Astro News - Serial No 12 - Oct. 2012

그렇다고 북한에서 사용하는 용어처럼 아마추어 천문용어를 완전한 순우리말로 바꾸자는 말씀은  아니고, 참고는

할 수 있을 것이다. 어떤 분께서 읽어보라고 제게 보내주신 책 중에 <한국의 전통과학 천문학 – 저자 박창범>이

있었는데, 재미있는 북한식 천문용어가 소개되어 있어 소개 드려본다.

개기식 à 옹근가림 / 동반성 à  따름별 / 성운 à 별구름 / 유성 à 별찌 / 유성우 à 별찌비/

성단 à 별떼 / 신성à 새별 / 은하군 à 별구름 무리 / 은하단 à 별구름 떼 / 황도 à 해길 /

황도광 à 해길빛 / 이중성 à 짝별 / 구상성단 à 둥근별떼

그럼 북한에선 <아마추어 천문학> 을 뭐라 하는지 아시는 분은 알려 주시기 바란다. 설마 “즐기기 천문학” 은 아닐 것이다.

감히 제가 한자어 섞인 우리말로 만들어 본다면, <보석 천문학>으로 하고 싶다. 보석 같은 밤하늘 별들에 심취한

사람들이 즐기는 천문학이란 말이 될 듯 싶다.  보석이란 말이 들어간 어느 분 책 제목도 있다. <프로> 가 이론과

관측을 바탕으로 우주론과 천문학을 만들고, <아마추어>는 밤하늘의 아름다움을 탐구하면서 프로가 놓치는 것들을 새롭게 보충해 간다고 보면, 한자로 표시해서 <亞 – 버금 아> 정도 될 것이다. 개인 생각이지만, 줄인 말 <아마천>을 한자로 <亞瑪天> 으로 쓰면 <보석에 버금가는 천문학>이 될 테니 무리하지만 대충 끼워 맞추기는 될 것이다.  참고로 <瑪-마> 는 <마노 - 瑪瑙, Agate> 라는 돌인데, 비싸지 않아 책 꽃이 용도론 저도 몇 개 갖고 있다.  아래 왼쪽

사진처럼 반지도 만들고, 저렴한 것은 오른쪽 그림처럼 책꽂이도 만든다. 저렴한 가격에 우리 일상과 가깝고 용도가 다양하니 아마추어 천문학 개념에도 맞지 않을까 한다.

<마노 장식>                                  <마노 책 꽂이>

정신 차리고 다시 본론으로 돌아와 말씀 드리면, 다른 학문에 비해서 천문학에는 <한 글자> 로 용어가 유독 많다는 것이다. 다른 분야 학문의 용어들이 얼마나 개선해 가는지는 알지 못한다. 우리 아마추어 천문학에만 국한해서 말씀 드린다면, 용어를 <한글> 만으로 써 놓으면, 내용을 미리 알고 있지 못하는 경우에는 그 의미가 전혀 이해되지 않고 <본래의 한자> 를 보아야 의미가 조금이나마 짐작되실 것이다. 어차피 우리말은 한자가 대부분이다. 제가 쓴 위의

문장을 한번 예를 들어서 한자로 변형해 보겠다. <意味가 전혀 理解 되지 않고 本來 의 漢字를 보아야 意味가 조금

이나마 斟酌 되실 것이다> 라는 35글자 중에서 12글자가 한자이니 34 % 가 한자인데, 아마도 평소 사용하시는 단어들에도 이 정도 비율로 한자가 들어 있으리라 생각된다. 자주 사용하는 인사말,  ”안녕하세요” 에도 安寧이란 한자

때문에 40 % 가 한자어이다. 북한 용어처럼 순우리말을 써야 한다는 말씀은 아니고 한자도 우리말이므로 한자 교육도 중요하다는 언급만 드리고 싶다.  위에서 언급 드린 단어의 한자표기와 용례를 올려드립니다.

<한자 표기> 

충 - 衝 / 합 - 合 / 망 -望 / 삭 - 朔 / 강 - 降 / 승 - 昇 / 경 - 徑 / 영 - 影 / 식 - 蝕

엄 - 掩 / 현 - 弦 / 출 -出 / 몰 - 沒 / 구 – 矩 / 유 - 留 / 윤  -閏 / 지 -至  / 분 - 分

<용례>

충 : 목성의 충 / 합 : 목성의 합 / 망 : 보름달 / 삭 : 달의 합삭 / 강 : 강교점 / 승 : 승교점

경 : 금성 일면통과 / 영 - 위성이 천체 표면에 드리우는 그림자 / 식 : 일식, 월식 

엄 : 엄폐 (목성 위성이 목성 뒤쪽으로 숨는 현상 등) / 현 : 상현달, 하현달 / 출 : 일출, 월출

몰 : 일몰, 월몰 / 구 : 동구, 서구 / 유 : 화성의 유 / 윤 : 윤년, 윤달 / 지 : 하지 / 분 : 춘분 

(3) 호흡, 하루 길이, 일출 일몰, 파란 하늘, 유성   

제가 초등학생 시절에 배운 상식인 사람의 호흡에 대해서도 언급 드리려 한다. 사람이 호흡할 때는 공기를 들이 마셔서 산소를 흡수하고 이산화탄소를 내뿜는다고 배웠다. 그러나 내뿜는 호흡의 실제 성분은 질소 78 %, 산소 17 %,

이산화탄소 4 % 라고 한다. 나머지 1% 는 Argon 등 이라고.  숫자를 보니 어인 일인지 내뿜는 숨에도 산소가 이산화탄소보다 훨씬 많다. 지금은 아마 정확한 교육이 되고 있으리라 믿는다.

별 것 아닌 것을 계속 말씀 드리면, 하루가 정말 24시간 인지도 다시 생각해볼 일이다. 우리는

지구가 24시간 주기로 자전하며, 그 길이를 하루로 정한다고 배웠다. 정말 그런가 ? 알아보니 정확한 자전주기는

23시간 56분 4.1초이다. 따라서 하루는 <약> 24시간이라고 해야 옳을 것이다. 대부분 손목시계는 모자라는 3분

55.9초를 보정해서 하루를 24 시간으로 맞춰 놓았을 것이다. 그러나 하루가 약 24 시간이든 약 365 일이든 제가

지금까지 살아오는 데는 아무 지장 없었으니 그냥 넘어가려 한다. 

또한 유아원 때부터 아이들에게 Copernicus 의 지동설을 가르치면서도, <한국천문연구원>의 자료에는<일출, 일몰>이라고 써있다. 사실 우리 나라 뿐만 아니라 세계 모든 국가에서 <해가 뜬다. 또는 해가 진다> 라는 말을 사용한다. 그러나 태양은 꼼짝도 안하고 지구가 자전하면서 지평선이 내려가기 때문에 해가 “뜨는 것처럼” 보인다는 사실을

누구나 알고 있다. 제대로 표현한다면, <해가 뜬다>가 아니고 <해가 뜨는 것처럼 보인다>라고 해야 할 것이다. 비유법이 싫으면 직설법으로 표현해서 <지평선이 해를 앞에 두고 내려간다> 라고 해야 할 것이다. 아니면 더 줄여서

<지강, 지승 - 地降, 地昇> 으로 하던가.  점점 오버하는 것 같다.

한 두 개 예를 더 들어보면, “낮 하늘 색깔은 파란색이다” 가 아니고 “파란색으로 보인다” 가 맞는 표현일 것이다.

또한 밤하늘에서 순간을 가르며 나타나는 “유성을 보았다”가 아니고 유성이 대기와의 마찰로 불타는 “불꽃을 보았다” 가 옳은 표현일 듯…..

<Slovenia 하늘의 Fireball.  사진 Peter Atanackov / Simon Krulec. 

유성이 아니고, “유성이 대기와의 마찰로 불타는 불꽃” ? >

더 이상 <석아> 소리 듣지 않으려면 쓸데 없는 말씀은 그만 드리는 것이 현명할 듯하다. 아래에선 은하충돌, 행성의 공전 내용을 소재로 천문학적으로 좀 말씀되는 내용을 써보려 한다.  참고로 <석아> 역시 제가 만든 말이며, 한자로는 <石児>라 쓰고 순우리말로는 <돌아이> 입니다… .

(4) 우주팽창과 은하충돌

지난호 Serial No 9 에서 <허블상수>를 소개 드릴 때, 우주팽창과 관련해서 “지구에서 1 Mega parsec (326 만 광년) 떨어져 있는 천체는 지구로부터 초속 73.8 km 속도로 멀어지고 (또는 후퇴, 팽창하고) 있다”고 말씀 드렸다. 또한

같은 Serial No 9 의 <Antennae Galaxies> 에선 “우리 은하와 Andromeda 은하 (M31) 는 지금 서로 각각 초속

110 km 로 접근 중이며, 앞으로 45억년 후면 충돌한다”는 말씀도 드렸는데, 이 두 가지 명제는 서로 모순되는 것처럼 보인다.   

Andromeda 은하와 우리 은하 사이 거리는 약 254 만 광년이다. Andromeda 은하의 후퇴속도 (팽창속도) 를 허블

법칙으로 계산 해보면, 254 만 광년 x 초속 73.8 km / 326 만 광년 = 초속 57.5 km 가 나온다. 따라서 허블법칙에

따르면 Andromeda 은하는 우리 은하에서 관찰했을 때 초속 57.5 km 속도로 멀어져야 한다. 팽창하는 우주에서

두 은하는 서로 멀어져야 하는데 어떤 이유로 미래에 충돌한다고 하는지 헷갈린다. 

결론부터 말씀 드리면, 우주팽창은 대략 초은하단들이 모여 있는 <우주 거대구조> 정도에서만 관찰되고, 초은하단 보다 작은 규모의 우주에선 그를 구성하는 각각 천체 들의 <상호 중력작용 때문에> 우주 팽창이 적용되기 어렵다. 다른 말로 하면, 초은하단 보다 작은 단위인 은하단  이하 규모에선 상호간 거리가 가까우므로 중력이 끌어 당기는 힘이 우주 팽창 시키는 힘을 능가하기 때문에 우주 팽창이 관찰되지 않는다. 물론 팽창이 일어나는 범위와 거리를

무 자르듯이 정확히 표시할 수는 없고, 우주 전체 구조를 놓고 보면 은하단 규모에선 측정치가 낮다는 것으로 이해

하시면 된다. 그러나 우주 팽창이 가속되어 먼 미래에 종국에는 은하단 및 그 이하 단위들도 우주 팽창에서 자유로울 수는 없을 것이다.

은하단, 초은하단, 우주거대구조 등 “가까이 하기엔 너무 먼 용어” 들이 나오므로 혼동을 방지하기 위해 간단히 용어 정리부터 해 본다. 이 용어들은 다음 칼럼인 Not Essential But Beneficial 에도 나오므로 살펴 보시기 바랍니다. 

아래 용어의 영어 부분에서 Galaxies 빼고 말하기도 한다. 

  1. 은하군 (Group of Galaxies):

 ｏ 수십개 은하들이 모인 집단.

 ｏ 반지름 500만 광년 정도.

 ｏ 국부 은하군 (Local Group of Galaxies) 은 우리 은하 주변에 Andromeda 은하,

    Triangulum (삼각형 자리) 은하 등 약 20 은하가 모여있는 집단을 말함. 

아래 그림은 우리 은하와 Andromeda 은하가 속해있는 반지름 500 만 광년 의 국부 은하군

(Local Group of Galaxies) 을 나타낸다.  중심에 우리 은하가 있고, 우측 아래에

  Andromeda 은하가 보인다. 이 범위 안에서는 우주팽창 증거를 찾을 수는 없을 것이다. 

