화성 탐사 로버 큐리오시티가 1억 4천만 마일 떨어진 지구의 독특한 초상화를 어떻게 포착했는가
화성의 큐리오시티 로버는 2012년 8월 6일에 화성의 갈레 분화구에 착륙했습니다. 그 이후 12년간 이 로버는 화성에서 많은 놀라운 것들을 목격하고, 이전에 본 적 없는 수천 장의 사진을 촬영했습니다. 그 중 하나는 화성에서 본 지구와 화성의 위성 포보스의 첫 번째 사진입니다.
PetaPixel은 마크 레몬(Mark Lemmon)과 대화를 나누었으며, 그는 오랜 시간 화성 큐리오시티 팀의 일원이며 우주 과학 연구소의 천문학자입니다. 새로운 이미지에 대해 이야기하며, 팀이 새로운 이미지를 캡처하는 방법과 이 획기적인 사진이 인류의 우주 탐사에 의미하는 바에 대해 더 배우게 되었습니다.
이 이미지는 큐리오시티의 마스트 카메라(Mast Camera), 즉 마스트캠을 사용하여 캡처되었습니다. 이 컬러 카메라는 일반적으로 붉은 행성의 표면과 대기 특성의 파노라마 사진과 비디오를 촬영합니다. 이 카메라는 1.9 메가픽셀 카메라로, 1,600 x 1,200 픽셀 이미지를 캡처합니다. 그러나 팀은 여러 프레임을 결합하여 더 큰 합성 이미지 또는 파노라마를 만들며, 이는 마스트캠의 실효 해상도를 확장하는 데 도움이 됩니다. 예를 들어, 2022년 PetaPixel은 마스트캠이 133장의 이미지를 캡처하여 화성의 과거 기후 변화를 보여주는 광대한 파노라마를 생성한 것에 대해 보도했습니다.
레몬은 마스트캠이 34mm와 100mm 두 개의 카메라를 가지고 있다고 설명합니다. 100mm 카메라는 더 먼 물체를 볼 수 있지만, 움직임 블러에 더 민감합니다.
“마스트캠은 기본적으로 지질학을 문서화하기 위한 풍경 카메라로 로버에 장착되어 있습니다. 주로 컬러 사진을 촬영하지만 조성을 평가하고 태양 이미징을 돕기 위한 다중 스펙트럼 이미징 필터 휠도 있습니다,” 라고 레몬은 말합니다.
“태양 이미지는 대기 내 먼지 함량을 측정하기 위한 기상 캠페인의 일환으로 촬영되며, 월식/트랜짓 비디오는 위성의 궤도 진화를 측정하는 데 도움이 됩니다. 지난해 하나의 필터 휠이 고장 난 후 두 카메라는 컬러 이미징을 위해 클리어 포지션에 남겨져 있습니다.”
포보스와 지구를 보여주는 새로운 합성 이미지를 위해 레몬은 마스트캠의 시퀀스가 포보스가 지구를 지나기 93초 전에 시작되었다고 말합니다.
“카메라는 지구를 향해 조준하였고 각각 0.75초 동안 다섯 장의 이미지를 촬영했습니다. 이는 100mm 카메라의 움직임 블러를 제어하기 위해 선택된 것입니다,” 라고 레몬은 설명합니다. “이 세트의 중간 이미지는 삽입의 기준점이 되었고, 지구와 포보스가 가장 가까운 장면이었습니다.”
마스트캠의 렌즈는 f/10이므로, 레몬이 언급한 대로 그 광학 장치는 지구의 천체 사진 작가들이 저조도 이미징을 위해 전통적으로 사용하는 것과는 다릅니다.
합성 이미지는 “약간의 변형을 더한 간단한 버전의 천체 사진 스태킹 기술”이라고 레몬은 말하며, 그는 팀과 함께 가장 깨끗한 이미지를 얻기 위해 이미지를 스택하는 작업을 했습니다.
그 카메라는 이후 “수평선 쪽으로 아래로 바닥을 기어가는” 10초 노출의 2x5 이미지 모자이크를 시작했습니다. 레몬은 이미지가 일몰 이후 먼지 폭풍이 지나고 나서 캡처되었기 때문에 하늘이 너무 어두운 것이 아닌가 걱정했지만, 최종 결과는 보정 후 잘 작동했습니다.
최종 합성 이미지에는 더 많은 전경 세부 묘사를 추가하기 위해 주간에 촬영된 이미지가 포함됩니다. 여전히 레몬은 결과 이미지가 “큐리오시티 옆에 서 있는 사람이 인지했을 법한 모습과 멀지 않다”고 설명합니다.
“우리의 다이내믹 레인지와 빛 수준 변화에 적응할 수 있는 능력은 인쇄물이나 일반 모니터의 능력을 넘습니다,” 라고 레몬은 말합니다. “지구는 점점 어두워지는 황혼 속에서 ‘첫 별’처럼 보였으며, 우리가 지구에서 보는 가장 밝은 별들과 같은 밝기를 가졌을 것입니다. 그 장면을 보는 사람이 지구 바로 아래 왼쪽에 있는 우리의 달도 보았을 것이라고 믿습니다. 그러나 짧은 노출과 하늘 배경으로 인해 충분히 밝지는 않았습니다.”
레몬과 팀이 직면한 또 다른 과제는 마스트캠의 이미지 센서에 대한 점진적인 손상입니다. 화성에 12년 동안 머물러 있는 로버는 U2 스파이 비행기의 비행 수준과 유사한 지속적인 방사선 수준에 노출되었습니다. 방사선이 검출기에 미치는 타격은 “대부분 해롭지 않지만” 가끔 손상을 일으킵니다.
