밤하늘과 우주 이야기 -2장-
천문관측과 별자리, 지구와 이웃 행성들에 대해서
코페르니 쿠스는 지구가 태양을 중심으로 공전하고 있다는 것을 입증했지만 그에 대한 정확한 증거는 말하지 못했다. 이 증거를 제시한 이는 갈릴레오 갈릴레이 이다. 갈릴레이는 지구가 공전한다는 사실을 두가지 증거를 통해 증명한다. 첫 번째 증거는 금성의 위상변화이다. 갈릴레이는 금성의 모습을 관찰하던 중 금성이 달과 같이 일부분만 보였다가 다시 전체의 모습을 드러낸다는 사실을 알게 된다. 프톨레마이오스의 주장처럼 주전원에 따라 금성이 지구를 중심으로 돈다면 금성의 모습은 언제나 초승달의 모습처럼 보여야 한다. 그러나 현실의 금성은 위치에 따라 전체가 보이고 또 일부가 보이기도 한다. 두 번째 증거는 목성주위를 공전하는 4개의 위성을 들 수 있다. 예전엔 행성과 위성이 지구 주위만을 돈다는 사실이 지배적이었다.
그러나 갈릴레이는 목성의 주위를 도는 4개의 위성이 있다는 사실을 통해 이 주장이 틀렸음을 증명해낸다. 1632년에 갈릴레이는 그의 저서, <천체에 관한 대화>에서 이 사실을 통해 코페르니쿠스의 태양중심설을 증명해냈으나, 당시 학계와 종교계의 반발로 인해 종교재판을 받게 된다. 당시 모두가 같은 주장을 할 때 홀로 다른 주장을 한다는 것이 얼마나 고독하고 슬픈 일인지 느껴졌다. 이후 케플러는 수학적 공식을 통해 태양을 중심으로 모든 행성들이 원운동이 아닌 타원 운동을 하고 있음을 증명해낸다. 이 둘의 노력은 이후 과학 혁명의 계기가 된다. 갈릴레이의 죽음 이후 뉴튼이 탄생하게 된다. 뉴튼은 케플러의 3법칙을 이용하여 뉴튼 운동의 3법칙을 말했다. 그 중하나가 바로 만유인력 법칙이다. 뉴튼의 등장은 근대 과학의 시대를 여는데 결정적인 기여를 하게 된다. 이렇게 인류는 그들이 속한 우주에 대해 점점 과학적인 접근을 하게 되었다. 수많은 오류들을 경험하고 그것을 하나씩 깨뜨려가는 과정 그것이 과학이다.
한편 동양에선 우주에 대해 어떻게 생각하고 있었을까? 동양에선 예전 서양과 마찬가지로 지 구를 중심으로 하늘이 회전하고 있다는 혼천설을 믿고 있었다고 한다. 혼천설은 하늘을 회전하는 고체의 구로 가정하고 그 위에 태양이 돌고 있는 길인 황도와 천구의 적도를 설정한 것이다. 이는 삼국 시대에서부터 조선시대가지 정통적인 우주관으로 자리매김했었다. 특히 조선 시대 때 기록되었던 천상열차분야지도를 주목해서 볼 필요가 있다. 때는 조선 태조 4년, 태조는 고구려 평양에 세워졌던 석각천문도의 탁본을 받게 된다. 태조 이성계는 학자들로 하여금 오랜 세월의 흐름에 따라 달라진 별의 모습을 새로 측정하여 1464개의 별을 새겨 1395년에 천상열차 분야지도를 완성하게 되었다. 천상열차 분야지도는 별의 밝기까지 표현한 섬세한 지도였다. 밝은 별은 크게 그렸고 어두운 별은 작게 그렸다.
천문관측은 고대 이집트 때부터 시행되었다. 고대 이집트에선 시리우스 별과 태양이 동시에 떠오르는 순간이 1년에 한 번씩 일어난다는 사실을 알게 되고 이를 통해 1년이 365.25일이라는 사실을 알게 되었다고 한다.