<국부 은하군 (반지름 500 만 광년) 과 내부 은하들.  그림 Robert Powell>

  2. 은하단 (Cluster of Galaxies) 

 ｏ 수십개 은하군들이 모인 집단.

 ｏ 반지름 3,000만~1억 광년 정도.

 ｏ 처녀자리 은하단 (Virgo Cluster of Galaxies)은 우리 은하가 속해있는 국부 은하군과

    가장 가까운 은하단이며 거리는 지구에서 약 5,000 만 광년임.

  3. 초은하단 (Supercluster of Galaxies)

 ｏ 수십개 은하군 및 은하단들이 모인 집단.

 ｏ 반지름 1억 광년 정도.

 ｏ 국부 초은하단 (Local Supercluster of Galaxies) 은 처녀자리 초은하단

    (Virgo Supercluster of Galaxies) 이라고도 하며, 국부 은하군, 처녀자리 은하단,

    화로자리 은하단 (Fornax Cluster), 에리다누스자리 은하단 (Eridanus Cluster) 등의 집단임. 

아래 그림은 국부 초은하단 (혹은 처녀자리 초은하단) 모습을 나타낸다. 내부에 국부 은하군, 처녀자리 은하단을

비롯, 여러 은하군 및 은하단들이 보인다. 이 내부의 가까운 거리에선 우주 팽창 증거를 찾기 쉽지 않다.

<국부 초은하단 (처녀자리 초은하단. 반지름 1억 광년) 과 내부 은하단들. 그림 Robert Powell>

  4. 우주 거대구조 (Large-scale Structure of the Universe) 

ｏ 수십개 초은하단 및 그 사이의 빈 공간 (Void) 으로 구성된 구조.

ｏ 반지름 10억~20억 광년 정도.

드디어 우주 팽창을 볼 수 있을 정도로 지구에서 멀리 나왔다. 아래 그림에서 우리 은하가 속해 있는 국부 초은하단 (혹은 처녀자리 초은하단) 을 중심으로 한 우주 거대구조의 한 단위를 나타낸다. 그림의 반지름은 10억 광년이다.

내부에 여러 초은하단 및 빈 공간이 보인다. 원반 중심에 있는 지구에서 5억 광년 떨어진 그림 우측 머리털자리

초은하단 (Coma Supercluster) 내부의 어떤 은하의 적색편이를 관찰한다면 우주 팽창 증거가 잘 나타날 것이다.

<우리 은하를 중심으로 한 우주 거대구조 (반지름 10억 광년). 그림 Robert Powell>

Serial No 10 의 중력상수 칼럼에서 중력은 지구상 조그만 물체나 분자, 원자 등의 미시 세계에서는 미약한 존재이나 우주의 거시 세계로 진출하면 가장 강력한 힘을 발휘한다고 말씀 드렸다. 우리의 태양이 우주에선 그저 평균적인

크기이지만, 태양 중력 영향권인 Oort Cloud (오르트 구름) 범위는 태양에서 반지름 약 1광년 거리나 된다.  AU로는 50,000 AU 나 되는 거대한 영역으로, 이 범위내이 들어오는 천체는 모두 태양 중력 영향을 받게 된다. 하물며 은하들이 밀집해 있는 은하단, 초은하단인 경우에는 그 강력한 중력이 구성원들인 내부 은하, 은하군, 은하단들을 붙잡아

두고 있기 때문에 우주팽창이란 외부 영향력이 미칠 수 없게 된다.  그러나 한 덩어리로서의 초은하단 자체는 우주 팽창에서 당연히 자유로울 수 없다.  

  5. 풍선으로 설명하는 우주팽창 시비    

대부분의 책에는 우주팽창 모형을 풍선을 부는 것으로 비유해서 설명한다. 문제는 이런 비유가 100 % 타당한 설명이 될 수 없으며 보완설명이 필요한데도 불구하고 이를 생략하고 넘어가므로 우주 팽창과 은하 충돌이란 상호 모순되는 사실을 잘 이해할 수 없게 된다. 만일 풍선 위에 매직 펜으로 천체들의 위치라면서 점을 찍거나 조그만 동그라미

그린 후 풍선 분다면 팽창과 충돌을 이해시킬 수 없을 것이다.  반면에 조그만 종이 스티커를 붙인 후 풍선 분다면, 보완 설명이 필요하기는 하지만 그래도 그 보다는 조금 나은 설명이 될 것이다. 우선 아래 두가지 그림 보십시오.  

<풍선 불기 전 (왼쪽) 과 부풀린 후 (오른쪽). 사진 Science-sparks.  

 이 그림으로는 우리 은하와 Andromeda 은하 충돌을 설명할 수 없다>

<풍선 불기 전 (왼쪽) 과 부풀린 후 (오른쪽). 사진 cmb. physic. wisc.edu.   

 설명을 조금 보완하면 우리 은하와 Andromeda 은하 충돌을 설명할 수 있다>

위쪽의 매직펜으로 표시한 것들을 은하단 이라고 가정한다면, 풍선이 부풀면서 은하단 내부 점들인 각각의 은하들도 같이 서로 멀어지면서 팽창하는 것을 볼 수 있다. 이 경우에는 은하 충돌이 전혀 설명되지 않는다. 그러나 아래쪽 풍선은 종이 스티커를 풍선 표면에 붙여 놓았다. 따라서 풍선이 부풀어도 종이 스티커 자체의 크기는 변하지 않는다.

스티커를 은하단으로 본다면, 풍선이 부풀면서 은하단 상호간 거리만 멀어질 뿐, 은하단 내부에서 벌어지는 일에는 영향 받지 않음을 볼 수 있다. 여러 자료들을 뒤적거리다 보니 불합리한 설명들이 자주 발견되어 한번 올려 드렸다.

(5) 태양계 행성의 공전궤도 중심

여기선 간단한 퀴즈부터 시작해보려 한다. 아래 문장에서 틀린 부분을 지적해 주시면 된다.

<태양계 모든 행성들은 태양을 하나의 초점으로 하는 타원궤도로 공전한다>.

사실 이런 유형의 문제는 이유를 설명할 순 없어도 정답은 맞출 수 있는 쉬운 문제이다. 어떤 지문에서 “반드시”, 

“오직”, “단지”, “절대로”, “모든” 등의 말이 들어가면 그 부분이 틀린 것이다. 왜냐하면 세상살이에는 “반드시” 예외란 것이 있기 때문이리라.  위 퀴즈 정답도 역시 “모든” 이라는 단어에 있다. 다시 말씀 드리면, 태양계의 어떤 행성은

<태양을 하나의 초점으로 하지 않고> 공전한다는 말이다. 그러면 <어떤 행성>이 <무엇을 초점으로> 공전하는지

알아본다.

어떤 천체가 다른 천체를 타원궤도로 공전한다고 할 때, 타원의 두 초첨 중 하나는 상대방 천체내부에 있는 질량

중심이 아니고, <두 천체 상호간의 질량중심 (Barycenter)> 이 된다. 만일 두 천체의 질량 차이가 심하면 질량중심이 대형 천체의 내부에 존재하지만, 두 천체가 비슷한 질량이라면 당연히 질량 중심은 두 천체 사이의 어떤 공간에 있게 된다.  아래 그림들 보시지요. 참고로  그림에서 공전궤도는 타원이 아닌 원형 궤도로 표시되어 있습니다.

<질량에서 큰 차이를 보이는 천체의 공전>

위의 그림은 태양과 지구 같이 질량에서 엄청난 차이를 보이는 천체의 공전을 표시한 것이다.

빨간 십자선으로 표시한 두 천체 질량 중심은 대형 천체 자체의 질량 중심과 가깝다.

<소형 천체 질량이 커질 때                   <두 천체 질량이 비슷할 경우 질량 중심 위치>

  질량 중심의 이동>

그러나 왼쪽 그림처럼 소형 천체 질량이 커지면 질량 중심은 점점 대형 천체 내부중심에서 바깥쪽으로 이동한다.

소형 천체 질량이 점점 커져 어느 한계점을 지나면 오른쪽 그림처럼 드디어 대형 천체 외부로 질량중심이 빠져

나간다. 오른쪽 그림은 이중성 궤도를 나타내지만, 편의상 큰 천체를 태양으로 가정하고, 소형 천체만 궤도 운동

한다고 생각하시면 된다. 

.

우리 태양계에서도 이렇게 태양 외부로 질량중심이 빠져 나간 행성이 있는데, 아시다시피 태양계에서 질량이 가장

큰 행성인 목성이다. 목성 질량은 태양계의 모든 다른 행성의 질량을 합한 것의 2.5배나 되며, 지구에 비교한 질량은 318 배이다. 참고로 질량은 318배 인데, 부피는 지구의 1,321배나 되므로 밀도가 지구에 비해 엄청 작은 기체상태임을 알 수 있다. 거대한 목성 질량 때문에 태양과 목성의 질량 중심은 태양 반지름의 <1.068 배> 되는 태양 바깥 공간 어떤 지점에  존재한다.  따라서 목성은 태양이 아니고 <태양 바깥에 있는 우주 공간의 어떤 지점> 을 타원궤도의

한 초점으로 공전한다고 해야 맞는 말이 된다. 좀 과장되겠으나, 위에서 오른쪽 그림이 목성 공전 궤도 모형이 될 것이다.

참고로 태양 지름은 목성의 10배이고, 목성 지름은 지구 지름의 11배이다. 아래 그림에서 태양, 목성, 지구, 달 크기를 비교한 그림 올려 드린다.

<태양, 목성, 지구, 달 (우측하단 제일 작은 점)>        <태양 지름은 목성의 10배>

위에서 말씀 드린 것들 이외에도 우리가 평상시 사용하는 말들 중에서 트집 잡을 수 있는 것을 하나 더 예를 들면

<지구에서 가장 멀리 있는 천체> 라는 것도 될 수 있다. 소형은하 (Mini-Galaxy) UDFj-39546284 까지의 거리가

132억 광년인데, 그 은하가 지금 거기 있다고 장담할 수 있는지 모르겠다. 은하는 오래 산다고 치고, Quasar ULAS J1120+0641 이나, 백색왜성 또는 Progenitor 인 GRB 090429B 까지 거리는 약 90~100 억 광년인데, 이 종류 천체들 수명을 감안하면 이들은 지금은 분명히 저 세상으로 가셨을 것이므로 지구에서 가장 멀리 <있었을 지도 모르는>

천체라고 해야 할지도.

원래 Life with Kass 칼럼은 가볍고 흥미 있는 소재를 선택해서 산책하는 기분으로 읽으실 수 있도록 만들려 했었다. 그런데 날이 갈수록 원래 의도와는 다르게 심각하고 재미없는 방향으로 전개되는 것 같다.  더욱이 이번엔 가을 땜에 심사가 뒤틀렸는지 쓸데 없는 말 꼬투리 잡고 있으니 심히 부끄럽다.

이런 소인배 같은 트집 말고 우아한 칼럼 소재 생각하며 시내에서 운전하다가, 은행 광고판에 시선이 갔다. “당신을 사랑하는 내 마음은 가을 햇살을 사랑하는 잔잔한 넉넉함입니다” 문구가 가을 햇살에 눈부시다. 어느 유명 시인의

근래 작품 “가을 사랑”이란 시이다. 이 광고판의 “당신” 과 그의 예전 시에 나오는 “당신”이 같은 당신인가 다른 당신인가를 궁금해 한다면 저는 또 쓸데 없이 딴지나 거는 소인배 소리 들어야 할 것이다.

