천체의 위치와 좌표계

천체의 위치와 좌표계

옛사람들은 별자리를 이용해 천구 상에 보이는 천체들의 상대적인 위치를 나타냈다. 하지만 별자리만으로 천체들의 위치를 정확히 나타내기는 어렵다. 더욱이 인공위성 같은 비행 물체들을 정확히 통제하기 위해서는 모든 사람이 공통으로 사용할 수 있는 기준이 필요하다. 우리 조상들이 별자리의 위치를 정확히 확인하기 위해 사용했던 기구는 혼천의이다.  어떻게 하면 천구 상에 천체의 위치를 쉽고 정확하게 표현할 수 있을까?

 

지도상에서 어떤 지역의 위치를 나타내기 위해서는 위도와 경도를 사용하는 것처럼 평면 또는 공간에 있는 한 점의 위치는 기준점 또는 기준선으로부터 그 점까지 떨어진 거리나 각도로 표현한다. 즉, 무언가의 위치를 나타내기 위해서는 기준이 필요한데, 이와 같은 기준이 되는 틀을 좌표계라 한다. 천구에 보이는 천체들의 위치도 이러한 좌표계로 나타내면, 누구나 쉽게 이해할 수 있다.

 

▶ 천구 상의 명칭

천체들의 위치를 나타내는 데에는 앞에서 배운 천구를 이용하면 매우 편리하다. 그러기 위해 먼저 천구에 대하여 알아야한다.

천구에서 관측자가 서 있는 지평면을 무한히 연장해 천구와 만나게 되는 대원을 지평선이라고 하고, 관측자의 위아래로 지나는 선을 천구까지 길게 연장해 만나는 두점을 각각 천정과 천저라고 한다.

또한 지구의 적도면을 천구로 무한히 연장해 천구와 만나는 선을 천구의 적도, 지구의 자전축을 무한히 연장해 천구와 만나는 두 점은 각각 천구의 북극과 천구의 남극이라 부른다.

천구에서는 천정과 천저를 지나는 여러 개의 대원을 나타낼 수있는데, 이를 수직권이라 하며, 그중에서도 특별히 천구의 북극과 천구의 남극을 지나는 선을 자오선이라고 부른다.

하지만 천구만으로는 천체를 관측하는 사람이 지구 상의 어떤 위치와 방향에 있느냐에 따라 기준이 서로 다르기 때문에 천체의 위치를 누구나 알 수 있도록 정확히 표시하기 위해서는 조금 더 분명한 기준이 필요하다.

 

▷ 지평 좌표계

천구에서 천체의 위치를 나타내는 가장 간단한 방법은 관측자가 위치한 곳의 천정과 천저를 잇는 축과 지평선을 기준으로 위치를 표시하는 방법이다. 이러한 위치 표시 방법을 지평 좌표계라고 부른다.

지평 좌표계에서는 관측자를 중심으로 천체의 위치를 방위각과 고도로 나타낸다.

방위각은 관측자가 위치한 곳의 자오선과 별을 지나는 수직권이 이루는 각 거리로 0˚에서 360˚사이의 각도로 나타낸다. 이때 각 거리는 자오선이 지평선과 만나는 두 점 중에서 북점(또는 남점)을 기준으로 하여 시계 방향으로 잰다.

고도는 지평선에서 천체를 지나는 수직권을 따라 잰 천체 까지의 각 거리로, 0~90˚사이의 각도로 나타낸다. 수직권을 이용한 별까지의 거리는 천장에서부터 별까지 각도로 재어 나타내기도 하는데, 이를 천정 거기라고 한다.

지평 좌표계는 관측자가 천구 상에서 천체의 위치를 바로 측정하여 나타낼 수 있다는 편리함이 있으나, 시간의 흐름에 따라 천체들이 일주 운동을 하므로 천체의 방위각과 고도가 계속해서 달라지는 단점이 있다. 또한 관측자의 위치에 따라 지평면이 달라지기 때문에 같은 시각에 동일한 천체를 관측하더라도 장소에 따라 방위각과 고도가 다르게 나타나게 된다. 따라서 지평 좌표계로 천체의 위치를 나타낼 때에는 반드시 관측 시각과 관측 장소를 표시해야 한다.

 

적도 좌표계

지평 좌표계는 동일한 천체에 대해서도 관측자마다 좌표 값이 달라지기 때문에 모든 관측자가 똑같은 좌표 값을 나타내는 방법이 필요하다. 이러한 목적으로 만들어진 좌표계가 적도 좌표계이다.

적도 좌표계에서는 춘분점과 천구의 적도를 기준으로 하여 천체의 위치를 적경과 적위로 나타낸다.

적도 좌표계에서는 천구의 북극과 천구의 남극을 지나는 대원들을 시간권이라고 부르는데, 그 가운데 특별히 춘분점을 지나는 시간권과 천체를 지나는 시간권이 이루는 각을 적경이라고 한다. 적경은 천구 상의 춘분점으로부터 시계 반대 방향으로 재며, 0~24시 사이의 값을 가진다.

또한, 천체를 지나는 시간권을 따라 천구의 적도면에서 천체까지 잰 각 거리를 적위라고 부른다. 적위는 0~90˚ 사이의 값을 가지며, 천구의 적도를 기준으로 하여 북반구의 천체에 대해서는 (+)값으로 남반구의 천체에 대해서는 (-)값으로 나타낸다.

이처럼 적경과 적위를 이용하는 적도 좌표계는 관측자의 위치와 관계 없이 천체의 위치를 언제나 똑같이 표시할 수 있기 때문에 천구 상에서 위치가 변하지 않는 별들의 목록이나 성도를 작성하는데 이용된다.

그러나 태양은 적도 좌표계로 위치를 나타내더라도 지구의 공전에 의해 천구 상에서 황도를 따라 연주 운동을 하므로 매일 좌표 값이 달라진다. 또한, 달과 행성 등 태양계의 천체들도 자체적으로 공전 운동을 하기 때문에 좌표 값이 변하게 된다. 모든 천체는 지구의 자전에 의해 매일 남쪽 자오선을 통과하는데, 이렇게 천체가 남쪽 자오선을 넘는 순간을 남중이라하고, 이때 천체의 고도를 남중 고도라고 한다.

태양의 남중 고도는 그 지방의 위도 및 계절과 관련이 있다. 따라서 북반구 중위도 지방에서 태양의 남중 고도는 태양의 적위가 +23.5˚인 하지 때 가장 높고, 태양의 적위가 -23.5˚인 동지 때 가장 낮다. 춘분날이나 추분날에는 천구 상에서 태양의 적위가 0˚이므로 정동에서 떠서 정서로 지고 낮과 밤의 길이가 같게 된다.