별까지의 거리, 밝기, 표면온도

밤하늘의 별을 관찰해 보면 매우 밝게 보이는 별도 있고, 희미하게 보이는 별도 있습니다.

또 붉은색으로 파란색으로 보이는 별도 있습니다. 별까지의 거리를 측정하는 방법과 별의 밝기와 거리, 별의 색과 표면 온도에 대해 알아봅니다.

 

연주 시차와 별까지의 거리

시차와 거리

특정 사물을 관측하는 사람이 서로 다른 두 지점에서 바라보면 멀리 있는 배경에 대해 겉보기 방향이 달라지게 됩니다. 이때 두 관측 지점과 물체가 이루는 각을 시차하고 합니다.

위 그림에서 (가)에서 나무를 바라보면 나무는 파란색 건물의 오른쪽에 위치한 것처럼 보입니다.

(나)에서 나무를 바라보면 나무는 파란색 건물의 왼쪽에 위치한 것처럼 보입니다.

=> 두 관측 지점 (가), (나)와 나무가 이루는 각이 시차입니다.

 

시차와 거리 

시차는 관측 지점과 물체 사이의 거리가 가까울수록 크고, 멀수록 작습니다. 즉 시차와 거리는 반비례 관계가 있습니다. 따라서 어떤 물체의 시차를 측정하면 물체까지의 거리를 알아낼 수 있는 것입니다.

 

연주 시차와 별까지의 거리

연주 시차 

지구 공전 궤도의 양 끝에서 가까운 별을 관측하면 멀리 있는 배경별에 대하여 가까운 별의 위치가 달라져 보입니다. 이때 지구에서 6개월 간격으로 관측한 별의 시차의 1/2을 별의 연주 시차라고 합니다.

1) 지구가 A에 있을 때는 별 X가 천구상의 XA에 있는 것처럼 보이고, 지구가 B에 있을 때는 별 X가 천구상의 XB에 있는 것처럼 보입니다.

2) 별X의 시차는 각 AXB이고, 연주 시차는 각 AXB의 절반이 되는 것입니다.

 

연주 시차와 별까지의 거리

연주 시차는 별까지의 거리가 가까울수록 크고, 멀수록 작습니다. 즉 연주 시차는 별까지의 거리에 반비례합니다.

별까지의 거리(PC) = 1/연주시차(")

▶ 연주 시차가 1"(초)인 별까지의 거리를 1PC(파섹)이라고 합니다.

(1"(초)는 각도기의 1˚(도)를 3600 등분한 것의 1에 해당하는 각입니다.)

 

▶연주 시차의 한계

멀리 있는 별들은 연주 시차가 매우 작아서 측정하기 어려운 점이 있습니다.

별의 연주 시차는 약 100PC이내에 있는 비교적 가까운 별까지의 거리를 구하는데 이용합니다.

 

별까지의 거리를 나타내는 단위

1) AU(천문단위, Astronomical Unit) : 지구에서 태양까지의 평균 거리를 1AU라고 합니다.

 1AU = 약 1억 5000만km입니다.

 

2) LY(광년, Light Year): 빛이 1년 동안 이동한 거리를 1광년이라고 합니다.

 1LY = 약 9.46 × 10의 12 제곱 km

 

3) PC(파섹, Parsec) : 연주 시차가 1"인 별까지의 거리를 1PC이라고 합니다.

 1PC = 약 3.26광년에 해당합니다.

 

별의 밝기와 거리

별의 밝기

별의 밝기에 영향을 주는 요인

밤하늘에 보이는 별들의 밝기가 서로 다른 것은 지구로부터 별까지의 거리가 각각 다르고, 별마다 방출하는 복사 에너지양이 다르기 때문입니다. 거리가 가까운 별일수록 밝게 보이고, 방출하는 복사 에너지양이 많은 별일수록 밝게 보입니다.

 

거리에 따른 별의 밝기 변화

별의 밝기는 거리에 따라 달라지게 되는데 별에서 나온 빛은 사방으로 퍼지면서 점점 넓은 영역을 비추므로 별까지의 거리가 멀어질수록 같은 넓이에서 받는 빛의 양이 적어지게 됩니다.

 

만약 별에서부터의 거리가 2배, 3배로 멀어지면 별빛을 받는 넓이는 2의 2 제곱, 3의 2 제곱으로 넓어지고, 같은 넓이에서 받는 빛의 양은 1/ 2의 2제곱, 1/3의 2제곱으로 줄어들게 됩니다. 즉, 우리 눈에 보이는 별의 밝기는 별까지의 거리에 제곱에 반비례하게 됩니다.

