나뭇잎 교과서

별의 공간 운동

북두칠성의 모양은 수천 년 동안 거의 변하지 않은 것처럼 보이지만, 별들은 모두 초속 수십 km로 움직이고 있습니다. 10만 년 뒤의 북두칠성은 어떤 모양일까요?

먼저 알면 좋은 것 도플러 효과별까지의 거리
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별의 공간 운동

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북두칠성은 수천 년 전 사람들도 지금과 같은 국자 모양으로 보았다. 그래서 별자리는 영원히 변하지 않는 것처럼 느껴진다. 그런데 별들은 사실 저마다 다른 방향으로 초속 수십 km씩 움직이고 있다. 다만 너무 멀어서 사람의 일생 동안에는 그 움직임이 보이지 않을 뿐이다. 별의 움직임은 어떻게 재며, 10만 년 뒤 북두칠성은 어떤 모양일까?

그림 1. 별의 공간 속도는 시선 방향의 시선 속도(주황)와 그에 수직인 접선 속도(파랑)를 합한 것이다. 접선 속도는 하늘에서의 각 이동인 고유 운동과 거리로 구한다.
먼저 알아야 할 것도플러 효과(역학과 에너지), 별까지의 거리(별까지의 거리), 피타고라스 정리, 호도법.

2.3.1시선 속도와 접선 속도

별의 움직임은 두 방향으로 나누어 잰다. 우리 쪽으로 다가오거나 멀어지는 시선 속도는 스펙트럼선의 도플러 이동으로 잰다. 시선에 수직인 방향의 움직임은 하늘에서 별의 위치가 1년에 몇 초씩 옮겨 가는지, 곧 고유 운동으로 잰다. 같은 고유 운동이라도 먼 별일수록 실제로는 빨리 움직이는 것이다. 멀리 지나가는 비행기가 가까운 새보다 느려 보이는 것과 같다.

정리 2.3.1 별의 공간 속도

고유 운동 \(\mu\)(″/년), 거리 \(d\)(pc)인 별의 접선 속도는 \[v_t = 4.74\,\mu d\ \text{km/s}\] 이고, 시선 속도 \(v_r\)과 합한 공간 속도는 \(v = \sqrt{v_t^2 + v_r^2}\)이다.

4.74는 1 AU/년을 km/s로 바꾼 값이다. 그림 1에서 고유 운동과 거리를 바꾸어 보자. 거리 25 pc인 별이 1년에 0.1초 움직이면 접선 속도는 약 12 km/s이다. 하늘에서 가장 빠른 버나드별은 고유 운동이 1년에 10.4초로, 180년이면 보름달의 지름만큼 움직인다.1

2.3.2변하는 별자리

별자리는 지구에서 같은 방향에 보이는 별들일 뿐, 실제로는 거리도 움직이는 방향도 제각각이다. 북두칠성의 일곱 별 가운데 가운데 다섯은 함께 같은 방향으로 움직이는 무리(큰곰자리 운동 성단)이지만, 양 끝의 두 별은 다른 방향으로 움직인다. 그래서 수만 년이 지나면 국자의 손잡이와 머리가 서로 다른 쪽으로 틀어져 지금과 다른 모양이 된다. 거꾸로 고유 운동을 되돌려 계산하면, 옛사람들이 보았던 별자리의 모습도 그려 볼 수 있다.

지금 약 10만 년 뒤 (모식)
그림 2. 양 끝 별이 다른 방향으로 움직여 북두칠성의 모양이 서서히 바뀐다.

2.3.3예제 풀이

예제 2.3.2

거리 25 pc인 별의 고유 운동이 0.12″/년, 시선 속도가 −10 km/s(다가옴)이다. 접선 속도와 공간 속도를 구하여라. 이 별은 10만 년 동안 하늘에서 몇 도 움직이는가?

접선 속도는 \(4.74 \times 0.12 \times 25 \approx 14.2\) km/s이고, 공간 속도는 \(\sqrt{14.2^2 + 10^2} \approx 17.4\) km/s이다.

