은하수 중심부의 고도와 지형

은하수 중심이 뜨는 날이어도, 앞의 산보다 높이 올라오지 않으면 사진에 담기 어렵습니다.

은하수 사진을 계획할 때 날짜와 날씨부터 보게 됩니다. 여기에 하나 더 확인할 조건이 있습니다. 관측 위치에서 은하수 중심이 얼마나 높이 올라오는가입니다. 날짜가 달라져도 같은 위도에서 같은 천체의 최고 고도는 거의 같습니다. 달라지는 것은 그 높이에 도달하는 시계의 시각과 그때 하늘이 어두운지 여부입니다.

이 글은 실제 촬영 시각을 예보하지 않습니다. 위도와 적위로 하늘의 경로를 계산해, 어떤 방향의 지평선이 얼마나 트여 있어야 하는지 이해하는 데 초점을 둡니다.

은하수 전체와 중심부를 구분합니다

은하수는 하늘을 길게 두르는 띠입니다. 모든 부분이 같은 높이에 있지 않습니다. 여기서 계산하는 대상은 궁수자리 방향의 은하수 중심부, 적위를 약 −29°로 잡은 한 방향입니다.

적위는 천구와 좌표에서 다룬 하늘의 위도입니다. 고도는 관측자의 수평선에서 위로 얼마나 떨어져 보이는지 나타내는 각도입니다. 같은 중심부를 보더라도 적위는 거의 그대로이고, 관측 위치에 따라 고도가 달라집니다.

최고 고도는 위도에 따라 달라집니다

관측자의 위도를 φ, 대상의 적위를 δ라고 하면 대상이 자오선을 지나 가장 높이 떠 있을 때의 고도는 다음과 같습니다.

서울의 기준 위도는 북위 37.5665°, 약 37.6°입니다. 90 − |37.5665 − (−29)| ≈ 23.4°입니다. 제주를 약 북위 33.5°로 두면 27.5°입니다. 남쪽으로 약 4° 내려간 만큼 중심부도 약 4° 더 높이 올라옵니다. 이 차이가 전경과 하늘을 함께 구성할 때 여유가 됩니다.

이 관계가 모든 위도에서 계속 같은 방향으로 이어지지는 않습니다. 관측 위도가 대상의 적위 −29°와 가까워지면 중심부는 머리 위에 가까워집니다. 그보다 더 남쪽으로 가면 다시 최고 고도가 낮아집니다. 적위가 −29°인 방향에 가장 가까이 다가가는 위도가 어디인지 생각하면 식의 절댓값을 이해하기 쉽습니다.

같은 하늘을 다른 위도에서 봅니다

아래 고도 실험에서 서울과 제주를 번갈아 눌러 보세요. 곡선의 모양과 최고점이 바뀝니다. 시드니에서는 중심부가 머리 위 가까이 올라옵니다. 다만 남반구에서는 중심부의 최고점 방향이 우리나라처럼 남쪽이라고 단정할 수 없습니다.

실험에서 해 볼 만한 것들입니다.

• 시간각을 0h에 두고 서울과 제주를 고르면 최고 고도가 약 23.4°와 27.5°로 달라집니다. 날짜를 고르기 전에 장소의 기하학적 한계를 비교하는 것입니다.
• 장애물 고도를 25°로 두면 서울은 최고점에서도 가려지고, 제주는 최고점 부근에서 장애물 위에 올라옵니다. 두 장소의 차이가 구도에 주는 여유를 볼 수 있습니다.
• 서울에서 시간각을 양쪽 끝으로 옮겨 보세요. 중심부는 지평선 아래로 내려가고 표시도 바뀝니다. 지평선 아래인 상태와 지평선 위에서 산에 가린 상태를 구분합니다.
• 시드니를 고르면 최고 고도는 약 85.1°입니다. 관측 위도가 대상의 적위에 가까울수록 최고점이 높아지는 관계를 확인할 수 있습니다.

실험은 다음 식으로 경로를 그립니다. H는 대상이 자오선에서 얼마나 돌아갔는지를 나타내는 시간각입니다. 시간 단위로 적은 시간각 1h를 15°로 바꿔 식에 넣습니다.

가장 높은 때는 H = 0입니다. 그 전후 같은 크기의 시간각에서는 고도가 같으므로 곡선은 최고점을 중심으로 대칭입니다. 이 계산은 지구를 구로 보고 별의 적위를 고정한 모형이며, 산이나 대기가 없다면 지평선 위에 있는지를 알려 줍니다.

그래프는 지평선 위와 아래의 경로를 모두 그립니다. 고도 0°가 수평선이고, 음수는 그 아래입니다. 관측 중에 중심부가 산 뒤로 들어간 것과 지구의 수평선 아래로 내려간 것은 서로 다른 조건이므로 결과 표시도 나누었습니다.

산이 20°까지 가리면 어떻게 될까요

실험의 장애물 고도를 20°로 바꾸고 시간각을 움직여 보세요. 서울에서는 최고점이 약 23.4°이므로 중심부가 장애물보다 높은 구간이 좁습니다. 25°로 높이면 최고점에서도 중심부가 가려집니다. 제주에서는 최고점이 더 높아 같은 장애물 위로 올라올 여유가 생깁니다.