그러나 우아한 말을 골라 쓴다고 저의 본 모습 감출 수 있으랴. 제 감정구조는 원래 통속적이며 인격수준도 넉넉하지 못하므로 이런 고상한 시보다는 같은 제목인 7080 유행가 “가을사랑”이란 노래가 가슴에 더 와 닿는다. “그대 사랑 가을사랑.  단퐁 오면 그대 오고, 낙엽지면 그대 가네. 가을아. 가을. 오면 가지 말아라. 가을. 가을. 너만 가렴아” 란

가사에선 가을을 보내기 싫은 안타까움이 묻어난다.  세상 모든 여성을 사랑할 수 있는 것 같은 어느 남성 시인의

<고상한 박애주의> 보다는, 가을만 가고 내 사랑은 남아 있어 달라는 중년 여가수의 <통속적 일편단심 민들레> 가 더 인간적이다. 금년엔 스쳐가는 가을, 소심하게 섭섭해 하지 말고 우리 모두 대범하게 가족 사랑에 한 번 집중해

보심이 어떨지.

II. Not Essential But Beneficial

  Proxima Centauri  l = 313.9 ° b = - 1.9 °

 (1) 큰 물에서 놀면 시야가 좀 커질까 ? 

꽤 오래 전 영화 Enemy of the State 에선 좀 과장되기는 했으나 미국정보기관 인공위성에 경위도만 입력하면 지표면에 있는 사람의 다리 털까지 볼 수 있는 해상도로 범인을 추격하는 장면이 나온다. (Will Smith, Gene Hackman

주연). 사실 매일 사용하시는 GPS 에도 경위도를 입력하면 목적지를 정확히 보여주니, 지금은 인공위성 신호를 우리 손 안에서도 갖고 놀 수 있는 시대가 된 것이다. 하여간 지구 표면의 한 지점을 나타낼 때 경위도 좌표만큼 정확하고 간단한 도구는 없을 것이다.

지구 표면에서의 지형이나 사람 위치를 경위도로 표시하는 것처럼, 천구 표면에서의 별의 위치는 <적도 좌표계>인 적경 적위를 사용해서 표시한다. 아시다시피 방위각 고도라는 <지평 좌표계>는 관측 위치와 시간에 따라 변동되므로 여기서는 칼럼의 끝부분에서만 간단히 언급 드린다. 그런데 적경 적위는 지구 적도면을 연장해서 천구의 적도면이라고 가정한 좌표계이므로 지구 표면 위에서 하늘을 볼 때만 유용한 방법이다. 만일 지구 바깥으로 나가서 태양계를

돌아 다닌다든지, 더 멀리 나가 태양계를 벗어난 은하계를 여행 다니면서 천체의 위치를 찾을 때는 지구라는 조그만 행성의 적도면을 먼저 알아야 하므로 당연히 많이 불편할 것이다. 참고로 이 칼럼에서 말씀드리는 천체 위치란 천구면에서의 위치만이며, 해당 천체까지의 거리는 감안하지 않은 것이다. 

<태양계 이웃들. 그림 Robert Powell>

위 그림은 우리 은하 중심의 북쪽에서 태양계를 바라본 모습이다. 은하계에선 그저 평범한 별 중의 하나인 태양은 Orion Arm 또는 Orion Spur 라고 부르는 나선 팔에 속해있다. 그 나선팔 조차 다른 나선팔에 비해 규모가 미약해서 때로는 Arm 이라고 부르지 않고 Spur (지선 支線) 으로 불리기도 한다. 우리 은하 구조에 대해선 다음에 기회 있을

때 살펴 보겠다. 그림 중심에 태양이 있고 주변에 잘 아시는 별과 성운들이 보인다. 우리의 북극성 Polaris 도 여기서 바라보면 지구와  가까운 이웃이다. 역시 큰 물에서 놀면 시야가 커짐을 느낄 수 있다.

이런 거리에서 천체들을 살펴 볼 때, 여기서 잘 보이지도 않는 먼지 같은 지구의 적도를 기준한 <적도 좌표계>를

사용한다면 얼마나 불편할 것인지 짐작 되실 것이다. 이런 경우는 당연히 은하를 기준으로 한 <은하 좌표계> 가

훨씬 더 편리하다. 우리 은하에서 벗어나 규모를 더욱 확대해서 은하단, 초은하단 등의 천체를 살펴보려면 <초은하 좌표계>를 사용한다. 우리나라안에서 여행하려면 대한민국 GPS 만 있어도 되지만, 우리나라, 중국, 일본을 모두

다니려면 Asia GPS 필요한 것과 같은 이치일 것이다. 물론 은하 좌표계가 은하계를 여행 다니는 외계인들만 사용하는 것은 아니고, 지구 안에서도 우리 은하계 구조 등을 연구할 때는 유용하게 사용된다.

(2) Proxima Centauri 의 위치

위의 Subtitle 에 표시한 l = 313.9 ° b = - 1.9 ° 라는 수치는, 지구에서 태양을 제외하고 가장 가까운 별인 Proxima Centauri 를 <은하 좌표계>로 표시한 것이다. 이 별은 Centaurus (센타우루스 자리) 에 있으므로 호주 같은 남반구에서만 보이고, 우리나라에선 볼 수 없다. 그러나 11월 개기일식 관측 위해 호주 가시는 분들이 많으실 것 같아 이 별을 예로 들어 보았다.

그런데 l = 313.9 ° b = - 1.9 ° 를 보시면 Proxima Centauri 가 우리 은하에서 대충 어디쯤 위치 하는지 짐작 되시나요. 세상 이치가 자신이 남들 보다 단지 구두굽 만큼 이라도 높은 위치에 있으면 자기 보다 낮은 위치에 있는 사람들 전부 우습게 보인다는 사실을 부인하기 어려울 것이다. “낮은 데로 임하소서” 가 말은 쉽지만, 정작 행동으로 필요한 경우가 닥쳤을 때 자발적으로 실천에 옮기려면 엄청난 용기가 필요함을 저 스스로 여러 번 경험해 보았다. 반대로

낮은 곳에 있을 때는 조금 높은 곳이 우러러 보이고, 그 곳까지 오르려고 발버둥 치지만 실제 올라가보면 별 것 아닌 것에 실망하기도 한다.

아는 것도 마찬가지인 듯하다. 내용을 알지 못할 때는 그 안에 많은 사실이 담겨 있으리라 생각되어도 막상 알고

나면 “쳇, 별거 아니군” 이란 말씀해 보신 적 있으실 것이다. 앞으로 말씀 드리는 좌표계란 것도 마찬가지로 생각된다.  l = 313.9 ° b = - 1.9 ° 가 무슨 의미인지 지금은 모르시더라도, 아래에 3번째 그림으로 올려 드리는 우리 은하 모습 보시면 이 숫자 의미를 바로 이해하실 것이다. 이 칼럼에서 드리는 말씀을 소위 “별들의 로케이션 파악” 이라고 여겨 주시고 일견해 주시기 바랍니다.

이미 아시다시피, Centauri 는 Centaurus 의 소유격이며, Johann Bayer 목록에 따른 α Centauri 처럼 Proxima 가 앞에 붙어서 뒤에는 소유격을 쓴다. Proxima 는 라틴어로 가장 가깝다는 뜻이라고 한다. Centaurus 는 북미 영어로

<쎈토ㅓ러스>로 발음한다. 물론 호주 영어도…  액센트는 “토ㅓ”에 있다. “au” 발음이 “토”와 “터” 의 중간 처럼 들리므로 이렇게 써보았다.  이 곳 칼럼에 나오는 영어 용어들의 발음을 제가 모두 아는 것은 아니지만, 별자리 이름이나마 영어 발음을 써 드리는 이유는, 알아 두시면 언젠가는 필요하신 분들이 계실 것으로 믿고 한 줄 더 써드리는 것이오니 읽기 번거로우시더라도 이해 부탁 드린다. 

우선 이 별 모습부터 본다. 지구에서 이 별까지의 거리는 지구에서 4.22 광년 정도이다. 자료마다 다소 오차는 있다. 문제는 이 별이 11 등급이라 찾기가 쉽지 않다는데 있다.  11 등급이면 Uranometria 급 성도가 필요하고,  6~7 등급 성도에는 나오지 않아야 하는데, 이 별은 지구에서 가장 가까운 별이므로 6~7 등급 성도에도 올라가 있는 특별 대접을 받는다. 그 주변에 뿌려진 모래알 같이 수 많은 별들 때문에 조준하기 만만치 않으리라 예상된다.

<사진 가운데 약간 왼쪽의 빨간원 내부 정중앙의 붉은 별이 Proxima Centauri 임. 

  왼쪽   밝은 별 - α Centauri (이중성)  : 안시등급 – 0.01 등급

오른쪽 밝은 별 - β Centauri (단일성)  : 안시등급 + 1.33 등급. 사진 왼쪽이 동쪽>

아래 사진은 Proxima Centauri 를 확대 촬영한 것이다. 이 별 배경이 보이는 별들은 Proxima Centauri 보다 수백배

이상 먼 곳이 있는 별들이다.

<가운데 붉은 별이 Proxima Centauri.

적경: 14/ 29/ 42.94 적위 – 62/ 40/ 46.14, 은경 313.9 ° 은위 - 1.9 °>

재미있는 것은 α Centauri 자체가 또한 이중성이지만,  β Centauri 는 단일성으로 알려져 있다. 그런데 Proxima 도 

 α Centauri 의 두 별과 상호작용하는 것이 관찰된다. 정리하면 다음과 같다.

   이중성 α Centauri :  A 별 + B 별

   단일성 Proxima Centauri             à 이 세 별이 삼중성계를 이룬다고 추정됨. 

β Centauri 는 지금까지는 단일성으로 알려져 있다.   

아래 그림 보시면 은경 313.9 ° 은위 - 1.9 ° 의미를 이해 하실 수 있다. 그림의 평면은 우리 은하 적도면인데 아래에서 자세히 설명 드린다. 태양 주변에 Proxima Centauri 와 그 자체가 이중성계인  α Centauri 가 보이고, 왼쪽에 Sirus, Procyon 및 오른쪽에 Bernard’s Star 도 그려져 있다. 

<태양 주변 반지름 15 광년의 은하 모습. 그림 Robert Powell>

어떤 분들은 적경 적위도 머리에 잘 들어오지 않는데 무슨 은하 좌표계 운운이냐고 하실지도 모르겠다. 그러나 본

칼럼 제목이 Not Essential But Beneficial 이고, 알아두셔도 건강에 해롭지 않을 것들이며, 다른 말로는 알아도 그만, 모르셔도 그만인 것들이다. 모든 천문 관련 책들이 지평 à 적도 좌표계 순서로 설명하면서 부수적으로 황도 à 은하 좌표계를 언급해 놓았다. 만일 순서를 뒤집어서 은하 좌표계와 더불어 초은하 좌표계 같은 큰 물에서 먼저 노신다면 황도, 적도, 지평 좌표계는 우습게 보이실 것으로 믿는다.

(3) 은하 좌표계 (Galactic Coordinate System)

여기서는 우리 은하를 간단히 “은하”라고 부르기로 한다. 은하 좌표계는 태양 중심과 과 은하 중심을 지나는 평면인 <은하 적도면>을 기준면 하고, <태양 중심과 은하 중심을 연결한 직선> 을 중심 경선으로 한 구형(球形) 좌표계

이다. 구형 좌표계란 의미는 공 모양 표면에 위치를 표시하는 좌표계를 말한다. 따라서 적경 적위 처럼 좌표에서 거리는 표시되지 않고 위치만 알 수 있다. 적도 좌표계가 적경 적위를 사용하는 것처럼 은하 은하 좌표계에선 은경, 은위라는 용어를 사용하고, 약자는 영어 알파벳 L, B 의 소문자 l, b 로 쓰거나 l, b 로 우측으로 기울여 쓰기도 한다. 정확한 용어 사용을 위해 아래에 용어를 영어로도 명기한다.

