글로벌 세계 대백과사전/컴퓨터·환경·첨단·지구과학/우주-지구-기상/우주의 신비/천체의 일주 운동

천구

지구에서 천체까지의 거리는 천체에 따라 여러 가지이며, 비교적 가까운 천체라면 거리를 km로 나타낼 수 있지만 대부분의 천체는 빛이 1년 간 가는 거리(9조 4600억 km), 즉 광년(光年)을 단위로 나타내야 한다. 그러나 지구에서 보는 천체는 원근의 차이를 거의 느낄 수가 없다. 그래서 자신을 중심으로 하여 반지름이 매우 큰 공을 생각하며, 모든 천체가 이 공의 안쪽에 붙어 있다고 가정한다. 이러한 공을 천구라고 한다.

맑게 갠 날 올려다본 하늘의 커다란 둥근 천장, 밤하늘에 별이 무수히 박혀 있는 검은빛 하늘의 둥근 천장, 이것이 바로 천구이다.

별은 천구의 안쪽에 고정되어 움직이지 않는 표시라고 생각할 수 있다. 그러나 태양이나 달, 행성은 천구상에 있기는 하지만 별과 달리 같은 위치에 고정되어 있는 것이 아니라 천구를 따라 조금씩 움직인다. 천구의의 두 점 사이의 거리는 두 점을 각각 천구의 중심(다시 말해서 하늘을 올려다보는 실험자 자신)을 연결한 두 직선 사이의 각을 말하는데, 따라서 거리는 각도로 측정할 수 있다.

천구의의 기준이 되는 점과 선

天球儀－基準－點－線일반적으로 공의 중심을 지나는 곳을 기준으로 둘로 쪼갰을 때 그 쪼개진 면이 가장 큰 원이 되는데, 천구의의 선이라고 하면 반드시 이 큰 원을 의미한다. 그래서 천체의 위치나 운동을 조사하려면 천구상에 몇 개의 특별한 점이나 선을 생각해야 한다.

천정과 지평선

天頂－地平線

접시에 물을 부으면 물 표면은 평면이 된다. 이 평면을 확대하여 천구에 대입하면 커다란 원이 생긴다. 이것을 지평선이라고 한다. 또한 원의 중심에서 물 표면에 직각인 직선을 생각하여 그것을 위로 연장하여 천구와 교차하는 점을 천정이라 한다. 투명 반구에서는 테두리가 지평선, 공의 끝부분이 천정에 해당한다.

북극과 자오선·적도

北極－子午線·赤道

천구상의 하늘의 북극은 모든 별의 운동 중심이 되는 점이다. 그래서 북극과 천정을 잇는 선을 만들면 자오선이 생긴다. 자오선과 지평선의 두 교점을 북점·남점이라 하고, 또 이 북점과 남점에서 지평선을 따라 90°거리에 있는 점을 동점(東點)·서점(西點)이라 한다. 그 다음은 북극에서 90°거리에 있는 선을 적도라고 한다. 적도는 지평선과 동점·서점에서 교차한다.

이상과 같이 지평선, 자오선, 천정, 동서남북 각 점은 모든 천구의 중심에 있는 관측자에게 특유한 점이나 선이므로 천구 자신이 설령 운동을 하더라도 변함없이 원래의 위치에 남게 되는 것이다. 한편 적도는 천구에 고정되어 있는 선이므로 만약 그 위에 표시를 해두면 천구가 운동하면 적도 또한 그 운동을 따라 운동한다는 것을 알 수 있다.

고도와 방위

高度－方位

천체에서 지평선에 수선을 내리그어 그 선과 교차한 점을 주목해 보자. 남점에서 지평선을 따라 이 교점까지 잰 거리를 방위라고 하며, 교점에서 수선을 따라 천체까지 잰 거리를 고도라고 한다. 이 방위와 고도 두 가지로 천구상의 천체의 위치를 확정한다. 방위는 남점에서 서쪽으로 360°까지 재는 것이 보통인데, 경우에 따라서는 북점에서 동·남·서로 돌아 재는 경우도 있다(주로 측량 등에 사용된다). 또한 고도 대신에 천정과 천체 사이의 거리를 이용하는 경우도 있다. 이것을 천정 거리라고 한다. 천정 거리와 고도와의 합은 항상 90°이다.

이와 같이 지평선을 기준으로 하여 별의 위치를 나타내는 것을 지평 좌표라고 한다.

