[겨울시리즈5] 밤하늘에서 별과 행성을 구분하는 방법?

옛날 과학책을 보면 행성과 별의 차이를 반짝이느냐 그렇지 않느냐에서 찾았다. 초등학교 4학년을 다니던 나는 과학책에서 이 내용을 발견하고 밤하늘을 올려다봤는데 차이를 발견할 수 없었다.
별빛은 아주 먼 곳에서 와서 우리 눈으로는 빛이 있느냐 없느냐만 판별할 뿐이지 그 크기를 알 수는 없는데 반해서 행성은 우리 눈으로도 크기를 판별할 수 있다. 그래서 별빛은 대기의 불균일한 움직임 때문에 빛의 경로가 바뀌어 반짝이게 되는데 행성빛은 같은 현상이 있더라도 계속 한 자리에서 볼 수 있기 때문에 반짝이지 않는다. 이 문제에 대해서 잠시 생각해보자.

물리법칙에 따르면 모든 빛은 그 근원(발생원)을 알 수 없다. 즉 빛을 처음 방출한 물질이나 중간에 영향을 준 물질은 빛에 그 어떠한 특성도 남기지 않는다. 광자는 파장, 진동방향, 진행방향의 차이만 존재할 수 있다. 사람의 눈은 파장과 진행방향만 알 수 있고, 진동방향은 알 수 없다. (일부 곤충들만 진동방향까지 감지할 수 있다.)
각각의 별빛이나 행성빛을 이루는 입자인 광자는 광자 하나하나만 따지고 보면 차이를 발견할 수 없다.

고층대기의 기온과 밀도의 미세한 차이는 굴절률의 미세한 차이를 만드는데, 이 미세한 차이는 겨울이나 여름이나 비슷하게 나타난다. 여름에도 아지랭이가 피어오르듯이 고공에서도 약간의 온도차이가 나타난다.
하지만 겨울에 별빛이 유난히 반짝이는 이유는 기단의 특성 때문이다. 여름에 영향을 주는 기단인 북태평양 기단의 경우는 행동(변화)이 아주 느리다. 바람의 속도가 느려서 우리가 반짝임을 보기는 힘들다. 반면 겨울에 영향을 주는 시베리아 기단은 행동이 급하다. 그래서 높은 곳에는 대부분 거센 기류가 흐른다. 그래서 고공에서는 계속해서 굴절률이 급격히 바뀌고, 그래서 우리 눈으로도 쉽게 알아차릴 수 있는 정도의 반짝임이 보이게 된다.

2008년 12월, 대전시민천문대에서 휴대전화로 촬영

별빛이 반짝이는 것은 별빛이 우리 눈에 도달했다 않았다를 반복하기 때문에 나타나는 현상이다. 만약 굴절에 의해서 빛이 휘게 되어 순간적으로 눈의 다른 곳에 빛이 도달한다면 우리는 반짝이는 것이 아니라 뿌옇게 보인다. 사람의 뇌는 10Hz로 작동하는데 빛의 변화가 0.1초 안에 변화한다면 우리는 선명하지 않고 뿌옇게 본다. 이를 이용한 장치는 각종 영상기기로 이용하고 있다. 반대로 정지화상으로 보면 뿌옇게 보이더라도 이를 여러 장 묶어서 동영상을 만들면 선명하게 보이게 만들 수도 있다. HDTV는 사실상 이러한 현상을 이용하는 기기다.

대기의 움직임에 의해 빛이 굴절되는 현상은 망원경의 성능에 한계를 보이게 만든다. 상이 뿌옇게 보이는 것이다. 미국 Nasa는 이러한 원인을 제거하고자 허블망원경을 만들어 우주공간에 띄웠다. 허블망원경은 큰 망원경은 아니지만 우주공간에 있다는 이유만으로 지난 10년간 우주관측의 모든 분야에 혁명을 이끌어왔다. 심지어 허블망원경을 쏘아올렸던 초기에는 허블망원경의 쌍곡면 거울이 2㎛ 제작이 잘못되어[footnote]쌍곡면은 현재의 기술로는 제작이 제대로 되었는지 확인할 수 있는 방법이 없다. 즉 직접 쏘아올려 관측해보지 않으면 제대로 작동하는지 확인하긴 힘들다.[/footnote] 촛점이 명확히 맺히지 못했는데도 불구하고 지구상의 대형 망원경들보다 훨씬 세밀한 관측결과를 얻기까지 했다.
현재 지구상의 대형망원경은 레이저를 통한 보정을 하여 기존보다 몇 배의 분해능을 갖게 성능을 향상시켰다. 기존과 같은 장비에 관측방향으로 레이저를 쏘아올려 레이저의 굴곡을 관측함으로서 망원경에 맺힌 상을 보정한다.

다시 처음으로 돌아가서 별빛은 반짝이고, 행성빛은 안 반짝일까? 안 반짝인다는 이야기는 원리적으로 밝게 보이는 해, 달, 금성 정도에만 해당되는 이야기다. 금성을 제외한 행성은 밝게 보이지만 밤하늘에서 제일 밝은 별보다 밝지도 않고, 사람의 시각과 비교해서 걷보기 각도 크게 차이나지 않기 때문이다.
(이렇게 잘못 알려진 이유는 옛날에 일본 과학책을 우리나라로 번역해 들어올 때 어떤 잘못이 있었기 때문이다. 그리고 일본의 과학책들은 미국 또는 유럽의 과학책을 잘못 번역한 것일 가능성이 높다. 뿐만 아니라 미국이나 유럽에서 처음 나온 책들도 오류를 갖고 있는 것이 많다.)

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