 

별의 밝기와 등급

1) 히파르코스의 관측과 별의 등급

고대 그리스의 과학자 히파르코스는 밤하늘의 별들을 맨눈으로 관찰하여 가장 밝게 보이는 별을 1등급으로, 눈에 보일 정도록 어둡게 보이는 별을 6등급으로 정하고, 그 사이의 별들도 밝기에 따라 2등급, 3등급, 4등급, 5등급으로 구분하였습니다.

즉, 밝은 별일수록 등급이 작고, 어두운 별일수록 등급이 크게 표현됩니다.

 

2) 망원경의 관측에 따라 확장된 별의 등급

17세기에 들어 망원경 관측을 통해 맨눈으로 볼 수 없었던 어두운 별들이 발견되자 6등급보다 어두운 별들은 7, 8등급, · · ·등으로 나타내고, 1등급보다 밝은 별들은 0등급, -1,-2등급,  · · ·등으로 나타내었습니다.

각 등급 사이의 밝기인 별은 -1.5등급, 2.3등급 등 소수점을 이용하여 나타냅니다.

 

3) 별의 등급 차에 따른 밝기 차 

1856년 영국의 포그슨은 정밀한 관측을 통해 1등급의 별이 6등급의 별보다 약 100배 밝다는 사실을 알아내었습니다.

이는 1등급 간의 밝기차이가 약 2.5배에 해당함을 나타냅니다.

겉보기 등급과 절대 등급

1) 겉보기 등급

히파르코스가 정한 것처럼, 우리 눈에 보이는 별의 밝기를 등급으로 나타낸 것을 겉보기 등급이라고 합니다.

• 겉보기 등급이 작은 별일수록 우리 눈에 밝게 보입니다.
• 겉보기 등급은 별까지의 거리를 고려하지 않고 나타내므로 겉보기 등급으로는 별의 실제 밝기를 비교할 수 없습니다.

2) 절대 등급

별들이 모두 지구에서 약 10PC의 거리에 있다고 가정했을 때의 밝기를 등급으로 나타낸 것을 절대 등급이라고 합니다.

• 절대 등급이 작은 별일수록 실제로 방출하는 빛의 양이 많습니다.
• 절대 등급으로 별의 실제 밝기를 비교할 수 있습니다.

별의 등급을 이용하여 별까지의 거리를 비교하는 방법

(겉보기 등급 - 절대 등급) 값이 작을수록 가까이 있는 별이고, 클수록 멀리 있는 별입니다.

1) 겉보기 등급과 절대 등급이 같은 별 : 절대 등급은 별이 10PC의 거리에 있다고 가정했을 때의 발기 등급이므로, 겉보기 등급과 절대 등급이 같은 별은 10PC의 거리에 있는 별입니다.

  => 겉보기 등급 - 절대 등급 = 0인 별 : 10PC에 있는 별

 

2) 겉보기 등급이 절대 등급보다 작은 별 : 10PC보다 가까이 있는 별은 10PC의 거리로 옮기면 거리가 멀어지므로 더 어둡게 보이고 별의 등급이 커지게 됩니다.

 => 겉보기 등급 - 절대 등급 < 0인 별 : 10PC보다 가까이 있는 별

 

3) 겉보기 등급이 절대 등급보다 큰 별 : 10PC보다 멀리 있는 별은 10PC의 거리로 옮기면 거리가 가까워지므로 더 밝게 보이고 별의 등급이 작아지게 됩니다.

 => 겉보기 등급 - 절대 등급 > 0인 별 : 10PC보다 멀리 있는 별

 

별의 색과 표면 온도

빛을 내는 물체의 색과 온도

쇳덩이를 가열하면 쇳덩이의 온도가 높아질수록 색이 붉은색에서 주황색, 노란색으로 변하고, 쇳덩이를 식히면 온도가 낮아지면서 이와 반대로 색이 변하게 됩니다. 이와 같이 빛을 내는 물체는 온도에 따라 색이 달라지게 됩니다.

 

별의 색과 표면 온도

별의 색도 쇳덩이처럼 표면온도에 따라 달라지게 되는데, 표면 온도가 높은 별일수록 파란색이 강하게 관측되고, 표면 온도가 낮은 별일수록 붉은색이 강하게 관측됩니다.

즉 별의 색은 표면 온도가 높은 것부터 파란색 → 청백색 → 희색 → 황백색 → 노란색 → 주황색 → 붉은색으로 보이게 됩니다. 태양은 노란색 별로 표면 온도가 약 6000K입니다.

색과 표면온도