WFPC2

1. 개요

WFPC2는 허블 우주 망원경에 탑재되었던 광시야 행성 카메라 2로, 캘리포니아 공과대학의 제안과 제트추진연구소의 제작으로 이루어졌다. 1993년 허블 우주 망원경의 정비 임무를 통해 WF/PC-1과 교체되었으며, 1994년부터 일반 천문학 관측에 사용되다가 2009년 광시야 카메라 3으로 교체되었다. WFPC2는 가시광선에서 근적외선까지 넓은 파장 대역의 빛을 관측할 수 있으며, 4개의 CCD를 사용하여 행성 카메라(PC)와 광시야 카메라(WFC) 모드를 지원했다. CCD의 열화로 인해 불량 화소가 발생하기도 했지만, 허블 딥 필드, 창조의 기둥 등 다양한 천체 관측에 기여했다.

2. 역사

WFPC2는 허블 우주 망원경의 초기 관측 장비인 WF/PC-1의 성능 개선 및 백업 목적으로 개발되었다. 특히 허블 우주 망원경 발사 후 발견된 주 거울의 구면 수차 문제를 해결하기 위해 보정 광학계를 탑재하여 설계되었다. 1993년 12월, 첫 번째 서비스 임무(SM1) 중 WF/PC-1을 대체하여 설치되었으며, 이후 약 15년 동안 허블 망원경의 주력 카메라로 활동하며 중요한 천문학적 발견에 기여했다. WFPC2는 2009년 5월, 네 번째 서비스 임무(SM4)에서 후속 기기인 광시야 카메라 3(WFC3)으로 교체되었다.

2.1. 개발 배경 및 초기 역사

허블 우주 망원경에 처음 탑재되었던 WF/PC-1은 캘리포니아 공대의 James Westphal이 제안하여 제트추진연구소에서 제작한 기기이다. WF/PC-1은 허블 우주 망원경의 가장 중요한 관측 기기로 여겨졌기에, NASA는 허블 발사 이전부터 예비 장비로서 WFPC2 제작을 시작했다. 허블 우주 망원경 발사 후 주 거울의 제작 결함으로 인한 구면 수차 문제가 발견되면서 망원경 정비가 불가피해졌고, 이 문제를 광학적으로 보정할 수 있는 기능을 탑재한 WFPC2의 제작이 더욱 속도를 내게 되었다.

WF/PC-1은 800×800 화소의 전하 결합 소자 8개를 탑재하여, 필요에 따라 행성 카메라(Planetary Camera, PC) 모드나 광시야 카메라(Wide Field Camera, WFC) 모드를 선택하여 사용할 수 있었다. 그러나 예산과 제작 일정의 제약으로 인해 WFPC2에는 4개의 CCD만 장착되었으며, 이 중 1개는 PC 모드로, 나머지 3개는 WFC 모드로 고정되어 사용되었다.

WFPC2는 1993년 12월 허블 우주 망원경의 첫 번째 정비 임무(Servicing Mission 1, SM1) 때 WF/PC-1과 교체 설치되었다. 이후 1994년 1월부터 일반 천문학자들에게 관측 데이터가 공개되면서 본격적인 천문 관측에 활용되기 시작했다. WFPC2는 2009년 5월 13일, 허블 우주 망원경의 네 번째 정비 임무(SM4)에서 후속 기기인 광시야 카메라 3(Wide Field Camera 3, WFC3)으로 교체될 때까지 임무를 수행했다.

2.2. 설치 및 교체

허블 우주 망원경에 처음 탑재되었던 광시야 행성 카메라(WF/PC-1)는 캘리포니아 공대의 James Westphal이 제안하고 제트추진연구소에서 제작한 장비였다. WF/PC-1은 800*800 화소의 전하 결합 소자 8개를 탑재하여 필요에 따라 행성 카메라(PC) 모드나 광시야 카메라(WFC) 모드를 선택해 사용할 수 있었다. 미국항공우주국(NASA)은 허블 발사 전부터 WF/PC-1의 백업 장비로 WFPC2 제작을 시작했다. 허블 발사 후 주 거울의 구면 수차 문제가 발견되자, 이를 보정하는 광학계를 탑재한 WFPC2의 제작이 더욱 가속화되었다. 예산과 제작 일정 관계로 WFPC2에는 4개의 CCD만 장착되었으며, 이 중 1개는 PC 모드로, 나머지 3개는 WFC 모드로 고정되어 사용되었다.

WFPC2는 1993년 12월, 허블 우주 망원경의 첫 번째 정비 임무 때 WF/PC-1을 대체하여 설치되었다. 이 교체 작업은 허블 망원경의 광학적 결함을 성공적으로 보정하는 핵심 과정이었다. 설치 이후 WFPC2는 1994년 1월부터 일반 천문학자들에게 공개되어 본격적인 관측 활동에 투입되었다.

