천문 거리 단위

천문학은 미터로는 편히 나타낼 수 없는 거리를 잽니다. 태양에서 가장 가까운 별은 약 40조 킬로미터 떨어져 있습니다. 미터로 적으면 열일곱 자리 수가 되어 읽을 수 없고 한눈에 견줄 수도 없습니다. 그래서 천문학자는 규모마다 알맞은 세 가지 큰 단위를 씁니다. 태양계에는 천문단위, 가까운 별에는 광년, 그보다 먼 모든 것에는 파섹입니다.

이들은 국제단위계나 야드파운드법 같은 뜻의 체계가 아닙니다. 기본단위도 접두어도 내부 구조도 없습니다. 모두 미터로 정해진 개별 정의이며, 어떤 규모의 수를 읽을 수 있게 만들기 위해 유지되고 있습니다. 셋 다 국제단위계와 함께 쓰도록 허용되어 있습니다.

천문학에 고유한 단위가 필요한 이유

문제는 범위의 넓이입니다. 태양계 안에서 거리는 수십만 킬로미터에서 수십억 킬로미터에 걸칩니다. 별 사이에서는 광년으로 셉니다. 관측 가능한 우주의 규모에서는 수십억 파섹입니다. 하나의 단위로 이 세 영역을 감당하면 터무니없이 크거나 터무니없이 작은 수가 나옵니다.

또 하나, 역사적인 이유가 있습니다. 천문학 역사의 대부분 동안 태양계의 절대적 규모는 알려져 있지 않았습니다. 천문학자는 공전 주기로부터 행성 거리의 비를 매우 정밀하게 잴 수 있었지만 거리 자체는 잴 수 없었습니다. 모든 것을 지구와 태양 사이의 거리에 견주어 나타내면 그 거리를 킬로미터로 몰라도 정확히 작업할 수 있었습니다. 천문단위는 그 기준으로 태어났고 한참 뒤에야 고정된 미터 수가 되었습니다.

천문단위

천문단위는 지구와 태양의 평균 거리에 대략 해당합니다. 본래는 지구 궤도로 정의되었는데 이는 다루기 불편했습니다. 궤도는 타원이고 정의가 정확히 알려지지 않은 태양의 질량에 기대고 있었기 때문입니다.

국제천문연맹은 2012년에 천문단위를 정확히 149,597,870,700미터로 정해 이 문제를 매듭지었습니다. 미터가 빛의 속력으로 정의되듯, 이제는 측정량이 아니라 정의된 환산 계수입니다. 고른 값은 이전의 측정값과 충분히 가까워 실무가 흐트러지지 않았습니다.

이 단위는 거의 태양계 안과 외계 행성의 궤도에만 쓰입니다. 수성은 약 0.39천문단위, 지구는 정의상 약 1천문단위, 목성은 5.2천문단위, 해왕성은 30천문단위에서 공전합니다. 카이퍼 벨트는 대략 30에서 50천문단위 사이에 펼쳐져 있습니다. 이렇게 나타내면 태양계의 구조가 곧바로 읽히지만 킬로미터로는 그렇지 않습니다.

광년

광년은 빛이 진공에서 한 해 동안 나아가는 거리입니다. 이름과 달리 거리의 단위이지 시간의 단위가 아닙니다. 이 혼동이 잦으므로 분명히 밝혀 둘 만합니다.

값은 고정된 두 수에서 나옵니다. 빛의 속력은 정확히 초당 299,792,458미터입니다. 정의에 쓰는 율리우스년은 86,400초로 이루어진 날을 정확히 365.25일로 셉니다. 곱하면 정확히 9,460,730,472,580,800미터, 9조 5천억 킬로미터에 조금 못 미칩니다. 두 입력값이 모두 측정이 아니라 정의된 값이므로 광년은 엄밀합니다.

광년은 대중 천문학의 단위입니다. 연구 논문보다 언론과 일반 글에 훨씬 자주 나타납니다. 파섹에는 없는 직관적 의미를 지니기 때문입니다. 100광년 떨어진 천체를 본다는 것은 그것을 100년 전의 모습으로 본다는 뜻입니다. 프록시마 켄타우리는 4.25광년, 우리 은하의 중심은 약 2만 6천 광년, 안드로메다 은하는 약 250만 광년 거리에 있습니다.

파섹

파섹은 직업 천문학자가 실제로 쓰는 단위이며, 셋 가운데 유일하게 물리량이 아니라 측정 기법으로 정의됩니다.

이름은 「시차」와 「초」의 축약입니다. 지구가 궤도를 도는 동안 가까운 별은 먼 배경에 대해 조금씩 움직여 보입니다. 이 움직임을 궤도의 마주 보는 두 지점에서 재면 간단한 삼각법으로 별까지의 거리가 나옵니다. 기선을 1천문단위로 했을 때 움직임이 1각초, 곧 1도의 3600분의 1에 이르는 별은 1파섹 거리에 있습니다.

2015년 이후 파섹은 정확히 648,000을 원주율로 나눈 천문단위, 약 30조 8570억 킬로미터 또는 3.2616광년으로 정의됩니다. 이 정의는 계산을 단순하게 만들어 유용합니다. 별의 거리를 파섹으로 나타내면 그것은 각초로 나타낸 시차의 역수일 뿐입니다. 시차가 0.1각초이면 거리는 10파섹입니다. 배수에는 보통의 접두어가 붙어 은하 규모에는 킬로파섹, 은하 사이 거리에는 메가파섹을 씁니다.

