별들의 거리 측정–검증 가능한가?

이동용박사(항공우주공학), ACT뉴스 2017년 7월

 

 

실제로 별들의 거리를 어떻게 결정할까? 또 결정된 거리는 얼마나 정확한 것일까? 그리고 검증은 가 능한가? 여기서 별들의 거리를 결정하는 방법을 소개하려고 한다.

 

천문학자들은 별들의 거리를 추정하는데 시차(Parallax)방법을 사용한다. 시차라는 것은 소위 겉보기 변위(Shift)를 말하는데 한 물체를 관측할 때 두 개의 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 더 크게 변하는 것으로 보인다. 그림과 같이 1월에 하나의 별을 관측하고 6개월 후 7월에 동일한 그 별을 관측하면 원거리 배경에 있는 별들에 대하여 위치가 변한 것을 알 수 있다. 이때 그 움직인 정도를 각도로 표시한 것이 그 별의 '연주시차(annual parallax)'이다.(1)

 

따라서 지구로부터 태양의 거리(AU)를 알고 연주시차 각(p)을 알면 삼각함수로 그 별의 거리(d)를 계산할 수 있다.

 

 

여기서 시차각 (p)의 단위는 아크초(arc seconds ”)이며 1도를 3600으로 나 눈 매우 작은 각도(0.0002777°)이다. 이는 12.8km(8마일) 떨어진 지점에서 6.2cm 직경의 테니스 볼이 이루는 각과 같다. 거리(d)의 단위

pc(parsec)는 206,265AU, 즉 3.26 광년(단위 광년은 빛이 진공에서 일년 동안 달리는 거리)이다. 따라서 파세크(pc) 단위로 하나의 별의 거리(d)는 다음의 간단한 식으로 결정될 수 있다.

 

 

먼저 특정한 별에 대하여 연주시차(p)를 관측하여 시차각을 결정하고 위의 수식을 사용하여 그 별의 거리를 계산한다. 이것이 바로 항성연주시차 방법이다. 여기서 연주시차(p)가 크면 지구로부터 가깝고 작으면 반대로 지구로부터 더 먼 거리임을 나타낸다. 이 방법은 매우 먼 거리의 별들은 시차각이 너무 작아서 적용이 불가하다. 따라서 이 시차측정법은 지구로부터 근거리 별들의 거리를 추정하는 데만 이용될 수 있다.

 

지구에서 가장 가까운 알파 센토리 별(Proxima Alpha Centauri)이 가장 큰 연주시차를 보여 주는데, 그 값이 0.76” (0.000211° 또는 1.32pc = 4.26 광년)이다. 이는 5300m 떨어진 곳에 직경 2cm 구슬이 이루는 각도와 같다.

 

별들의 거리를 추정하는 또 다른 방법은 별빛의 밝기를 이용하는 방법이다. 이는 보통 600광년 이상의 먼 별들의 거리를 추정하는데 사용된다. 하나의 특정한 별의 밝기(Brightness)를 측정(Magnitude scale)하고 그 밝기를 비교함으로 그 별의 거리를 결정한다.(2)

1989년 유럽우주연맹(ESA)은 HIPPARCOS(High Precision Parallax Collecting Satellite) 위성으로 보다 정확한 시차를 구하고자 하였다. 지표 대기의 영향을 피하여 지구 상공을 선회하는 이 위성으로 1993년까지 과거 어느 때 보다 더욱 많은 별들에 대하여 정확한 시차를 구하였다(Hipparacos Catalogue 참조).(3) 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 초속 약 30만km를 진행하지만 오늘날 과학자들은 빛의 속도가 통과하는 영역에 따라 변한다는 것을 실험으로 확인한 바 있다.

 

그러나 별의 거리를 추정하는 시차방법에서는 빛의 휨이나 에너지의 손실 등이 없다고 가정해야하며 또 계산이 적용되는 공간이 삼각함수가 적용될 수 있는 기하공간(Euclid Space)이라고 가정해야 한다. 만일 빛이 통과하는 공간이 삼각함수를 적용할 수 없는 타원우주(Elliptical) 또는 쌍곡우주(Hyperbolic)라면 이야기는 모두 달라진다.(4)

 

 

천문학자들은 지금까지 연주시차 방법으로 600광년까지 약 12만개 별들의 거리를 추정해 왔다. 그들은 오늘날 시차각 측정의 오차 범위를 0.001”(0.00000027778°)로 말하고, 그 정확도에 대하여 약 400개의 근거리 별들의 거리에 대하여 1%, 그리고 약 7000개 별들의 거리는 5%의 오차 범위로 주장한다. 물론 측정장치의 정밀도가 높아지고 계산기의 오차가 줄은 것은 사실이다. 하지만 아무리 정확성이 높아졌어도 그 거리들이 얼마나 정확한 것인지 검증할 다른 대안이 없다. 가장 가깝다는 알파 센토리 별까지 4.26 광년이지만 이를 검증할 다른 기술이 없는 것이다.

 

결론적으로 계산된 별들의 거리에 대한 정확성이 어떻든 별들은 지구로부터 매우 먼 거리에 있다. 저절로 우주가 생겼다면… 진화가 사실이라면… 왜 수없이 많은 별들이 그렇게 멀리 떨어져 있을까? 그럴 필요가 없을 텐데……. 오직 성경만이 “하늘이 하나님의 영광을 선포하고 그가 하신 일을 나타내고 있다(시 19:1)”고 그 이유를 말해 주고 있다.

 

[1] Palen, S., Theory and Problems of Astronomy, Schaum’s Outline Series, McGraw-Hill, 2002.

[2] Ridpath, I., A Dictionary of Astronomy, Oxford University Press, 1997.

[3] Perryman, M. A. C., et al, The HIPPARCOS Catalogue, Astronomy & Astrophysics 323:L49-L52, 1999.

[4] NASA, Shape of the Universe, WMAP Web: http: //map.gsfc.nasa.gov/universe/uni_shape.html.