- 2019년 3월 23일

[지식더하기] 우주거리사다리

최종 수정일: 2019년 3월 28일

1광년은 1년 동안 빛이 날아간 거리를 의미합니다. km로 환산하면 약 10조km나 되는 먼 거리입니다. 우주의 크기는 138억 광년이라 하니 상상할 수 없을 만큼 우주의 크기는 거대합니다. 그 예로 우리가 사는 행성, 지구의 반지름을 DNA의 크기와 같다고 치면 우리 은하에서 가장 가까운 은하인 안드로메다은하까지의 거리는 서울에서 필리핀까지의 거리에 비유될 수 있습니다. 이렇게 광활한 우주를 우리는 어떻게 잴 수 있을까요?

우주 거리 사다리

천문학자는 이러한 우주를 ‘우주 거리 사다리’라는 방식으로 천체까지의 거리를 측정하고 있습니다. 태양계 내에서는 레이더와 비례식으로 시작해서 조금 더 먼 거리는 연주시차로, 마지막으로는 허블-르메트르 법칙까지, 정말 다양한 방법으로 우주의 거리를 측정하고 있습니다. 이러한 여러 가지 측정법들에서 어떤 과정을 통해 우리와 다른 천체 사이의 거리를 측정할 수 있는지 알아보도록 하겠습니다.

태양계 내 & 수천 광년까지

태양계 내에서는 레이더를 사용하여 천체까지의 거리를 측정합니다. 그 예시로 수성까지의 거리를 잴 때 우리는 레이더를 수성에 발사한 다음 돌아오는 시간을 측정하여 수성까지의 거리를 알아냅니다.

그런데 수성까지 쟀던 레이더의 방법으로는 저 멀리 위치한 별들의 거리를 재는 데 문제가 있을 것입니다. 태양계에서 가장 가까운 항성인 ‘프록시마 센타우리’가 4.2광년의 거리에 위치해 있으므로 한 번 측정하기 위해서 무려 8.4년이라는 긴 시간이 필요합니다. 그래서 천문학자는 더 먼 거리에서는 연주시차라는 방법을 이용합니다. 연주시차란 지구가 태양을 공전하면서 생기는 천체와의 각도차이를 의미합니다. 그림을 보시면 p가 연주시차를 의미합니다. 독일의 천문학자 베셀이 처음으로 사용한 방법으로 그는 백조자리 61번 별의 시차를 구해 그 별까지의 거리를 알아냈습니다. 이 방법이 가진 가장 큰 단점이라고 할 수 있는 점은 어떤 별의 시차를 알기 위해서 6개월이나 기다려서 반복 관측을 해야 한다는 점입니다. 하지만 이 방법은 비교적 가까운 별까지의 거리를 재는 데에는 유용하게 쓰입니다.

연주 시차

수십만 광년까지

별까지의 거리가 점점 더 멀어지게 된다면 연주시차는 계속해서 작아질 것입니다. 이 각도가 점점 줄어든다면 과연 우리는 별의 거리를 정확히 측정할 수 있을까요? 그래서 천문학자들은 이러한 문제에 고민하고 있었습니다. 별의 광도는 거리의 제곱에 반비례한다는 점을 알고 있었고 이를 통해 별들의 상대적인 거리를 알아내는 것까지는 할 수 있었습니다. 그런데 별들이 다 같은 광도를 가질리는 없으므로 무용지물이었습니다. 그러던 중 별의 색깔과 광도가 밀접한 광련이 있다는 것이 밝혀졌습니다. 즉, 별의 색깔을 통해 광도를 알아내고, 광도를 통해 별까지의 거리를 계산할 수 있는 방법이 나타난 것입니다. H-R도, 다시 말해 ‘헤르츠스프룽-러셀 도’라고 불리는 방법을 이용하여 별까지의 거리를 측정할 수 있게 된 것입니다.

H-R도 (자세한 내용을 보시려면 클릭해 주세요)

100억 광년까지

천문학자들은 별의 절대 밝기를 알아내면 절대등급과 실시 등급의 차이를 통해 별까지의 거리를 알 수 있으므로 별의 절대 밝기를 알아내기 위한 방법들을 모색했습니다. 이를 통해 알아낸 방법이 세페이드 변광성의 변광 주기를 측정하는 방법과 1a형 초신성을 이용하는 것입니다. 세페이드 변광성의 변광 주기가 별의 밝기와 관계가 있다는 점을 찾아서 별까지의 거리를 측정하였습니다. 하지만 변광성의 밝기가 매우 희미해서 이 또한 한계에 부딪히게 됩니다.

세페이드 변광성의 변광 주기-광도 관계

그래서 나타난 방법이 1a형 초신성을 이용한 방법입니다. 1a형 초신성의 특징이라고 볼 수 있는 폭발할 때의 최고 광도가 -19.3등급으로 일정한 점을 이용하여 실시 등급 만으로 그 거리를 잴 수 있게 되었습니다.

1a형 초신성의 광도 곡선

우주 끝까지

마지막으로 보이기만 하면 바로 적용 시킬 수 있는 방법이 있습니다. 바로 허블-르메트르 법칙을 이용하는 것입니다. 허블-르메트르 법칙은 허블이 은하의 후퇴속도와 거리와의 관계를 나타낸 그래프를 의미합니다. 멀리 있는 은하가 우리로 부터 더 빠르게 멀어진다는 이 법칙을 통해 우리는 우주가 팽창하고 있다는 것을 알게 되었습니다. 그렇기 때문에 우리는 한 천체의 후퇴속도만 계산할 수 있다면 허블-르메트르 법칙인 V = H*R을 이용하여 별까지의 거리를 측정할 수 있게 됩니다. 그러한 후퇴속도의 계산은 적색편이로 알아낼 수 있습니다. 적색편이란 한 물체가 내는 빛의 파장이 관측자로 부터 멀어지게 되면서 그 파장이 실제 방출하는 파장보다 더 길어지게 되는 현상을 의미합니다. 대표적으로 천문학자들은 H-α 선의 파장이 6563 Å (10^10Å = 1m)인 것을 이용하여 후퇴속도를 알아냅니다.