1광년은 몇 km? 우주 거리 재는 방법 총정리

빛의 속도_pixabay

 

"몇 광년 뒤에 만나자"는 말은 틀린 표현입니다. 광년은 시간이 아니라 거리 단위이기 때문입니다.

이름에 '년'이 들어가서 생기는 흔한 오해입니다. 정확히는 빛이 1년 동안 이동하는 거리를 뜻합니다.

 

 

1광년은 정확히 얼마인가

빛의 속도는 진공에서 초속 약 29만 9,792km입니다. 편의상 초속 30만 km로 씁니다.

여기에 1년의 초를 곱하면 됩니다.

30만 km × 60초 × 60분 × 24시간 × 365일
= 약 9조 4,600억 km

 

1광년 ≈ 9조 4,600억 km

숫자가 너무 커서 감이 오지 않습니다. 다른 방식으로 비교해 보겠습니다.

기준	1광년을 가는 데 걸리는 시간
시속 100km 자동차	약 1,080만 년
여객기 (시속 900km)	약 120만 년
보이저 1호 (초속 17km)	약 1만 7,600년
빛	1년

 

가장 빠른 인공물인 보이저 1호도 1광년을 가는 데 1만 7,600년이 걸립니다. 그리고 가장 가까운 별까지는 4.2광년입니다.

왜 광년이 필요할까

km로 쓰면 안 될까요. 실제로 써보면 답이 나옵니다.

대상	km로 표기	광년으로 표기
프록시마 켄타우리	약 39조 7,000억 km	4.2광년
시리우스	약 81조 km	8.6광년
안드로메다 은하	약 2경 4,000조 km	250만 광년
관측 가능한 우주 끝	자릿수 표기 불가	465억 광년

 

자릿수를 세는 것 자체가 일이 됩니다. 그래서 큰 거리에는 큰 단위를 씁니다. 서울-부산 거리를 mm로 말하지 않는 것과 같은 이치입니다.

천문학에서 쓰는 거리 단위 세 가지

단위	크기	주로 쓰는 곳
AU (천문단위)	약 1억 5,000만 km	태양계 안
광년	약 9조 4,600억 km (63,241 AU)	대중 설명, 항성 간 거리
파섹	약 3.26광년	전문 논문

 

AU는 지구-태양 거리입니다. 태양계 안에서는 이 단위가 편합니다. 해왕성이 30 AU, 카이퍼 벨트가 50 AU 하는 식입니다.

파섹은 다소 낯선 단위인데, 천문학자들은 광년보다 이쪽을 더 씁니다. 이유는 뒤에 나올 연주시차 측정 방식에서 자연스럽게 나오는 값이기 때문입니다. 시차가 1초각인 거리가 1파섹입니다.

 

그 먼 거리를 어떻게 재나

여기서 진짜 궁금한 지점입니다. 자를 댈 수도 없는데 250만 광년을 어떻게 알아낼까요.

답은 '우주 거리 사다리'입니다. 가까운 거리를 먼저 정확히 재고, 그 값을 기준 삼아 한 단계씩 멀리 나아가는 방식입니다. 사다리를 한 칸씩 올라가듯 말입니다.

1단계 — 레이더 (태양계 안)

가장 확실한 방법입니다. 전파를 쏘고 돌아오는 시간을 재면 됩니다. 빛의 속도는 정확히 알려져 있으니 거리도 정확히 나옵니다.

이 방법으로 태양계 안의 거리, 특히 1 AU의 값을 정밀하게 확정했습니다. 이것이 사다리의 첫 칸입니다.

2단계 — 연주시차 (수천 광년까지)

원리는 놀랍도록 간단합니다.

손가락을 눈앞에 세우고 한쪽 눈씩 번갈아 감아보세요. 손가락이 좌우로 움직이는 것처럼 보입니다. 손가락을 멀리할수록 움직임이 작아집니다. 이 움직임의 크기로 거리를 알 수 있습니다.

