이 실험 소개
팔을 뻗어 손가락 하나를 세우고 한쪽 눈으로 본 다음 다른 쪽 눈으로 보세요. 손가락이 배경을 기준으로 움직이는 것처럼 보입니다. 천문학자들은 지구의 공전을 이용해 같은 원리로 관측합니다. 가까운 별을 1월과 7월에 관측하면 훨씬 더 먼 별들을 배경으로 아주 조금 위치가 달라져 보입니다. 이 움직임의 크기로 별까지의 거리를 알 수 있습니다. 가장 가까운 별조차 움직임이 1초각보다 작아서, 이를 측정할 수 있게 된 것은 1838년이었습니다. 여러 관측 장비로 사진을 찍고 실제 별까지의 거리를 알아내 보세요.
학습 목표
- 먼 배경을 기준으로 가까운 물체가 겉보기에는 위치가 달라지는 현상으로 시차를 설명한다
- 파섹을 정의하고 d = 1 / p를 사용해 거리를 구한다
- 사진을 약 6개월 간격으로 촬영해야 하는 이유를 설명한다
- 시차가 비교적 가까운 별에만 적용되는 이유를 설명한다
- 지상 망원경과 히파르코스, 가이아와 같은 우주 임무의 정밀도를 비교한다
사용 방법
- 11년 동안 망원경의 시야를 관찰해 보세요. 어떤 별은 움직이고 어떤 별은 그대로 있나요? 왜 그럴까요?
- 2지상 망원경으로 프록시마 센타우리를 촬영하고 6개월 기다린 뒤 다시 촬영하세요. 거리를 계산하고 실제 값과 비교해 보세요.
- 3한 달 간격으로 사진을 두 장만 촬영하세요. 왜 결과의 신뢰도가 더 낮을까요?
- 4지상 망원경으로 북극성으로 전환해 보세요. 시차를 측정할 수 있나요? 이제 히파르코스와 가이아를 사용해 보세요.
- 5맨눈으로 관측해 보세요. 망원경이 발명되기 전의 천문학자들은 왜 항성 시차를 감지하지 못했을까요?
- 6베가와 프록시마 센타우리를 비교해 보세요. 왜 베가가 더 둥근 타원형 궤적을 그릴까요?
모델
가정
- 지구의 궤도는 반지름이 1 AU인 원입니다. 항성은 궤도면에서의 각도가 β일 때, 반장축이 p이고 반단축이 p·sin β인 타원 궤적을 그립니다.
- 거리는 가이아와 히파르코스의 값을 반올림한 것입니다. 하늘을 가로지르는 항성의 운동(고유 운동)은 제외했습니다.
- 각 사진에는 측정 장비에 일반적인 크기의 무작위 오차가 더해집니다. 눈으로 측정할 때는 60″, 지상 망원경은 0.05″, 히파르코스는 0.001″, 가이아는 0.00002″입니다.
- 사진으로 구하는 거리는 측정된 시차 이동량을, 같은 두 날짜 사이에 1 pc 거리에 있는 별이 보일 이동량으로 나누어 계산합니다.
수업에서 해 보기
- Q1어떤 별의 연주시차가 0.25″입니다. 이 별까지의 거리는 파섹과 광년으로 각각 얼마인가요?
- Q2천문학자들은 왜 지구상의 두 지점이 아니라 지구의 공전 궤도를 이용해 시차를 측정하나요?
- Q3가이아는 20마이크로초각을 측정할 수 있습니다. 정확도가 10%일 때 측정할 수 있는 가장 먼 거리는 얼마인가요?
- Q4먼 별일수록 거리 오차가 왜 그렇게 빠르게 커지나요?
- Q5천문학자들이 화성에서 관측한다면, 화성은 1.52 AU 궤도를 공전하는데 별의 시차는 어떻게 달라질까요?
자주 묻는 질문
왜 이 단위를 파섹이라고 부르나요?
이는 ‘시차초(parallax second)’의 줄임말로, 별의 시차가 정확히 1각초로 보이는 거리를 뜻합니다. 약 31조 킬로미터입니다.
항성 시차를 처음 측정한 사람은 누구인가요?
1838년 프리드리히 베셀은 백조자리 61번별의 시차를 약 0.3초각으로 측정했습니다. 오랫동안 시차가 관측되지 않았다는 사실은 한때 지구가 움직이지 않는다는 주장의 근거로 사용되기도 했습니다.
더 멀리 있는 별은 어떻게 측정할까요?
시차는 훨씬 더 먼 거리까지 측정할 수 있는 세페이드 변광성이나 Ia형 초신성의 밝기 같은 다른 방법을 보정하는 데 쓰입니다. 이러한 방법의 연쇄를 ‘우주 거리 사다리’라고 합니다.