지구가 태양을 도는 증거는 18세기에야 나왔다, 광행차의 발견

지구가 태양 둘레를 돌고 있다는 직접적인 물리적 증거는 코페르니쿠스가 지동설을 발표한 지 180여 년이 지난 1728년 제임스 브래들리가 별빛의 광행차 현상을 발견하면서 비로소 확보되었다. 코페르니쿠스와 갈릴레오의 시대에는 지동설이 옳다면 계절에 따라 가까운 별의 위치가 배경 별에 대해 달라지는 연주시차가 관측되어야 한다는 반박에 부딪혔으나 당시 망원경 성능으로는 시차를 잴 수 없었다. 브래들리는 시차를 찾으려던 중 전혀 다른 방향으로 별이 타원을 그리며 움직이는 광행차를 관측함으로써 지구가 공전하고 있음을 움직일 수 없는 사실로 입증했다.

달리는 사람에게 비가 기울어져 내리는 원리

광행차의 물리적 원리는 비 오는 날 우산을 쓰고 달리는 상황을 떠올리면 직관적으로 이해할 수 있다. 하늘에서 수직으로 똑바로 떨어지는 빗방울이라 할지라도, 사람이 앞으로 빠르게 달리기 시작하면 빗방울은 마치 정면에서 비스듬히 들이치는 것처럼 느껴진다.

광행차는 관측자의 이동 속도와 빛의 속도가 합성되어 천체의 겉보기 위치가 이동 방향 쪽으로 기울어져 보이는 현상이다. 우주 공간의 별빛은 사방에서 지구로 날아온다. 지구가 태양 궤도를 초속 약 30킬로미터라는 무서운 속도로 공전하고 있기 때문에, 지구에 서 있는 천문학자가 망원경으로 별빛을 똑바로 받아들이려면 망원경 통을 지구의 공전 방향 쪽으로 아주 살짝 기울여야 한다.

감마 드라코니스 별이 그린 뜻밖의 타원

1725년 영국의 천문학자 제임스 브래들리는 천정 망원경을 건물 벽에 고정하고 용자리의 머리 부근에 위치한 밝은 별 감마 드라코니스를 정밀 관측하기 시작했다. 그의 원래 목적은 지구가 공전할 때 나타날 것으로 기대되던 연주시차를 측정하는 것이었다.

연주시차가 원인이라면 별의 겉보기 위치는 지구가 태양을 기준으로 양극단에 도달할 때 최대 편차를 보여야 했다. 그러나 1년 내내 기록된 별의 위치 변화는 시차 이론의 예측과 정확히 90도 어긋난 시기에 최대치를 기록했다. 별은 1년에 걸쳐 밤하늘에 반경 약 20.5각초 크기의 완만한 타원을 그리고 있었다. 이는 지구가 공전 궤도상에서 가장 빠른 속도로 측면 이동할 때 별빛의 기울임이 가장 커진다는 뜻이었으며, 광행차의 존재를 명확히 가리키고 있었다.

현상	원인	최대 편차 발생 시점	편차의 크기
광행차	지구 공전 속도와 빛 속도의 비	지구가 공전 방향으로 최대 속도를 낼 때	약 20.5각초 (모든 별 공통)
연주시차	지구 공전 궤도 반경으로 인한 시점 차이	지구가 궤도 양쪽 극단 위치에 도달할 때	1각초 미만 (거리에 따라 다름)

빛의 속도와 지구 공전 속도의 결합

브래들리의 광행차 발견은 지동설의 완벽한 증명이었을 뿐 아니라, 우주에서 가장 중요한 물리 상수인 빛의 속도를 정밀하게 측정하는 결정적 열쇠가 되었다. 기울어진 각도의 탄젠트 값은 바로 지구의 공전 속도를 빛의 속도로 나눈 비율과 일치했기 때문이다.

17세기 후반 올레 뢰머가 목성의 위성 식 현상을 관측해 빛의 속도가 유한하다는 사실을 대략적으로 추정한 바 있었으나 많은 과학자가 여전히 회의적이었다. 브래들리의 정밀한 관측 각도 계산은 빛의 속도가 초당 약 30만 킬로미터에 이른다는 사실을 오차 범위 몇 퍼센트 이내로 확증해 주었다. 천체 역학과 광학이라는 두 개의 분리된 물리학 분야가 지구의 공전이라는 하나의 사실 위에서 만나게 된 순간이었다.

과학 혁명기 논쟁의 결말과 남은 숙제

광행차의 발견으로 지동설을 둘러싼 오랜 물리적 논쟁은 사실상 종지부를 찍었다. 지구가 정지해 있다면 별빛이 1년을 주기로 규칙적인 타원을 그리며 흔들릴 이유가 전혀 없기 때문이었다.

그러나 천문학자들의 갈증이 완전히 해소된 것은 아니었다. 별까지의 실제 거리를 알려줄 수 있는 순수한 기하학적 시차는 여전히 관측되지 않은 채 남아 있었다. 광행차보다 훨씬 더 미세한 그 값을 측정하기 위해서는 망원경의 광학 유리 기술과 정밀 기계 눈금 가공 기술이 한 세기 더 발전해야 했다. 1838년 프리드리히 베셀이 백조자리 61번 별에서 마침내 0.3각초의 연주시차를 측정해 내기까지, 천문학자들은 별들의 아득한 거리를 실감하며 우주의 광대함을 다시금 깨달아야 했다.