2013년에 발사된 유럽우주국의 가이아 위성은 밤하늘의 별 십억 개가 넘는 별들의 위치를 계속 재고 있다. 자를 대지도, 빛을 쏘아 되돌려 받지도 못하는 대상에게, 이 위성이 하는 일은 사실상 '별이 얼마나 떨어져 있는지'를 알아내는 것이다. 손이 닿지 않는 거리를 재는 방법이 없다면 천문학은 밝기와 색만 이야기하고 끝났을 것이다.
우주에서 거리를 안다는 것은 모든 것의 출발점이다. 별의 실제 밝기도, 은하의 크기도, 우주가 팽창하는 속도도 전부 '거리를 먼저 알아야' 계산할 수 있기 때문이다. 이 글은 자가 닿지 않는 곳의 거리를 인류가 어떻게 한 칸씩 쌓아 올렸는지를 다룬다.
별까지의 거리는 어떻게 잴 수 있을까?
가까운 별부터 시작하자. 지구는 태양 주위를 1년에 한 바퀴 돈다. 그래서 6개월 간격으로 같은 별을 보면, 배경의 먼 별들에 대해 그 별의 위치가 아주 조금 어긋나 보인다. 창밖의 손가락을 왼눈·오른눈으로 번갈아 볼 때 손가락이 움직이는 것처럼 보이는 것과 같은 원리다. 이 어긋남의 각도를 연주시차라 부른다.
시차가 클수록 가까운 별이다. 그런데 별은 너무 멀어서 이 각도가 1초(1도의 3600분의 1)도 안 되게 작다. 가장 가까운 별인 프록시마 센타우리조차 약 4.2광년 떨어져 있고, 시차는 1초에 훨씬 못 미친다. 그래서 시차만으로 잴 수 있는 거리에는 한계가 있다. 시차가 측정 오차보다 작아지는 순간, 사다리의 다음 칸이 필요해진다.
이 현상을 다루는 학문은 무엇인가?
이 문제를 다루는 분야가 천체물리학이다. 천문학이 하늘에서 무엇이 어디에 있는지를 관측한다면, 천체물리학은 그 관측에 물리 법칙을 적용해 별의 거리·질량·나이·구성 성분을 계산해 낸다.
거리 측정에서 천체물리학이 세운 전략이 우주 거리 사다리다. 한 방법이 닿는 데까지 거리를 재고, 그 방법으로 검증된 천체를 발판 삼아 더 먼 방법을 눈금 맞춤(보정)하는 식으로 한 칸씩 올라간다. 연주시차로 잰 가까운 별들로 '표준촛불'의 실제 밝기를 보정하고, 그 표준촛불로 은하까지의 거리를 재고, 다시 더 밝은 표준촛불로 우주 끝까지 나아간다. 한 칸이 흔들리면 그 위 전부가 흔들리는 구조여서, 각 칸의 오차를 줄이는 일이 이 분야의 큰 숙제다.
고등학교에서 배운 무엇과 이어지나?
핵심 아이디어는 이미 교과서에 있다. 지구과학에서 배우는 연주시차가 사다리의 첫 칸 그 자체다. 시차각과 거리가 반비례한다는 관계 — 시차가 절반이면 거리는 두 배 — 는 지구과학의 별의 물리량 단원에서 직접 다룬다.
수학과도 이어진다. 시차를 거리로 바꾸는 계산은 아주 가늘고 긴 삼각형에서 밑변(지구 궤도 반지름)과 꼭지각(시차)을 알 때 높이(거리)를 구하는 문제이고, 이는 닮음과 삼각비의 응용이다. 표준촛불로 넘어가면 '밝기는 거리의 제곱에 반비례한다'는 관계가 등장하는데, 이는 빛이 구면으로 퍼지는 넓이가 반지름의 제곱에 비례하기 때문으로, 넓이와 비례 관계를 다루는 중학 도형·비례의 연장이다. 우주의 원리라고 해서 특별한 수학이 필요한 것이 아니라, 배운 도형과 비례를 하늘만큼 큰 삼각형에 적용한 것이다. 별빛이 어디서 오는지 궁금하다면 원소 형성과 우주의 역사가 같은 하늘을 다른 각도에서 본다.
대학에서는 이걸 어떻게 배우나?
천체물리학은 보통 물리학과나 천문우주학과(또는 지구과학 계열)에서 배우며, 학과 이름과 커리큘럼은 대학마다 다르다. 대체로 역학·전자기학·현대물리 같은 물리학의 기초를 먼저 다진 뒤, 별의 내부 구조, 은하와 우주론, 관측천문학 같은 과목으로 나아간다.
거리 측정과 직접 이어지는 대목은 '표준촛불'을 정밀하게 만드는 연구다. 밝기가 규칙적으로 변하는 세페이드 변광성은 변하는 주기가 실제 밝기와 관계있다는 점이, 20세기 초 헨리에타 리빗의 관측으로 알려졌다. 더 먼 은하에는 폭발할 때의 밝기가 거의 일정한 Ia형 초신성을 쓴다. 이런 표준촛불의 오차를 어떻게 줄이느냐가 우주 팽창 속도 논쟁과 직결되어, 지금도 활발히 연구가 진행 중이다.
여기서 뻗어 나갈 탐구 질문 3가지
- 연주시차로 잴 수 있는 거리의 한계는 무엇으로 정해지는가? (망원경의 각분해능과 측정 오차를 시차각과 함께 정리해 보기)
- '밝기는 거리의 제곱에 반비례한다'를 빛이 퍼지는 구의 겉넓이로 유도해 보고, 왜 표준촛불에 이 관계가 필요한지 설명하기.
- 서로 다른 거리 측정 방법이 겹치는 구간에서 값이 어긋날 때, 어느 쪽을 믿어야 할까? 사다리의 '눈금 맞춤'이 왜 중요한지 사례로 따져 보기.
한 줄 요약
우주의 거리는 한 번에 재는 것이 아니라, 연주시차라는 첫 칸 위에 표준촛불과 초신성을 한 칸씩 얹어 쌓아 올린 '사다리'로 잰다.
닿지 않는 것을 재는 일은 결국 아는 것에서 모르는 것으로 다리를 놓는 일이다. TimeLevelUp에서 이런 호기심을 탐구 기록으로 남기고, 생기부레벨업의 1:1 컨설팅으로 '어떤 학문이 이 질문을 파는지'까지 연결하면, 밤하늘을 향한 물음이 진로의 첫 칸이 된다.