북반구에서 보는 별자리와 남반구에서 보는 별자리는 엄연히 다르다. 지역마다 볼 수 있는 별자리도 다르다. 이게 어떻게 가능한 것일까? 이를 설명하기 위해선 천구라는 개념을 가져와야 한다. 천구는 지구중심설을 설명하기 위해 가져온 개념이었다. 그러나 이것은 오늘날 조금 다른 형태로 설명된다. 천체를 관측하기 위해 설정한 가상의 구라고 생각하면 맞을 것이다. 지구를 중심으로 지구를 둘러싼 가상의 구를 설정하고 거기에 위도와 경도를 설정한다. 이를 통해 각 별들의 실제 거리와 상관없이 지구의 기준에서 별자리들이 어느 각도에 위치해 있는 지 알아볼 수 있다. 지구의 적도면을 하늘까지 확장해서, 천구와 만나는 선을 천구의 적도라고 한다. 천구는 지구상의 적도를 기준으로 위도를 나누어 북쪽을 +적위, 남쪽을 -적위라 설정한다. 지구 상의 북극은 천구의 북극이 된다. 적위가 지나치게 높거나 낮지 않는 별은 북반구와 남반구에서 1년 내내 항상 볼 수 있는 주극성이다. 또 계절에 따라 볼 수 있는 별들도 있는데, 남반구의 겨울철 별자리는 북반구에서 여름 철 별자리가 되고 북반구의 겨울철 별자리는 남반구에서 여름철 별자리가 된다. 이는 북반구와 남반구의 계절이 서로 반대로 진행되기 때문이다. 또 천구를 바라보는 각도가 남반구와 북반구가 다르니 별자리의 각도 역시 위치에 따라 다르게 보일 수 있다. 천구 위에서 태양이 운동하는 궤도를 황도라 한다. 황도가 만드는 평면은 지구가 만든 천구의 적도에 비해서 23.45도 기울어져 있다. 천구의 적도와 황도가 만나는 점은 두개가 존재한다. 하나는 춘분점과 다른 하나는 추분점이라 한다. 천구 상에 천체의 위치를 표시하기 위해선 적위 외에 적경이라는 게 필요하다. 천구의 북극과 천구의 남극을 위아래로 이은 선을 시간권이라 한다. 천구의 북극과 남극을 이은 시간 권이 천구의 적도와 만나는 지점이 있는데, 춘분점으로부터 이 점까지의 각도를 적경이라 한다.
지금까지 우리가 바라보는 밤하늘의 모습에 대해 배웠다. 이어서 밤하늘을 이루고 있는 천체에 대해 하나씩 배워 가기 시작했다. 먼저 많이 들어봤지만 자주 헷갈리는 개념인 행성과 항성의 차이에 대한 설명이 이어졌다. 행성은 시간에 따라 위치가 달라지는 움직이는 별을 뜻한다. 이와 달리 항상 같은 자리에 붙어 있는 별을 항성이라 부른다. 밤하늘에 맨눈으로 관측할 수 있는 행성은 수성, 금성, 화성, 목성, 토성으로 총 5개이다. 수성과 금성은 지구를 기준으로 태양계 안쪽에 존재하는 내행성이다. 반면 화성과 목성 그리고 토성은 지구를 기준으로 태양계 바깥에 존재하는 외행성이다. 이들은 짧은 기간 동안 동에서 서로 역행하는 현상을 보인다. 행성 외에도 밤하늘엔 혜성이 있다. 혜성은 예고없이 찾아오는 천체이다. 행성과 태양을 만든 부스러기의 일종이다. 혜성은 소행성과 혜성으로 나뉘어진다. 혜성은 얼음, 바위, 가스, 먼지 등으로 구성 되어있다. 그 중 얼음이 주성분이다. 몇몇 혜성은 몇 년을 주기로 지구 상에 보이기도 한다. 그중 어떤 혜성의 주기는 1000년이 넘기도 하는데, 2500년을 주기로 지구에 보이는 헤일 밥 혜성이 그 예시이다. 짧은 주기의 혜성의 예시로는 헬리 혜성이 있는데 이 혜성은 76년을 주기로 지구상에 보인다고 한다. 앞으로 밤하늘에 혜성을 목격하게 된다면, 자주 볼 수 없는 것이니 더욱 집중해서 볼 것이다.