약 15년간 허블의 주력 카메라로 활약했던 WFPC2는 2009년 5월 13일, 허블 우주 망원경의 네 번째 정비 임무 때 성능이 향상된 광시야 카메라 3(WFC3)으로 교체되었다.

3. 설계 및 사양

WFPC2는 미국 항공 우주국(NASA)의 제트 추진 연구소(JPL)에서 제작되었으며, 1990년 허블 우주 망원경과 함께 발사된 이전 광역 및 행성 카메라(WFPC) 역시 JPL에서 제작했다. WFPC2의 중요한 특징 중 하나는 허블 망원경 주경의 구면 수차 문제를 해결하기 위한 내부 보정 광학 장치를 포함하고 있다는 점이다.

이 카메라는 120 nm의 근자외선부터 1100 nm의 근적외선까지 매우 넓은 파장 대역의 빛을 감지할 수 있으며, 이는 가시광선 영역(380 nm ~ 780 nm)을 포함한다. WFPC2는 총 4개의 전하 결합 소자(CCD) 센서를 사용하는데, 이 중 하나는 고해상도의 행성 카메라(Planetary Camera, PC)이고 나머지 세 개는 넓은 시야를 담당하는 광시야 카메라(Wide Field Camera, WFC)이다. 이 독특한 CCD 배열 구조 때문에 WFPC2로 촬영된 천체 사진은 특유의 계단 모양을 띠게 된다. 또한, 다양한 광학 필터를 교체하며 특정 파장의 빛만을 선택적으로 관측하는 기능을 갖추고 있다.

'WFPC'라는 명칭은 머리글자 그대로 '더블유 에프 피 씨(WFPC)'로 읽거나, '위프픽(Wifpik)'으로 발음하기도 한다. 첫 번째 카메라인 WF/PC-1은 PC 모드와 WFC 모드 중 하나를 선택해서 사용했기 때문에 관습적으로 'WF/PC'로 표기하지만, 항상 PC와 WFC를 동시에 사용하는 두 번째 카메라는 'WFPC2'로 표기한다.

3.1. 광학 설계 및 CCD

WFPC2는 미국 항공 우주국(NASA)의 제트 추진 연구소(JPL)에서 제작되었으며, 1990년 허블 우주 망원경과 함께 발사된 이전 광역 및 행성 카메라(WFPC) 역시 JPL에서 제작했다. WFPC2에는 허블 망원경 주경의 구면 수차를 보정하기 위한 내부 보정 광학 장치가 포함되어 있다.

WFPC2의 전하 결합 소자(CCD) 이미지 센서는 120nm에서 1100nm 범위의 전자기파 방사선을 감지할 수 있다. 이 범위는 380nm에서 780nm의 가시광선 영역, 모든 근자외선 대역, 그리고 대부분의 근적외선 대역을 포함한다. CCD의 감도는 약 700nm 파장에서 최고점을 가지며, 전체적으로 거의 정규 분포 형태를 보인다. 작동 범위의 양 극단에서는 감도가 매우 낮아진다.

WFPC2 내부에는 각각 800x800 픽셀의 동일한 CCD 4개가 장착되어 있다. 허블 우주 망원경을 통해 들어온 빛은 WFPC2 내의 피라밋 모양 거울에 의해 4개로 나뉘어 각 CCD로 분배된다. 이 중 3개는 L자 형태로 배열되어 광시야 카메라(Wide Field Camera, WFC)를 구성하고, 나머지 1개는 행성 카메라(Planetary Camera, PC)를 구성한다. PC는 WFC보다 더 좁은 영역에 초점을 맞추는 광학계를 사용하여 시야각이 좁은 대신 더 높은 해상도(화소당 0.05초)를 제공한다. WFC는 PC보다 넓은 시야각을 가지며 해상도는 화소당 0.1초이다. 이러한 CCD 배열 때문에 WFPC2로 촬영된 이미지는 특징적인 계단 모양을 가지게 된다. 과학 연구용 원본 데이터에서는 PC 영역의 높은 해상도가 유지되지만, 일반에 JPEG 파일 등으로 배포될 때는 PC 이미지 해상도를 WFC와 동일하게 낮추어 표시하는 경우가 많다.

