별자리와 지구의 운동

별자리와 지구의 운동

과학과 기술이 발달하지 않았던 시절 밤하늘에서 별자리의 움직임을 관찰하는것은 중요한 의미가 있었다. 별자리는 시간과 계절을 알려주는 시계와 달력이었고, 멀리 여행하는 사람에게는 나침반이었다. 그래서 우리 선조들은 매우 정밀한 천문도인 천상열차분야지도를 만들어 별자리의 움직임을 관측하였다.

 

천구와 별자리

불빛이 거의 없는 곳으로 가서 밤하늘을 살펴보면, 하늘에는 무수히 많은 별이 총총 떠있는 것을 볼 수 있다. 이러한 별들을 여러 날 관측해 보면, 태양과 마찬가지로 매일 동쪽 하늘에서 떠서 머리 위를 가로질러 이동하다가 서쪽 하늘로진다.

옛사람들은 별들의 이러한 움직임을 이용하여 시간과 날짜의 흐름을 알아냈다. 따라서 별들의 움직임을 자세히 관찰할 필요가 있었다. 별들을 관찰하던 사람들은 밤하늘의 수많은 별들을 금세 알아 볼 수 있도록 구역별로 나누고, 그 구역의 밝은 별들을 선으로 이어서 연상되는 모습에 따라 각각 이름을 붙여 놓았다. 그것이 별자리의 유래이다. 별들을 여러 날에 걸쳐 일정한 시각에 관측해 보면 밤하늘에서 매일 그 위치가 조금씩 변하는 것을 알 수 있다. 하지만 별자리가 보이는 방향이 조금씩 변하는 것임을 확인할 수 있다.

밤하늘을 살펴보면, 우주는 너무나 넓은 데다가 별들을 비롯한 모든 천체는 우리에게 너무 멀리 떨어져 있어 모든 것이 둥근 하늘에 박혀 있는 것처럼 보인다. 그래서 옛사람들은 하늘에는 거대하고 투명한 구가 있어서 모든 천체들이 이 투명한 구에 박혀 있고, 태양과 달, 행성 같은 일부 천체들만 그 위에서 움직이고 있다고 생각했다. 하지만 이 구는 실제로 존재하는 것이 아니라 관측차인 우리가 보기에만 그렇게 보이는 것에 불과하다.

그럼에도 이처럼 투명한 구가 존재한다고 생각하는 것은 밤하늘에서 별들의 위치를 나타내는 데 매우 편리하기 때문이다. 이처럼 관측자를 중심으로 할 때 하늘에 있는 반지름이 무한대인 가상의 구를 천구라고 부른다. 천구에 대해서는 다음 글에서 다시 자세히 알아보기로 하자.

 

지구의 자전과 천체의 일주 운동

아래 사진은 우리나라에서 북쪽 지평선 부근의 밤하늘을 1시간 동안 연속적으로 촬영한 것으로, 모든 별들이 북극성 부근의 한 점을 중심으로 회전하는 것을 볼 수 있다.

모든 천체는 이처럼 천구의 북극과 남극으로 연장된 지구의 자전축을 중심으로 하루에 한 번씩 동에서 서로 회전하는데, 이를 천체의 일주 운동이라고 한다. 천체의 일주 운동은 천체가 실제로 지구 둘레를 도는 것이 아니라 지구가 하루에 한 번씩 서에서 동으로 자전을 하기 때문에 상대적으로 나타나는 현상이다. 마찬가지로 지구에서 밤낮이 생기는 현상도 지구의 자전에 의해 태양이 일주 운동을 하기 때문이다. 그렇다면 천체의 일주 운동은 모든 관측자에게 똑같은 모습으로 나타날까?

천체가 천구 상에서 일주 운동을 하는 경로를 일주권이라고 한다.

북쪽 하늘 별들의 일주 운동

일주권

모든 천체의 일주권은 위의 그림 처럼 천구의 적도면과 평행하다. 하지만 관찰자의 위치에 따라 천체의 일주 운동은 다른 모습으로 나타난다. 천체의 일주권과 지평면이 이루는 각이 관찰자의 위치에 따라 달라지기 때문이다.

예를 들어 아래 왼쪽 그림처럼 일주권이 지평면과 나란히 북극과 남극 지역 관찰자에게는 별이 뜨고 지는 일은 나타나지 않는다. 모든 별은 항상 똑같은 높이에 떠 있고, 하루에 한 번씩 천구 상을 회전할 뿐이다. 하지만 아래 오른쪽 그림처럼 일주권이 지평면과 직각을 이루는 적도 지역 관찰자에게는 모든 별이 지평면에 대해 직각으로 뜨고 진다.

위도에 따른 별들의 일주 운동

 

이에 비하면, 일주권이  지평면에 대해 기울어 있는 우리나라 같은 북반구 중위도 지역에서는 아래 그림과 같이 대부분의 별들이 동쪽 지평선에서 비스듬히 떠서 남쪽 하늘을 수평으로 지나 서쪽 지평선으로 비스듬히 지는 운동을 한다. 이렇게 동쪽에서 떠서 서쪽으로 지는 별들을 출몰성이라고 한다. 하지만 북쪽 하늘에서는 북극성과 북쪽 기평선 사이에 있는 별들이 하루 종일 지지 않고 지평면 위에서 일주 운동을 하는데, 이러한 별들을 주극성이라고 부른다. 반대로 우리나라에서 볼때 항상 지평면 아래에 있어서 전혀 볼 수 없는 별들이 있는데 이러한 별들을 전몰성이라고 한다.

