별의 측정과 기술

북극성은 천구의 북국, 다시 말해 지구의 자전축이 가리키는 지점 가까이 있는 별을 일컫는다. 현재 그리고 지난 수 세기 동안, 북극성이라 불리는 세페이드 변광성이 천구의 북극에 매우 가까이 있어 북극성의 역활을 훌륭히 해왔다. 그러나 지구의 자전축이 가리키는 방향은 수천 년이 지나면 바뀌게 된다. 수천 년 전 고대 이집트 문명이 번영하던 때의 북극성은 용자리에 있는 어두운 별 토반이었다. 그 당시와 오늘날 사이의 수 세기 동안 북극성이라 부를 만한 별은 존재하지 않았다. 남극성도 있을까? 현재 천구 남극 가까이에는 눈에 띄는 밝은 별이 없으므로 남극성이라 부를 만한 별이 없다. 천구 남극은 가까이 있는 여러 성군이나 별들을 이어서 삼각형을 만든 다음 그 상대적인 위치 관계를 통해 대략 찾을 수 있다. 밤하늘에서 가장 밝은 별은 어느 별인가? 지구에서 볼 댸 밤하늘에서 가장 밝은 별은 시리우스다. 이 별은 큰개자리에 있기 때문에 개의 별 이라고도 불린다. 두 번쨰로 밝은 별은 용골자리의 카노푸스고, 세 번째로 밝은 별은 켄타우루스자리의 알파 센타우리로 잘 알려진 리겔 켄타우루스다. 그러나 이 별들이 밤하늘에서 가장 밝은 빛을 뿜어내는 별들은 아니다. 이들은 지구를 가장 밝게 비추는 별이라고 할 수 있다. 다음 표는 지구에서 관측할 때 가장 밝은 별들의 목록이다. 가장 먼 거리의 별은 얼마나 멀리 떨어져 있는가? 밤하늘에서 망원경 없이 맨눈으로 볼 수 있는 4000개의 별 중에서 가장 거리가 먼 것은 몇천 광년 떨어져 있다. 그러나 더 먼 거리의 별들도 성단이나 가까운 은하에 속해 있는 경우 관측할 수 있다. 예를 들어 대마젤란성운이나 소마젤란성운, 혹은 안드로메다은하의 전체 별빛은 망원경의 도움 없이 관측이 가능하다. 그리고 망원경을 사용하면 120억 광년 이상 떨어진 은하의 별빛을 관측할 수 있다. 별까지의 거리를 처음으로 정확하게 측정한 사람은 누구 알까 독일의 수학자이자 천문학자인 프리드리히 빌헬름 베셀이 핼리혜성의 궤도를 재계산하여 그 결과를 하인리히 올베르스에게 보냈을 때 그의 나이는 스무 살에 지나지 않았다. 베셀은 스물여섯 살 때 쾨니히스베르크 천문대장으로 지명되어 1846년 죽을 때까지 이 직책을 맡았다. 그는 재직 기간 동안 5만 개가 넘는 별들의 위치를 기록한 목록을 만들었다. 또 태양계의 행성 운동으로 인한 섭동을 연구하기 위해 복잡한 주업 운동과 진동을 기술하는 데 도움이 되는 일련의 수학 방정식을 개발했다. 오늘날이 방정식들은 그의 업적을 기려 베셀 함수라 불리는데, 응용수학이나 물리학 그리고 공학 분야에 필수 불가결한 도구다. 혁신적인 기술을 이용하여 그는 전례에 없을 만큼 정확하게 많은 별의 움직임을 기록했다. 천문학자들은 별의 밝기를 어떻게 나타내는가? 별의 밝기는 광속이나 광도로 기술하는 것이 바람직하다. 광속은 별에서 나온 비의 다발이 얼마나 많이 지구에 도달하는지를 측정한 양이고, 광도는 별이 방출하는 에너지를 측정한 양이다. 그러나 천문학자들은 고대부터 별의 밝기를 나타내는 양으로 사용되어온 광도라는 단위도 사용하고 있다. 고대 그리스의 천문학자들은 별의 밝기를 여섯 등급으로 구분하는 광도 등급 체계를 만들었다. 그들은 맨눈으로 볼 수 있는 가장 밝은 별을 일등성, 그리고 다음으로 밝은 별을 이등성으로 정하는 방식으로 분류했다. 마지막으로 가장 흐릿한, 다시 말해 눈으로 겨우 볼 수 있는 별은 6등성이었다. 그 후 망원경이 발명되자 6등성보다 어두운 별들이 훨씬 더 많이 발견되었다. 그래서 천문학자들은 별의 등급을 1등성과 6등성 너머로 확장하게 되었다. 이 별들의 등급은 로그 눈금에 따른 수학적 공식에 따라 나타낸다. 이처럼 고대로부터 사용되어온 광도 등급 체계는 밝은 천체들이 낮은 숫자의 광도 등급을 갖고 어두운 천체들이 높은 숫자의 광도 등급을 갖고 있다. 이것이 뜻하는 바는 음의 등급을 갖는 별이 양의 등급을 갖는 별보다 더 밝다는 것이다. 천문학의 광도 등급 체계는 거꾸로 되어 있어 직관에 반하지만 오랫동안 사용된 관례에 따라 오늘날까지 사용되고 있다. 그렇담 맨 처음에 별까지의 거리를 어떻게 정확하게 측정했을까? 1838년 베셀은 별들의 운동을 측정하는 기술을 이용하여 백조자리의 연주 시차를 계산해냈다. 이 정보를 기반으로 그는 오늘날 측정값에서 단 몇 퍼센트의 오차만을 갖는 거릿값을 얻을 수 있었다. 그는 백조자리 61까지의 거리를 약 10광년으로 계산했는데, 이 거리는 태양계 안의 다른 어떤 천체들 사이의 거리보다 더 멀다. 베셀의 발견이 별을 올바로 연구하는 문을 연 것이었다. 다시 말해 별은 단순히 빛을 내는 점이 아니라 우주에 분명히 실재하는 천체라는 사실을 보여준 셈이다. 절대 등급과 안시 등급의 차이는 무엇인가 본래의 등급 체계는 광속을 기반으로 한다. 다시 말해 더 많은 별빛이 지구에 도달할수록 별의 밝기 등급의 숫자는 낮다. 이를 겉보기 등급 또는 실시 등급이라고 한다. 왜냐하면 지구에서 보았을 떄 별의 겉보기 밝기이기 떄문이다. 절대 등급 체계는 광도를 기반으로 한다. 절대 등급 체계에서는 별들이 어디에 있는지와 상관없이 별에서 방출되는 빛이 많을수록 더 낮은 광도 등급을 갖게 된다. 별의 절대 등급은 별이 10파섹, 즉 32.6광년 거리에 있을 때의 실시 등급으로 정의된다. 광속과 광도는 광원과 관측자 사이의 거리와 관련 있기 때문에, 실시 등급과 절대 등급의 차이를 거리 지수라고 부른다. 별은 고체인가 액체인가 아니면 기체인가 별들을 대부분 플라스마라고 부르는 특별한 상태의 가스 다시 말해 전기적으로 대전 된 가스로 구성된다. 많은 사람이 플라스마를 물질의 네 번째 상태로 생각한다. 일상에서 볼 수 있는 플라스마의 예는 번개가 칠 때의 공기 혹은 형광 전구 안의 가스를 생각하면 된다.