천문학자가 본 우주는 실험 불가능한 세계

화학이나 물리학과 달리 천문학은 연구 대상을 실험실로 가져올 수 없어 자연을 능동적으로 통제하기 어려운 수동적인 과학이다.

천문학자들은 지구에 앉아 우주에서 벌어지는 별과 은하들의 움직임을 멍하니 구경하며 관측을 통해 우주를 해석하는 것이 유일한 연구 방식이다.

별의 밝기와 색깔은 인류가 우주를 관측하여 얻을 수 있는 정보의 전부이다. 연구자들은 이 두 가지 기본 데이터를 조합하여 우주의 근원을 추적한다.

빅뱅 우주론부터 은하의 탄생과 죽음, 그리고 블랙홀에 이르기까지 방대한 우주 현상이 이 기초적인 정보를 토대로 분석된다. 수많은 학문적 논의가 사실상 별의 밝기와 색깔이라는 두 변수를 해석하는 과정에서 비롯된다.

별의 온도와 밝기 사이에 존재하는 엄격한 물리 법칙은 성단과 은하의 진화 과정을 이해하는 기초 자료가 된다.

이는 별의 온도와 밝기 사이에 엄격한 물리 법칙이 존재함을 시사하며, 성단과 은하의 진화 과정을 이해하는 기초 자료로 활용된다.

천문학에서는 관측 방식에 따라 크게 두 가지로 나뉜다. 빛의 밝기를 측정하여 에너지 세기를 확인하는 측광과 달리, 분광은 빛을 파장별로 분산시켜 온도와 색깔을 분석하는 방식이다.

측광은 빛의 양을 측정하여 에너지 세기를 확인하며 비교적 단순하고 저렴한 관측 방식인 반면, 분광은 빛을 분산시켜 스펙트럼을 분석하여 별의 온도 정보를 얻는다.

이는 단위 시간당 방출되는 에너지의 총량으로, 거리나 파장에 구애받지 않으며 태양은 약 4 곱하기 10의 26제곱 와트를 내뿜는다.

이는 물리학에서 파워라고 불리는 단위 시간당 방출되는 에너지량과 동일한 개념으로, 와트 단위를 사용한다.

예를 들어 태양의 광도는 대략 4 곱하기 10의 26제곱 와트에 달한다.

별의 에너지 세기를 공정하게 비교하려면 가시광선 외의 영역까지 모두 더해야 한다. 태양은 가시광선 40%와 자외선 5%, 적외선 55%를 방출하므로 천문학에서는 모든 파장을 합산한 볼로메트릭 루미너시티를 사용한다.

이처럼 가시광 영역의 빛만 고려하면 태양의 전체 에너지를 산출할 수 없으므로, 천문학에서는 모든 파장을 합산한 '볼로메트릭 루미너시티'를 사용하여 별들의 밝기를 공정하게 비교한다.

관찰자의 눈이 감지하는 파장에 따라 동일한 별도 다르게 보일 수 있다.

파충류가 보는 빛의 에너지와 인간이 보는 빛의 에너지 크기가 다른 것처럼, 자외선이나 적외선 감지 능력에 따라 별의 밝기 체감에 차이가 발생한다.

인간은 자극의 절대적인 변화가 아닌 상대적인 비율(베버의 법칙)로 밝기나 소리의 세기를 인지한다.

이러한 감각 변화를 적분하면 로그(log) 함수가 도출되는데, 이것이 사람이 감각기관으로 느끼는 땅의 흔들림, 소리, 빛의 세기를 등급으로 표현할 때 대체로 로그 스케일이 사용되는 이유다.

지진의 리히터 규모, 소리의 데시벨, 별의 등급 체계 등이 모두 로그 스케일을 활용하는 대표적인 사례다.

포그슨은 5단계 구간을 같은 비율로 등분해 등급의 일관성을 확보했다. 1등급과 6등급의 밝기 차이를 100배로 설정하고 계산한 등급 간 비율은 약 2.51이며, 이를 통해 0등급이나 음수 등급으로 확장이 가능해졌다.

그는 5단계 구간을 동일한 비율(x)로 등분하여 일관성을 확보하고자 했으며, x의 5제곱이 100이 되는 지점인 약 2.51을 등급 간 밝기 비율로 정의했다. 이 체계는 이후 0등급이나 음수 등급으로 확장되어 사용될 수 있다.

플럭스는 특정 거리에서 수직으로 입사하는 별빛의 양을 의미하며, 인텐시티와 유사한 개념으로 볼 수 있다.

등급 시스템에서 1등급 차이가 발생할 때마다 플럭스는 약 2.5배 변하는데, 등급 숫자가 커질수록 실제 플럭스는 어두워지는 반비례 관계를 보인다.

별의 등급은 플럭스 비율을 등급 차이와 연결하기 위해 로그 함수를 도입하여 정의된다.

지웅배 교수에 따르면, 별의 등급은 관측된 플럭스의 로그 값에 상수 2.5를 곱한 관계로 나타낼 수 있으며, 등급 숫자가 작을수록 밝은 별임을 나타내기 위해 마이너스 부호를 사용한다.

포그슨의 방정식은 연속적인 물리량으로 등급을 계산할 수 있게 하며, 베가를 0등급으로 설정해 임의의 별 등급을 산출한다. 등급 차이(델타 m)와 플럭스 비율의 관계를 정의함으로써 두 별의 실제 밝기를 비교할 수 있게 설명했다.

이 방정식은 등급을 연속적인 물리량으로 계산할 수 있게 하며, 기준 별인 베가(Vega)를 0등급으로 설정하여 임의의 별 등급을 산출하는 데 활용된다.

겉보기 등급은 별의 실제 거리에 따라 밝기가 다르게 보이는 관측 밝기로, 거리의 영향을 받는 개념이다.

반면 절대 등급은 모든 별을 동일한 거리인 10파섹에 놓았다고 가정하고 비교하는 기준으로, 천체의 실제 밝기를 공정하게 확인할 수 있게 한다.

연주 시차는 지구가 공전하면서 관측 위치가 변해 별이 배경 위치에 따라 약간 왔다 갔다 하는 것처럼 보이는 현상이다.

가까운 별일수록 시차 변화가 크고 멀리 있는 별일수록 작게 나타나며, 시차 1초를 1파섹으로 정의하여 별의 거리를 측정하는 데 사용된다.

파섹은 '패럴렉스(연주시차)가 1초인 거리'를 의미하는 단위로, 여기서 이름을 따서 파섹이라 지어졌다.

이러한 정의는 천문학에서 별의 거리를 측정하는 중요한 기준이 된다.

대부분의 별이 10파섹 안팎에 분포하고 있어, 이 거리를 절대 등급의 표준 기준으로 삼는 데 활용된다.

천문학의 역사는 태양계 바깥의 멀리 떨어진 별들의 거리를 알기 위해 그 별들의 물리적 특성만으로 실제 밝기, 즉 절대 등급을 추정하는 과정이었다.

직접 별까지 갈 수 없는 한계 속에서, 천문학자들은 거리와 무관하게 별의 물리적 특성을 통해 절대 등급을 알아내려는 노력을 계속해왔다.

변광성이나 초신성 등을 활용하는 방법 역시 거리와 독립적인 물리적 특성을 통해 별의 절대 등급을 구하기 위한 노력의 일환이다.