천구의 일주운동

천구의 회전

天球－回轉천체는 모두 시간의 경과와 더불어 하늘의 북극을 중심으로 북극과 그 천체를 잇는 거리를 반지름으로 하는 원운동을 하고 있다. 천구를 중심으로 생각해 보면 각각의 천체는 모두 천구에 부착되어 있는 것이기 때문에 각 천체의 원운동은 천구 스스로가 회전하고 있기 때문에 일어나는 현상이라고 생각할 수 있다. 이러한 천구의 회전 운동을 천구의 일주운동이라고 한다. 이는 천구상의 북극·남극을 잇는 선을 회전축으로 한 동에서 서로 향하는 운동이다. 회전 속도, 즉 한번 회전하는 데 걸리는 시간은 24시간이다.

또한 천구의 일주운동은 항상 같은 속도가 아니라 극히 미미하기는 하지만 속도가 달라진다. 그러나 평균 태양시 또는 평균 항성시에서 한 번 회전하는 데 걸리는 시간을 측정할 경우는 언제나 앞에서 계산한 수치가 된다.

주극성·출몰성

週極星·出沒星

북극 부근의 천체는 북극을 중심으로 작은 원을 그리며, 지평선 밑으로 지는 일은 없다. 이와 같은 천체를 주극성이라 한다. 고도와 방위도 크게 변하지 않는다. 그런데 극에서 떨어진 천체에서는 천구의 일주운동에 수반하여 동쪽 지평선에서 떠올라 하늘에 커다란 원호를 그리며 이윽고 서쪽 지평선에 도달하여 결국 보이지 않게 된다. 따라서 고도와 방위가 크게 변한다. 이와 같은 천체를 출몰성이라 한다.

자오선 경과

子午線經過

출몰성은 동쪽 지평선에서 나타나 이윽고 자오선상에 이른다. 이때를 자오선 경과 또는 자오선 통과, 남중(南中) 등으로 표현한다. 그런데 주극성은 하루에 두 번 자오선을 통과한다. 출몰성과 마찬가지로 자오선의 동쪽에서 서쪽으로 통과하는 때를 상(上)경과, 반대로 서쪽에서 동쪽으로 향해 통과할 때를 하(下)경과라고 한다. 상경과 때의 자오선상의 위치는 북극과 천정 사이, 하경과 때는 북극과 북점 사이이다.

다른 장소에서 본 천구

－場所－天球

어떤 지점에서 별을 고정시키고 태양의 움직임을 그린 천구는 단 하나밖에 나타낼 수가 없다. 그러나 그 천구를 지구상의 다른 장소에서 보면 견해가 달라진다. 천구상에 그은 지평선이나 자오선, 천정 등의 점은 천구를 보고 있는 사람의 지구상에서의 위치에 따라 정해지는 것이므로 다른 위치에 있는 사람이 보는 천구상의 천정, 자오선, 지평선은 전혀 다른 모양이 된다.

따라서 같은 순간에 어떤 장소에서 본 자오선 경과를 하는 별과 다른 장소에서 경과하고 있는 별은 완전히 다르다.

시각

時角

천구의 일주 운동을 가장 직접적으로 나타내는 각은 어떤 천구와 북극을 잇는 선과 자오선 사이의 각으로, 이를 시각이라고 한다. 또는 북극과 그 천체를 잇는 선을 연장하여 적도와 교차시켰을 때의 교점에 주목하여, 적도와 자오선의 교점에서 적도를 따라 현재의 교점까지 측정한 거리이다. 시각은 각도의 도·분·초로 나타내지 않고, 시(h)·분(m)·초(s)로 재어 자오선에서 서쪽으로 0h에서 24h까지 센다. 서점(西點)은 시각 6h, 동점(東點)은 18h 이다.

모든 별의 시각은 천구의 일주 운동에 따라 시시각각 늘어난다. 주극성의 경우 상경과 때의 시각은 0h, 하경과 때는 12h이다.

천체의 좌표

천체의 천구상의 위치를 정확하게 나타내려면 좌표를 생각해야 한다. 평면상의 한 점의 위치를 표시하려면 직각인 두 직선, 가로축과 세로축을 만들어 그 교점에서 가로축과 세로축의 거리를 측정하여 위치를 표시하면 된다.

이것은 또한 하나의 기준이 되는 선, 가로축과 세로축 위에 기준점을 하나 선택하여 문제의 점에서 가로축으로 수선을 그은 다음 가로축과의 교점에 주목하여 기준점에서 가로축을 따라 교점까지의 거리, 교점에서 수선을 따라 문제의 점까지의 거리를 재는 방법과 똑같다. 구면상의 점도 평면상과 마찬가지로 나타낼 수 있다.