천문단위를 처음 잰 때

케플러의 법칙은 17세기 초에 이미 행성 궤도의 상대적 크기를 천문학자에게 주었지만 절대적 규모는 주지 않았습니다. 태양계는 축척 없는 지도였습니다. 규모를 정하려면 거리 하나를 직접 재야 했고, 금성의 태양면 통과가 그 길을 열었습니다.

금성이 태양면을 가로지를 때 서로 다른 위도의 관측자에게는 조금씩 다른 경로가 보이며, 그 시각 차이가 시차를 통해 거리를 줍니다. 에드먼드 핼리는 자신이 살아서 쓰지 못하리라는 것을 알면서도 1716년에 이 방법을 제안했습니다. 1761년과 1769년의 통과를 위해 국제 원정대가 꾸려져 시베리아와 남아프리카와 타히티와 허드슨만으로 관측자를 보냈습니다. 세계 규모로 협력한 최초의 과학 사업 가운데 하나입니다. 제임스 쿡의 첫 항해도 일부는 이 목적으로 조직되었습니다. 그 결과는 천문단위를 오늘날 값의 몇 퍼센트 이내까지 좁혔습니다.

레이더가 어림짐작을 끝냈습니다. 1960년대에 금성에 전파를 되쏘아 메아리의 시간을 재자 거리가 수백 미터의 정밀도로 곧바로 나왔습니다. 탐사선의 원격 측정이 이를 더 다듬었고, 2012년에 값을 정의로 고정한 결정은 측정이 그것이 섬기던 정의를 넘어섰음을 인정한 것에 지나지 않습니다.

거리를 이동 시간으로

빛의 속력이 고정되어 있으므로 모든 천문 거리는 빛이 그것을 건너는 시간으로 말할 수 있습니다. 천문학자는 늘 그렇게 합니다. 태양은 8광분, 목성은 약 43광분, 태양계의 가장자리는 약 18광시 거리에 있습니다. 화성의 탐사선으로 보내는 전파 명령은 도달까지 4분에서 24분이 걸리며, 착륙 때 탐사선이 스스로 움직이도록 프로그램된 이유가 여기에 있습니다.

같은 생각은 더 큰 규모에도 적용되며 말해 둘 만한 결론을 낳습니다. 멀리 본다는 것은 과거를 본다는 뜻입니다. 1억 광년 떨어진 천체는 1억 년 전의 모습으로 보이며 현재의 상태를 관측할 방법은 없습니다. 따라서 망원경은 지리의 도구인 만큼 역사의 도구이기도 합니다. 지금까지 찍은 가장 깊은 사진은 우주가 수억 살이던 때의 은하 모습을 담고 있습니다.

어느 거리에 어느 단위인가

고르는 기준은 수를 1에서 수천 사이에 두는 것입니다. 태양계 안의 거리는 천문단위로 나타냅니다. 수천 광년 이내의 별까지의 거리는 전문가는 파섹으로, 그 밖에서는 광년으로 나타냅니다. 은하 규모의 거리는 킬로파섹, 은하 사이의 거리는 메가파섹으로 나타냅니다.

곧 선택은 원리가 아니라 실용의 문제입니다. 별까지의 거리를 킬로미터로 적는 것을 금하는 규칙은 없습니다. 다만 수가 읽히지 않아 비교에 쓸 수 없게 될 뿐이며, 그것이 단위를 고르는 목적의 전부입니다. 킬로미터는 한 가지 쓰임으로 남습니다. 달과 지구 둘레를 도는 물체까지의 거리이며, 거기서는 천문단위가 불편하게 큽니다. 달은 384,400킬로미터, 곧 0.0026천문단위 거리에 있고 뒤의 수는 아무 쓸모가 없습니다.

재는 방법

시차가 여전히 바탕입니다. 유일한 직접적 방법이고 관측 대상에 대한 어떤 가정도 필요로 하지 않으며, 나머지 모두가 이에 맞추어 보정됩니다. 지상 망원경은 대기 때문에 수백 파섹으로 제한됩니다. 우주가 그것을 바꾸었습니다. 히파르코스 위성은 1990년대에 약 10만 개의 별을 측정했고, 가이아 임무는 그 뒤 10억 개가 넘는 별의 시차를 수십 마이크로각초의 정밀도로 재어 은하의 상당 부분에 이르렀습니다.

시차 너머에서 천문학자는 표준 촛불을 씁니다. 고유 밝기를 아는 천체로, 얼마나 어둡게 보이는지에서 거리를 이끌어 냅니다. 세페이드 변광성은 참 광도를 드러내는 주기로 맥동하고, 제1a형 초신성은 일정한 밝기로 폭발하며 수십억 파섹 밖에서도 보일 만큼 밝습니다. 이 거리 사다리의 각 단은 아래 단에 맞추어 보정되므로 시차 측정의 개선은 우주론적 거리까지 퍼져 나갑니다.

환산

세 단위가 모두 미터로 엄밀하므로 서로 간의 환산도 엄밀합니다. 1파섹은 3.2616광년이자 206,265천문단위입니다. 1광년은 63,241천문단위입니다. 수가 크므로 긴 숫자 열보다 지수 표기가 대개 더 분명합니다.

이 사이트의 모든 길이 단위는 길이 단위 목록에서 볼 수 있습니다. 국제단위계의 미터법 단위와 비교할 수도 있습니다.