# [천문학 2] 천구와 천체의 위치는 어떻게 표현할까?

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[천문학 2] 천구와 천체의 위치는 어떻게 표현할까? 우리가 밤하늘을 보면 수많은 별이 지구를 둘러싸고 있는 것처럼 보인다. 하지만 실제로 별들은 지구에서 서로 완전히 다른 거리에 존재한다. 그런데 천문학에서는 천체의 위치를 표현하기 위해, 일단 모든 별이 거대한 구의 표면에 붙어 있다고 가정한다. 이 가상의 구를 천구(Celestial Sphere) 라고 한다. 이번 글에서는 천구를 기준으로 천체의 위치를 어떻게 표현하는지 알아본다. 1. 천구란 무엇일까? 천구는 지구를 중심으로 모든 천체가 붙어 있다고 가정한 가상의 구 이다. 실제 우주에 천구라는 물체가 존재하는 것은 아니다. 천체의 위치를 편리하게 표현하기 위해 만든 좌표 개념이다. 실제 우주 별 A ─── 지구에서 10광년 별 B ───────── 지구에서 100광년 별 C ───────────────── 지구에서 1,000광년 하지만 하늘을 바라볼 때는 이 거리 차이가 잘 느껴지지 않는다. 그래서 다음처럼 생각한다. 별 별 별 ┌───────────┐ │ │ │ 지구 │ │ │ └───────────┘ 모든 별이 거대한 구의 표면에 있다고 가정 이 가상의 구가 천구다. 2. 왜 천구가 필요할까? 밤하늘에서 별을 찾으려면 "저쪽에 있는 별" 이라고 말하는 것만으로는 부족하다. 정확한 위치를 표현할 수 있는 기준이 필요하다. 지구에서는 위치를 표현할 때 위도 경도 를 사용한다. 천구에서도 비슷한 방식으로 천체의 위치를 표현한다. 대표적으로 적경 적위 를 사용한다. 즉, 지구 위도 + 경도 와 비슷하게 천구 적위 + 적경 을 사용한다. 3. 천구의 중심은 어디일까? 천구를 설명할 때는 보통 관측자가 있는 지구를 중심으로 생각한다. 천구 ┌─────────────┐ │ │ │ ● │ │ 지구 │ │ │ └─────────────┘ 따라서 천구의 중심에는 지구가 있다고 가정한다. 하지만 이것은 지구가 실제 우주의 중심이라는 뜻은 아니다. 단순히 천체의 방향을 편리하게 표현하기 위한 좌표계일 뿐이다. 4. 천구의 북극과 남극 지구에는 북극 남극 이 있다. 지구의 자전축을 하늘까지 무한히 연장했다고 생각해보자. 그러면 그 축이 천구와 만나는 두 지점이 생긴다. 이를 각각 북천극 남천극 이라고 한다. 북천극 ↑ │ │ ┌────●────┐ │ │ │ │ 지구 │ │ │ │ └────●────┘ │ │ ↓ 남천극 5. 북극성이 중요한 이유 북반구에서 하늘을 보면 별들이 밤새 움직이는 것처럼 보인다. 하지만 북극성은 거의 같은 위치에 있는 것처럼 보인다. 왜 그럴까? 북극성이 북천극 근처에 위치하기 때문 이다. 지구는 자전하고 있다. 그래서 우리가 보기에는 별들이 천구를 따라 회전하는 것처럼 보인다. 그런데 회전축 근처에 있는 북극성은 위치 변화가 매우 작다. 따라서 밤하늘에서는 다른 별들이 북극성을 중심으로 회전하는 것처럼 보인다. 6. 별은 실제로 하루에 한 바퀴 도는 걸까? 아니다. 하루 동안 별들이 동쪽에서 떠서 서쪽으로 움직이는 것처럼 보이는 가장 큰 이유는 지구의 자전 이다. 지구는 서쪽에서 동쪽 방향으로 자전한다. 따라서 관측자인 우리는 반대로 하늘이 동쪽 → 서쪽 으로 움직이는 것처럼 느낀다. 이런 겉보기 운동을 일주운동 이라고 한다. 7. 일주운동 일주운동은 지구의 자전 때문에 천체가 하루 동안 천구를 회전하는 것처럼 보이는 현상 이다. 지구 실제 운동 서 → 동 방향 자전 하지만 우리 눈에는 하늘 동 → 서 방향으로 회전 하는 것처럼 보인다. 이 때문에 태양도 동쪽에서 떠서 서쪽으로 지는 것처럼 보인다. 8. 천구의 적도 지구에는 적도가 있다. 지구의 적도면을 천구까지 확장하면 천구에도 원 하나가 생긴다. 이를 천구의 적도 라고 한다. 지구의 적도 ↓ 천구까지 확장 ↓ 천구의 적도 천구의 적도는 천체의 위치를 나타내는 중요한 기준선이다. 특히 이후 배울 적경과 적위 의 기준이 된다. 9. 적위란? 