지평좌표

地坪座標

지평좌표에서는 지평선이 기준선이고, 남점(南點)이 기준점이 된다. 이 좌표는 천체가 어느 방향으로 보이고 있는지 직관적으로 알 수 있어 편리하다. 반면 천구의 일주운동에 의해 고도와 방위가 시시각각 달라지기 때문에 어떤 정해진 시각 외에는 사용할 수 없다는 것과 지구상의 다른 장소에서 보는 사람에 대해서는 같은 시각이라도 다른 수치가 나온다는 불편함도 있다.

또한 어떤 시각에 어떤 천체의 고도와 방위를 알아 그 방향으로 바르게 향하게 할 수 있는 망원경, 또 반대로 어떤 방향의 천체를 보고 그때의 고도와 방위를 측정할 수 있는 망원경을 경위의(經緯儀)라고 한다.

적도좌표

赤道座標

천구가 일주운동을 해도 거의 변하지 않는 좌표 가운데 적도좌표가 있다. 이것은 기준이 되는 선과 점을 천구에 고정시켜 지구상의 경도와 위도에 해당하는 적경(赤經)·적위(赤緯)를 이용하여 나타내는 것이다.

기준선으로 적도를 선택하고, 기준점으로 적도상에 춘분점이라는 점을 선택한다. 천체에서 적도에 수선을 내리그었을 때의 교점에 주목하여 춘분점에서 적도를 따라 교점까지의 거리를 적경, 교점에서 수선을 따라 천체까지의 거리를 적위라고 한다. 적경은 춘분점에서 동쪽으로 재며, 각도의 도·분·초가 아니라 시(h), 분(m), 초(s)로 센다. 적위는 도(度)·분·초로 세며, 그 천체가 적도의 북쪽에 있을 때 +, 남쪽에 있을 때 - 부호를 붙인다.

이 좌표는 시각이 경과해도 변함이 없으며, 지구상의 어떤 장소에서 보아도 달라지지 않는다. 그러나 어떤 천체의 적경과 적위를 알고 있더라도 그 천체가 언제 어떤 방향으로 보이는지는 금방 파악되지 않는 불편함이 있다. 천체의 적경과 적위를 상세히 측정하는 망원경을 자오환(子午環)이라고 하며, 또 어떤 천체의 적경과 적위를 알고 있는 상황에서 그 방향으로 망원경을 향하게 해주는 것을 적도의(赤道儀)라고 한다.

황도좌표

黃道座標

천구상을 태양이 1년에 일주하는 속도로 움직이는 경로를 황도라고 한다.

황도

黃道

황도는 태양이 연주운동하는 길이다. 따라서 지구가 공전하기 때문에 생긴다. 황도는 태양 주위를 공전하는 지구의 궤도면과 천구가 만나는 커다란 원이며, 천구의 적도와 23.5°만큼 기울어져 있다.

황도는 태양계 안에서 천체의 위치를 표시하는 황도좌표계의 기주면으로 사용된다. 천문학자들은 황도와 천구의 적도가 교차하는 두 교점(춘분점과 추분점) 중에서 춘분점을 황도의 기준점으로 사용하고 있다.

황도와 적도의 교점은 춘분점이고 황도와 춘분점을 기준으로 하는 좌표를 황도 좌표라고 한다. 이 좌표도 적도 좌표와 마찬가지로 황경(黃經)과 황위(黃緯)를 이용하여 위치를 나타낸다. 황경은 춘분점에서 황도를 따라 동쪽으로, 천체에서 황도로 내리그은 수선과 황도와의 교점까지 측정한 거리이며, 또한 황위는 이 교점에서 천체까지의 거리이다. 그리고 황경과 황위는 모두 도·분·초로 나타낸다.

백도

白道

달도 태양과 마찬가지로 천구상을 미끄러지듯이 움직인다. 그 경로를 백도라고 한다. 달에 한하여 황경은 춘분점에서 황도상을 황도와 백도의 교점까지, 그리고 백도상을 교점에서 달까지의 거리의 합으로 나타내는 경우도 있다.

지구상의 경도와 위도

천문 경위도

天文經緯度

어떤 지점의 자오선은 그 지점의 천정과 북극을 이은 선이다. 그런데 북극은 천구에 고정된 점이므로 지구상의 두 지점에서 본 자오선은 천구상 북극에서 교차하게 된다. 그래서 어떤 지점의 자오선과 그리니치 자오선 사이의 각, 천구상 북극에서의 교차각을 그 지점의 경도라고 하며, 그 지점이 그리니치 동쪽에 있을 때를 동경(東經), 서쪽에 있을 때를 서경(西經)이라 하고, 각각 180°까지 잰다.

