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낮과 밤의 길이가 변하고 계절이 바뀌고 이에 따라 별자리도 달라진다. 그 이유는 뭘까?

흔히 학생들은 천구가 바로 우리 눈에 둥글게 보이는 하늘을 의미한다는 사실을 모르고 있다. 우리에게 친숙한 하늘을 제쳐 두고 머리속에 추상적인 개념의 천구를 따로 갖기 시작하는 데에서 천문학 공부의 어려움은 시작된다. '천구＝둥근 하늘'이라는 사실을 다시 한 번 머리속에 새겨야 한다.

지평선과 천정

천구를 이해하려면 우선 몇가지 천문학 용어를 반드시 익혀야 한다. 먼저 지평선과 천정에 관해 알아보자. 천구가 땅과 만난 선을 우리는 지평선이라고 부른다. 물론 우리가 일상생활에서 말하는 지평선과 똑같은 것이다. 천구상에서 관측자의 바로 머리 위의 점을 천정이라고 한다. 천정과 지평선이 (그림1)의 천구에 그려져 있다.

(그림1)에서 벌써 주의사항이 하나 주어진다. 그것은 바로 관측자는 천구 안에 있지만 이 그림을 바라보는 우리는 천구 밖에 있다는 사실이다. 천구를 공부할 때는 철저하게 천구 안의 관측자 입장으로 돌아가야 한다.

(그림1)에는 동서남북 네 방향도 아울러 나타나 있다. 동서남북은 항상 관측자가 볼때 지평선상에서 오른쪽방향으로 동→남→서→북의 순으로 배열됨에 유의하자. 특히 지구의 북극이나 남극상에 있는 관측자를 고려할 때는 방향에 더욱 유의해야 한다. 예를 들어 지구의 북극상에 있는 관측자의 경우 동, 서 방향은 없다. 그 관측자는 어느 쪽으로 넘어져도 남쪽으로 넘어지는 것이다.
 

■지평좌표계/시간에 따라 변하는게 단점

천구상 천체의 위치를 지정하려면 우리가 지구상 어느 점을 나타낼 때 위도와 경도를 쓰듯이 지평좌표계를 쓰면 편리하다. 지평좌표계란 방위각과 고도를 이용한 좌표계이다.

방위각이란 (그림2)에서 보듯이 남점으로부터 서쪽으로 재어간 천체의 각거리를 말한다. 여기서 남점이란 지평선과 남쪽 방향이 일치하는 점을 말한다. 방위각은 흔히 A로 표시되는데 천체가 관측자의 어느 방향에 있는지를 말해 준다.

고도란 지평선으로부터 천체까지의 각거리를 말한다. 고도는 h로 표시되는데 (그림2)에서 보듯이 천체가 지평선으로부터 얼마나 높이 떠 있는가를 알려 준다. 따라서 h는 90º보다는 클 수 없다. 천체와 천정 사이의 거리는 천정거리라고 불리우는데 이것은 물론 90º-h로 주어진다.

지평 좌표계는 천체를 찾기에 매우 편리하다. 왜냐하면 (A, h) 짝은 '어느 방향으로 어느정도 높이' 보아야 그 천체가 있다는 정보를 제공해 주기 때문이다. 그러나 지평 좌표계는 특정 시간에만 유효하다는, 결정적인 단점이 있다. 왜냐하면 모든 천체는 시간이 조금만 지나도 이미 그 자리에 더 이상 머무르고 있지 않기 때문이다. 따라서 지평 좌표계는 실제로 많이 사용되지 않는다.

■천구의 극과 적도/천구반지름은 무한대

천구를 이해하는데 있어서 또 하나의 어려운 개념은 천구의 반지름이 ∞(무한대)라는 점이다. 우리는 우리 눈에 보이는 하늘이 구체적으로 얼마나 멀다고 이야기할 수 없다. 이처럼 천구의 반지름은 ∞이므로 (그림3)과 같이 천구 안에 지구를 통째로 집어넣을 수도 있다.

(그림3)과 같이 정의된 천구와 지구의 자전축을 연장한 선이 만나는 두 점을 천구의 극이라고 한다. 즉 천구의 극에는 천구의 북극과 천구의 남극 두가지가 있게 된다. 북극성은 바로 천구의 북극 가까이에 있는 밝은 별이다. 지구의 적도면이 연장되어 천구와 만나서 그려지는 대원을 천구의 적도라 한다.

그러면 (그림3)에서 정의된 천구의 두 극과 적도는 (그림1)(그림2)의 관측자에 대하여 어디에 있는 것처럼 보일까. 이것은 간단하지 않으며 바로 다음 호에서 자세히 다루어질 예정이다.
 

■황도/태양이 움직인 것처럼 보이는 원
 

지구의 자전축은 (그림4)에서처럼 약 23.5º 기울어져 있다. (그림4)에서 지구가 A점에 있을 때 태양은 북회귀선을 수직으로 비추므로 우리나라는 더운 하지가 된다. 낮과 밤의 경계선은 지구의 자전축과 일치하지 않으므로 하지 때 낮의 길이가 가장 길게 된다. 이 경우 북극은 하루 종일 낮, 남극은 하루 종일 밤이라는 사실도 눈여겨 보아 두자. 이 그림만으로도 지구의 양극 지방에서는 6개월은 낮, 6개월은 밤이 계속된다는 사실을 깨달을 수 있다.

마찬가지로 지구가 C점에 있을 때 태양은 남회귀선을 수직으로 비추어 우리나라는 밤이 가장 길고 추운 동지가 된다. 지구가 B, D점에 있을때 우리나라는 낮과 밤의 길이가 같은 추분 춘분이 된다.