적도 좌표계 : Equatorial Coordinate System  은하 좌표계 : Galactic Coordinate System    

적경        : Right Ascension (약자 R.A.)    은경        : Galactic Longitude (약자 l )

적위        : Declination     (약자 Dec.)    은위        : Galactic Latitude  (약자 b )

은하 적도면 : Galactic Equatorial Plane     중심 경선   : Primary Direction

구형 좌표계 : Spherical Coordinate System

<은하 좌표계 은경 은위 – 2D 설명>

위 그림으로 은경 은위를 설명 드린다. 상단에 있는 그림이 은경을 표시한다. 마름모 꼴 모양은 은하를 북쪽에서

내려다 본 모양이다. 태양 중심과 은하 중심을 연결한 직선 (그림의 수평선) 이 중심 경선이다. 그 아래 그림은 은경을 나타낸다.

사소한 문제이나, 여기서 하나 짚고 넘어가려 한다. 은하 좌표계, 초은하 좌표계의 경위도 측정 기준이 대부분 자료에는 <태양> 으로 되어 있으나 일부 자료는 <지구> 로 되어 있기도 하다. 그러면 어느 것으로 정해야 맞는 것이고,

발표된 좌표 수치는 무엇으로 정했을까 생각해 보았다. 어차피 우리는 지구 위에서 관측하고 자료를 이용할 것이므로 지구를 기준으로 해야 옳다고 여겨진다.  그러나 지구는 태양을 공전하며 쉬지 않고 움직이므로 운동하는 물체를

기준으로 삼기도 어려운 일일 것이다.  그러나 지구에서 4.22 광년 거리인 가장 가까운 별 Proxima Centauri 의 연주시차도 0.764 ” (초) 밖에 되지 않는데, 적어도 수만 광년부터 수십억 광년 떨어진 천체에 적용하는 은하 좌표계나,

초은하 좌표계에서 기준을 태양으로 하든 지구로 하든 차이는 없을 것이다. 움직이는 지구를 기준이라고 말해서 헷갈리게 만드느니 차라리 태양으로 정하는 것이 “어린 백성을 편안케” 하는 방법이라고 “혼자” 생각해 보았다.

하여간 은경은 중심 경선에서 해당 천체까지 동쪽 방향 (그림에선 위쪽 방향) 으로 측정한 각거리이며,  0 ° ~ 360 ° 단위를 사용한다. 주의 하실 점은 각거리를 은하 중심에서 재는 것이 아니고 <태양을 기준으로 잰다는 것> 이다.

아래 그림은 은하를 북쪽에서 내려다 본 모양이다. 중심 경선인 은경 0 °에서 동쪽 (왼쪽 방향)으로 회전하면서 은경이 증가함을 볼 수 있다. 태양을 중심으로 한 동심원은 태양으로부터의 거리 (광년)을 표시한다.  아래 그림은 은경을 우리 은하 그림 위에 표시한 것인데, 각거리 측정 기준점이 이미 언급 드린대로 이 그림에선 Earth 로 써있다.

<은하 좌표계의 은경 표시. 기준점은 지구로 되어 있으나 태양과 차이는 없다.

 그림 Chandra Obs.>

한편, 은위는 처음 그림의 아래쪽에서 보시듯이 은하 적도면에서 해당 천체까지 수직선을 그린 후, 태양으로부터

해당 천체까지의 각거리를 표시한 것이다. 역시 각거리 재는 기준은 은하 중심이 아니고 <태양을 기준> 임을 주의

하시기 바란다.  은하 북쪽으로 잰 각거리는  0 ° ~ + 90 °로 표시하고 남쪽으로 잰 각거리는  0 ° ~ - 90 °로 나타

낸다. 아래 그림도 같이 보십시오.  더욱 정확한 이해 돕기 위해 아래에 3D 로 나타낸 그림도 같이 올린다.

<은하 좌표계의 은경 은위 3D 설명. 그림 JTW Astronomy>

그러면, 은하 중심과 은하 중심반대편, 은하 북극과 남극의 은경 은위를 알아 본다. 위의 두가지 그림 보시면 쉽게

구하실 수 있다. 더불어 이 네 가지 위치를 적도 좌표계의 적경 적위로 표시한 것과 그 위치에 실제로 존재하는 별자리를 올려 드린다. 그 아래에는 우리 은하 내부의 일부 구상 성단들을 적도 및 은하 좌표계 표시한 도표를 올려 드렸다. 두 좌표계 수치를 비교해 보십시오.

 위 치              은 경   은 위          적 경            적 위     해당 방향에 있는 별자리

-------------------------------------------------------------------------------------

은하 중심            0 °     0 °       17h 45m 6s    - 28 ° 94’        궁수  

은하 중심 반대편   180 °  0 °       5h 45m 6s     + 28 ° 94’        마차부

은하 북극            0 °  + 90 °     12h 51m 4s    + 27 ° 13’        머리털

은하 남극            0 °   - 90 °      0h 51m 4s    - 27 ° 13’         조각가

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<우리 은하 내부 구상 성단 - 적도 좌표계 및 은하 좌표계. 자료 Robert Powell>

(4) 초은하 좌표계 (Supergalactic Coordinate System)

위의 Life with Kaas 칼럼에서 수십개 초은하단 집단을 우주 거대구조라 한다고 말씀 드렸다. 한편  우리 은하를 중심한 우주 거대구조의 한 단위를 <국부 우주 Local Universe> 또는 <국부 초은하단> 이라고 한다.

초은하 좌표계는 기준면을 <초은하 적도면>으로 정하고, <초은하 적도면과 우리은하 적도면이 교차하는 선> 을

중심 경선으로 한 좌표계을 말한다. 초은하 적도면 기준은 프랑스 출신 천문학자 Gérard Henri de Vaucouleurs 

(보쿨뢰르, 1918~ 1995) 가 정한 것에 따른다. 이 사람은 프랑스 태생이지만, Lowell 천문대를 비롯, Harvard 대학, Texas Austin 대학 등 미국에서 주로 활동한 학자인데, 우리 은하 주변의 국부우주 (Local Universe 또는 국부 초은하단) 가 다소 기복은 있으나 우리 은하와 유사하게 평면 형태임을 밝혀냈다.  이 국부우주 평면의 중심과 태양이 통과하는 면을 초은하 적도면이라 한다. 태양이 우리 은하 적도면을 통과하는데, 초은하 적도면과 우리은하 적도면이

교차하는 선이 중심 경선이므로 태양은 당연히 초은하 좌표계 중심 경선을 지나게 된다.  

태양을 기준으로 각거리는 재는 것 등 다른 사항은 은하 좌표계와 동일하다. 초은하 경도 경위는 은하 좌표계의 은경, 은위인 l, b 를 대문자 L, B 로 쓰거나 혹은 그 앞에 SG 를 붙여서 각각 SGL, SGB 로 표기하기도 한다.

아래 그림에서 우측 하단 4시 방향 보시면 <Great Attractor> 란 용어가 보이실 것이다. 이 말은 엄청난 매력을 발산하는 “절세미인” 이나 “카사노바” 가 아니고 제 임의로 번역해 보면  <거대 중력권> 정도가 될 것이다. 직각자 자리 은하단 (Norma Cluster) 부근에 있는 우주의 빈 공간으로, 여기선 이상하게도 빈 공간인데도 우리 은하 전체 질량의 수만배에 이르는 거대한 중력이 감지된다. 아직 확인되진 않았으나 암흑물질 때문으로 추정된다.  우리 은하 평면이 이처럼 큰 것은 아님에 유의하시기 바란다. 처녀자리 은하단이 위쪽 보이고, 페르세우스-물고기자리 초은하단은 왼쪽 아래에 있다. 거대 중력권은 우측 하단에 보인다.

<우리 은하 주변 국부우주 (Local Universe)의 근적외선 사진.

괄호 안의 숫자는 지구로부터의 거리이며 단위는 Mega Parsec.

위 그림은 초은하 좌표계에 따른 그림은 아님에 유의 하십시오>   

초은하 중심과 초은하 북극을 세가지 좌표계로 표시하면 아래와 같다. 

위 치    초은하경도   초은하위도     은 경     은 위        적 경    적 위 

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초은하 중심    0 °          0 °      137.37 °    0 °         2.82 h   + 59.5

초은하 북극    0 °       + 90 °       47.37 °    6.32 °      18.9 h   + 15.7

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위에서 초은하 경도 위도 수치를 은경 은위 수치와 비교하면 국부우주 평면 (적도면) 과 우리 은하 평면 (적도면) 의 상대적 위치가 잠작된다. 태양과 국부은하 중심을 연결한 선은 태양과 은하 중심 연결한 선과 137.37 ° 의 각거리이며, 우리 은하 평면은 국부은하 평면과 83.68 ° 를 이루면서 (90° - 6.32 °) 거의 수직으로 서 있는 모양이 된다. 

아래 그림들은 초은하좌표계 적도면에 표시한 국부은하군 주변 반지름 2,000만 광년 안의 천체를

2차원 평면으로 북쪽에서 내려다 본 그림과, 반지름 2억 광년 안의 천체를 3D 로 나타낸 그림이다. 알고계신 천체들 위치를 찾아 보시기 바랍니다.

<초은하좌표계 적도면에 표시한 국부은하군 주변 천체. 반지름 2,000만 광년.

 그림 Robert Powell>

<초은하좌표계로 표시한 초은하단과 빈공간. 반지름 2억 광년. 그림 Robert Powell>

아래 그림은 초은하 좌표계를 사용해서 반지름 10억 광년의 국부우주 (우주 거대구조)를 표시한 것이다. 위의 Life with Kaas에 올려 드린 국부우주 그림과는 조금 다른 버전이다.

<반지름 10억 광년의 우주 거대구조의 3차원 모형. 그림 Robert Powell>

아래 표는 지구에서 가장 가까운 2억~8억 광년 거리의 초은하단 위치를 적도 좌표계와 초은하 좌표계로 표시한

것이다. 두 좌표계 수치를 비교해 보십시오.

<초은하단 위치 - 적도 좌표계 및 초은하 좌표계. 자료 Robert Powell>

(5) 초은하 데카르트 좌표계 (Supergalactic Cartesian Coordinate System)

초은하 좌표계를 데카르트 좌표계에 적용해서 X Y Z 축으로 나타내는 것을 <초은하 데카르트 좌표계>라 한다. 이 좌표계에서 기준면은 초은하 좌표계와 동일하게 초은하 적도면을 사용한다. 기준점은 대부분 태양을 중심으로 하지만, 필요에 따라 다른 천체를 사용할 수도 있다. 일반 적인 데카르트 좌표계에서는 평면이 X Y 축이고 높이가 Z 축이다. 여기에 초은하 좌표계 용어를 적용하면 적도면이 SGX SGY 평면이 되고 초은하 위도가 SGZ 축이 된다.

아래의 첫번쨰 그림이 테양을 기준점으로 SGX SGY 평면에 표시한 좌표이고 두번째가 SGZ 축까지 표시한 3D 좌표이다. 그림을 자세히 보시려면 클릭한 후 확대해서 보시면 됩니다.

<초은하 데카르트 좌표계의 SGX SGY 평면. 그림 Enc. of Galactica>

<초은하 데카르트 좌표계의 3D 좌표. 그림 Enc. of Galactica > 

(6) 초은하 사각형 좌표계 (Supergalactic Rectangular Coordinate System)

이것은 위의 초은하 데카르트 좌표계에서 수직 축인 SGZ 축을 생략하고 필요한 천체들을 SGX SGY 평면에만 표시한 2 D 좌표계이다. 간단한 평면 분포도를 설명할 떄 사용된다. 평면을 이루는 두 축은 단순히 X Y 축으로 불린다. 지구의 세계 지도처럼 필요에 따라 새로운 좌표계를 개발해서 사용하면 새로운 우주 지도가 된다. 회원님들께서도 새로운 우주 좌표계 하나 만드셔서 세계 아마추어 천문학계에 기여해 보시기 바란다.

