은하수는 왜 시간마다 다르게 보일까

몇 시간 동안 은하수가 움직여 보이는 것은 지구의 자전 때문입니다. 다른 날짜의 같은 시각에 밤하늘이 달라지는 데에는 공전과 태양 기준 시계가 함께 작용합니다.

밤 10시에 남동쪽에 있던 은하수가 자정에는 남쪽에 걸려 있습니다. 한 달 뒤 같은 장소에 밤 10시에 가 보니, 이번에는 예전 자정에 보던 구도와 비슷합니다. 같은 은하수가 움직여 보이지만 비교하는 시간이 다릅니다.

천구와 좌표에서는 별의 주소를 살펴봤습니다. 이번에는 그 주소를 가진 대상을 지구 위에서 언제, 어느 방향으로 보게 되는지 생각해 보겠습니다. 시간을 바꾸는 것과 날짜를 바꾸는 것을 나누면 자전과 공전이 덜 헷갈립니다.

고정된 주소와 눈앞의 위치

별과 은하수의 방향을 천구에 표시하면 별들 사이의 배치는 하루나 몇 달 사이에 거의 유지됩니다. 은하수 중심부의 적위도 약 −29°로 같습니다. 여기에서 고정되어 있다는 말은 천구의 적도를 기준으로 한 적경·적위가 유지된다는 뜻입니다.

내 눈앞의 위치는 고도·방위각으로 말합니다. 고도는 내 지평선에서 얼마나 올라가 있는지, 방위각은 어느 쪽을 보는지입니다. 이 기준선은 내가 서 있는 지구에 붙어 있습니다.

지구 위 관측자의 방향이 바뀌면 같은 주소의 별도 내 지평선에 대해 다른 곳에 보입니다. 적위가 그대로인 채 고도는 높아졌다가 낮아질 수 있습니다. 천구를 그리는 것과 실제로 어느 쪽을 바라보는 것을 구분하는 출발점입니다.

같은 밤에는 내 지평선이 돌아간다

지구는 서쪽에서 동쪽으로 자전합니다. 그 위에 서 있는 우리 눈에는 하늘이 반대로 움직이는 것처럼 보입니다. 이것이 일주운동입니다. 별 궤적 사진에 남는 원호도 이 움직임을 기록한 것입니다.

은하수는 수많은 별이 겹쳐 보이는 띠이므로 주변 별들과 함께 움직여 보입니다. 서울에서 중심부를 보면 남동쪽에서 떠서 남쪽을 지나 남서쪽으로 기웁니다. 은하수 띠가 지평선에 대해 누웠다가 비스듬히 서 보이는 구도 변화도 함께 생깁니다.

하늘의 회전은 한 시간에 약 15°입니다. 세 시간이면 약 45°이므로 산이나 바위에 은하수를 맞춘 구도가 몇 시간 뒤에는 달라집니다. 이때 관측자는 같은 장소에 있어도 지구와 함께 시선의 방향을 바꾸고 있습니다.

이 정도의 시간 동안에도 지구는 공전합니다. 다만 몇 시간 사이의 큰 방향 변화를 설명할 때는 자전을 먼저 보면 됩니다. 그림에서는 이 차이를 분명하게 보려고 시간 비교 중의 작은 공전 이동을 생략했습니다.

날짜를 바꿀 때는 시각을 고정한다

이번에는 매일 같은 자정에 하늘을 본다고 생각해 보겠습니다. 지구는 하루 동안 태양 주위를 조금 이동합니다. 자정인 쪽은 태양의 반대편이지만, 공전 위치가 바뀌면 그 반대편이 향하는 먼 하늘의 방향도 달라집니다.

지구가 공전하는 동안에도 자전은 계속됩니다. 다른 날짜의 자정을 비교한다는 것은 그 사이의 자전을 없애는 것이 아니라, 매일 같은 시계 시각의 순간만 골라 보는 것입니다.

