츄 사이언스 - 지구 공전의 증거는?

지구의 공전

지구는 자전과 공전을 하기 때문에 태양과 별이 동쪽에서 떠서 서쪽으로 지는 현상이 나타나며, 하늘의 별자리가 계절에 따라 다르게 보이는 현상이 일어납니다. 또한 낮과 밤이 생기기 기도 하고, 계절의 변화가 일어나기도 합니다. 이번 글에서는 자전과 공전 중 공전에 대해서 알아보려고 합니다. 지구는 매일 황도 위를 약 1도씩 움직여 1년에 황도를 한 바퀴 도는 운동을 합니다. 이를 공전이라고 하며, 이로 인해 계절에 따라 같은 시각에 보이는 별자리가 달라지기도 합니다. 이러한 공전을 증명하는 사실 네 가지를 알아보겠습니다.

지구 공전의 증거

1. 연주시차(annual parallax)

연주시차는연주 시차는 1838년 베셀에 의해서 처음 측정되었으며, 별의 연주 시차는 극히 작은 각도로 0.76"을 넘지 않는 것이 특징입니다. 이러한 연주 시차는 설명하자면, 아래의 그림을 통해 알 수 있습니다. 지구가 태양 둘레의 궤도에서 A에 있을 때 별 S는 A'의 방향에 보이고, 약 6개월 후에 B에 있을 때 별 S는 B'의 방향에 보이게 됩니다. 이때 별 S가 보이는 위치는 배경의 먼 별들에 대해서 1년을 주기로 타원을 그리는 것을 알 수 있는데 이 타원의 장반경에 해당하는 각도를 별 S의 연주 시차라고 합니다. 이러한 연주 시차는 바로 지구가 태양 둘레를 공전하기 때문에 일어나기 때문에 지구 공전의 증거로 들 수 있습니다.

지구 공전의 증거

2. 광행차(aberration)

1727년 영국의 천문학자 브레들리는 별의 보이는 위치가 1년을 통해서 어떻게 변화하는지 조사하며 연주 시차를 측정하려고 했습니다. 그 결과는 연주 시차로 예상되는 결과와 달라 별의 시차를 측정하는 데에는 실패하였으나 그가 관측한 별의 위치 변화는 지구의 운동과 빛의 운동이 합성되기 때문이라고 생각했습니다. 지면에 수직으로 내리는 비를 생각해보면 비는 걸어가는 사람에게는 뒤로 향하는 속도를 가지게 되고 그 결과 빗살은 앞으로 기울어집니다. 이것과 같은 이치로 별에서 오는 빛도 지구의 운동 방향으로 기울어지게 되고 별의 위치는 실제 위치와 보이는 위치가 달라지게 됩니다. 이를 광행차라고 하는데, 광행차는 일반적으로 시차보다 크고 별까지의 거리에는 관계가 없다고 합니다.

3. 별의 시선 속도의 연주 변화

별의 시선 속도란 별과 관측자의 상대 운동의 속도입니다. 이것의 크기는 별의 스펙트럼선의 도플로 효과에서 측정되는데, 이 시선 속도는 1년을 주기로 규칙적으로 변화합니다. 이로 인해 지구가 공전하는 동안에 어떤 때는 서로 접근하고 반년 후에는 후퇴하는 것을 설명할 수 있습니다.

4. 식 쌍성의 광행 시간 효과

식 쌍성이란, 쌍성의 궤도면이 관측자의 시선 방향에 가까운 경우에는 한 별이 다른 별을 일정한 시간마다 가리게 되어 식이 일어나는 쌍성을 말합니다. 목성과 그 위성도 식을 일으키는데 1년에 걸쳐 식의 시작 시간을 조사하면 지구의 위치에 따라서 늦어지는 시간이 달라집니다. 이것은 빛이 지구 궤도를 질러 오는데 걸리는 시간이 있기 때문입니다. 식 쌍성의 경우에도 목성의 경우와 비슷한 광행 시간 효과를 나타내는데, 이러한 현상 또한 지구 공전의 증거가 됩니다.