<초은하 사각형 좌표계. 그림 Enc of Galactica>

(7) 지평, 적도, 황도, 은하, 초은하 좌표계 비교

<적도, 황도, 은하 좌표계 비교. 

  Galactic Equator  은하적도 (흑색원),   Ecliptic  황도 (청색원)

  Celestial Equator  천구적도  (청색원)  Galactic Center 은하 중심

Vernal Equinox   춘분점                 Autumnal Equinox 추분점>

위 그림은 지평과 초은하 좌표계를 제외한 적도, 황도, 은하 좌표계를 비교한 그림이다.  각 좌표계의 북극을 은하 좌표계 기준으로 알아본다. 은하 북극은 NGP (North Galactic Pole) 로 표시하고, 그림에서 연두색 별표이다.  보시는 것처럼 은경 0 ° 은위 + 90 ° 이다. 황도 북극은  NEP (North Ecliptic  Pole) 로서 황색별로 그려져 있으며 은경 98 °  은위 + 31 ° 이다. 천구 북극은 NCP  (North Celestial Pole) 이며 청색별로 표시되어 있고, 은경 123 ° 은위 + 23° 으로 나타난다.

참고로 위 그림에는 나와 있지 않으나, 각각의 적도면이 교차하는 각도를 계산해서 올려 드린다. 수치의 소수점 이하는 약간 오차가 있다.  제가 쓴 것이 맞는지 확인해 보십시오.

   황도적도 ßà  천구적도 : 23. 5 도

   은하적도 ßà  황도적도 : 40. 0 도

   은하적도 ßà  천구적도 : 63. 5 도 

아래 표는 지평, 적도, 황도, 은하, 초은하 등 5 개 좌표계를 비교한 표이다. 각 좌표계의 기준면과 중심 경선 등을 살펴 보시기 바랍니다. 

좌표계    단  위                     기준면        중심 경선         위도측정기준                                               

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지평     방위각 (Az)   고도 (Alt)    지평면        북점 혹은 남점       관측자 지면

적도     적경   (R.A.)  적위 (Dec)   천구적도면   춘분점               지구중심

황도     황경   ( λ )   황위 (β )     황도면         춘분점                태양중심 (또는 지구)

은하     은경   ( l )   은위 (b)      은하적도면     우리은하중심        태양중심 (또는 지구)

초은하   초은하       초은하        초은하적도면  초은하적도면과     태양중심 (또는 지구)

           경도 (L)      위도 (B)                         우리은하적도면 교차선

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청아한 가을 밤에 이 칼럼 쓰고 있는데, 아마추어 천문학에서 제일 재미없는 분야인 좌표계 운운하려니 저도 머리

아파진다. 가을 밤도 깊어가니 마음이 스산하여 1분 15초짜리 바이올린 연주곡  하나 올려드린다.  잠시 쉬셨다

지나가시기 바랍니다.

<클릭 하시면 바이올린 연주가 나옵니다. 연주 Jia Peng Fang>   

이것은 미국 John Pond Ordway 가 1851년 작곡한 <Dreaming of Home & Mother>라는 가곡이다. 아마도 젊으신 분이나 중년이시나 모두 들어보신 기억 있으실 것이다. 이 곡은 <여수 旅愁> 라는 번안곡으로 우리나라에서 한 때 유행했는데 원본 가곡이 너무 짧으므로 기러기란 곡을 중간에 삽입했다. 또 삼천포로 빠지냐고 나무라시겠으나 계절이 바뀌니 아무래도 감성적이 되는 것 같다. 위의 <Life with Kaas> 칼럼에서 구닥다리 유행가 언급한 김에, 결례를 무릅쓰고 노랫말 한번 더 올려 드린다.

    깊어가는 가을밤에 낯선 타향에, 외로운 맘 끝이 없이 나 홀로 서러워

    그리워라 나 살던 곳 사랑하는 부모 형제, 꿈 길에도 방황하는 내 정든 옛 고향

    명경 같이 맑고 푸른 가을 하늘에, 등불 가에 젖은 달빛 고즈넉이 내릴 때

    줄지어 가는 기러기 떼야, 서리 내린 저녁 길에 어딜 찾아 가느냐

계절의 여왕, 가을 문턱에서 괜스레 골치 아픈 좌표계 말씀드려 분위기 망치지 않았나 우려된다. 음악 들으시며 가벼운 기분으로 태양계에서 수억 광년 바깥으로 산책 나가 우리 존재를 다시 한번 생각해 보시는 기회가 되셨다면 저로서는 더 할 나위 없이 기쁠 일이다. 

III. Surprise & Mystery

   은하계 별종 - Omega Centauri

(1) 은하 좌표계로 표시한 Omega Centauri 위치

이전 칼럼에서 은하충돌과 남반구 밤하늘 살펴보았으니 이 두 가지에 모두 관련 있는 Omega Centauri 로 가보려 한다. 우선 그 위치가 우리 은하에서 어디쯤인지 은하 좌표계로 알아본다. 필요한 수치는 은경, 은위 및 태양에서의 거리이다. 아래 도표 보시면 두번째 줄에 NGC 5139 (Omega Centauri) 가 보이고, 은경 l = 309.1 ° , 은위 b = + 15.0 ° 거리 17,000 광년으로 되어있다. 거리에 대한 가장 최근 측정치는 15,800 광년인데, 큰 차이 없으므로 이 자료를 그대로 사용한다.

<두번째 줄에 NGC 5139 , Omega Centauri 가 보임. 자료 Robert Powell> 

<은하 좌표계로 표시한 우리 은하> 

해당 자료를 사용한 Omega Centauri위치는 은하 중심에서 왼쪽 아래 약 45 ° 방향에서 위쪽으로 태양부터 잰 각거리 15 °의 은하 평면 위에 있고 17,000 광년 거리를 감안하면 그림의 맨 바깥 타원 부근에 위치할 것이다. 은경이 309.1 ° 이므로 태양으로부터 은하 중심 건너편이다.  은하 안에서의 위치 파악 되었으니, 비록 우리나라에선 보이지 않고 남반구에서만 보인다 할지라도 밤하늘 어디쯤 사는지는 찾아보아야 할 것이다. 성도 중간에 Omega Centauri 가 표시되어 있다. 여기서부터는 Omega 로만 간단하게 줄여서 부른다.

<Centaurus 성도>

(2) Ptolemy 는 남반구에서 보이는 Omega 를 실제로 관측했을까 ? 

이것은 지금부터 약 2,000년 전에 그리이스 Ptolemy (프톨레미 AD 90~168) 가 그의 목록에<별> 이라고 적은 기록이 있다고 한다. Ptolemy는 그리이스 혈통으로서, 당시 로마제국의 일부였던 Egypt 에서 태어나서 Alexandria 에서 주로 활동했다. 그의 본명은 로마 언어인 Latin 어로 Claudius Ptolemaeus 이고, 영어로 번역해서 Claudius Ptolemy 가 된 것이다. 성이 아닌 이름, Claudius가 로마식 이름임을 보시면 로마시대 사람임이 짐작된다.

우리는 Omega 가 위치한 Centaurus 별자리는 남반구에서만 보인다고 알고 있다. 그런데, AD 2세기에 활동한 사람인 Ptolemy 가 어떻게 그 시대에 그가 어떻게 남반구 별들을 알고 있었는지 이상하지 않으신지요. 별로 중요하지도 않은 것들이 궁금해서 이것저것 자료를 찾아 보았다. 잠시 옆길로 새겠습니다.  

천구에서 Omega 위치는 적경 13h/ 26m/ 47.28s, 적위 – 47 °/  28’ / 46.1” 이다. 출몰성의 남방 적위 한계는

– (90 ° – 위도 δ )  이므로 Omega 가 보이려면 위도가 43 °보다 낮으면 된다. (Omega 적위 – 47 ° = – (90 ° – δ ) 에서 δ 를 구하면 43 ° 임).  원칙대로 라면 우리나라 서울에서도 충분히 보여야 하지만, 4~5월경 밤하늘 투명도가

좋고 남쪽이 트인 곳에서만 가까스로 보인다고 한다. 실제로는 위도 25 °이하에서만 Centaurus 별자리가 전체가

보인다. 그러면 그가 살던 Alexandria 의 위도가 얼마나 되는지 찾아 보았다. 아래 Egypt 지도 보십시오.

<Egypt 지도>

지도 보시면 Alexandria 위도는 31° 정도 된다. 그러나 Egypt 남쪽 경계 위도는 약 22 ° 이므로 그가 Egypt 남쪽을

여행했다면 Omega 정도는 충분히 보였을 것이다. 더욱이 그는 당시 세계 최고의 지식 집산지인 Alexandria 에서

활동했으므로 최신 정보를 접할 수 있었을 것이다. 더욱 놀라운 것은 그가 일생 동안 한번도 남반구를 여행했다는

기록이 없고 지금도 그 시대에는 누구도 남반구를 항해했다는 “공식” 기록은 없는데도 그가 남긴 유명한 세계지도가 있어 아래에 올려 드린다. 

<Ptolemy 의 세계지도>

위의 지도는 Prolemy 가 2세기에 만든 지도를 15세기에 다시 발행한 것이다.  이것은 Ptolemy 가 만든 지도가 맞다고 역사학계에서 인정되는 지도이며, 고대 Persia 제국 (BC 550~330)의 지도 및 그와 비슷한 시기에 살던 Marius (Tyre 출신, AD 70~130)의 지도를 참조했다는 기록이 있다. Ptolemy 가 정말로 기록에 남기지 않고 몰래 남반구를 항해했는지는 알 수 없으나, 아마도 그가 살던 시대 이전에 남반구를 항해한 다른 사람의 자료를 참조했다는 추정이 더 설득력 있을 것이다. 그러면 Ptolemy 지도는 남반구 어느 지역까지 표시하고 있는지 지금 지도와 비교해본다.

<현재의 세계지도.  Ptolemy 지도와 지금의 경위도를 비교해 보십시오>

위의 세가지 지도 보시면 Ptolemy 지도는 지금의 거의 적도 아래까지 표시되어 있음이 보인다.

그러나 Ptolemy가 살던 2세기 이전에 적도까지 항해한 사실은 아직 역사학계에서 인정되고 있지 않다. 더욱이 해안선을 따라가며 지도 작성한다는 것은 지구의 경도 위도를 계산하면서 만들어야 하므로, 항해와는 차원이 다른 문제이다. 하여간 Ptolemy 시대 이전에 지금의 적도 아래까지 항해하고 지도를 만들만한 기술이 있었다면, 분명히 남반구 별들도 자세히 기록해 놓았을 것이다. 위에서 살펴 본대로 만일 Ptolemy 가 위도 25° 아래인 Egypt 남쪽 지방을 여행했다면 Omega 를 직접 관측할 수 있었을 것이다. 비록 직접 보진 못했더라도 적도까지 표시된 지도를 만들 수 있던 시대이므로 적도에서 보이는 별들은 이미 자료가 있었을 것이며 Ptolemy 가 이를 인용했을 수도 있다.

(3) 난 별이 아니고 성단이거든 ! 

<Omega Centauri. 