여기서 장애물의 높이는 m 단위의 실제 높이가 아니라 관측 위치에서 올려다본 각도입니다. 같은 높이의 산도 가까이 서 있으면 더 높게 가리고, 멀어지면 낮은 각도로 보입니다. 높은 전망대에 오른다고 항상 유리해지는 것도 아닙니다. 그 위치에서 중심부가 지나는 방향의 능선이 몇 도까지 올라오는지를 봐야 합니다.

실제 산 능선은 방향마다 높이가 다릅니다. 계산기는 단순화를 위해 모든 방향에서 같은 각도로 가리는 장애물을 그립니다. 현장에서는 최고점 방향만 한 번 보는 것으로 끝내지 말고, 중심부가 오르내리며 지나는 다른 방향도 살펴야 합니다. 이 모형에는 지형 지도가 없으므로 실제 능선을 대신 계산해 주지는 않습니다.

이 표는 어두움이나 대기 투명도를 평가한 표가 아닙니다. 더 높이 뜬다는 조건 하나만 비교한 결과입니다. 같은 위도 안에서도 전경, 빛공해와 장애물이 달라지면 사진의 조건은 크게 바뀝니다.

그래프의 0h는 자정이 아닙니다

고도 실험에서 0h는 시간각이 0인 최고점입니다. 음수는 최고점 전, 양수는 그 후입니다. 자정이나 오늘 밤의 시계 시각을 뜻하지 않습니다. 날짜와 경도를 입력하지 않았으므로 몇 시에 촬영하러 가야 하는지는 계산할 수 없습니다.

항성시는 하늘에서 어떤 적경이 관측자의 자오선을 지나고 있는지를 나타냅니다. 대상의 시간각은 그 항성시에서 대상의 적경을 뺀 값입니다. 이 실험은 최고점을 원점으로 잡아 시간각만 보여 줍니다. 별을 기준으로 한 시간 단위를 쓰기 때문에 실제 시계의 경과 시간과도 조금 다릅니다. 자전과 공전 글에서 다룬 항성일과 태양일의 차이가 여기에도 이어집니다.

실제 계획에서는 날짜와 위치를 설정한 성도나 천문력을 함께 써야 합니다. 태양이 충분히 내려간 시간인지, 달이 어느 방향에 있는지, 그 시간에 중심부가 가려지지 않는지 순서대로 확인합니다. 경로의 일부가 낮에 놓이는 날도 있습니다. 그래프에서 높이 보인다는 이유만으로 눈으로 볼 수 있는 것은 아닙니다.

관측 날짜를 바꾸는 일은 같은 경로를 어두운 시간과 겹치게 고르는 과정입니다. 같은 위도에서 중심부가 산보다 낮게 뜬다는 문제는 날짜 선택만으로 해결되지 않습니다. 먼저 장소의 시야를 확인한 뒤 은하수 시즌 시뮬레이터에서 날짜와 어두운 시간을 비교하면 두 조건을 따로 판단할 수 있습니다.

구도와 노출로 연결하기

최고 고도가 낮은 곳에서는 수직 화각의 일부가 산이나 지상 전경으로 채워집니다. 초점거리와 화각 실험으로 카메라가 담는 범위도 비교해 보세요. 더 넓은 렌즈를 쓴다고 앞의 산에 가려진 중심부가 드러나지는 않습니다. 이때는 촬영 위치를 바꾸는 것이 먼저입니다.

하늘이 충분히 트여 있다면 구도를 정하고, 셔터 속도 계산기로 별의 흐름을 확인합니다. 장소의 기하학, 하늘의 어두움, 카메라의 노출은 서로 다른 조건입니다. 하나씩 나누어 보면 촬영이 잘되지 않은 원인을 찾기도 쉽습니다.

참고 자료와 계산 범위

• OpenStax Astronomy, Earth and Sky: 적도 좌표계와 관측 위치의 관계를 설명하는 공개 교재입니다.
• 미 해군 천문대, Sidereal Time: 시계의 시간과 항성시의 차이 및 시간각의 정의를 확인할 수 있습니다.
• 그림과 표는 위 식을 사용한 계산 예입니다. 날짜별 위치 예보, 세차·장동·고유운동과 대기 굴절은 포함하지 않습니다.

정리

• 은하수 중심부의 최고 고도는 관측 위도와 적위로 계산합니다.
• 서울에서는 약 23.4°, 제주에서는 약 27.5°까지 올라옵니다.
• 최고 고도보다 높은 장애물이 있으면 날짜를 바꿔도 그 자리에서는 중심부가 보이지 않습니다.
• 그래프의 시간각 0h는 최고점입니다. 실제 시계의 자정이나 촬영 시각을 뜻하지 않습니다.
• 실제 촬영 시각은 날짜·경도·태양·달을 포함한 별도의 확인이 필요합니다.