밤하늘의 별을 바라보면 저 별은 얼마나 멀리 있을까 하는 궁금증이 생깁니다. 별은 지구에서 매우 멀리 떨어져 있어 자와 같은 직접적인 방법으로 거리를 잴 수 없지만, 천문학자들은 별빛과 지구의 움직임에 나타나는 변화를 이용해 거리를 측정합니다. 가까운 별에서 먼 은하까지 거리를 알아내는 방법과 광년이라는 단위가 왜 필요한지 함께 살펴보면 밤하늘의 거리감이 훨씬 구체적으로 다가옵니다.
1. 별까지의 거리는 왜 측정하기 어려울까
지구에서 별까지의 거리는 일상적인 감각으로 상상하기 어려울 만큼 멉니다. 태양을 제외하면 가장 가까운 별들조차 수조 킬로미터 이상 떨어져 있으며, 별과 별 사이의 거리는 우리가 평소 사용하는 거리 단위로 표현하기에는 지나치게 큽니다. 이렇게 먼 천체까지 직접 이동해 거리를 재는 것은 현실적으로 불가능하기 때문에 천문학에서는 관측 가능한 현상을 이용해 거리를 계산합니다. 그런데 별을 바라볼 때 단순히 얼마나 밝게 보이는지만으로는 거리를 알아내기 어렵습니다. 별마다 실제로 내는 에너지의 양이 다르기 때문에 희미한 별이라고 해서 반드시 더 먼 것은 아니기 때문입니다. 앞에서 살펴본 밝기와 거리의 관계가 바로 여기에서 다시 중요해집니다. 별의 실제 밝기를 알고 있다면 지구에서 보이는 밝기와 비교해 거리를 추정할 수 있지만, 모든 별의 실제 밝기를 처음부터 정확히 알고 있는 것은 아닙니다. 그렇다면 먼저 비교적 가까운 별의 거리를 직접 측정할 수 있는 확실한 기준이 필요합니다. 또한 별의 위치를 비교하려면 지구의 관측 위치도 중요합니다. 그래서 가까운 별의 정확한 거리가 중요합니다. 그 기준을 마련하는 대표적인 방법이 바로 지구의 공전을 이용하는 연주시차입니다.
2. 가까운 별의 거리를 재는 연주시차
지구는 태양 주위를 공전하기 때문에 일 년 동안 우주 공간에서 위치가 계속 달라집니다. 이 움직임을 이용하면 가까운 별을 서로 다른 시점에서 관측했을 때 먼 배경의 별을 기준으로 위치가 아주 조금 달라져 보이는 현상을 확인할 수 있습니다. 이러한 겉보기 위치 변화가 연주시차입니다. 손가락을 눈앞에 세워 놓고 왼쪽 눈과 오른쪽 눈을 번갈아 감으면 배경에 비해 손가락의 위치가 달라져 보이는데, 연주시차도 비슷한 원리로 이해할 수 있습니다. 다만 별의 경우 거리가 워낙 멀기 때문에 그 변화가 매우 작습니다. 천문학자는 이 작은 각도를 정밀하게 측정하고 지구의 공전 궤도를 기준으로 삼아 삼각법을 이용해 별까지의 거리를 계산합니다. 연주시차가 클수록 별은 상대적으로 가까우며, 변화가 작을수록 더 먼 곳에 있다는 뜻입니다. 이렇게 가까운 별의 거리를 하나씩 측정할 수 있게 되면서 다른 별의 밝기와 특성을 비교할 수 있는 기준도 마련됩니다. 그런데 거리가 멀어질수록 연주시차는 더욱 작아져 측정하기 어려워집니다. 특히 정밀한 관측 장비는 눈으로 구별하기 어려운 작은 각도 차이까지 측정해 줍니다. 이 작은 차이를 이용하는 것이 연주시차의 핵심입니다. 그래서 천문학에서는 한 가지 방법에만 의존하지 않고 측정할 수 있는 거리 범위에 따라 다른 방법을 이어 붙여 우주를 더 멀리 바라봅니다.
3. 더 먼 별까지 거리를 알아내는 방법
연주시차로 직접 거리를 측정하기 어려운 먼 천체를 살펴볼 때는 별이나 천체가 가진 다른 특징을 활용합니다. 대표적인 방법 가운데 하나는 실제 밝기를 추정한 뒤 지구에서 관측되는 밝기와 비교하는 것입니다. 이때 일정한 특성을 가진 천체를 거리 측정의 기준으로 활용할 수 있으며, 이러한 천체를 표준 촛불이라고 부릅니다. 세페이드 변광성처럼 밝기 변화의 주기와 실제 광도 사이에 일정한 관계가 있는 천체는 먼 우주의 거리를 추정하는 데 중요한 역할을 해 왔습니다. 가까운 별에서 연주시차로 얻은 거리가 더 먼 거리 측정의 기준을 마련하고, 그 기준을 이용해 다른 천체의 거리를 확장하는 방식입니다. 하나의 측정법이 끝나는 곳에서 다음 측정법이 이어지기 때문에 이를 거리 사다리라고 생각하면 이해하기 쉽습니다. 가까운 별의 거리를 정확하게 아는 것이 중요한 이유도 바로 여기에 있습니다. 한 단계의 기준이 달라지면 그보다 먼 천체의 거리 추정에도 영향을 줄 수 있기 때문입니다. 이처럼 천문학의 거리 측정은 하나의 공식으로 모든 우주를 재는 것이 아니라 서로 다른 방법을 연결하면서 측정 범위를 넓혀 가는 과정입니다. 각각의 방법은 따로 존재하는 것이 아니라 앞선 측정 결과를 다음 단계의 기준으로 활용합니다. 이 연결이 거리 측정의 신뢰성을 높입니다. 그렇다면 이렇게 거대한 거리를 왜 킬로미터 대신 광년이라는 단위로 표현할까요? 그 답을 이해하려면 별에서 출발한 빛이 우리에게 도착하는 데 걸리는 시간을 함께 생각해야 합니다.
4. 마무리
별까지의 거리를 측정하는 일은 단순히 숫자 하나를 얻는 과정이 아닙니다. 가까운 별은 지구의 공전으로 생기는 연주시차를 이용하고, 더 먼 천체는 밝기와 천체의 일정한 특성을 활용하는 등 여러 방법을 단계적으로 연결합니다. 이처럼 서로 다른 거리 측정법이 이어지면서 인간은 직접 갈 수 없는 먼 우주의 규모까지 조금씩 알아낼 수 있게 되었습니다. 그리고 이러한 거리를 표현하기 위해 사용하는 대표적인 단위가 광년입니다. 광년은 빛이 진공에서 1년 동안 이동하는 거리로 약 9조 4,600억 킬로미터에 해당합니다. 따라서 몇 광년 떨어진 별을 본다는 것은 그 별에서 출발한 빛이 그만큼 긴 시간을 지나 지구에 도착한 모습을 보는 것과 같습니다. 결국 별의 거리를 안다는 것은 그 별이 어디에 있는지만 알아내는 것이 아니라 우리가 그 별의 과거를 보고 있다는 사실까지 이해하는 일입니다. 이러한 단위는 막연한 거리감을 실제 우주의 규모와 연결해 줍니다. 다음에는 빛의 속도와 시간의 관계를 살펴보면서 왜 먼 우주를 바라보는 일이 곧 과거를 바라보는 일이 되는지 이어서 알아볼 수 있습니다.