대 잡음비(S/N)가 10이 될 때 관측 가능한 것으로 계산했다.
대기투과 모델을 사용하여 소백산천문대와 보현산천문대 상공의 대기 투과율을 계산하고, 성공적인 근적외선 관측 사이트 중의 하나인 Kitt Peak 천문대의 계산 결과를 기준으로 비교하였다. 대기투과 모델에는 IRTRANS4(Traub & Stier 1976), ATRAN(Lord 1992), ATMO(Grossman 1989) 등이 있는데, 우리는 이 모델들 중에서 ATMO를 사용하여 대기 투과율을 계산했다.
htm 참조)를 사용하였다. 소백산 및 보현산의 PWV는 지표면 이슬점 온도에서 추정한 결과를 사용했으며, Kitt Peak의 PWV는 분광기 관측으로 측정한 결과를 사용했다. 천정거리는 그 값을 다양하게 변화시켜 계산했다.
그림 8. 여름철(PWV 최대) 평균 대기 투과율 비교. 나머지는 그림 7과 동일.
t는 검출기의 적분 시간이고, Ftel, Foh, Fatmo는 각각 망원 경에 의한 열적복사플럭스, OH 대기광의 플럭스, 대기의 열적복사플럭스이다. 우리는 검출기의 적분 시간 변화에 따른 관측가능 한계 가시등급의 변화를 계산했고, 망원경의 주경과 부경 온도를 절대온도 263 K, 273 K, 283 K 일 경우에 대해서 반복 계산했다. 그림 9, 10, 11, 12는 각각 J, H, #, L 밴드에 대해 그 계산 결과를 보여주고 있다.
이슬점 온도는 기온과 상대습도로부터 계산될 수 있다. 우리는 소백산의 경우 1978년 1월부터 1980년 12월까지 소백산 천문대에서 측정한 기온 및 상대습도 자료(심경진과 한원용 1982)를, 보현산의 경우 1993년 4월부터 1994년 3월까지 보현산 천문대에서 측정한 기온 및 상대습도 자료(김지영 1994)를 가지고 관련 프로그램 Psy 1.0(국민대학교 열환경실험실 제공)을 이용하여 이슬점 온도를 계산했다. 지표면 이슬점 온도와 PWV 관계식은 우리나라 중부 지방 관계식과 남부 지방 관계식을 둘 다 사용했으며 그 결과에는 큰 차이가 없다.
우리는 이러한 조건들을 고려한 정량적인 계산을 통해서 천문 관측의 한계를 가늠하고자 한다. 이 연구에서는 먼저 근적외선 영역에서 대기투과율에 중요한 영향을 미치는 대기수증기량을 조사하고, 이를 이용하여 KAONICS의 기본 관측 파장대인 J, H, K, L 밴드에 대한 대기투과율과 관측 한계등급을 계산하여 비교하고자 한다.
소백산 및 보현산의 PWV는 지표면 이슬점 온도에서 추정한 결과를 사용했으며, Kitt Peak의 PWV는 분광기 관측으로 측정한 결과를 사용했다. 천정거리는 그 값을 다양하게 변화시켜 계산했다. 계절에 따른 PWV값을 변화시키면서 J, H, K, L 밴드 각각에 대한 대기 투과율을 계산한 결과는 소백산, 보현산, Kitt Peak에 대해 각각 그림 2, 그림 3, 그림 4에서 나타내고 있다.
파장에 따른 대기 투과율 계산 결과로부터, 표준 필터 시스템과MaunaKea 필터 시스템(Tokunaga et al. 2002)에 대해 여름과 겨울로 나누어서, J, H, K, L 밴드별 평균 대기 투과율을 계산해 보았다. 그 결과를 그림 7과 그림 8에 나타내고 있다.
대상 데이터
ATMO에 들어가는 입력값은 관측지의 위치, PWV, 천정거리이다. 관측지의 위치는 위도, 경도, 고도가 입력되며, 소백산의 위치는 동경 128° 27, 27.3594", 북위 36° 56' 3.8843", 고도 1377.99m(http://www.kao.re.kr/~sobaek 참조), 보현산의 위치는 동경 128° 58' 35.68", 북위 36° 9' 53.19", 고도 1124m(http:〃www.boao.re.kr 참조), KittPeak의 위치는 서경 111° 36'53.475”, 북위 31° 57 11.990", 고도 1938m(http://www.nas.edu/bpal/ US_Radio_Astronomy.Observatories.htm 참조)를 사용하였다. 소백산 및 보현산의 PWV는 지표면 이슬점 온도에서 추정한 결과를 사용했으며, Kitt Peak의 PWV는 분광기 관측으로 측정한 결과를 사용했다.
