천문학 강의 - 적경과 적위 이해하기

 

많은 이들이 도시에서 살아가는 현대에 밤 하늘의 별을 보기란 참 쉽지 않은 경험이다. 그리고 그런 이유로 인해 사람들은 이젠 밤 하늘에 대해 많이 무관심해져버리기도 했다. 하지만 이런 일반인들의 무관심과는 별도로 우주를 연구하는 천문학 분야는 엄청난 발전을 이루고 있는데 오늘부터 틈나는 대로 조금씩 이것에 대해서 알아보기로 하겠다.

 

미리 말해두지만 이 글을 쓰는 나 역시도 천문학엔 거의 문외한이기 때문에 이 글을 완성해나가는 과정 자체가 나 스스로도 공부를 하는 과정이 될 것이다. 그리고 만약 예상대로 뭔가 제대로 공부가 되었다면 올해 나름대로의 정리가 이루어 질 것이라고 믿는다.

 

오늘은 천문학에 대한 공부 첫번째로 우주를 어떻게 구분하는가에 대한 이야기를 해보겠다.

 

1. 위도와 경도 이해하기

 

요즘은 GPS를 이용한 장치들이 아주 많이 나와 있어서 응용이 많이 되고 있다. 그리고 이것을 가능케 해주는 위성을 통해 우리가 알 수 있는 최종 정보는 바로 현 위치의 위도와 경도 값이다. 위도는 지구를 적도를 기준으로 나누고 경도는 영국의 그리니치 천문대를 기준으로 세계를 360도로 구분한 값이다.

 

(1) 북위 : 적도를 기준으로 북극쪽으로 0 ~ 90도 까지 값을 갖는 위도 값

(2) 남위 : 적도를 기준으로 남극쪽으로 0 ~ 90도 까지 값을 갖는 위도 값

(3) 동경 : 그리니치 천문대를 기준으로 시계 방향으로 회전하면서 0 ~ 180도 값을 갖는 경도 값

(4) 서경 : 그리니치 천문대를 기준으로 시계 반대 방향으로 회전하면서 0 ~ 180도 값을 갖는 경도 값

 

그림 1) 위도와 경도 개념

 

위도와 경도는 매우 일반적인 수준의 지식으로 따로 공부하지 않아도 대부분 이해할 수 있을 것이다. 우리가 흔히 말하는 남북 분단이 상징인 38선은 정확히 말해서 북위 38도를 의미하는 말이다. 실제로 대충 그 지점을 기준으로 남북이 갈라져 있다.

 

2. 적위와 적경 이해하기

 

위에서 뜬금없이 왜 위도와 경도를 설명했는지 이제 그것의 진짜 목적을 알아보기로 하자. 지구는 둥근 구체이다. 따라서 표면에 위도와 경도처럼 가상의 선을 그어서 어떤 위치든 간에 정확하게 그것을 표현할 수 있다. 비록 3차원의 구체이지만 실제로 2차원의 값으로서 X, Y 두 값만 알면 되는 것이다. 물론 우리가 지구의 바닥을 파고 또 파서 아주 깊게 판다면 그땐 깊이에 관한 Z축을 고민하게 될 것이다. 하지만 지금은 아니다.

 

우주는 지구와는 다른 광할하기 그지없는 공간이다. 따라서 지구처럼 단순하게 구분하여 위치정보를 정의할 수 없다. 일단 북극,남극,적도와 같은 기준점이 없다. 그러니 기준점이 없을 경우에 어떻게 위치 정보를 정의할 수 있단 말인가?

 

하지만 우리 인간에겐 아주 단순한 해결책이 하나가 있다. 그것은 그냥 단순히 보이는 것을 기준으로 정의해버리는 방법인데 실제로 우리가 밤 하늘을 아무리 쳐다봐도 각 별들과 지구와의 거리는 측량이 불가능하다는 점을 이용한 직관적인 방식이다. 즉, 이 이야기는 밤하늘에 있는 별들의 위치에 거리라는 개념은 없애버린 후 단순히 구면화된 2차원 평면으로 만든 후 이것을 지구의 위도와 경도 개념에 맞춰버리면 되는 것이다.

