우주 과학 15편 항성 도플러효과는 무엇인가요?

항성

항성이란 태양처럼 스스로 빛을 내는 천체를 말해요. 지구에서는 밤하늘 별들을 보고 위치를 파악하지만 우주공간에서는 직접 관측하기 어렵기 때문에 천문학자들은 다양한 방법으로 항성의 위치를 알아내고 있어요. 이번 시간에는 대표적인 항성이동방법인 도플러효과(Doppler effect)에 대해 알아볼게요.

항성 도플러효과는 무엇인가요?

항성 도플러 효과란 음원과 관측자 사이의 거리가 가까워지면 음파의 진동수가 증가하고 멀어지면 감소하는 현상을 말해요. 이 원리를 이용하면 멀리 떨어진 물체의 운동 상태를 알 수 있답니다. 예를 들어 기차가 다가올 때 기적소리가 높게 들리고 멀어질 때 낮게 들리는 경우나, 구급차가 다가올 때 소리가 높게 들리고 멀어질 때 낮게 들리는 경우 등이 모두 도플러 효과랍니다.

어떻게 활용하나요?
천체관측 분야뿐만 아니라 자동차 엔진 소음 분석, 지진파 분석, 항공기 운항 경로 결정 등 일상생활에서도 많이 쓰이고 있어요. 특히 비행기 조종사들은 하늘 위에서 지상 관제소로부터 전달받은 정보를 토대로 현재 자신이 날고 있는 고도에서의 속도와 방향을 계산해야 하는데, 이때 도플러 효과를 이용한답니다.

실제 사례는요?
1976년 미국 NASA의 무인 우주선 바이킹 1호가 화성 표면으로부터 약 6,000km 상공을 지날 때 탐사선의 전파 신호가 갑자기 변하는 것을 발견했어요. 이를 계기로 과학자들은 우주의 모든 행성들이 일정한 주기로 공전한다는 사실을 알게 되었답니다. 또한 2013년 4월 15일 우리나라 최초의 우주발사체 나로호 발사 당시 위성 분리 과정에서 문제가 발생했는데, 원인 중 하나로 로켓 추진체 연료 분사 시 방출되는 주파수 변화가 지목되었어요. 즉, 이러한 도플러 효과를 응용해서 인공위성 궤도 진입 여부를 판단하는데 쓰인답니다.

항성이동이란 별들이 태양 주위를 공전하듯이 은하 중심 주변을 도는 현상을 말합니다. 이러한 항성이동현상은 우주공간 속에서의 시간과 공간 개념을 이해하는데 도움이 됩니다.

별자리는 어떻게 만들어졌나요?
그리스 로마 신화에서는 신들이 하늘을 가로질러 여행하다가 별자리를 만들었다고 합니다. 하지만 이 주장은 현대 천문학 관점에서 보았을 때 근거가 부족한데요, 현재 우리가 알고 있는 대부분의 별자리는 1603년 네덜란드의 항해사인 피터르 데카르트가 만든것입니다. 이후 18세기 초 독일의 천문학자인 요한 바이어가 자신이 제작한 천문표 위에 그리스 문자를 새겨 넣은 후 이것을 다시 라틴어로 번역하면서 오늘날 알려진 별자리 이름이 되었습니다.

천체망원경으로는 어떤 천체를 관측할 수 있나요?
천체망원경은 크게 굴절 망원경과 반사 망원경으로 나눌 수 있습니다. 굴절 망원경은 대물렌즈(주경) 앞에 오목거울을 부착시켜 빛을 모으는 방식이고, 반사 망원경은 볼록거울을 이용해서 빛을 모읍니다. 따라서 두 종류의 망원경 모두 상이 거꾸로 맺히는 단점이 있지만, 대신 상을 작게 만들 수 있고 분해능이 좋다는 장점이 있습니다. 또한 광학계 자체가 작기 때문에 휴대성이 좋고 크기 대비 성능이 우수하다는 장점이 있습니다.

우주정거장은 왜 지구 밖으로 나가있나요?
지구 궤도 바깥 부분인 우주 정거장은 대기권 밖에 위치하기 때문에 지상처럼 강한 자외선으로부터 보호받을 수 있으며, 공기 저항이 없어 빠른 속도로 이동할 수 있습니다. 뿐만 아니라 중력이 거의 존재하지 않기 때문에 무중력 상태에서도 생활이 가능합니다. 실제로 우주정거장 안에서는 다양한 실험들을 진행하며 과학 기술 발전에 기여하고 있습니다.

항성이동이란 별들이 서로 멀어지고 가까워지는 현상을 말합니다. 태양계에서는 수성과 금성이 이에 해당하는데요, 지구와의 거리가 점점 멀어지는 행성입니다. 이렇게 멀리 떨어진 행성일수록 중력이 약하기 때문에 시간이 지날수록 조금씩 멀어져가고 있다고 해요. 우리나라에서도 이러한 연구결과를 발표했는데요, 어떤 내용인지 알아볼까요?

수성금성의 이동속도는 어떻게 되나요?
수성과 금성은 공전주기가 각각 88일과 224일로 매우 짧습니다. 그래서 1년동안 같은 위치에 있지 않고 계속해서 움직이는데요, 최근 관측 결과로는 두 행성 모두 매년 0.4~0.5AU씩 멀어지고 있다고 합니다. 따라서 현재로부터 2억 5천만년 후에는 완전히 다른 곳에 있게 된다고 하네요.

왜 그렇게 빨리 움직이는 건가요?

지구와는 달리 행성의 질량이 작으면 궤도 반지름이 커지기 때문에 그만큼 빠르게 움직일 수 있습니다. 또한 크기가 작은만큼 큰 힘을 받지 않아서 빠른 속도로 운동할 수 있죠. 실제로 수성과 금성은 달보다도 훨씬 가까운 거리에 있지만 위성처럼 보이지 않는 이유이기도 합니다.

오늘은 항성이동에 대해 알아보았는데요, 매일매일 보는 하늘이지만 항상 새로운 모습을 보여주는 자연현상인것 같아요. 앞으로는 밤하늘을 더욱 유심히 관찰하게 될 것 같네요. 지금까지 항성이동이었습니다!