이번에는 (그림5)에서처럼 (그림4)를 천구속에 집어넣고 생각하자. 여기서도 역시 천구의 반지름은 무한대이기 때문에 지구 공전궤도의 크기를 의식하지 않아도 상관없다. 하나 짚고 넘어갈 일은 (그림4)에서 지구를 수직으로 세우고 대신 지구의 공전 궤도를 기울였기 때문에 아무 문제없이 (그림5)와 같이 천구에 들어갈 수 있다는 사실이다. 지구의 공전 궤도를 수평으로 놓고 대신 지구를 기울인 그림만 보아온 학생들은 (그림5)를 이해하는 일이 쉽지만은 않을 것이다.
 

낮에 보이는 태양은 우리 눈에 별들보다 더 가까이 있는 것처럼 보이지 않는다. 태양이나 달이나 별이나 모두 '하늘에 박혀있는'것처럼 보인다. 따라서 (그림5)에서 우리나라가 하지일 때 태양은 마치 천구상의 C′점에 있는 것처럼 보이는데 C′점을 우리는 하지점이라고 한다. 동지점 A′춘분점 B′추분점 D′도 마찬가지로 정의된다. 이들은 천구의 북극, 천구의 남극과 마찬가지로 천구상에 고정된 점들이다. 북극성 경우와 같이 만일 하지점 가까이에 밝은 별이 있었다면 그 별은 틀림없이 '하지성'으로 불렸을 것이다.

천구상에는 어디에나 우리 은하의 별로 가득차 있다. 다만 태양 주위의 별들은 지구에서 볼때 밝은 낮에 뜨게 돼 볼 수 없을 뿐이다. 따라서 하지점 C′주위의 별들은 겨울철의 별자리들을 이룬다. 즉 하지 때 이 별들은 태양 주위에 있어 밤에는 져버린다는 의미와도 같다. 물론 그날밤에는 여름철의 별자리들이 떠야 한다. (그림6)에 왜 계절에 따라 별자리가 바뀌어야 하는지 잘 나와 있다.

여기서 우리는 '하지점은 겨울철 별자리에 있다'는 사실을 깨닫게 된다. 마찬가지로 동지점은 여름철 별자리에 위치하게 되며 춘분점 추분점의 경우도 마찬가지이다.

(그림5)에서 지구가 약 90일에 걸쳐서 A점으로부터 B점으로 공전하면 태양은 마치 천구상에서 별들을 헤치고 C′점에서 D′점으로 이동한 것처럼 보이게 된다. 즉 약 90일 동안 90º를 움직였으므로 태양은 하루에 약 1º씩 천구상에서 동쪽으로 서서히 이동하여야 한다. 따라서 지구가 1년 동안 A→B→C→D→A처럼 한 번 태양을 공전하면 태양은 마치 대원 C′→D′→A′→B′→C′를 따라 천구를 일주하는 것처럼 보인다. 이 대원을 우리는 황도라고 부른다.

황도와 적도는 옛날 성도에 각각 노란색과 붉은색으로 그려진 데서 비롯된 이름이다. (그림5)에서 알 수 있듯이 두 대원 황도와 적도는 춘분점과 추분점에서 교차한다. 물론 두 대원의 사잇각은 23.5º가 된다.
 

■적도 좌표계/춘분점과 천구의 적도를 기준

적도 좌표계는 춘분점과 천구의 적도를 기준으로 정한 것으로 가장 많이 쓰인다. 이 좌표계에서는 (그림2)에서처럼 지구의 경도에 해당하는 적경과 지구의 위도에 해당되는 적위를 쓴다.

적경은 흔히 그리스 문자 α(알파)로 나타내며 춘분점으로부터 동쪽으로 재어 나간다. 적경의 단위로는 시간과 같이 시 분 초를 써서 예를 들어 9시 13분 27초인 경우 α=${9}^{h}$${13}^{m}$${27}^{s}$처럼 표기한다.

적위는 흔히 그리스 문자 δ(델타)로 나타내며 천구 적도로부터의 각거리를 나타낸다. 적위는 천구의 북반구에서는 ＋, 남반구에서는 －값을 가지며 단위로는 도 분 초를 쓴다. 예를 들어 ＋16도 35분 41초인 경우 δ＝＋16º35′41″처럼 표기한다.

적도 좌표계를 이용하면 천구상 춘분점의 위치는 α＝${0}^{h}$와 δ＝0º, 하지점은 α＝${12}^{h}$와 δ＝0º, 동지점은 α＝${18}^{h}$와 δ＝－23.5º와 같이 주어진다.
 

익힘문제

※ 맞으면 ○표, 틀리면 ×표 하시오.

① 방위각A에 관계없이 고도h=60°인 별들은 고도 h=50°인 별들보다 천정에 더 가까이 있다. ( )
② 지구상 어디에서나 천구의 북극은 관측자의 천정에 있다. ( )
③ 천구의 북극은 적경값이 정의되지 않는다. ( )
④ 추분점은 가을철 별자리에 있다. ( )
⑤ 황도는 천구의 적도와 하지점, 동지점에서 만난다. ( )
⑥ 황도란 태양이 떠서 질 때까지 하늘에 그리는 궤적이다. ( )
⑦ 추분점의 적도 좌표는 α=${12}^{h}$, δ=-23.5°이다. ( )
⑧ 적경α가 ${10}^{h}$＜α＜${14}^{h}$인 별들은 봄철의 별자리를 이룬다. ( )
⑨ 적경에 관계없이 δ=45°인 별들은 δ=40°인 별들보다 천구의 북극에 가까이 있다. ( )

익힘문제 해답

①○ ②× ③○ ④× ⑤× ⑥× ⑦× ⑧○ ⑨○