달이 지구를 공전하는 주기는 약 1달이다. 이를 어떻게 알 수 있을까? 달의 공전주기는 항성월과 삭망월로 구분할 수 있다. 항성월은 달 보다 멀리 떨어져 있는 하나의 별을 설정하고 지구-달-별이 같은 위치에 놓이는 기준에서 출발해 다시 그 시점으로 돌아오기 까지의 일 수를 말한다. 삭망월은 지구-달-태양이 같은 위치에 놓이는 기준에서 출발해 다시 그 시점으로 돌아오기 까지의 일 수를 말한다. 항성월의 주기는 27.32일, 삭망월의 주기는 29.53일이라고 한다. 달에 대해 한가지 재밌는 사실은 달이 지구 주위를 공전하는데도 우리에겐 항상 같은 면만 보여준다는 점이다. 이는 달의 자전주기가 점점 느려진다는 사실에 기인한다. 달과 지구는 서로에게 중력을 미친다. 거리가 가까운 쪽은 상대적으로 많은 힘을 받고 거리가 먼 쪽은 상대적으로 적은 힘을 받게 된다. 이러한 힘을 조석력이라 한다. 이것 때문에 달의 자전주기는 점점 느려져 공전주기와 같아졌고 달은 항상 같은 면 만을 지구에게 보여주게 되었다. 영화 트랜스포머3: 달의 어둠이라는 영화에선 지구에선 보이지 않는 달의 뒷면에 외계인이 존재한다는 이야기를 펼친 적이 있다. 지구에선 달의 한 부분 밖에 보이지 않는다는 사실을 알게 되니 이 영화의 아이디어가 이 이론으로부터 온건 아닐 까라는 생각이 들었다. 달의 중력은 또한 지구에게도 영향을 미친다. 달이 지구의 앞면을 잡아당기는 중력은 지구의 뒷면을 잡아당기는 중력보다 크다. 지구의 중심과 달의 중심을 잇는 선상에는 두 천체 간의 질량 중심점이 있다. 질량 중심점은 질량이 큰 지구의 중심 근처에 위치한다. 지구와 달은 이 질량중심점을 중심으로 서로 같은 주기로 공전한다. 달이 지구를 끌어당기는 중력에다, 지구의 공전에 의해 생기는 원심력을 더하면 지구의 앞면에는 오른쪽으로 작용하는 힘이 생기고 뒷면에는 왼쪽으로 작용하는 힘이 생긴다. 지구 표면을 덮고 있는 바다는 액체이기 때문에 앞 뒷면에 작용하는 힘에 따라 쉽게 이동하게 된다. 이는 달의 경우도 마찬가지이지만 달의 표면엔 액체가 없기에 그 변화가 두드러지게 보이진 않는다.
일식과 월식은 태양의 각지름과 달의 각지름이 같기에 가능한 것이다. 달이 지구를 돌다가 태양을 가리는 현상을 일식이라 하고 태양에 의해 달이 가려지는 현상을 월식이라 한다. 달이 태양을 완전히 가려 태양이 보이지 않는 것을 개기 일식 그리고 태양의 일부분만을 가린 현상을 부분일식이라 한다. 달의 그림자 중에서 본 그림자에 해당하는 지역에선 개기 일식이 보이고 반 그림자에 해당하는 지역에서는 부분 일식이 관측된다. 또 달이 지구의 그림자에 다 들어가면, 개기 월식을 일부만 들어가면 부분 월식을 볼 수 있다. 달의 공전궤도와 지구의 공전궤도는 약 5도 기울어져 있기 때문에 일식과 월식은 매달 일어나지 않는다.
이제 마지막으로 지구에서 가장 가까운 별에 대해 알아보았다. 별이란 스스로 빛을 내는 천체를 뜻한다. 지구에서 가장 가까운 별은 사실상 스스로 빛을 내는 태양이 맞다. 이 태양을 제외하고 지구에서 가장 가까운 별은 알파 센타우르스이다. 별의 밝기를 살펴보기 위해선 겉보기 등급이라는 것을 사용한다. 겉보기 등급이란 지구에서 관찰하는 것을 기준으로 별의 밝기를 등급 매겨 기록한 것이다. 겉보기 등급은 각 등급당 2.5배의 밝기의 차이를 보여준다고 한다. 1등급은 2등급보다 2.5배 더 밝다고 보면 된다. 1등급은 6등급의 100이다. 각 등급을 올릴 때마다, 2.5배를 더 곱해서 계산한다. 태양의 경우 -26.7등급, 시리우스의 경우 -1.46등급, 북극성의 경우 1.97 등급이라 한다. 허블 망원경으로 관측할 수 있는 최대 별의 등급은 30등급이라 한다. 우리에게 가장 가까운 별인 센터우르스는 사실 두개의 별이 중력으로 묶여진 쌍성이라고 한다. 태양계로부터 무려 4.37광년에 위치해 있다. 센터우르스 자리 다음으로 가장 가까운 별은 시리우스 별이다. 이 별은 -1.46등급이라 한다.
