별들의 거리
이동용, ACT뉴스 2010년 2월
천문학자들은 별들의 거리를 어떻게 측정할까? 또 측정된 거리는 얼마나 정확한 것일까? 그리고 검증은 가능한가? 여기서 별들의 거리를 결정하는 방법을 간단히 살펴보려고 한다.
먼 별들의 거리를 추정하는데 천문학자들은 시차(Parallax)방법을 사용한다. 시차라는 것은 겉보기 변위(Shift)를 말하는데 한 물체를 관측할 때 두개의 서로 다른 조준선(Line of Sight)이 교차하면서 배후 면에 만드는 거리이다. 지구가 태양의 궤도를 선회함에 따라서 가까운 거리의
별들은 보다 먼 별들에 대하여 상대적으로 위치가 크게 변하게 된다. 뒷면 그림과 같이 1월에 하나의 별을 관측하고 6개월 후인 7월에 동일한 그 별을 관측하면 원거리 배경 있는 별들에 대하여 위치가 편이된 것을 알 수 있다. 이 때 그 움직인 정도를 각도로 표시한 것이 그 별의 ‘연주시차(annual parallax)’이다(뒷면 그림).
따라서 지구와 태양간의 거리(AU)를 알고 연주시차 각(p)을 알면 작은 각을 적용한 삼각함수로 그 별의 거리(d)를 계산할 수 있다.
d = 206,265 AU/p
여기서 시차각 (p)의 단위는 아크초(arc seconds ”)이며 단위 각 1도를 3600으로 나눈 매우 작은 값(0.0002777도)이다. 이는 12.8 Km(8마일) 떨어진 지점에서 6.2cm직경의 테니스 볼이 이루는 각과 같다. 거리의 단위 pc(parsec)는 206,265AU, 즉 3.26광년(단위 광년은 빛이 진공에서 일년 동안 달리는 거리)이다. 따라서 pc단위로 하나의 별의 거리는 다음의 간단한 식으로 결정될 수 있다.
d(pc) = 1/p(“)
먼저 특정한 별에 대하여 연주시차를 관측하여 시차각을 결정하고 위의 수식을 사용하여 그 별의 거리를 계산한다. 이것이 바로 항성연주시차 방법이다. 여기서 연주시차 편이가 크면 지구에 가깝고 편이가 작으면 반대로 지구로 부터 더 먼 거리임을 나타낸다. 이 방법은 매우 먼 거리의 별들은 연주시차 값이 너무 작아서 적용이 불가하다. 따라서 이 시차측정법은 지구에 가까이 있는 별들의 거리를 추정하는데 사용된다.
지구에서 가장 가까운 별은 센타우루스(Proxima Centauri) 별이다. 따라서 이 별은 가장 큰 연주시차를 보여 주는데 그 값이 0.76” (0.000211도 또는 1.32pc = 4.26 광년)이다. 이는 마치 5.3 Km 떨어진 곳에서 직경 2cm 구슬이 이루는 각과 같다.
별들의 거리를 추정하는 간접적인 방법으로는 별 빛의 밝기를 이용하는 방법인데 이는 보다 먼 별들(600광년 이상)의 거리 추정에 사용하고 있다. 하나의 특정한 별의 밝기(Brightness)를 측정(Magnitude scale)하고 밝기를 비교함으로 그 별의 거리를 결정한다. 이 방법은 1922년 Henrietta Leavitt이 제안하여 많은 구상성단(Globular Cluster)들의 거리를 추정하는데 사용되어 왔다.
천문학에서 태양계를 넘어 원거리에 존재하는 물체의 거리를 직접 결정하는 방법은 시차방법 뿐이다. 1989년 유럽우주연맹(ESA)은 HIPPARCOS(High Precision Parallax Collecting Satellite) 위성을 발사하여 보다 정확한 시차를 구하고자 하였다. 지표 대기의 영향을 피하여 지구궤도를 돌면서 1993년까지 과거 어느 때 보다 더욱 많은 별들에 대하여 정확한 시차를 구하였다(Hipparacos Catalogue참조). 하지만 별들의 거리를 결정하는 원리에 있어서는 조금도 다르지 않다.
이렇게 지상에서 별들의 거리를 추정하는 직접 또는 간접적인 방법 모두가 근본적으로 빛을 대상으로 한다. 전적으로 빛에 의존하는 것이다. 빛은 진공에서 일초 동안에 약 30만 Km를 진행하지만 오늘날 과학자들은 빛의 속도는 통과하는 영역에 따라 변하는 것으로 받아들인다. 2000년 NEC는 세슘챔버를 통과하는 빛에 대한 실험을 통해 이를 확인한 바 있다(NEC Press Release 2000/7/19-01)
그러나 별의 거리를 추정하는 시차방법에서는 빛의 휨이나 에너지의 손실 등이 없다고 가정하며 또 계산이 적용되는 공간영역이 삼각함수가 사용될 수 있는 유크리드 기하공간(Euclid Space)으로 가정한다. 만일 빛이 통과하는 공간이 삼각함수를 적용할 수 없는 타원공간(Elliptical space) 또는 쌍곡공간(Hyperbolic space)이라면 이야기는 모두 달라진다.
오늘날 시차각 측정의 오차 범위는 0.001” (0.00000027778도)로 추정한다. 따라서 천문학에서 이 연주시차를 사용해서 약 400개의 근거리 별들의 거리에 대하여 1%, 그리고 약 7000개 별들의 거리는 5%의 오차 범위로 정확한 것으로 본다. 지금까지 연주시차 방법을 사용해서 600광년까지 약 12만개 별들의 거리를 결정해 왔다. 하지만 그 거리들이 얼마나 정확한 것인지 검증할 다른 대안이 없다. 가장 가깝다는 센타우루스 별까지 4.26광년이지만 이를 측량할 다른 기술이 없는 것이다.
결론적으로 추정된 별들의 거리에 대한 정확성이 어떻든 별들은 매우 먼 거리에 있다. 왜 그렇게 많은 별들이 그렇게 멀리 존재하고 있을까? 창세기 1장 16절에 “또 별들을 만드시고”라고 간결하게 별들에 대하여 말하고 있다. 우주에 셀 수 없이 많은 별들 그리고 각각 별들의 고유하고 특이한 경이로움 또 그 광대하고 끝이 없는 우주에 대하여 긴 설명을 할 수도 있었을 것이다. 그러나 성경은 간결하게 표현하고 있다. 반면에 과학자들은 별들에 대하여 확인된 사실이 거의 없지만 그들의 주장은 수많은 책으로 출판되었다. 그들은 각기 이론체계를 세우고 나름대로 그들의 믿음을 설명하지만 구약성경의 시편 기자는 “하늘이 하나님의 영광을 선포하고 그의 손으로 하신 일을 나타내는 도다(시19:1)”라고 별들의 존재 이유와 의미를 말해 주고 있다.
