지구에서 수천 광년 떨어진 별까지의 거리는 어떻게 측정하나?

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Q: 지구에서 수천 광년 떨어진 별까지의 거리는 어떻게 측정하나?

지구로부터 7500광년 떨어져 있는 곳의 가스와 먼지 등을 찍은 카리나 성운의 사진을 본적이 있습니다. 카리나 성운이 지구로부터 7500광년 떨어져 있다는 것을 어떻게 측정하는지 궁금합니다. 또 지구 가까이 있는 태양이나 화성 등 태양계 행성들까지의 거리는 어떻게 측정하나요?

A: 지구와 태양에서 바라본 별과의 각도차인 연주시차를 이용해 별까지의 거리를 측정, 아주 먼 별은 별의 밝기를 이용해 거리를 추정

지구에서 별까지의 거리를 재는 방법으로는 연주시차(年周視差·annual parallax)에 의한 것이 있습니다. 1년을 주기로(연주) 보이는 별의 위치 차이(시차)를 이용해 거리를 구하는 것입니다. 지구는 태양을 중심으로 공전합니다. 지구가 태양 왼쪽에 있을 때 관측한 별의 위치와 지구가 반년 후 태양 오른쪽에 가 있을 때 지구에서 관측한 별의 위치는 달라집니다.

별을 꼭짓점으로 하고 지구와 태양을 다른 꼭짓점으로 해서 만든 삼각형에서 별과 태양, 별과 지구 사이의 각도를 연주시차라고 부릅니다〈그림〉. 그러나 지구에서는 별의 위치를 관측할 수 있지만 태양에서 별의 위치를 관측하는 것이 불가능하기 때문에, 지구가 태양의 왼쪽에 있을 때와 반년 후 태양 오른쪽에 왔을 때의 별과의 각도를 측정해 그것을 반으로 나눠 연주시차를 구합니다. 이렇게 해서 구한 연주시차와 지구와 태양까지의 거리를 기초로 삼각측량의 원리를 원용해 지구에서 별까지의 거리를 구하는 것입니다.

태양과 지구와의 거리는 금성을 매개로 측정합니다. 서울대 물리천문학부 이명균 교수는 "지구와 금성과의 거리를 레이더로 측정하고 다시 금성, 지구, 태양이 이루는 각도와 지구, 금성의 거리 정보를 바탕으로 지구와 태양의 거리를 간접적으로 측정한다"고 말합니다.

하지만 별이 너무 먼 곳에 있으면 별과 지구와 태양이 이루는 각도가 너무 작아 연주시차 방식으론 먼 별까지의 거리를 알아낼 수가 없습니다. 천문학자들은 통상 50광년(光年·1광년은 빛이 1년간 달린 거리=약 9조4600억㎞)이 넘는 곳에 있는 별들은 연주시차론 거리를 측정할 수 없다고 말합니다.

이런 경우엔 별의 밝기를 바탕으로 거리를 측정합니다. 깜깜한 밤에 켜 놓은 손전등이 1m 거리에 있을 때와 1㎞ 거리에 있을 때 보이는 밝기가 달라집니다. 별이 눈에 보이는 밝기에 따라 매긴 등급을 '겉보기 등급'이라 하고, 겉보기 등급에 따라 별이 지구에서 얼마나 떨어져 있는지를 측정합니다.

▲ 조호진 기자

지구에서 본 별의 밝기는 지구와 별 사이 거리의 제곱에 반비례합니다. 결국 별이 원래 어떤 정도로 밝은지를 안다면 지구에서 얼마나 떨어져 있는지를 파악할 수 있습니다. 별의 원래 밝기를 알아내는 데는 온도와 색깔을 활용합니다. 별은 밝을수록 온도가 높습니다. 별의 온도는 별이 내뿜는 빛의 색깔로 추정합니다.

별빛이 보이지 않는 먼 거리의 은하는 '도플러(Doppler) 효과'를 사용해 거리를 측정합니다. 내게 멀어지는 쪽으로 가는 오토바이 소리와 나에게 가까이 오는 쪽의 오토바이 소리는 다른데 이것을 도플러 효과라고 합니다. 우주는 팽창 중이어서 먼 곳의 은하가 지구에서 멀어지는 정도를 도플러 효과로 측정해 은하와 지구의 거리를 파악하게 됩니다