관측 목적에 따라 특정 파장의 빛만 선택적으로 통과시키기 위해, WFPC2는 내부에 48개의 서로 다른 광학 필터가 장착된 회전 휠을 가지고 있다. 이 휠을 돌려 원하는 필터를 광경로(조리개와 CCD 사이)에 위치시킬 수 있다. 필터 종류는 다음과 같다.
* 표준 광대역 광도계 필터 세트
* 매우 좁은 대역 필터 범위를 가진 경사 필터: 관측 대상을 CCD의 특정 위치에 오도록 정밀하게 조정함으로써 원하는 좁은 파장 대역을 선택할 수 있다.
* 다양한 원자 방출선의 파장에 맞춰진 여러 협대역(좁은 대역) 광학 필터

3.2. 필터 시스템

WFPC2는 특정 전자기 스펙트럼 영역의 이미지만을 얻기 위해 회전 휠을 특징으로 한다. 이 휠은 다양한 광학 필터들을 WFPC2의 조리개와 CCD 검출기 사이의 광학 경로에 선택적으로 위치시키는 역할을 한다. 총 48개의 필터 요소가 탑재되었으며, 주요 종류는 다음과 같다.

* 표준 광대역 광도계 필터 세트
* 경사 필터: 매우 좁은 대역 필터 범위를 제공한다. 관측 대상을 시야 내의 정확한 위치에 배치함으로써, 관측자는 원하는 파장 대역을 정밀하게 선택할 수 있다.
* 좁은 대역 광학 필터: 다양한 원자의 특정 방출선 파장에 맞춰진 여러 필터들이다.

4. 성능 및 관측 성과

WFPC2는 임무 수행 과정에서 CCD의 성능 저하로 인한 불량 화소("핫 픽셀") 문제가 발생했으며, 이를 관리하기 위해 망원경 운영팀이 정기적인 보정 작업을 수행했다. 천문학자들은 제공된 불량 화소 목록을 참고하여 관측 데이터를 처리했다.

2002년 첨단 관측 카메라(ACS)가 설치되면서 WFPC2의 주요 광대역 이미징 역할은 상당 부분 ACS로 대체되었다. 그러나 2007년 초 ACS가 고장나면서 WFPC2는 일시적으로 허블 우주 망원경의 주요 가시광선 카메라 역할을 다시 맡게 되었다.

WFPC2는 2009년 5월, 서비스 임무 4(SM4) 기간 동안 광역 카메라 3(WFC3)로 교체되면서 허블 우주 망원경에서 최종적으로 제거되었다. 지구로 귀환한 WFPC2는 이후 박물관에 전시될 예정이었다.

4.1. CCD 성능 및 보정

WFPC2는 가시광선 영역을 포함하여, 115nm의 근자외선부터 1050nm의 근적외선까지 넓은 파장 대역의 빛을 관측할 수 있다.

내부에는 800x800 화소의 전하 결합 소자(CCD) 4개가 장착되어 있으며, 이 중 1개는 PC(Planetary Camera), 나머지 3개는 WFC(Wide Field Camera)를 구성한다. 허블 우주 망원경을 통해 들어온 빛은 WFPC2 안의 피라밋 모양 거울에 의해 4개로 나뉘어 각 CCD 칩으로 전달된다. PC로 연결되는 광학계는 다른 광학계보다 초점 거리가 길어 2배 더 확대되도록 설계되어, WFC보다 2배 높은 화소당 0.05초의 분해능을 가지지만 관측 시야는 4배 좁다. (이 때문에 Planetary Camera라는 이름이 붙었다.) 나머지 3개의 WFC 광학계는 PC보다 2배 낮은 화소당 0.1초의 분해능을 가지는 대신 더 넓은 관측 시야를 갖도록 설계되었다. 이 3개의 WFC는 그림처럼 L자 형태로 배열되어 있다. 이러한 CCD 배치 때문에 WFPC2로 촬영된 컬러 모자이크 사진은 전체가 정사각형이 아니라 한쪽이 계단 모양인 독특한 형태를 띤다. 하지만 일반 컬러 사진에서는 시야각을 맞추기 위해 PC 이미지의 해상도를 낮춰 표현하는 경우가 있지만, 천문학자들이 사용하는 과학 자료는 WFC와 PC 모두 각 800x800 해상도의 영상을 그대로 사용한다.

예상대로 임무 수행 과정에서 CCD가 손상되어 불량("핫") 화소(픽셀)가 발생했다. 망원경 운영진은 이러한 불량 화소를 목록화하기 위해 매달 보정 테스트를 수행했다. WFPC2의 조리개를 닫고 여러 차례 장시간 노출 촬영을 하여, 빛이 없는 상태에서도 밝게 나타나는(검은색이 아닌) 화소를 찾아냈다. 우주선(Cosmic ray)이 특정 화소에 영향을 주어 발생하는 오류를 걸러내기 위해, 서로 다른 시점의 보정 촬영 결과를 비교했다. 지속적으로 '핫' 상태를 보이는 화소는 기록되었고, WFPC2 원시 이미지를 분석하는 천문학자들은 이 목록을 받아 활용했다. 일반적으로 천문학자들은 이미지 처리 소프트웨어를 이용해 이러한 불량 화소를 보정하거나 무시하도록 처리했다.

