[지구이야기] 공전증거

[공감]

▶ 연주시차

연주시차란 지구의 공전운동에 의한 시차로 천체의 천구상의 위치가 공전주기와 같은 주기로 변화해 보이는 현상이다. 여기서 시차란 삼각형의 한 변을 기선이라하고 그 양쪽 끝에서 반대편 점을 바라봤을 때 그 끼인각을 시차라 한다. 그리고 이 삼각형의 기선을 지구와 태양사이의 거리로 계산할 때 그 끼인각을 연주시차라 한다. 이는 지구가 태양을 공전할 때의 일 년 동안 천체를 관측함으로써 시차를 계산하고 그 시차의 절반이 연주시차가 된다.

연주시차의 크기는 지구에서 천체까지의 거리와 관련이 깊어서, 연주시차가 측정되면 지구에서 그 천체까지의 거리를 알 수 있다. 예를 들어 지구에서 천체의 거리가 3.26광년(빛이 1년 동안 간 거리)일 때 연주시차는 1초(1도의 1/3600)가 된다. 천문학자들은 이 거리를 파섹(pc)란 단위로 만들어서 천체의 거리를 나타낼 때 주로 사용한다. 그리고 연주시차의 크기는 매우 작기 때문에 관측이 상당히 어렵다. 지구와 가장 가까운 항성인 프록시마 센타우리(Proxima centauri)도 연주시차는 겨우 0.76초이다. 이것은 대략 270m앞에 있는 물체를 1mm놓았을 때에 발생하는 시차를 관측하는 것과 마찬가지이다.

하지만 대기의 불안정 등에 의해 지구에서 정밀한 연주시차의 값을 측정하기는 쉽지 않다. 결국 우주공간에서 연주시차의 측정을 하기 위해 1989년에 히파르코스 위성이 쏘아졌고, 그 결과 천체까지 거리의 정밀도가 크게 향상되었다.

▶ 광행차

광행차란 천체를 관측할 때 관측자(지구)가 이동하여 천체의 위치가 움직인 것처럼 보였을 때 그 움직임을 나타내는 용어로 영국의 천문학자 제임스 브래들리(James Bradley)가 발견했다.

예를 들면, 비가 수직으로 떨어지는 도로 위로 자동차를 타고 달리면, 비가 꼭 자신 쪽으로 기울어져 떨어지는 것처럼 보인다. 즉 이 비는 대각선 앞의 하늘에서 떨어지는 듯 생각되나 실제는 자신의 현재 있는 위치의 바로 위의 하늘에서 떨어진 것이다. 이것을 광행차로 설명하면(여기서는 관측자의 이동방향에 대해 수직 방향에 있는 천체를 생각한다) 천체의 빛이 수직으로 오지만 관측자가 이동하고 있기 때문에 천체의 빛은 대각선 앞쪽 하늘에서 온 듯(즉 천체가 대각선 앞 방향에 있는 듯)보인다. 하지만 실제는 바로 위에 천체가 있는 것이다.

일반적으로 관측자가 속도 ν로 이동하고 있고, 이 이동방향에 대해 각도 Ɵ의 방향에 있는 천체를 생각해보면 이 천체의 광행차 각도 α는

α= (ν/c) x sinƟ

라는 식으로 나타낸다.(c는 광속도. 본래 좌변은 sinα이나 각이 한없이 작기 때문에 sinα는 α와 거의 같다. 여기서 α는 라디안 단위이다.)

광행차란 광속도가 매우 크기 때문에 관측자도 상당한 속도로 이동하지 않으면 관측하기 힘들다. 현재 관측자를 가장 빨리 이동시킬 수 있는 것은 지구의 공전이며 이것에 의해 일어나는 광행차를 연주광행차라고 한다. 브래들리가 발견한 것도 이 연주광행차이다.

그리고 지구의 공전속도는 평균 약 29.76km/s이다. 이것을 위의 식에 대입하면 최대 20.49초가 나오고 이는 공전 면에 대해 수직인 천체는 일 년에 한 번씩 반경 20.49초의 원을 그리는 것을 뜻한다.

▶ 도플러효과

도플러효과 또한 지구의 공전을 설명해 준다. 도플러효과란 파(음파, 광파, 전파 등)의 발생원(음원, 광원 등)과 관측자와의 상대적인 속도에 의해 파의 주파수가 다르게 관측되는 현상을 말한다. 발생원이 다가올 경우엔 파의 진동이 좁아져 주파수가 높아지고 반대로 멀어질 경우엔 진동이 넓어져 주파수는 작아진다. 구급차가 지나갈 경우 가까워 질 때는 사이렌 소리가 높게 들리고 멀어져 갈 땐 낮게 들리는 것이 이 현상에 의한 것이다.

빛의 경우에도 마찬가지의 효과가 관측된다. 멀어지는 광원에서의 빛은 붉게 보이고(적색편이) 가까워오는 광원의 빛은 푸르게 보인다(청색편이). 이를 바탕으로 황도위의 별(지구의 공전속도는 황극의 방향으로 속도 성분을 가지고 있지 않고, 황도위의 별 방향으로 가장 큰 속도 성분을 갖는다.)의 도플러 효과를 확인하면 지구가 공전을 하고 있다는 것을 알게 되고 공전속도 또한 구할 수 있다. 그리고 이때 지구의 공전효과를 제외한 여러 가지 요인(태양에 대한 별의 움직임, 태양계의 움직임 등)들로 인해 도플러 효과의 값은 다르게 나올 수 있는데, 이는 1년을 주기로 변하는 지구의 공전효과에 겹쳐져 쉽게 분리가 가능하다. 실제 빛은 상대성이론을 따라 전파되기 때문에 일반적인 도플러효과와는 차이가 있다. 하지만 천체와 지구 사이의 상대적인 속도차이는 광속에 비해 매우 작기 때문에 그 차이는 아주 작아 무시할 수 있다.

자료출처:한국천문연구원