“가끔 발생하는 충격은 손상을 초래하며, 일반적으로 픽셀의 어두운 전류의 유의미한 증가로 나타납니다. 이는 빛이 없어도 픽셀에서 감지되는 신호입니다. 카메라가 실험실에 있었을 때와는 극적으로 변했습니다. 지난해 중반 이후로도 변화가 있었으며, 우리는 마지막으로 태양 필터를 사용하여 낮에 ‘어두운’ 이미지를 얻을 수 있었던 때와도 달라졌습니다. 몇 밀리초의 일반 노출 동안에는 아무런 문제가 없습니다. 대부분의 천문학적 이미징에도 문제는 없으며, 달과 별들은 움직이고 뜨거운 픽셀은 움직이지 않습니다. 장시간 노출 풍경 이미지는 도전이었습니다,”라고 레몬은 말합니다.
몇 달에 걸쳐 준비된 멋진 사진
이 이미지에 대한 아이디어는 “몇 달 전부터” 있었지만, 실제 계획 및 실행 단계는 매우 빠르게 이루어졌습니다.
“8월 29일, 저는 기회를 찾고 있었고, 그 시점이 지구가 저녁 별로 보일 때라는 것을 주목했습니다. 저는 무작위로 하늘을 확인하는 과정에서 데이모스 근처에서 지구를 우연히 발견했습니다. 데이모스는 크기가 작아, 얇은 초승달이 아닐 때도 마찬가지였습니다. 그래서 포보스를 찾았고, 올해 가장 가까이 접근하는 야간 시점이 9월 5일이라는 것을 발견했습니다,” 라고 레몬은 설명합니다.
그와 몇몇 카메라 연결 리더들은 큐리오시티 프로젝트 과학자로부터 승인을 받은 후 8월 30일부터 계획을 세우기 시작했습니다. 큐리오시티 팀은 9월 2일 9월 5일 활동을 계획했으며, 다행히 로버는 필요한 사진을 캡처하는 데 맞춰 활동을 마칠 예정이었습니다.
“팀은 매우 협조적이었습니다,”라고 레몬은 덧붙입니다.
이미지 캡처가 계획된 시작 90분 전에 레몬은 텍사스에서 해가 뜨기 전 개를 산책시키고 있었고, 밤하늘에서 화성을 보았습니다. 큐리오시티가 곧 계획된 사진을 캡처할 것임을 알고 있었습니다.
이미지 캡처가 시작되자 사진은 지구로 빠르게 전송되었습니다. 레몬은 그날 늦게 합성 초안을 작업하고 있었지만, 최종 이미지를 완성하는 데는 또 다른 일주일가량 걸렸습니다. 9월 5일 계획은 매우 잘 진행되었지만, 레몬은 다른 옵션도 있었던 것을 밝힙니다.
“우리는 대안이 있었습니다: 5일 후에는 훨씬 더 어두운 조건에서, 그리고 5일 후에는 매우 밝은 하늘 아래에서는 물체가 보기가 어려울 때였습니다. 우리는 훨씬 더 나은 기회를 잡았다고 생각합니다.”
전설적인 우주 사진에서 영감을 받다
레몬은 1990년의 '희미한 푸른 점(Pale Blue Dot)'이라는 가장 상징적인 우주 이미지 중 하나에서 영감을 받았습니다. 이 이미지는 1990년 2월 14일 NASA의 보이저 1호에 의해 촬영되었으며, 지구는 37억 마일(60억 킬로미터) 떨어진 곳에서 보여집니다.
그 이미지는 프레임 안에서 지구가 매우 작게 보이지만, 우주에 대한 사랑과 경외감을 불러일으킨 카를 세이건의 말에 따르면: “그 점을 다시 보세요. 그게 여기입니다. 그게 집입니다. 그게 우리입니다.”
“저는 공개되었을 때 '희미한 푸른 점' 이미지에 영감을 받았고, 카를 세이건의 생각이 마음에 깊게 스며들었습니다. 우리가 탐험할 때, 가끔 뒤를 돌아보는 것은 자연스럽고 필수적입니다,” 라고 레몬은 말합니다.
그는 이러한 이미지가 “화성의 역사에 대한 이해를 발전시키지는 않지만,” 계속해서 미션의 맥락을 설정하는 것이 중요하다고 인정합니다. “우리는 무엇보다도 탐험하고 있습니다,”라고 그는 말합니다.
“내가 알기로는, 몇몇 사람들이 이 이미지를 보고 – 그 작은 푸른 점이 무엇인지 이해하고 – 우주의 광대함과 그 안에서 우리의 작은 위치에 대한 느낌을 얻지 못하는 경우가 거의 없습니다. 화성의 하늘 이미지, 앞에 있는 능선과 위에 있는 지구만으로도 충분했을 것입니다. 포보스가 지구와 함께 프레임에 들어가면 시각적으로 압도적이며 또 다른 층을 더합니다.”
레몬이 설명하듯이, 첫눈에 이 이미지는 밋밋하게 보일 수 있습니다. 그러나 관객이 가까이에서 들여다보면 그것이 외계의 풍경과 외계의 위성, 그리고 지구와 연결되어 있음을 알 수 있습니다.
“저는 이것이 매우 특별한 이미지가 된다고 생각합니다 — 그 힘은 픽셀의 수에 있는 것이 아니라 관객이 그 점이 우리임을 상상할 수 있는 능력에 있습니다.”
이미지 출처: NASA/JPL-Caltech/MSSS
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