적위는 영어로 Declination 이라고 한다. 기호로는 보통 δ 를 사용한다. 적위는 천체가 천구의 적도에서 얼마나 북쪽 또는 남쪽에 있는지를 나타낸다. 지구의 위도 와 비슷하다. 10. 적위의 범위 천구의 적도를 기준으로 북쪽 → + 남쪽 → - 로 표현한다. 범위는 +90° ~ -90° 이다. 북천극 +90° 천구의 적도 0° 남천극 -90° 따라서 어떤 별의 적위가 +40° 라면 천구의 적도보다 북쪽에 있는 별이라는 뜻이다. 11. 적경이란? 적경은 영어로 Right Ascension 이라고 한다. 줄여서 RA 라고 표현한다. 적경은 지구의 경도 와 비슷한 역할을 한다. 다만 경도처럼 도(°)를 사용하는 대신 보통 시간 분 초 를 사용한다. 12. 왜 적경은 시간으로 표현할까? 천구는 지구의 자전 때문에 하루에 한 바퀴 회전하는 것처럼 보인다. 하루는 약 24시간 이다. 한 바퀴는 360° 이므로 24시간 = 360° 가 된다. 따라서 1시간 = 15° 이다. 그래서 적경에서는 위치를 0h ~ 24h 범위로 표현한다. 13. 적경과 적위를 함께 사용한다 천체의 위치는 보통 적경 + 적위 로 표현한다. 예를 들어 어떤 별의 위치가 적경 6h 적위 +30° 라고 한다면 천구상에서 그 별이 어디 있는지 정확하게 표현할 수 있다. 이는 지구에서 위도 + 경도 로 도시 위치를 나타내는 것과 비슷하다. 14. 적경의 기준점은 어디일까? 경도에는 기준점이 있다. 지구에서는 영국 그리니치 천문대를 지나는 본초자오선 을 0°로 사용한다. 적경에도 0의 기준이 필요하다. 그 기준으로 사용하는 것이 춘분점 이다. 춘분점은 태양이 천구의 적도를 남쪽에서 북쪽으로 통과하는 지점이다. 이 지점을 적경 0h 로 정의한다. 15. 황도란? 여기서 또 하나 중요한 선이 등장한다. 바로 황도(Ecliptic) 다. 황도는 1년 동안 태양이 천구 위를 이동하는 것처럼 보이는 경로 이다. 실제로 태양이 지구 주위를 도는 것은 아니다. 지구가 태양을 공전하기 때문에 배경별을 기준으로 보면 태양의 위치가 조금씩 변하는 것처럼 보인다. 이 경로가 황도다. 16. 지구의 공전과 황도 지구는 태양 주위를 약 1년에 한 바퀴 돈다. 지구 ↓ 태양 주위를 공전 ↓ 관측자가 바라보는 태양의 방향 변화 ↓ 태양이 천구를 이동하는 것처럼 보임 ↓ 황도 따라서 황도 역시 실제로 존재하는 선이 아니다. 천구에 표시한 가상의 경로다. 17. 황도와 천구의 적도는 같지 않다 천구의 적도와 황도는 서로 완전히 겹치지 않는다. 그 이유는 지구의 자전축이 기울어져 있기 때문이다. 지구 자전축은 공전 궤도면에 대해 약 23.4° 기울어져 있다. 따라서 천구에서도 천구의 적도 과 황도 가 약 23.4° 기울어진 상태로 교차한다. 이 기울기가 계절 변화와도 관련되어 있다. 18. 춘분점과 추분점 황도와 천구의 적도가 만나는 지점은 두 곳이다. 그중 태양이 남쪽에서 북쪽으로 천구의 적도를 통과하는 지점을 춘분점 이라고 한다. 반대로 북쪽에서 남쪽으로 통과하는 지점을 추분점 이라고 한다. 황도 / ------●------ 천구의 적도 춘분점 춘분점은 적경을 측정하는 기준점이기도 하다. 19. 지평선 좌표계 천체의 위치를 나타내는 방법이 적경과 적위만 있는 것은 아니다. 우리가 실제로 하늘을 볼 때 가장 직관적인 좌표계는 지평 좌표계 다. 지평 좌표계에서는 방위각 고도 를 사용한다. 20. 고도 고도는 천체가 지평선에서 얼마나 높이 떠 있는가 를 나타낸다. 지평선 = 0° 머리 바로 위 = 90° 머리 바로 위의 지점을 천정 이라고 한다. 따라서 천정 고도 90° ↓ 관측자 ↓ 지평선 고도 0° 이라고 생각할 수 있다. 21. 방위각 방위각은 지평선을 따라 천체가 어느 방향에 있는지를 나타내는 각도 이다. 일반적으로 북쪽을 기준으로 각도를 측정한다. 북쪽 0° 동쪽 90° 남쪽 180° 서쪽 270° 북쪽 360° 따라서 고도 + 방위각 을 알면 현재 하늘에서 천체가 어디에 있는지 나타낼 수 있다. 22. 적도 좌표계와 지평 좌표계의 차이 두 좌표계의 가장 큰 차이가 있다. 