10만 년 동안 하늘에서 \(0.12 \times 10^5 = 12\,000\)″, 곧 \(\dfrac{12\,000}{3600} \approx 3.3\)° 움직인다. 북두칠성 국자 머리의 두 별 사이 각거리가 약 5°이므로, 이 정도면 별자리의 모양이 눈에 띄게 달라진다. 즉 사람의 일생에는 거의 보이지 않는 1년 0.1초의 움직임도, 10만 년이면 별자리를 다시 그리게 만든다.

아래 탐구 카드에서 10만 년 뒤 북두칠성의 모양을 고유 운동으로 직접 그려 보자.

  1. 고유 운동은 핼리가 1718년 처음 알아챘다. 그는 고대 그리스의 별 목록과 자신의 관측을 비교하여, 시리우스와 아르크투루스 같은 밝은 별의 위치가 조금씩 옮겨 갔음을 발견했다.
마무리

별의 공간 운동은 도플러 효과로 재는 시선 속도와, 고유 운동과 거리로 구하는 접선 속도 \(4.74\mu d\)를 합해 \(\sqrt{v_t^2 + v_r^2}\)로 나타낸다. 별자리의 별들은 거리와 운동 방향이 제각각이라 오랜 시간이 지나면 모양이 바뀐다. 그래서 처음 질문의 10만 년 뒤 북두칠성은 양 끝 별이 다른 방향으로 움직여 지금과 다른 모양의 국자가 된다.

탐구 1

10만 년 뒤 북두칠성은 어떤 모양일까?

별의 공간 운동 · 고유 운동, 시선 속도, 접선 속도
고유 운동 μ · 거리 d
—
접선 속도 vt = 4.74 μd
—
시선 속도 vr (도플러 효과)
—
공간 속도 √(vt² + vr²)
—

고유 운동(각초/년), 거리(pc), 시선 속도는 문헌값을 반올림한 대략값이다. 별이 일정한 속도로 곧게 움직인다고 두고 하늘 위 위치만 옮겼으며, 위쪽이 북쪽이고 동쪽이 왼쪽이다.

  1. 질문옛 사람들이 본 북두칠성과 우리가 보는 북두칠성은 거의 같다. 그래서 별을 ‘붙박이별’이라 불렀다. 그런데 별들은 정말 움직이지 않을까?
  2. 복원별빛의 스펙트럼선은 별이 다가오면 파란쪽으로, 멀어지면 붉은쪽으로 이동한다(도플러 효과). 그리고 별까지의 거리는 연주 시차로 잰다.
  3. 설명별은 우주 공간에서 초속 수십 km로 움직이지만 매우 멀어서 하늘 위 위치는 1년에 1″도 안 되게 바뀐다. 이 각속도를 고유 운동 μ(″/년)라 하며, 거리 d(pc)를 곱하면 시선에 수직인 접선 속도 vt = 4.74 μd (km/s)가 된다. 한편 시선 방향의 빠르기인 시선 속도 vr은 스펙트럼선의 도플러 이동으로 잰다. 별의 실제 공간 운동은 이 두 속도의 합성이다.
  4. 연결북두칠성의 가운데 다섯 별은 거의 같은 방향과 빠르기로 움직이는 한 무리(큰곰자리 운동 성단)이고, 양 끝의 두베와 알카이드는 반대쪽으로 움직인다. 그래서 수만 년이 지나면 국자 모양이 크게 달라진다. 이렇게 함께 움직이는 별을 찾으면 같은 곳에서 태어난 성단을 알아낼 수 있다.
  5. 적용시간을 10만 년 뒤와 10만 년 전으로 옮겨 모양을 보자. 어느 별들이 함께 움직일까? 알리오스와 두베의 공간 속도도 비교해 보자. 고유 운동이 같은 두 별이 있을 때 더 먼 별의 접선 속도는 어떨까?
  6. 판단고유 운동만으로는 별의 운동을 다 알 수 없다. 우리 쪽으로 곧장 다가오는 별은 고유 운동이 0이어도 빠르게 움직일 수 있고, 반대로 시선 속도만 보면 옆으로 움직이는 것을 놓친다. 그래서 두 관측을 함께 해야 공간 운동이 나온다.

확인조건이 달라지면

고유 운동이 0.2″/년이고 거리가 50 pc인 별의 접선 속도는?

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