이론/모형
html 참조) 및 ATRAN의 계산 결과(Cox 2000)와 비교해서 큰 차이가 없었다. 우리는 이 모델들 중에서 ATMO 모델을 사용하여 대기 투과율을 계산했다. ATMO에 들어가는 입력값은 관측지의 위치, PWV, 천정거리이다.
성능/효과
근적외선 영역에서는 파장이 길수록 열적 배경 복사가 중요해진다는 사실로부터 예상할 수 있듯이, 망원경의 온도 변화는 J, H 밴드에서는 등급 변화에 영향을 주지 않고, #, L 밴드에서만 약간의 등급 변화를 나타내며 L 밴드가 #밴드보다는 더 큰 폭의 변화를 보여준다. 또한, 전체적으로 파장이 긴 밴드로 갈수록 한계등급이 더 낮아지는 경향을 가지며, 단지 Ks 밴드에서는 OH 대기광이 상대적으로 적은 이유로 H 밴드보다 약 0.3 등급 더 어두운 별을 관측할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 100초의 적분 시간에 대해 소백산천문대는 J, H, #, L 밴드 순으로 18.
셋째로, 대기의 열적 복사는 관측지점 상공의 대기권 전체에서 방출되는 열적 복사의 총합을 의미한다. 대기 열적 복사의 가장 중요한 원천인 수증기의 대기권 전체에 대한 유효 온도는 지표면에 비해서 20 K 정도 낮은 것으로 알려져 있다(McLean 1997).
4mm일 때)와 그림 6(PWV가 최대 33mm일 때)과 같다. 천정거리가 클수록, 즉 관측 지향점의 고도가 낮을수록 대기투과율이 감소함을 알 수 있다.
후속연구
여기서 우리는 검출기 자체의 잡음 및 양자 효율을 고려하지 않았지만, 기술개발에 따른 검출기의 좋은 성능으로 인해 관측 한계등급 계산에서 최대 1등급 이상의 변화를 주지 않을 것으로 기대된다. 그리고, 계산에서 망원경 주경과 부경의 반사율은 최적의 조건을 가진 것으로 가정했지만, 광학계의 코팅 후 시간이 경과함에 따라 반사율이 낮아지는 것을 고려하면 더 정확한 한계등급을 계산할 수 있을 것이다. 향후 우리는 KAONICS를 소백산천문대에 설치할 계획 중에 있으며, 기기 개발 과정에서 더욱 정확한 관측 한계를 도출할 것으로 기대된다.
여기서 우리는 검출기 자체의 잡음 및 양자 효율을 고려하지 않았지만, 기술개발에 따른 검출기의 좋은 성능으로 인해 관측 한계등급 계산에서 최대 1등급 이상의 변화를 주지 않을 것으로 기대된다. 그리고, 계산에서 망원경 주경과 부경의 반사율은 최적의 조건을 가진 것으로 가정했지만, 광학계의 코팅 후 시간이 경과함에 따라 반사율이 낮아지는 것을 고려하면 더 정확한 한계등급을 계산할 수 있을 것이다.
우리 나라의 지상망원경에서 이루어질 근적외선 관측을 대비해서 이 논문은 관측에 영향을 미치는 대기수증기량을 고려하여 대기투과율을 계산했으며, 관측 가능한 천체의 한계등급을 계산함으로써 KAONICS를 사용하여 연구 가능한 과학 목적의 범위를 정하는데 기여할 수 있었다. 우리 나라의 두 천문대 모두가 외국의 Kitt Peak 천문대와 대기수증기량을 비교했을 때 전체적으로 조금 높은 편이지만, 겨울철에는 비슷한 조건을 보여주고 있으므로 우리 나라에서도 근적외선 관측이 가능할 것으로 예상된다.
그리고, 계산에서 망원경 주경과 부경의 반사율은 최적의 조건을 가진 것으로 가정했지만, 광학계의 코팅 후 시간이 경과함에 따라 반사율이 낮아지는 것을 고려하면 더 정확한 한계등급을 계산할 수 있을 것이다. 향후 우리는 KAONICS를 소백산천문대에 설치할 계획 중에 있으며, 기기 개발 과정에서 더욱 정확한 관측 한계를 도출할 것으로 기대된다.
Beckers, J. M., Breedlove, W. O., Devegvar, P. G. N., Johansen, E. E., Gilliam, L. B., Mann, G. R., Mauter, H. A., Phillis, G. L., & Demastus, H. L. 1979, PASP, 91, 857
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