천문학 강의 - 항성시 이해하기

 

지난 시간에 적위, 적경의 개념을 이해하고 춘분일을 기준으로 하는 적경의 원리에 대해 간단히 알아보았다. 그리고 오늘은 지구의 공전으로부터 발생되는 별의 위치 변화와 자전으로부터 오는 별의 위치 변화를 어떤식으로 조합해서 일년의 특정한 어느 날 어느 시간에 별이 천구의 어디에 있는지를 알아내는 방법에 대해 이야기 해보겠다.

 

일단 다음 그림을 보자

 

그림 1) 지구가 공전을 할 때 일어나는 변화

 

위의 그림에서 일단 '가' 지점에서의 상황을 보자. 중앙의 지구 그름 중 a 라고 표시된 노란색 둥근 원이 밤 하늘을 바라보는 사람이라고 가정한다.

 

a 지점의 사람은 현재 밤 12시 상황이다. 그리고 별은 1,2,3 차례로 떴는데 1은 현재 거의 남중을 하고 있는 상태이며 2, 3은 남중 지점을 향해 움직이고 있다 (실제는 지구가 자전중이다)

 

그럼 이로부터 3개월 후 어느날 '나' 지점에 지구가 있을 때를 생각해보자. 일단 여기에서 정확히 이해해야 하는 것은 우리가 하루라고 칭하는 것은 지구의 자전이 360도를 돌아서 원점으로 오는 날이 아니라는 점이다. 이것이 무슨 말인지 헷갈릴 수 있는데 '가' 지점에서 매일매일 자전을 한 지구가 '나' 지점에 정확히 같은 위치에 도착했을 때 (그림에서는 녹색 a) 이때는 밤 12시가 아니다. 대략 초저녁인 6시쯤인 것이다.

 

실제로 우리가 정확히 3개월이 지난 밤 12시라고 한다면 그것은 노란색 b 지점이 맞다. 왜냐하면 밤 12시는 지구가 자전 중 태양의 정 반대 위치를 통과하고 있을 때를 말하기 때문이다. 또한 정오로 알려진 낮 12시 역시도 같은 개념이다. 태양이 가장 높이 떠서 남중하고 있을 때가 바로 정오이다.

 

이 개념을 잘 이해해야 한다. 다시 설명하면 우리에게 하루는 태양을 기준으로 태양이 남중했다가 다시 남중하는 것을 기준으로 하는 것이지 지구가 완전히 한바퀴를 도는 것을 기준으로 하는 것이 아니란 말이다. 우리의 태양은 매일매일 지구 자전을 기준으로 하면 매일 조금씩 늦게 뜬다.

 

 

그림 2) 공전 궤도상 태양이 같은 위치에 올 때 일어나는 변화

(출처 위키백과 : http://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%83%9C%EC%96%91%EC%8B%9C)

 

이것을 이해하기 쉽게 다시 그림을 통해 말하면 지구가 공전하는 방향으로 보았을 때 1의 지점에서 2, 3의 지점으로 이동하여 태양이 같은 위치에 있다고 믿어지려면 지구는 좀 더 돌아야 한다. 즉 단순히 360도를 돌아서는 완전히 정확한 같은 위치에 오지 못하고 그후로 약간을 더 돌아줘야만 전일과 같은 정확한 위치로 올 수 있다는 뜻이다. (태양 기준, 인간은 태양을 기준으로 하루를 정했다)

 

다시 한번 정리하면 우리가 하루라고 말하는 것은 태양이 매일 동일한 위치에 있는 것을 말하지 지구가 온전히 360도를 도는 것을 기준으로 하고 있지 않다. 그래서 지구의 자전은 23시 56분 4초 마다 1회 이루어지고 하루는 우리가 아는데로 24시간이다. 즉 하루가 지구의 자전시간보다 길다.

 

이런 비슷한 현상이 달에서도 나타나는데 달이 지구를 한바퀴 도는데는 27.3일 정도가 소요되지만 실제로 음력의 한달은 29.5일 정도 된다. 즉 지구의 공전으로 인해 달이 27.3일에 걸쳐 열심히 지구를 돌았지만 한달 동안 지구 역시도 태양을 돌아서 달은 추가로 2일 정도를 더 돌아야 한달 전 동일한 시간에 정확히 같은 위치로 갈 수 있다. 이 차이로 인해 달은 매일 50분 정도 늦게 뜨는 것으로 인식된다. (그림 3) 참조.

 

그림 3) 달이 공전과 지구의 공전이 동시에 이루어지면서 일어나는 현상

 

위의 개념을 정리하면 지구의 자전으로 인해 별이 일주하는 시간은 23시간 56분 정도로 이것을 항성시라고 표현한다. 그리고 원래 우리가 아는 하루는 24시간이다. 이 차이가 4분 정도 되는데 결국 이 차이점으로 인해 모든 하늘의 별은 매일 4분 정도씩 일찍 뜬다.

 

아마도 조금이라도 별자리에 대해 들어본 분이라면 봄철 별자리, 여름철 별자리라는 용어를 들어봤을 것이다. 실제로 이 항성시와 태양시의 차이인 4분으로 인해서 이런 현상이 발생하는데 정말 정확한 차이는 우리가 별을 밤에만 볼 수 있기 때문에 나타나는 현상이다. 별로 구성된 모든 별자리 역시 매일 4분 정도 일찍 나타나기 때문에 계절이 바뀔때마다 크게 변화가 일어나게 되는 것이다. 그리고 어떤 별자리는 낮에만 지상에 나타나서 아예 보고 싶어도 못본다.