WFPC2의 주요 광대역 이미징 역할은 2002년 서비스 임무 3B에서 설치된 첨단 관측 카메라(ACS)로 상당 부분 대체되었다. 그러나 2007년 초 ACS가 고장 나면서 WFPC2는 다시 허블 우주 망원경의 주요 가시광선 카메라 역할을 맡게 되었다. WFPC2는 2009년 5월 서비스 임무 4에서 허블 우주 망원경에서 제거되어 지구로 귀환했으며, 이후 박물관에 전시될 예정이었다. WFPC2가 제거된 자리에는 2개의 UV/가시광선 감지 CCD(각각 2048x4096 화소)와 최대 1700nm 파장의 적외선까지 감지 가능한 별도의 1024x1024 IR CCD를 갖춘 광역 카메라 3(WFC3)가 설치되었다.

4.2. 주요 관측 성과

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임무 수행 과정에서 예상되었던 대로 CCD가 손상되어 불량 화소가 발생했다. 망원경 운영팀은 이러한 불량 화소 목록을 만들기 위해 매달 보정 작업을 실시했다. 망원경의 개구부를 닫은 상태에서 장시간 노출된 사진을 여러 장 촬영하여 검은색으로 나오지 않는 화소를 찾아냈다. 우주선의 영향을 피하기 위해 다른 보정 사진과 비교하기도 했으며, 항상 "불량"으로 판정되는 화소는 기록되었다. 천문학자들은 WFPC2의 원시 데이터를 분석할 때 이러한 목록을 제공받아 이미지 처리 소프트웨어 등을 사용하여 해당 화소를 제거했다.

WFPC2는 2002년에 설치된 광역 관측용 고성능 카메라(ACS)에 의해 대부분 대체되었다. 그러나 2007년 초 ACS의 고장으로 WFPC2는 일시적으로 허블 우주 망원경의 주 광학 카메라 지위로 복귀하기도 했다. WFPC2는 2009년 5월 광역 카메라 3(WFC3)으로 교체되어 허블 우주 망원경에서 제거되었고, 지구로 돌아와 최종적으로 박물관에 전시되었다.

5. 후속 장비 및 영향

예상대로 WFPC2는 임무 수행 과정에서 CCD가 점차 손상되어 불량 화소("핫 픽셀")가 발생하는 문제가 있었다. 망원경 운영팀은 이러한 문제를 관리하기 위해 매달 보정 테스트를 실시하여 불량 화소의 목록을 만들었다. 이 테스트는 망원경의 조리개를 닫은 상태에서 장시간 노출 촬영을 여러 번 진행하여, 정상적으로 검은색으로 나타나지 않는 화소를 식별하는 방식으로 이루어졌다. 우주선(Cosmic ray) 충돌로 인해 특정 화소가 일시적으로 밝게 빛나는 현상과 실제 불량 화소를 구분하기 위해, 여러 보정 촬영 결과를 비교했다. 지속적으로 문제가 발생하는 화소는 기록되었고, WFPC2의 원시 데이터를 분석하는 천문학자들은 이 목록을 받아 이미지 처리 소프트웨어를 조정하여 해당 불량 화소의 영향을 제거했다.

WFPC2는 2002년 서비스 임무 3B(Servicing Mission 3B) 기간 동안 설치된 첨단 관측 카메라(ACS, Advanced Camera for Surveys)에 의해 광대역 이미징 기능 대부분이 대체되었다. 그러나 2007년 초 ACS에 고장이 발생하면서, WFPC2는 다시 허블 우주 망원경의 주요 가시광선 카메라 역할을 잠시 맡게 되었다.

WFPC2는 2009년 5월 서비스 임무 4(Servicing Mission 4)에서 광역 카메라 3(WFC3, Wide Field Camera 3)으로 교체되면서 허블 우주 망원경에서 최종적으로 제거되었다. 지구로 회수된 WFPC2는 이후 박물관에 전시되었다. 후속 장비인 WFC3는 자외선/가시광선 영역을 감지하는 CCD 2개(각각 2048x4096 픽셀)와 최대 1700 nm 파장의 적외선까지 관측할 수 있는 별도의 1024x1024 픽셀 IR CCD를 갖추고 있다.

6. 기타

* 'WFPC'는 머리글자 그대로 읽어 '더블유 에프 피 씨(WFPC)'로 발음하거나, '위프픽(Wifpik)'으로 발음한다.
* 첫 번째 카메라인 WF/PC-1은 PC 모드와 WFC 모드 중 하나를 선택해서 사용할 수 있었기에 관습상 'WF/PC'로 표기한다. 반면, 항상 PC와 WFC를 동시에 사용하는 두 번째 카메라는 'WFPC2'로 표기한다.