 

그래서 나온 개념이 바로 적위와 적경이다.

 

하지만 적위와 적경의 개념은 위도와 경도를 이해하는 것처럼 그렇게 쉽진 않다. 그나마 적위는 위도와 거의 개념이 유사하기 때문에 쉽지만 적경은 아예 시간으로 표시되기 때문에 처음부터 헷갈린다.

 

그래도 이해를 해야하니 일단 쉬운 적위 개념을 이해해보자.

 

그림 2) 위도의 확장으로 생겨나는 적위 개념

 

그림에서 보다시피 적위는 단순하다. 그냥 지구를 둘러싼 거대한 원상에 (우리가 보는 모든 하늘의 물체가 거리에 상관없이 모두 같은 동그란 구상에서 존재한다고 가정, 이것을 천구라고 부른다)  가상의 확장된 선을 그어서 거기를 기준점으로 삼아 북극쪽으로 갈 땐 0 ~ 90도로 변화하고 반대로 남극으로 갈 땐 0 ~ -90로 변화한다. 즉 북극에서 남극으로 갈 때 90 ~ -90도로 변화되는 것이다. 이것은 북위 남위 개념만 없어졌을 뿐 지구에서 사용 중인 위도 개념과 정확히 동일하다.

 

이로 인해 지구의 중심에서 북극점을 지나 가상의 천구에 도착하는 곳에 있는 위치가 적위로는 가장 큰 값을 갖는 90도 이며 우리가 아주 잘 아는 별인 북극성의 북위는 89도 15분 51초 쯤 된다.

 

이젠 좀 어려운 적경의 개념을 이해해보자.

 

일단 모든 천체는 동쪽에서 떠서 서쪽으로 진다는 기본적인 사실을 상기하자. 이 말은 다시 말하면 모든 천체는 매일 한번씩 남중 지점을 (가장 높게 뜨는 지점. 보통 뜨는 시간과 지는 시간의 중간 값) 지난다는 뜻이다. 하지만 지구의 공전으로 인해 이 값은 매일 조금씩 변화된다. 이 원리는 좀 더 후에 이해하도록 하고 일단 이 가정을 이어가보자.

 

그림 3) 적경이 정해지는 원리

 

그래서 3월 21일 (춘분일)을 기준으로 태양이 남중되는 시간을 기준으로 각 천체 대상이 남중되는 시간의 차이를 적경으로 정했다. 즉 태양이 남중되는 시간을 0시라고 보고 모든 천문 대상이 차례로 남중 될때까지 걸리는 시간의 차이를 적경값으로 정의 한 것이다. 이렇기 때문에 적경값은 그 전의 위도/경도나 혹은 적위와도 다르게 시간으로 표시가 된다.

 

물론 지구는 태양의 주변을 1년에 한번 공전하기 때문에 거의 매년 이 값은 같지만 우리 은하계 자체도 회전하고 이동 중이기에 아주 미세하게 매년 달라진다. 하지만 이 값을 매년 측정해서 배포하기에는 너무 힘드므로(보통 천문 장비들에는 이 값이 모두 자체 저장되어 있어서 이 값을 바꾸기가 쉽지 않다) 일정 기간마다 재 정밀한 장비로 재측정을 하는데 지금 쓰는 적위/적경 좌표는 2000년도 기준으로 작성된 값이다.

 

* 실제로 우리가 매일 보는 밤하늘 별자리 역시도 미세하게 변화하고 있으며 지구의 자전축과 일치한다고 철썩같이 믿고 있는 북극성 역시도 그 자리를 내 놓아야 할 시기가 오게 될 것이다. 하지만 이런 변화의 시간에는 우주적인 시간이(최소한 만년 단위) 필요하므로 우리 인간의 한정된 삶에서는 크게 고려할 필요가 없다는 점은 다행이다.