아래 그림의 흰색 은하수 방향은 고정되어 있습니다. 같은 날 · 시각에서는 시간을, 같은 자정 · 날짜에서는 날짜를 움직여 보세요. 파란 점은 관측자이고 파란 화살표는 머리 위 방향입니다.

INTERACTIVE · 자전과 공전공전 위치 고정

지구와 함께 내 지평선도 돌아갑니다

파란 점은 지구 위의 관측자입니다. 지구가 자전하면 머리 위를 향한 파란 화살표가 돌아갑니다. 그래서 은하수는 지평선에 대해 뜨고, 기울어지고, 집니다.

시간을 바꿔도 지구가 놓인 공전 궤도의 위치와 은하수 방향은 그대로입니다.

머리 위 방향의 변화

0.0°

지구의 공전 위치

고정

비교할 변화

같은 날 · 시각같은 자정 · 날짜

자정부터 흐른 시간00:00

비교 시점

자정3시간 뒤6시간 뒤

해 볼 만한 것들입니다.

• 같은 날 · 시각에서 3시간 뒤를 고르면 지구의 공전 위치는 그대로이고 관측자가 돌아갑니다. 한밤중 은하수 구도가 바뀌는 이유입니다.
• 같은 자정 · 날짜에서 1일 뒤를 고르면 지구의 위치는 아주 조금 달라지고, 같은 별이 같은 자리에 오는 시각은 약 4분 빨라집니다.
• 30일 뒤를 고르면 공전 궤도에서 약 30° 이동합니다. 자정의 머리 위 방향도 달라지고, 별의 위치를 맞추는 시각은 약 2시간 일러집니다.
• 180일 뒤에는 자정의 머리 위가 거의 반대쪽을 향합니다. 계절에 따라 밤에 보는 하늘의 방향이 바뀌는 관계를 볼 수 있습니다.

이 그림은 북극 위에서 본 평면 개념도입니다. 자전축 기울기·관측 위도·거리 축척을 생략했고, 날짜 비교에는 평균 태양시의 자정을 썼습니다. 실제 서울의 하늘이나 한국 표준시 자정의 위치를 계산하는 천문력은 아닙니다.

왜 하루가 두 종류일까

우리가 쓰는 시계의 하루는 태양을 기준으로 합니다. 태양이 다시 같은 방향에 오는 시간을 평균한 것이 태양일이며 24시간입니다. 별을 기준으로 지구가 한 바퀴 도는 시간은 항성일이며 약 23시간 56분 4초입니다.

별을 향해 있던 관측자가 지구와 함께 한 바퀴 돌면 같은 별을 다시 향합니다. 그런데 그동안 지구는 공전 궤도에서 약 1° 앞으로 갔습니다. 태양을 보는 방향이 조금 달라졌으므로 태양을 다시 같은 자리에 놓으려면 지구가 조금 더 자전해야 합니다.

그 추가 자전에 걸리는 시간이 약 3분 56초입니다. 그래서 별을 기준으로 한 바퀴 돌아오는 시간이 태양을 기준으로 한 하루보다 짧습니다.

태양일도 실제로는 날마다 조금 다르기 때문에 여기서는 평균값을 썼습니다. 지구 공전 궤도의 모양과 자전축 기울기까지 넣은 정밀 시각 계산은 이 개념도에서 생략했습니다.

4분은 한 달에 약 2시간이 된다

오늘 밤 10시에 한 별이 정남쪽에 왔다면, 그 별은 내일 약 4분 이른 밤 9시 56분에 다시 정남쪽에 옵니다. 매일 같은 시계 시각에 보면 하늘은 조금씩 앞서 돌아가 있는 모습입니다.

그래서 한 달 뒤 밤 10시의 별 배치는 오늘 밤 자정 무렵과 비슷합니다. 한 달 뒤에도 오늘과 비슷한 별 구도를 보고 싶다면, 시계 시각을 약 2시간 앞당겨 찾아보면 됩니다. 달과 행성의 위치는 따로 달라지므로 이 비교에서는 별과 은하수의 방향만 생각합니다.