적도 좌표계 적경 + 적위 를 사용한다. 별 자체의 위치를 기록하기 좋다. 관측자의 위치와 시간에 따라 크게 달라지지 않는다. 지평 좌표계 방위각 + 고도 를 사용한다. 현재 내가 바라보는 하늘의 위치를 표현하기 좋다. 하지만 관측자의 위치와 시간에 따라 값이 계속 변한다. 23. 왜 지평 좌표는 계속 변할까? 별 하나를 생각해보자. 지구가 자전하면서 별은 하늘에서 계속 움직이는 것처럼 보인다. 따라서 오후 8시 와 오후 11시 에 같은 별을 보면 고도와 방위각이 달라진다. 관측자의 위치가 달라져도 값이 바뀐다. 반면 적경과 적위는 별의 위치를 천구에 고정해서 표현하기 때문에 별 목록이나 천문학 자료에서 사용하기 편리하다. 24. 천정과 천저 관측자의 머리 바로 위에 있는 지점을 천정(Zenith) 이라고 한다. 반대로 관측자의 발 아래 방향으로 천구와 만나는 지점을 천저(Nadir) 라고 한다. 천정 ↑ │ │ 관측자 │ │ ↓ 천저 천문학 관측에서 천정은 매우 자주 등장하는 개념이다. 25. 자오선 관측자의 북쪽 지평선 ↓ 천정 ↓ 남쪽 지평선 을 연결하는 천구상의 큰 원을 자오선 이라고 한다. 천체가 자오선을 통과할 때를 남중 또는 일반적으로 자오선 통과 라고 표현한다. 보통 천체가 자오선 근처에 있을 때 하늘에서 가장 높은 위치에 도달한다. 26. 북극성은 왜 방향을 찾는 데 사용했을까? 북극성은 북천극 가까이에 있다. 따라서 밤이 지나도 위치 변화가 작다. 북반구에서 북극성을 찾으면 대략적인 북쪽 방향을 알 수 있다. 그래서 과거 항해에서도 중요한 기준으로 사용되었다. 또한 북극성의 고도는 관측자의 위도와 대략 비슷하다. 예를 들어 북위 약 37° 지역에서는 북극성이 지평선에서 약 37° 정도 높이에 보인다. 이 관계는 천문 항법에서도 중요한 원리다. 27. 천구는 실제 우주의 구조가 아니다 여기서 반드시 구분해야 한다. 천구는 실제 우주의 구조가 아니다. 별들이 같은 거리에서 지구를 둘러싸고 있는 것이 아니다. 실제로 별들의 거리는 모두 다르다. 별 A 10광년 별 B 100광년 별 C 1,000광년 하지만 관측자의 눈에는 하늘이라는 2차원 표면에 투영되어 보인다. 천구는 그 위치를 표현하기 위한 가상의 좌표 체계다. 28. 이번 편에서 꼭 기억할 것 천문학에서 중요한 것은 단순히 별 이름을 외우는 것이 아니다. 먼저 천체의 위치를 어떻게 표현하는가 를 이해해야 한다. 핵심 구조는 다음과 같다. 천구 │ ├─ 북천극 / 남천극 │ ├─ 천구의 적도 │ ├─ 황도 │ ├─ 춘분점 │ └─ 천체 좌표 │ ├─ 적경 ├─ 적위 │ ├─ 방위각 └─ 고도 핵심 정리 천구 지구를 중심으로 모든 천체가 붙어 있다고 가정한 가상의 구 실제 존재하는 구조는 아니다. 천구의 극 지구 자전축을 연장 ↓ 북천극 남천극 천구의 적도 지구의 적도면을 천구까지 확장한 선 적위 지구의 위도와 비슷하다. 범위 +90° ~ -90° 적경 지구의 경도와 비슷하다. 0h ~ 24h 24h = 360° 1h = 15° 황도 1년 동안 태양이 천구를 이동하는 것처럼 보이는 경로 지평 좌표계 고도 + 방위각 으로 천체의 현재 위치를 나타낸다. 고도 지평선 = 0° 천정 = 90° 가장 중요한 구분 적경 + 적위 → 천구에서 천체의 위치 방위각 + 고도 → 현재 관측자의 하늘에서 보이는 위치 마무리 천문학에서 밤하늘은 단순히 별들이 흩어져 있는 공간이 아니다. 천체의 위치를 체계적으로 기록하기 위해 천구라는 가상의 좌표 공간 을 사용한다. 그리고 이 천구 위에서 천체의 위치를 적경 적위 로 표현한다. 하지만 여기까지 공부하면 새로운 궁금증이 생긴다. 별이 어느 방향에 있는지는 알았다. 그렇다면 그 별이 실제로 우리에게서 얼마나 멀리 떨어져 있는지는 어떻게 알 수 있을까? 별까지 직접 줄자를 가져갈 수도 없다. 그럼에도 천문학자들은 수십 광년, 수천 광년, 심지어 수백만 광년 떨어진 천체의 거리를 측정한다. 다음 편에서는 그 방법을 공부한다. 다음 글 [천문학 3] 별까지의 거리는 어떻게 측정할까? — 연주시차와 우주 거리 사다리