 

자, 그러면 우리는 왜 이 적경과 적위의 개념으로 만들었을까? 물론 천구 좌표계의 일종으로 우주에 존재하는 모든 대상체에 대한 좌표값을 설정할 수 있다는 상식적인 내용말고 우리가 실제적으로 활용 가능한 영역이 어디일까를 생각해보자.

 

지구에서 위도와 경도를 알면 그 어떤 물체든 간에 지구상에 어디에 있는지 엄청난 정밀도로 알 수 있다. 그리고 적경과 적위 역시도 마찬가지다. 하지만 여기엔 계산이 좀 필요하다. 그것은 바로 우리가 알고 있는 적경과 적위값은 매년 3월 21날을 기준으로 만들어졌기 때문이다. 그래서 1년 중 특정한 어떤 날의 대상의 위치를 알려면 몇가지 추가적인 정보가 필요하다. 그것은 바로 위치를 알고자 하는 시점의 정확한 날짜와 시간이다.

 

이 계산법은 그리 복잡하지는 않지만 그냥 개념상으로 생각해보자. 만약 오늘이 3월 21일이라면 적경이 0시인 대상은 낮 12시 쯤 남중을 하게 될 것이다. 왜냐하면 원래 그것을 기준으로 했기 때문에 그렇다. 우리가 처음 적경을 정할 때 매년 3월 21일 태양이 남중을 하는 시간을 기준으로 차례로 따라오는 다른 별들이 몇시간 후에 남중을 할지 재서 결정했기 때문에 그런데 이 원리를 이용하면 적경이 2시인 경우엔 오후 2시에 남중을 한다.

 

별은 하루에 지구를 한바퀴 돈다. 정확히 말하면 지구는 하루에 한바퀴 자전한다. 그러니 지구는 하루에 360도를 회전하고 시간당 15도를 움직이게 된다. 즉 이 원리를 이용하면 적경이 2시인 별이 있을 경우 이 별은 12시 현재 남중에서 동쪽 방향으로 30도 (15 * 2)만큼 남중 되기 전 위치에 존재하고 있는 것이다.

 

이 적경값이 크면 클 수록 동쪽 방향으로 가까워지며 만약 90도가 넘어가면 아예 지면 아래에 있는 별이 된다. 만약 12시라면 180도 즉 현재 가장 낮은 위치에 존재하고 있을 것이다.

 

 

그림 4) 춘분일을 기준으로 별의 적경을 단순하게 계산하는 법

 

그리고 같은 날 만약 시간이 더 흘러 오후 6시가 되었다고 쳐도 결국 시간각으로 보면 원래 위치에서 90도 만큼( 15* 6) 더 회전한 위치에 존재한 다는 것을 쉽게 계산해 낼 수 있다. 즉 3월 21일날엔 모든 천체에 존재하는 대상 물체의 위치가 매 시간별로 바로바로 계산이 된다. 12시 기준으로 그보다 오전이면 각도를 빼면 되고 12시 이후면 지나간 시간만큼 각도로 계산해서 더해주면 된다.

 

그림 5) 기준 시간이 12시를 6시간 넘긴 후 해당 별의 위치 계산하는 법

 

이제 여기에 지구의 공전으로 인해서 벌어지는 매일 조금씩 달라지는 것만 보정하면 일년 언제 어느시간이든 상관없이 별의 위치를 알아낼 수 있다. 이것은 다음 시간에 설명하도록 하겠다.

 

* 이 설명에서 적위에 관한 내용을 빼놨는데 이 부분은 추후 적경 설명을 모두 마친 후 추가하도록 하겠다.

 

* 여러번 말해왔지만 이 글을 쓰는 본인 역시도 천문학에는 왕초보이다. 따라서 이 설명들이 아주 엉뚱할 수도 있다. 하지만 기존의 천문학 전문 자료들을 보면 개인적으로 머리가 딸려서 잘 이해가 되질 않아서 그냥 최대한 이해한 후 대충 개념만 맞게 설명했다. 그래서 아마도 시험 문제 답으로 썼다간 잘못될 수 있으니 참고 하시기 바란다.