또 어떤 지점에서 측정한 천구의 극(極)고도를 그 지점의 위도라고 하며, 북극의 고도를 잴 경우를 북위(北緯), 남극의 고도를 잴 경우를 남위(南緯)라고 한다. 이렇게 정한 경도와 위도를 천문경위도라고 한다.

측지 경위도

測地經緯度

천문 경위도에 대해 지도에 사용하는 경위도를 측지 경위도라고 하는데, 이는 전혀 다른 관점에서 본 것이다.

측지 경위도는 미리 지구의 모양·크기, 기타 많은 가정을 정해두고 그것을 토대로 측지 측량이라는 방법으로 재는 것이다. 일단 수치를 정하면 시간이 지나도 거의 변하지 않는다.

반면 천문 경위도는 아무런 가정도 하지 않고 잴 수 있다. 그러나 시간이 경과함에 따라 끊임없이 조금씩 변동한다. 이러한 변동 원인을 극운동이라 하며, 변동의 크기는 약 0″.3 정도이다. 이와 같이 천문 경위도와 측지 경위도는 근본적으로 성질이 다르기 때문에 그 수치도 각도마다 몇십 초씩 차이가 나기도 한다.

경도의 측정

經度－測定

천문 경도는 그리니치자오선과 어떤 지점의 자오선의 북극에서의 교차각이며, 시각(時角)은 어떤 천체와 북극을 이은 선과 자오선 사이의 각이다.

그래서 하나의 천체를 주목하여 천문 경도 측정법을 생각해 보자. 어느 순간 이 천체의 시각과 같은 순간 그리니치에서 측정한 천체의 시각차는 얼마나 될까. 같은 천체이므로 그것과 북극을 잇는 선은 공통이며, 다른 것은 자오선의 위치가 천구상에서 다르다는 것이다. 따라서 시각차는 두 자오선이 다르며, 다시 말해서 북극에서의 교차각과 같아지게 된다.

이와 같이 하여 경도는 한 천체의 지점과 그리니치에서 측정한 시각차임을 알 수 있다.

또 춘분점의 시각을 항성시, 평균 태양 시각을 평균태양시라고 한다. 따라서 경도는 그 장소의 항성시와 그리니치항성시의 차, 또는 그 장소의 평균태양시와 그리니치평균태양시의 차로 나타낼 수 있다.

위도의 측정

緯道－測定

위도는 북극의 고도이므로 간단한 방법은 북극성의 고도를 측정하면 된다. 날짜와 시각이 정해지면 북극성의 북극에서의 기울기를 계산할 수 있기 때문에 북극 고도를 환산하면 된다.

더욱 정밀하게 측정하는 방법은 자오선 경과를 천정의 남쪽과 북쪽으로 하여 그때의 천정 거리가 거의 같은 한 쌍의 별을 골라 그 천정 거리의 차를 구하면 된다. 이때 사용하는 망원경을 천정의(天頂儀)라고 하며, 위도는 0″. 01 정도까지 구할 수 있다.

이보다 더욱 정밀하게 위도를 측정하는 망원경은 사진 천정통(天頂筒)이다. 이것은 천정 바로 가까이에서 자오선 경과를 하는 별을 골라 경과하기 직전과 직후에 망원경을 180° 회전시켜 천정 거리의 두 배를 측정하는 것이다.

일주운동

日週運動

밤하늘의 별을 유심히 관찰해보면 북극성을 제외한 모든 별은 하루에 한 번씩 북극성을 중심으로 동심원을 그리며 운동하는데, 이를 일주운동이라 한다. 또한 이 때 천구에 그리는 원을 일주권이라고 한다. 일주운동은 지구가 자전하기 때문에 나타나는 겉보기운동이다. 한편, 북극성이 움직이지 않는 것은, 북극성이 지구의 자전축과 천구가 만나는 점에 있기 때문이다.

겉보기운동

－運動

지구의 자전과 공전 때문에 생기는 천체의 운동으로 시운동이라고도 한다. 마치 일정한 속력으로 달리는 자동차 안에서 바깥을 보면 바깥 경치가 움직이는 것처럼 보이는 것과 같은 원리로 지구에서 태양이나 별을 관찰하면, 이러한 천체가 마치 천구 위로 움직이는 것처럼 보인다. 이것은 지구가 하루에 한 번씩 자전하고, 1년에 한 번씩 태양 주위를 공전하기 때문에 생기는 현상이다.