관찰자의 방향과 별들의 일주 운동

 

지구의 공전과 태양의 연주 운동

해가 진 직후 서쪽 지평선 부근 또는 해가 뜨기 직전 동쪽 지평선 부근 별자리를 여러날에 걸쳐 같은 시각에 관측해 보면,  다음 아래 그림과 같이 별자리의 위치가 매일 조금씩 서쪽으로 옮겨 가는 것을 알 수 있다.

태양과 별자리 사이의 각거리 변화

일년 동안 여러 달에 걸쳐 자세히 관찰해 보면, 별자리가 태양에 대하여 매일 서쪽으로 약 1˚씩 옮겨가는데, 이렇게 움직이는 별자리는 정확히 1년 후 같은 자리에 나타난다. 별자리의 이러한 움직임에 따라 우리가 보는 별들은 계절마다 달라진다. 이러한 별자리의 움직임은 실은 지구가 태양 둘레를 공전하기 때문에 나타나는 현상이다. 하지만 이는 천구를 고정시켜 놓고 보면 태양이 천구 위를 매일 서에서 동으로 약 1˚씩 움직이는 것으로 해석할 수 있다.

이와 같이 태양이 별자리들 사이를 서에서 동으로 하루에 약 1˚씩 움직여 가며 1년마다 천구를 한 바퀴씩 도는 것을 태양의 연주 운동이라고 한다. 이때 태양이 천구 상에서 지나는 길을 황도라고 하고, 황도 주변의 12개 별자리를 황도 12궁이라고 한다.

태양의 연주 운동은 실제로 태양이 별자리 사이를 지나가는 것이 아니라, 지구가 1년에 한 번씩 태양 주위를 공전하기 때문에 일어나는 것으로, 지구의 공전에 따른 태양의 겉보기 운동이다.

천구와 황도-지점과 분점

위의 그림은 천구 상에서 태양이 지나는 길인 황도를 나타낸 것이다. 지구의 자전축은 공전 궤도면에 대해 66.5˚ 기울어 있어 황도는 천구의 적도와 두 점에서 만나게 된다. 태양이 황도를 따라 천구의 남반구에서 북반구로 올라가며 천구의 적도와 만나는 점을 춘분점, 북반구에서 남반구로 내려가며 천구의 적도와 만나는 점을 추분점이라고 하낟. 또한, 태양이 천구 상에서 가장 북쪽에 놓이게 되는 점을 하지점, 가장 남쪽에 놓이게 되는 점을 동지점이라고 한다.

태양의 연주 운동에 따라 지구에서는 계절의 변화가 나타난다. 태양이 동지점에서 춘분점을 거쳐 하지점으로 가는 동안에 북반구에서는 낮은 길이가 점차 길어진다. 이 기간 동안 태양의 높이(적위)는 점점 높아지고, 이에 따라 햇빛을 받는 양도 많아져 계절은 겨울에서 봄을 거쳐 여름이 된다.

태양이 하지점에서 추분점을 거쳐 동지점으로 갈 때는 반대로 낮의 길이가 점점 짧아진다. 이때 태양의 높이(적위)는 점점 낮아지며 햇빛을 받는 양도 줄어들어, 계절은 여름에서 가을을 거쳐 겨울이 된다.

우리가 일상생활에서 사용하는 달력인 태양력은 이와 같은 태양의 연주 운동을 바탕으로 하여 만든 것이다. 달력에 표시된 24절기는 태양이 황도 상을 지나는 지점에 따라 우리나라에서 일어나느 대표적인 기상 현상이다 자연 현상을 나타낸 것이다.

 

 

지구 공전의 증거

계절에 따라 변하는 별자리나 태양의 연주 운동은 지구의 공전 때문에 나타나는 대표적인 현상이다. 하지만 태양이 지구 둘레를 돈다고 해도 설명이 되므로 지구의 공전을 증명하는 증거는 되지 못한다. 그렇다면 지구의 공전을 증명할 수 있는 증거에는 어떤 것들이 있을까?

지구 공전의 증거

연주시차

오른쪽 그림과 같이 지구가 태양 주위를 공전하면 비교적 가까운 별 S의 천구상 위치는 지구의 위치에 따라 달라진다. 즉 공전 궤도 위의 점  E1에서 보면 별S는 천구의 S1에 위치하고, 지구가 계속 공전하여 점 E2에 있게 되면 별 S는 천구의 S2로 움직인다. 이처럼 태양에 가까운 별들이 지구의 공전 때문에 1년동안 움직인 것처럼 보이는 각크기의 절반을 그 별의 연주 시차라고 한다.

 

연구 광행차

비오는 날 빗방울이 똑바로 떨어져도 우산을 약간 앞으로 기울이고 걸어야 비를 맞지 않는 것처럼 별빛도 공전하고 있는 지구 위의 관측자에게는 오른쪽의 그림처럼 실제보다 약간 앞쪽으로 오는 것처럼 보인다. 따라서 망원경을 살짝 지구 공전방향으로 기울여야 정확히 별을 관측할 수 있다.

 

별빛 스펙트럼의 변화

별의 스펙트럼을 1년 동안 관측하여 비교해 보면, 지구 공전의 또 다른 증거를 찾을 수 있다. 어떤 광원을 보며 운동하는 관측자가 그 광원에서 점점 멀어지면 광원의 스펙트럼은 긴 파장(적색)쪽으로 치우치고, 반대로 가까워지면 스펙트럼은 짧은 파장(청색)쪽으로 치우쳐 나타난다. 이러한 현상을 도플러 효과라고 한다. 마찬가지로 천구에서 황도면 위에 있는 어떤 별에 대해 지구가 A위치에서 공전하며 그 별에서 멀어지면 별의 스펙트럼은 긴 파장(적색)쪽으로 치우치고, 반대로 B의 위치에서 가까워지면 짧은 파장(청색)쪽으로 치우쳐 나타난다.