 적경 13/ 26/ 47.28 적위 – 47/ 28/ 46.1

 거리 15,800 광년 안시등급 3.7 사진 ESO>

이 천체는 Ptolemy 가 이미 그의 목록에 기록한 후 약 1,500년 이나 지난 1677 년에 와서야 Edmund Halley 가 발견했다고 “공식적” 으로 지구 역사에 기록된다. 하지만, 당시의 망원경으론 희뿌연 얼룩으로 보였을 것이므로 그는 목록에 <성운>이라고 기록해 놓았다. 이후 1830년 경에 William Herschel 이 성운이 아니고 <구상성단>임을 밝혀내고  새로 등재했으며, 1888년에 John Louise Emil Dreyer 는 다시 이것을 NGC 5139 로 명명했다.

하여간 1677 년 Edmund Halley 가 <성운>이라고 기록하기 이전엔 2,000년 전 Ptolemy 의 기록에 따라 모두 이것이 <별> 이라고 믿고 있었다. 1603년에 Johann Bayer가 그의 별 목록을 정리하면서 이것을 Centaurus 에서 24번째로 밝은 별이라는 뜻으로, < ω Centauri > 라는 목록을 만들었다. 1830년에 Herschell 에 의해서 이것이 <별> 이 아니고 <구상성단> 임이 밝혀졌는데도 불구하고 계속 Omega Centauri 라는 <별 이름>으로 사용된다. 따라서 별 이름에 사용되는 Bayer 문자로 표시한 ω Centauri는 옳은 표기라고 할 순 없으나, 특별히 다른 이름은 없어 지금도 Omega Centauri 로 사용된다.

Omega는 우리은하 내부에 있는 구상 성단 중에서 안시등급 3.7 등급으로 가장 밝게 보인다. 그러나 우리은하에서 실제 광도인 절대 등급으로 제일 밝은 구상 성단은 Andromeda 은하 주변에 보이는 Mayall II 이다. 이것은 M31 G1 이라고도 불린다.  Mayall II는 최고 광도 임에도 거리가 지구에서 250 만 광년이나 되어, 15,800 광년인 ω Centauri 보다 160 배나 멀리 있으므로 어둡게 보이는 것이다. Mayall II 는 질량도 태양의 100 만배나 되는 엄청난 크기로서 여러모로 흥미로운 구상 성단이므로 이번 기회에 위치와 모습 등 알아보고 지나간다. 

              ω Centauri    Mayall II (M 31 G1)

   -------------------------------------------------

   실제광도   두번째 밝기    최고 밝기  

   안시등급      3.7            13.8

   질    량   1.5 × 10⁶ M_☉   10 × 10⁶ M_☉

   거    리   15,800 광년    250 만  광년

   --------------------------------------------------

<Mayall II 위치. 사진 Palomar 천문대>                     <Mayall II 허블 망원경 사진. NASA>

(4) 우주 최고 인구밀도 

<Omega 중심부. 사진 NASA Hubble Heritage Team>

위 사진은 Omega 중심부를 찍은 사진이다. 발 디딜 틈도 없이 빽빽히 들어서 있는 별들을 보니 감탄사가 저절로

나온다.  조물주의 놀라운 솜씨가 존경스러울 뿐이다. 이 부분은 별 상호간 거리가 평균 0.1 광년으로서, 이 거리는

약 6,000 AU 이다. 위에서 말씀 드린대로 우리 태양에서 가장 가까운 별이 4.22 광년 떨어진 Proxima Centauri 인

것을 감안하면, 태양이 만일 이곳에 있다면 Proxima Centauri 까지 가는 동안에 다른 별이 42개나 더 있어야 할

것이다. 

일반적으로 소형 구상성단 경우에는 별들이 10만개 정도이고, 대형인 경우 70만개 정도이다. 그러나 Omega는 성단 전체가 500 만개 별들로 이루어졌고, 중심부만 10만개의 별들이 있으니 다른 것들과 차원이 다르다. 또 다른 특이한 점은, 다른 성단들의 별들은 모두 움직이지 않고 정지해 있으나, Omega 의 중심부 별들은 중심부 질량 중심을 기준으로 공전하고 있으며 빠른 것들은 속도는 초속 21 km 정도로 움직인다고 한다. 중심부에 블랙홀이 있다는 증거가 포착되었으나, 그 규모에 대해선 아직 논란이 있다.

이 중심부 별들은 너무 조밀하게 붙어 있기 때문에 지구 위의 어떤 대형 망원경으로 보더라도 각각의 별들이 정확히 분해되어 보이지 않기 때문에 허블 망원경이 필요하다.  사진에서 백색 별들은 태양과 비슷한 크기의 별이고 오렌지색 별은 태양보다 수백배 크기로 부풀어진 적색거성들이다. 청색은 상대적으로 젊은 별들일 것이다. 거리가 서로 가까우므로 충돌도 가끔 일어난다.

더욱 이상한 일은, 이 성단 내부의 어떤 별들에선 여러 가지 <금속성 물질 (Metallicity) – 기호 Z> 이 검출되고, 어떤 별들에선 이 금속성 물질이 보이지 않는다는 것이다. 이것은 Omega 의 출생 내역을 알려주는 중요한 지표가 된다. 어떤 별들에선 금속성 물질이 있고, 어떤 별들에선 없다는 것은 이 성단의 별들이 모두 한번에 형성된 것이 아니고, 수십억년 차이를 두고 만들어 졌음을 의미한다. 이런 추정을 하게 되는 이유를 알아보자.

천문학에서 말하는 <금속성 물질> 이란, 우리가 일반적으로 말하는 철, 구리, 금, 은 같은 물질이 아니고, <헬륨>

보다 무거운 모든 물질을 말한다. 간단히 말씀 드리면, 수소는 헬륨 보다 가벼우므로 <수소 및 헬륨을 제외한 모든 물질>이다. 따라서 탄소, 질소, 산소, 네온 등도<금속성물질>에 포함되고, 철은 당연히 금속성이다. 지난 Serial No 11 에서 <Alcyone 4 중성계> 말씀드릴 때 별의 진화 과정상의 핵융합 반응은 <수소 à 헬륨 à 탄소 à 네온à 산소à 마그네슘à 실리콘,   인, 황 핵융합> 단계로 진행되고 마지막 단계에서 <철>이 만들어진다고 설명 드렸다.

중심부에서 최후로 철이 만들어지면 더 이상 핵융합은 일어나지 않는데, 이는 철의 원자핵이 우주에서 가장 안정적

이기 때문이라 한다.

이 같은 핵융합 반응이 어느 단계까지 진행될지는 중심부 온도에 따라 달라지는데, 온도는 결국 별의 질량에 따라

결정되므로 무거운 별일수록 위에 표시한 단계에서 오른쪽으로 진행된다. 질량이 태양의 약 0.46~4 배 정도인 별은 수소를 거쳐 헬륨 핵융합까지 일어난다. 이후 적색거성이 되고 팽창, 수축을 반복하는 변광성이 되다가 결국은 조용히 백색왜성이 될 것이다. 태양은 수소 핵융합까지만 일어난다. 질량이 태양의 약 4~8배이면 탄소 핵융합까지 진행되고, 9~12배 정도이면 마그네슘 핵융합까지 일어나며 12배 이상이면 실리콘, 인, 황 등의 핵융합을 거쳐 드디어

철이 만들어진다. 

(5) 젖과 꿀이 흐르는 Milky Way 에서 살리라

하여간 우주에 있는 구상성단 대부분 Big Bang 이후 50억년 동안에 만들어졌으며, 지금 나이로 보면 약 120억세 정도 된다. Omega 도 마찬가지로 120억년 전에 형성되었다. 그런데 Omega 같은 소규모 구상 성단 내부에 있는 별들이 어느 시점이 모두 같이 태어났다면, 모든 별들이 비슷한 진화 과정에 있어야 하고, 그렇다면 핵융합 단계에도 서로 큰 차이가 없어야 한다.  그러나 Omega 구성원들의 나이가 수십억년 차이가 난다면, 출생 시기가 서로 다른 두가지 천체가 합병 되었을 것이라는 추론이 가능해진다. 

우리 은하 내부에 132억년 된 최고령 별도 발견되었지만, 가장 최근인 2007년의 신뢰할 수 있는 연구에 따르면 우리 은하 형성은 최고 105 억년부터 최저 71억년 사이에 형성되었다는 것이 정설이다. Omega 나이는 120 억년이라면, 오래 전 왜소은하 (Dwarf Galaxy) 였던 Omega 가 그 보다 나중에 만들어진 대형 은하인 우리 은하 중력에 이끌려

합병되었다고 볼 수 있다. 이 경우는 우리 은하가 조금은 영향 받았을 테지만, 형태에 큰 변화가 없으므로 충돌 (Collision) 이라 하지 않고 합병 (Merge, Absorption) 이라 부른다.  우리은하 밖에 있는 어떤 왜소은하가 우리은하에 끌려 들어 온 다음, 왜소은하 외부가 부서지면서 중심부만 남게 되고, 우리은하 내부의 젊은 별들이 그 중심부 중력

으로 왜소은하에 섞여 살게 된 것이다.  위의 두번째 그림 <은하 좌표계로 표시한 우리 은하>를 보시면 우리은하

아래쪽에 Sagittarius Dwarf Galaxy 가 보이며 Omega 와 비슷한 운명을 겪을 것으로 보인다. 

먼 옛날 한 때는 Omega 도 황량한 우주에서 방황하다 우유빛 젖과 꿀이 흐르는 Milky Way 품에 안겨 살려고 결단을 내렸을 것이다. 한 번의 결단이 10년 뿐만 아니라 <영원> 좌우하게 된다. 과감한 결단력으로 우리와 한 가족이 된 Omega 에 늦게나마 축하 박수 보낸다.

(6) 사족 - Milky Way 는 누구 젖줄인가 ?

<전천 은하수. 사진 Public Domain - apod.nasa – Tony Hallas>  

저는 이 칼럼에서 계속 우리은하란 말을 써 왔으나 Milky Way 란 단어를 오랜만에 써보니 생각나는 게 있어 사족으로 한마디 덧붙인다. 어떤 책에는, 우유 (젖) 를 뿌려 놓은 것처럼 보이는 모습을 보고 옛날 사람들이 “Helen 여신의 젖줄” 이라고 표현했다고 설명되어 있다.  하지만 아무리 미모가 빼어날지라도, 시기심과 질투심 많던 Helen 여신의 젖이라면 개인적으로 좀 맘에 들지 않는다.

다른 자료를 보니 Milky Way는 Alexander 대왕시대인 Hellenism 시대부터 초기 로마시대까지 사용되던 Koine

그리이스어의 <Via Lactea>를 영어로 번역한 것이라고 한다. 말 그대로 <우유 길> 이다. 그런데 Koine 그리이스어는 BC 4세기에 알렉산더 대왕이 거대한 제국은 만든 이후, 그가 사용하던 마케도니아 지역 그리이스어가 그의 제국에 퍼져 사용된 언어이다. 알렉산더 대왕 시대 문화를 헬레니즘 문화라 하므로 이 언어를 다른 말로 Hellenistic Greek 또는 Alexandria Dialect 로 부른다. 최초의 신약성경도 유대 언어가 아니고 Koine 어로 기록되었다.  아마도 Hellenistic Greek 인 Via Lactea 라는 말 때문에 Helen 여신이 들어갔을 수도 있다고 생각한다. 

저는 그냥 은하수 모습 그대로 “우유를 뿌려 놓은 길” 이라는 의미로 이해하고 싶다. 물론 Helen 여신도 원래는

마음씨도 고운 미모의 처녀였겠지만, Zeus 의 지나친 여성 편력 때문에 질투심 많은 사람으로 변해갔을 것이다.

그러나 “Helen 여신” 의 젖줄이든 “살찐 얼룩소” 의 젖줄이든 무엇이 중요하랴.  “언제나 그 자리” 에서 찬란하게

빛나는 그대가 아름다울 뿐이다.