이 작은 차이가 쌓여 계절에 따라 밤하늘의 모습이 바뀝니다. 해가 지는 시각과 밤의 길이도 계절에 따라 달라지므로, 별이 돌아오는 시각만으로 촬영 가능 시간을 정할 수는 없습니다.

계절마다 밤의 방향이 달라진다

어느 계절에는 은하수 중심부가 깊은 밤에 남쪽을 지납니다. 몇 달 뒤에는 그 위치에 오는 시각이 초저녁으로 앞당겨지고, 더 지나면 낮 시간으로 옮겨 갑니다. 중심부는 하늘에 있어도 햇빛이 밝은 시간에는 보기 어렵습니다.

우리나라에서는 밝은 중심부를 봄에 새벽, 여름에 밤, 가을에 초저녁 하늘에서 찾습니다. 겨울에는 태양과 가까운 방향에 놓여 밤에 관측하기 어렵습니다. 사진에서 말하는 은하수 시즌은 대개 이 밝은 중심부의 시즌입니다.

겨울에도 은하수 띠의 다른 부분은 밤하늘에 있습니다. 은하수 전체와 중심부를 구분하면 계절별 사진이 서로 다른 이유를 이해하기 쉽습니다. 띠의 구조는 은하수는 왜 띠 모양일까에서 살펴볼 수 있습니다.

실제로 찍을 때는 무엇을 먼저 고를까

먼저 날짜와 어둠을 고릅니다. 은하수 중심부가 떠 있는 시간과 충분히 어두운 시간이 겹쳐야 합니다. 그 교집합은 계절별 은하수 시즌의 날짜 그림에서 확인할 수 있습니다.

그다음에는 그날의 시각과 구도를 고릅니다. 같은 밤에도 중심부는 남동쪽에서 남쪽을 지나 남서쪽으로 움직여 보입니다. 산이나 나무에 맞추려는 위치를 정한 뒤, 그쪽에 중심부가 오는 시각을 찾습니다.

같은 장소에서 날짜를 바꾼다고 중심부의 최고 고도가 크게 높아지는 것은 아닙니다. 서울 기본 위도에서 중심부의 최고 고도는 약 23.4°로 거의 같습니다. 주로 달라지는 것은 그 높이에 도달하는 시각과 어둠이 겹치는 시간입니다.

마지막으로 달빛과 지평선을 확인합니다. 중심부가 보이는 방향에 산이나 건물이 있으면 낮은 구도가 가려지고, 달이 떠 있으면 어두운 띠의 대비가 줄어듭니다. 시간을 바꾸어 해결할 일과 장소를 바꾸어 해결할 일을 나누면 촬영 계획이 간단해집니다.

참고 자료와 모형의 범위

• OpenStax Astronomy 2e, Keeping Time: 태양일·항성일과 별이 매일 약 4분씩 일찍 뜨는 이유를 설명합니다.
• 미 해군 천문대, Sidereal Time: 별의 적경과 자전, 항성시의 관계를 확인할 수 있습니다.
• 그림은 공전을 일정한 속도의 원운동으로 단순화했습니다. 시간 비교에서는 작은 공전 이동을 생략하고, 날짜 비교에서는 자전이 계속되는 지구에서 매일 같은 자정의 순간만 골랐습니다. 대기 굴절·세차·고유운동·연주 시차는 넣지 않았습니다.

정리

• 천구에 붙은 적경·적위는 유지되어도, 내 지평선에서 잰 고도·방위각은 달라진다.
• 같은 밤의 큰 위치 변화는 지구의 자전으로 설명한다.
• 다른 날짜의 같은 시각을 비교하면 공전으로 달라진 밤의 방향을 본다.
• 태양일은 항성일보다 약 4분 길고, 같은 별은 매일 약 4분 이른 시각에 같은 자리에 온다.
• 촬영 날짜로 은하수와 어둠이 겹치는 시간을 고르고, 그날의 시각으로 구도를 맞춘다.