 

이론적으로는 지구가 아무리 공전을 해도 별은 늘 그자리에 있을 뿐이다. 하지만 우리는 태양이 지고 난 후 별을 볼 수 있기에 완전히 태양시에 맞춰서 별을 볼 수 밖에 없고 또한 시간 역시도 태양시를 기준으로 가기 때문에 모든 것이 태양시를 기준으로 한다. 따라서 실제로 지구의 자전에 의한 항성시는 매일 4분씩 틀려지면서 매일밤 보는 별자리는 매일매일 4분씩 일찍 동쪽에서 뜬다.

 

다시 그림 1)로 돌아가서 '가' 지점과 '나' 지점에서의 차이를 보자.

 

'가' 지점에서 밤 12시에 1 별은 남중 중이고 2,3 별은 뜨고 있는 상태다. 그런데 '나'지점에서 밤 12시엔 (노란색 b) 1은 거의 서쪽으로 졌고 2와 3 역시도 남중을 지나 서쪽으로 지고 있는 상태가 된다. 즉 3개월간 매일 4분씩 빨리 뜨다보니 90 * 4 = 360분 (대략 6시간) 만큼 더 빨리 뜬 것이다. 이것이 '가' 지점의 반대편으로 가면 이젠 12시간을 빨리 떠서 아예 밤엔 볼 수가 없게 된다.

 

그런데 만약 우리에게 태양이 없어서 늘 별을 볼 수 있었다면 이런 일은 생기지 않는다. '가' 지점이든 '나' 지점이든 우리는 a지점에 있을 때 늘 같은 별을 볼 수 있다. 하지만 이것은 현실적으로 불가능한 일이며 아무튼 이것으로 인해 적경으로 위치를 계산할 때 일자별 보정이 필요해진다.

 

이 개념을 정확히 이해했다면 앞에서 말한 3월 21일 (춘분점)을 기준으로 정해진 적경에서 관측을 하는 임의의 날까지의 차이날짜를 4분으로 곱한 후 각으로 환산하면 그 별의 실제로 위치를 알 수 있다.

 

예를 들어 만약 오늘이 6월 21일 하지라면 춘분과의 날짜 차이가 대략 90일이라고 치고 90 x 4분 = 360분이 되어서 6시간인 90도(15도 x 6시간) 만큼 더 서쪽으로 이동해야 정확한 위치가 계산된다.

 

예1) 날짜가 8월 9일 : 날짜 차이 138일, 138 * 4분 ==> 9시간 12분 ==> 138도 정도

예2) 날짜가 12월 21일 : 날짜 차리 270일, 270 * 4분 ==> 18시간 ==> 270도 정도

 

다시 정리하면 별은 적경값에다가 3월 21일부터 매일 (4/60 * 15도) = 대략 1도만큼 매일 서쪽으로 더 이동해 있다는 것을 알 수 있다. 이것은 대략적인 값이긴 하지만 단순히 생각해서 한바퀴가 360도인데 지구가 태양을 한바퀴 도는데 약 365일 정도 소요되니 대략 하루에 1도 차이가 나는게 맞는 것이다. 실제로 태양시와 항성시의 차이는 4분이 아니고 정확히 말하면 3분 56초 정도의 차이를 보인다.

 

자, 여기까지 하면 1편에서 말했던 3월 21일날 몇시가 되었건 간에 적경 값을 이용해서 어떤 대상 별의 위치를 알 수 있었고 2편의 글을 통해 이젠 날짜가 변해도 그값을 보정해서 알 수 있게 되었다. 그럼으로서 이젠 1년 중 언제라도 해당 별의 위치가 어디인지를 계산할 수 있는 방법이 생겼다는 것을 알 수 있다.

 

 

그림 4) 4월 21일날 기준으로 본 별의 위치 계산

 

지금까지 설명한 것을 이해했다면 그림 4)의 그림을 그리 어렵지 않게 이해할 수 있을 것이다. 여기에서 노란별은 시간별, 날짜별로 그 위치가 달라진다. 그런데 여기에서 빼먹은 것이 하나 있다. 그것은 바로 우리에게 제공되는 적경값은 바로 그리니치 천문대를 기준으로 만들어진 값이란 것이다. 그러니 이젠 여기에다가 자신이 있는 현 위치의 정밀한 경도값을 이용해 재보정을 해줘야 정확한 위치가 계산이 된다. 하지만 이 글에서는 그런 정확한 값을 계산할 목적을 가진 것은 아니니 이 부분은 생략한다. 혹시 궁금한 분들은 관련된 자료를 구글 검색을 통해서 알아보실 수 있을 것이다.

 

그리고 남은 것은 이젠 별의 고도이다. 그리고 이 고도를 이해하기 위해서는 적위를 알아야 한다. 그리고 이 적위는 위도의 확장 개념이므로 위도를 알아야 한다. 다음 편에서는 적위를 이해하고 이를 이용해 별의 고도를 어떤식으로 알아내는지를 알아보기록 하자.