IV. Journey to Deep Sky

 이중성 및 다중성, 그 조화의 美學 (中)

(1) 망원경이 발전할수록 늘어나는 이중성, 다중성

지난호에 이어서 이중성, 다중성에 대한 두번째 칼럼이다, 이번에는 주로 사전적인 설명이 될 것 같으므로 지루하시더라도 이해 부탁 드린다.

이중성, 다중성 구별은 당연히 관측에 의존한다. 실제로는 이중성인데 어떤 이유로 망원경으로 구분되어 보이지 않으면 이중성으로 분류되지 않았을 것이다. 따라서 이중성, 다중성이 얼마나 정확하게 분류되고 있는가의 문제는 당연히 망원경 성능이 관건이다.  그러면 현재 어떤 종류의 망원경들이 사용되고 있는지 먼저 알아본다. 여기서의 종류란

망원경 구조가 아니고 <사용되는 전자기파 종류>를 말한다. 예를 들어 굴절, 반사 망원경에는 가시광선이 사용되며 이것도 전자기파의 한 종류이다. 아래 그림은 우주에 존재하는 모든 전자기파 (Electromagnetic Wave) 를 에너지가 큰 순서부터 낮은 순서로 나열한 것이다.

<전자기파 종류와 파장 범위>

도표의 전자기파 종류를 우리말로 나타내면 아래와 같다.

     감마선   (γ Ray)       à  X 선  (X Ray)   à 자외선 (Ultraviolet)  à

     가시광선 (Visible Light) à 적외선 (Infrared) à 전파 (Micro, FM, AM Long Wave)

그림 왼쪽이 에너지기 큰 쪽이고, 에너지가 크다는 것은 파장이 짧은 것과 같은 말이므로, 파장은 왼쪽으로 갈수록

짧아진다. 맨 왼쪽에 감마선 ( γ Ray) 이 보이고 오른쪽으로 갈수로 파장이 길어진다.  참고로 알파선 (α Ray) 및

베타선  (β Ray) 은 입자이므로 파장만을 표시한 위 그림에는 해당되지 않는다. 그림 아래 부분 무지개 표시는 가시

광선 영역이다. 적색이 파장이 길고 낮은 에너지이며, 청색이 짧은 파장에 에너지가 높은 것이 표시되어있다.

위의 전자기파 이름 보시면서 알고 계신 망원경 종류를 나열해보시면 위의 모든 전자기파 이름이 전부 나올 것이다. 천문학에서 사용하는 각종 망원경 에는 바로 위에서 언급 드린 “모든 전자기파” 가 사용되고 있다. 따라서 현재 밤하늘에서 우리 눈에 보이는 별들 정도는 거의 전부 단일성, 이중성, 다중성 구분이 되어 있다고 보시면 된다. 전자기파 말씀 먼저 꺼낸 이유는 우주를 연구하는 방법론을 잠시 언급 드리기 위해서이다. 아시는 내용이지만 한 번 더 정리

해본다.

1. 이론 천체물리학 (Theoretical Astrophysics) :

   우주론, 양자역학 등 수학적 논리로 우주를 연구함.

   어떤 이론이 제안되면 가설에 머물다가 나중에 관측천문학으로 증명되는

   사례가 많음. 예를 들어 블랙홀, 중력렌즈 현상 등.   

2. 관측 천문학 (Observational Astronomy) :

   각종 망원경 및 기타 장비를 사용해서 측정한 자료 (Data)를 분석해서 우주를 연구함.

     관측하는 방법에 따라, 천체 스펙트럼으로 연구하는 분광학 (Spectroscopy),

     천체를 찍은 영상으로 연구하는 측광학 (Photomerty),

     천체 위치를 측정하는 측성학 (Astrometry) 등으로 세분됨. 

     아마추어 천문학 분야는 관측천문학이 대부분을 차지할 듯.

이처럼 모든 전자기파를 사용하는 관측 천문학이 발전함에 따라 이중성, 다중성 비밀도 많이 밝혀지고 있다. 맨 아래에서 소개 드리는 미국해군 천문대 (United States Naval Observatory 가 만든 Data Base 에는 102,387 개의 목록이 들어가 있다. 이것은 북반구 하늘 9등성까지의 별들 중에서 5.5 %에 해당하는 수치가 된다. 그러나 아직도 다중성을 이루는 별들의 정확한 숫자나 궤도가 아직 확인되지 않은 것들은 많다.

(2) 종류와 목록번호 

Double Star 란 광학 망원경으로 보았을 때 서로 같이 붙어 있는 두 개의 별을 말한다. 어느 정도로 가까이 있어야

하는지에 대한 정확한 정의는 없다.  이 같이 가까이 붙어 보이는 별은 아래의 두 가지로 구분할 수 있다.

 1. Optical Double Stars (안시 이중성)  

   서로 멀리 떨어져 있지만 우연히 지구에서의 시선방향에 같이 놓여있어 가까이 보이는 별.

   앞으로는 “Optical Double” 로 표기함. 

 2. Binary Stars (상호 중력작용 이중성) 

   실제로도 근접해 있으면서 상호 중력작용 하는 별.

   앞으로는 “Binary” 로 표기함. 

그런데 Binary Stars 는 “Visual Binary”와  “Non-Visual Binary” 로 구분하기도 한다. 전자는 광학 망원경으로 보았을 때 이중성으로 관측되는 것이고, 후자는 광학 망원경으로 보았을 때는 단일성으로 보이지만, 위에서 설명 드린 관측 천문학의 여러 분야인 분광학, 측광학, 측성학 등으로 분석하면 이중성으로 나타나는 것을 말한다. 그러나 광학 망원경이 날이 갈수록 발전함에 따라 그 이전에는 보이지 않던 것도 관측 가능해졌으므로 이 구분은 점점 의미가 없어지고 있다.

한편 “쌍성”이란 용어도 쓰지만 여기선 이 단어 사용하지 않는다. 또한 안시 이중성과 상호 중력작용 이중성을 구별할 필요가 없는 경우에는 그대로 “이중성”이란 용어 사용하고, 구별할 필요 있으면 다소 긴 우리말 번역 보다는 간단하게 “Optical Double” 및 “Binary” 를 사용한다. 참고하시도록 다중성의 영어 단어도 아래에 명기해 드린다. 주로 Deep Sky 집단에 사용되는 “스테판의 오중주 (Stephan’s Quintet)” , “세이퍼트 육중주 (Seyfert’s Sextet)” 라는

말처럼, 음악 용어도 사용되므로 도움되실 것 같아 이번 기회에 같이 표기해 드린다. 

        별 집단 (Star System)           Deep Sky 집단 (음악관련 용어) 

     ------------------------------------------------------------------------------

     단일성    Single                          독 주    Sole

     이중성    Double / Binary              이중주   Duet

     삼중성    Triple / Trinary / Ternary   삼중주   Trio

     사중성    Quadruple                    사중주   Quartet

     오중성    Quintuple                     오중주   Quintet

     육중성    Sextuple                      육중주   Sextet

     칠중성    Septuple                     칠중주   Septet

     팔중성    Octuple                       팔중주   Octet

     구중성    Nonuple                      구중주   Nonetto

    -------------------------------------------------------------------------------

기존에 이중성으로 알려진 별들은 Bayer 문자 위에 숫자를 붙여 쓴다. 예를 들면 우리나라에선 보이지 않지만,

Acrux 란 이름을 가진 남십자자리 (Crux) 알파별  (α Crucis) 은 삼중성인데, 일반 망원경으로 볼 때 이중성처럼

보이므로,  α¹ Crucis 및  α² Crucis 로 쓴다.  여기서 α¹ Crucis 또한 이중성이고, α² Crucis 는 단일성이다. 

Bayer 문자 위에 붙여 쓰기는 아무래도 불편하므로 영어 대문자 A, B, C, D 로 쓰기도 한다. A는 주성 또는 더 밝은 별 을 표시하고 B는 동반성 또는 상대적으로 어두운 별을 표시한다. 위에서 언급 드린 북극성 표시인 Polaris A 및 Polaris B 가 그 예가 될 것이다 그런데 북극성은 별 이름인 Polaris 말고 Bayer 문자 표기로는 α UMi 이다. 따라서

α UMi  A ( α UMi Ursae Minoris A) 로 쓰기도 한다. 한편 별에 동반성도 있으면 대문자 옆에 소문자를 써서 동반성을 표시하는데,  Polaris Ab 혹은  α UMi Ab 로 쓰면 된다.   

별자리처럼 밤하늘에 영원히 자기 이름을 남기는 방법은 Messier 번호처럼 자기 이름을 사용한 목록일 것이다. 망원경이 발달한 근대 이후 지금까지 많은 이중성 광신도들이 있었고, 지금도 여러 나라에 이중성 관측 협회, 연구 동호회가 있다. 이중성 연구가들의 목록 번호와 그것들을 체계적으로 정리하고 Update 해가는 Washington Double Star Catalog  (WDS) 의 Code 를 올려드린다. 참고로 아래에서 F.G.W Struve (1793~1864)는 Otto Struve (1897~1963)의 직계 증조부인데, 이 Struve 가문은 러시아에서 18세기 이후 많은 과학자를 배출했다.

   목록 작성자               목록작성자 Code          WDS Code

  ---------------------------------------------------------------------------

   F.G.W Struve                   Σ                       STF

   F.G.W Struve 부록 I           Σ I                     STFA

   F.G.W Struve 부록 II          Σ II                     STFB

   Otto Struve                    Ο Σ                    STT

   Pulkova 부록                   Ο Σ Σ                  STTA

   William Herschel               H I, II                 H 1,2

   N. Lacaille                       Lac                    LCL

   James Dunlop                  Δ                      DUN

   S.W. Burnham                  β                       BU

   Brisbane 천문대                Brs0                   BSO

   ----------------------------------------------------------------------------

   <WDS Code 에는 위의 Code 이외에도 다양한 Code 들이 있다>

(3) 공전궤도 모델

위의 <Life with Kass> 칼럼에서 두 천체의 공전궤도 중심은 <두 천체 상호간의 질량중심 (Barycenter)> 이라고 말씀 드렸다. 두 천체의 질량 차이가 심할 경우 대형 천체의 내부에 질량중심이 있게 되지만, 서로 비슷한 질량이면 질량 중심은 두 천체 사이의 어떤 공간에 있게 된다. 아래에는 이중성,  삼중성,  사중성의 공전궤도 모델 동영상을 두 개씩 올려 드린다. 물론 실제 천체에선 셀 수 없을 만큼 다양한 형태로 움직이겠으나, Barycenter 를 중심으로 공전하는

원칙은 변함이 없다.  <Life with Kass>에  올려 드린 정지 그림도 같이 참조하시기 바랍니다.

<이중성 공전 모델 1. 그림 Robert Powell>

<이중성 공전 모델 2. 그림 Robert Powell>

<삼중성 공전 모델 1. 그림 Robert Powell>

<삼중성 공전 모델 2. 그림 Robert Powell>

<사중성 공전 모델 1. 그림 Robert Powell>

<사중성 공전 모델 2. 그림 Robert Powell>

(4) 이중성, 다중성 목록 찾을 수 있는 Web site

 1. Washington Double Star Catalog (WDS)

인터넷 검색하시면 위의 목록소개 드릴 때 언급 드린 여러 가지 목록을 찾으실 수 있다. 그런데 그것들 대부분 Washington Double Star Catalog 의 자료를 바탕으로 편집한 것이다. 세부 목록은 제외하고 여기서는

원조격인 WDS Catalog 만 보여 드린다. 이것은 <미국해군 천문대 (United States Naval Observatory)>가

그 동안 발견된 이중성, 다중성을 모두 모아서 정리한 Data Base 이며 102,387 개 목록이 있다. Site 주소와 Site

모양은 아래와 같다.

  Web site 주소  http://ad.usno.navy.mil/wds/wds.html

 <WDS Catalog 일부>

2. The Spirit of 33

<An International Network of Double Stars Observers> 가 편집했으며, 별자리 중심으로 편집되어 실제 밤하늘

관측할 때 편리하다.  25개 별자리마다 33개의 이중성, 다중성을 골라 목록을 만들어 놓았다. 쌍안경으로 볼 수 있는 이중성, 다중성 목록도 별도로 있고, 관측할 때 바로 사용할 수 있는 Work Sheet 도 있다. 

Site 주소, List 일부를 올려 드린다. 

Web site 주소 http://www.carbonar.es/s33/33.html

<양자리 (Aries) 의 Struve 목록 33개 일부 - The Spirit of 33>

(5) 북극성 5중성 대가족 

아무리 설명 위주 칼럼일지라도 별 사진 하나 안보고 지나갈 순 없다. 이번에는 스타 중의 스타, 북극성의 진면목을 알아본다.  이 별은 고대부터 잘 알려진 별이지만, 18세기 들어 이중성으로 밝혀진다. 그러나 2006년에 5중성임이

확인되었고, 이후 더 이상 추가된 동반성은 없다.

1780 년에 William Herschel 이 북극성의 주성 Polaris A 를 공전하는 동반성을 발견하여 Polaris B 로 명명했다.

그런데 1929년에 분광관측으로 주성 Polaris A 옆에서 왜소 동반성이 또 발견되어 북극성이 삼중성계를 이루고

있다고 알려진다. 이 별은 Polaris Ab 로 등재되었다. 2006년에 와서 허블 망원경이 찍은 북극성 주변 사진과 다른

자료들을 분석한 결과, 주성 Polaris A 와 먼 거리에 있으나 상호 중력작용하는 두개의 별이 더 발견되어 Polaris C, Polaris D로 명명되어 북극성은 전부 5중성 (Quintuple Stars) 임이 밝혀졌다.  각각의 별들의 신상명세는 아래와

같다.

Polaris A  (α UMi A) 는 질량이 태양의 6배이고, 직경은 태양의 46배나 되는 초거성이다. 거리는 지구에서 434 광년이며 전형적인 Cepheid (세페이드) 변광성이다. 1852년에 변광현상이 관측되었고, 1911년에 Ejnar Hertzsprung 이 변광성임을 공식적으로 확인했다. 특이한 현상은 이 별은 변광성이면서 광도가 점점 증가한다. AD 2세기 인물인 Ptolemy 가 활동하던 시대에는 3등급으로 기록되어 있는데, 지금은 2등급 (1.985 등급) 의 밝기가 되어있다.  

Polaris Ab는 태양 질량의 1.5배 이며 A와의 거리는 18.8 AU 밖이 안된다. 이 거리는 태양과 천왕성 사이 거리와

비슷한 것으로 우주 규모로는 상당히 가까운 거리이다. 1929년 이 별이 발견됨에 따라 주성 A 의 변광 이유가 밝혀지게 되었다. Polaris B는 질량이 태양의 1.39배이며 A와 2,400 AU 거리를 두고 공전한다. 2006년에 허블 망원경이 찍은 위의 세 개별들 사진 올려 드린다.  Polaris C, D 의 사진은 찾지 못했다. 세차운동으로 지구 자전축이 이 별에서 완전히 벗어나기 전에 밤하늘 볼 때마다 꼭 한번씩은 인사차 들러보아야겠다.

<북극성 A 와 Ab. 사진 허블 망원경>   

<북극성 A 와 B. 사진 허블 망원경>  

V. Moon River Wider Than a Mile

만날 때 떠날 것을 염려하는 것과 같이

떠날 때 다시 만날 것을 믿습니다

(1) 매년 3.8 cm 씩 지구에서 멀어지는 달

위의 소제목은 잘 아시는 한용운의 <님의 침묵> 일부를 인용한 것이다. 소년 시절, 이 시를 처음 접했을 때의 감동을 아직 잊지 못한다. 머리가 조금 커지면서 한 때는 이 대목이 말 장난 같이 생각되던 때도 있었으나, 세월이 흐르면서 님의 침묵이란 시의 전체적 맥락은 제외하고라도, 이 시구만의 의미가 생각날 때가 있다.

달의 형성에 대해선 몇 가지 가설이 있으나, 45억년 전에 화성 크기 천체가 지구와 충돌하면서 그 잔해들이 중력으로 뭉쳐서 생겼다는 것이 최근의 다수설이다.  지구가 이방인 천체와 서로 몸 일부씩을 희생해서 지구의 새로운 동반자를 만들었다고도 볼 수 있는데, 이런 달이 영원히 지구 곁에 머물 것 같았으나 언제부터인가 지구에서 점점 멀어지고 있다. “충돌도 우주의 일이라 만날 때 떠날 것을 염려하고 경계하지 아니한 것은 아니지만 이별은 뜻밖에 일이 되고 놀란 가슴은 새로운 슬픔에 터집니다.”

<달이 지구와 다른 천체와의 충돌로 생겼다는 가설을 표현한 그림>  

달은 지구에서 일년에 3.8 cm (38 mm) 씩 멀어지는데, 이는 <각운동량 보존의 법칙> 때문이다.

(Law of Conservation of Angular Momentum).  물체가 원운동 할 때 원 중심점과 원주상의 물체를 연결한 선의

회전 반지름과 물체의 운동량 (질량 x 회전 각속도) 를 곱한 값은 일정하게 보존 된다는 법칙이다. 따라서 회전

반지름과 회전 각속도는 반비례하게 된다. 예를 들어, 실의 끝에 돌을 달아 돌리면서 실을 점점 짧게 하면 회전 속도가 빨라진다. 또한 피겨 스케이팅 공연시 회전 각속도를 높일 때는 양 팔을 좁혀 가슴 쪽으로 가져가는 것을 볼 수

있다. 이는 회전 반지름을 짧게 하면서 회전 각속도를 빠르게 하기 위함이다. 반대로 회전 각속도가 느려지면 회전

반지름이 늘어난다.

<매년 3.8 cm 씩 지구에서 멀어지는 달>  

지구와 달 상호간 운동을 보면 두 종류의 각운동량을 볼 수 있다.  지구는 약 24시간을 주기로 자전하며 달은 약 27.3일을 주기로 지구를 공전한다. 또한 달도 자전하는데 지구 중력 영향으로 달의 자전속도가 늦어져서 자전주기와 공전주기가 같아져서 지금 달은 항상 같은 면만 지구를 향하고 있다. 이렇게 두 천체가 상호 중력작용으로 묶여 있는

현상을 Tidal locking  (조석력 고정) 이라 하고, 자전주기와 공전주기가 같은 현상을 동주기 자전 (Synchronized rotation) 이라고 한다. 이 현상은 태양계 뿐만 아니라 전 우주의 행성 및 위성에서 많이 보이는 평범한 현상이다.

자세한 사항은 Serial No 4 를 참조하시면 된다.

위의 <Life with Kaas> 칼럼에서 보셨듯이 어떤 천체 상호간 거리가 멀어지면 천체의 공전궤도 질량중심 (Barycenter) 도 같이 이동한다. 지금의 달의 지구 공전궤도 질량중심은 지구 표면에서 1,707 km 지하에 위치한다.  그러나 100만년 후에는 502 km 만큼 표면으로 상승해서 지구 표면에서 1,205 km 아래에 있게 되고, 10억년 후에는 지구 표면 위 36,393 km 되는 우주 공간으로 빠져 나간다.

<달의 지구 공전궤도 질량중심의 이동>

(2) 매년 15 micro 초씩 느려지는 지구 자전주기

한편 지구와 달의 각운동량도 외부 영향이 없다면 당연히 보존된다. 지구와 달은 항상 서로 중력 (인력) 으로 서로

당겨지고 있다. 지구 중력 때문에 달이 지구를 공전하며, 달의 중력은 지구 바다의 조석간만의 차이를 만든다. 지구 바다가 간만의 차이를 보이며 밀려오고 빠져 나가면서 일으키는 마찰력은 오랜 세월에 걸쳐서 지구 자전 속도를 점점 늦춰왔다. 실제로 지금도 지구 1회 자전시간은 매년 15 Microseconds (마이크로 초) 씩 느려지고 있다. 9 억년

전에는 지구의 하루가 18시간 밖에 되지 않았다.

지구의 자전이 점점 느려지면서 하루가 길어짐에 따라 지구의 각운동량이 손실된다. 그러나 지구와 달 상호간 각운동량은 보존된다고 말씀 드렸다. 따라서 지구가 잃어버린 각운동량은 어디선가 보충되어야 할 것인데, 상대방이 달 밖에 없으므로 당연히 지구가 잃어버린 각운동량 만큼 달의 각운동량이 증가해야 할 것이다.

달의 각운동량이 증가할 수 있는 방법으론 아래 두 가지를 생각해 볼 수 있다. 먼저 지구에서 거리는 일정하게 두고 달의 공전 속도가 빨라져서 공전주기가 빨라지는 것이다. 이러면 한 달이 27.3일 보다 짧아 질 것이다. 그러나 지구에서 거리가 일정하다면 지구 중력에 조석력으로 묶여 있어서 (Tidally Locking), 공전주기가 27.3 일로 일정할 수 밖에 없어 더 이상 빨라질 수 없다.  다른 방법은 지구에서의 거리가 멀어지는 것인데, 이것은 가능한 방법이 된다.  달이 지구와의 거리가 멀어지면 공전 속도가 빨라져야 하며 이는 케플러 법칙으로도 증명되어 있다.

(3) 멀어짐과 느려짐의 합일점 

달이 지구에서 멀어지는 현상은 <지구의 자전주기와 달이 지구를 공전하는 주기가 같아질 때까지> 계속 될 것이다. 다른 말로 하면 지구의 하루는 점점 느려져서 예를 들어, 지구의 하루가 지금 시간으로 7 일 정도 되고, 달의 지구

공전주기는 점점 빨라지면서 공전속도도 빨라지고, 공전 주기도 지금 시간으로 7 일 정도 되면 달도 더 이상 지구와 멀어지지 않는다. 지금은 지구가 힘이 세서 달을 조석력으로 묶은 상태이지만 달의 조석력이 점점 커지면서 달과

지구가 서로 동등한 조석력으로 묶인 상태가 될 때까지 진행된다. 

이렇게 되면 달이 지구에서 너무 먼 거리에 있게 되므로 지구에서 개기일식을 볼 수 없을 것이다. 지구에서 보이는 달의 직경이 태양 직경 보다 작게 보이므로 항상 금환일식으로 보이기 때문이다. 그러나 과연 그 때가 되면 금환일식이나마 볼 수 있을까 ? 그 때가 언제인지 계산해 보기로 한다.

편의상 달과 지구가 서로 동등한 조석력으로 묶이는 시점을 지구의 하루가 지금 시간으로 한 달의 1/4인 7일 정도

된다고 가정한다. 달도 지구에서 멀어지지만, 지구 자전시간도 같이 느려지므로 지금의 달 공전주기 27.3일의 1/2 ² 정도인 7일로 정해보는 것이다.  또한 지구 자전이 느려지는 속도에도 가속이 붙겠지만 계산 편의를 위해 지금처럼 매년 15 Microseconds (마이크로 초) 씩 느려지는 것으로 가정한다. 7일이 하루이면, 시간으론 168시간이고, 지금은 24시간이 하루이다. 두 수치 차이는 144 시간이며, 15 마이크로 초가 144 시간이 되려면 몇 년이 걸리는지 계산하면 될 것이다.  144 시간 = 518,400 초이고, 518,400 초 / 0.000015 초 (15 마이크로 초) = 345 억 6,000만년이 된다.