별에도 같은 원리를 씁니다. 다만 두 눈 사이 거리로는 어림도 없으니, 지구의 공전 궤도를 활용합니다.

6개월 간격으로 같은 별을 관측하면, 지구는 궤도 반대편으로 이동해 있습니다. 두 관측 지점 사이가 약 3억 km(2 AU)입니다. 이 정도 거리를 두고 보면 가까운 별은 배경 별들에 대해 아주 미세하게 위치가 달라 보입니다.

이 각도를 재면 삼각형이 완성되고, 삼각법으로 거리가 나옵니다.

가장 신뢰할 수 있는 방법이지만 한계가 있습니다. 멀어질수록 각도가 작아져 측정이 불가능해집니다. 지상 관측으로는 수백 광년이 한계였는데, 유럽우주국의 가이아 위성이 대기 방해 없이 관측하면서 수만 광년 범위까지 정밀 측정이 가능해졌습니다.

250만 광년 밖의 안드로메다 은하_NASA

3단계 — 표준 촛불 (수억 광년까지)

시차가 안 통하는 거리에서는 밝기를 씁니다.

원리는 이렇습니다. 100W 전구가 있다고 합시다. 실제 밝기를 안다면, 얼마나 어둡게 보이는지로 거리를 계산할 수 있습니다. 빛은 거리의 제곱에 반비례해 어두워지기 때문입니다.

문제는 별의 실제 밝기를 어떻게 아느냐입니다. 어두운 별이 가까이 있는 건지, 밝은 별이 멀리 있는 건지 구분이 안 됩니다.

여기서 두 가지 '표준 촛불'이 등장합니다.

세페이드 변광성
밝기가 주기적으로 변하는 별입니다. 20세기 초 헨리에타 리비트가 결정적인 발견을 했습니다. 변광 주기가 길수록 실제로 밝다는 규칙이 있었던 것입니다.

그렇다면 주기만 재면 실제 밝기를 알 수 있고, 보이는 밝기와 비교하면 거리가 나옵니다. 이 방법으로 안드로메다가 우리 은하 밖의 별개 은하라는 사실이 밝혀졌습니다. 우주가 우리 은하보다 훨씬 크다는 것을 인류가 처음 안 순간이었습니다.

Ia형 초신성
백색왜성이 동반성의 물질을 빨아들이다 특정 질량에 도달하면 폭발합니다. 이 한계 질량이 항상 일정하기 때문에, 폭발의 밝기도 거의 일정합니다.

워낙 밝아서 수십억 광년 밖에서도 보입니다. 사다리의 가장 높은 칸입니다.

4단계 — 적색편이 (그 너머)

가장 먼 거리에는 빛의 색 변화를 씁니다.

멀어지는 구급차의 사이렌이 낮게 들리는 현상을 아실 겁니다. 빛에도 같은 일이 일어납니다. 멀어지는 천체에서 오는 빛은 파장이 늘어나 붉은 쪽으로 치우칩니다. 이것이 적색편이입니다.

1920년대 에드윈 허블은 여기서 결정적인 관계를 찾아냅니다. 멀리 있는 은하일수록 더 빨리 멀어진다는 것이었습니다. 우주가 팽창하고 있다는 증거였습니다.

이 관계가 확립되자, 적색편이만 측정하면 곧바로 거리를 추정할 수 있게 되었습니다.

 

 

 

 

 

밤하늘을 보는 것은 과거를 보는 것

광년의 진짜 의미는 여기 있습니다. 빛이 도달하는 데 시간이 걸린다는 것은, 우리가 보는 것이 전부 과거라는 뜻입니다.

대상	빛이 오는 시간	우리가 보는 것
달	1.3초	1.3초 전
태양	8분 20초	8분 전
목성	약 43분	43분 전
프록시마 켄타우리	4.2년	4년 전
북극성	약 400년	조선 중기
안드로메다 은하	250만 년	인류가 등장하기도 전

빛으로 가면 얼마나 걸릴까

목적지를 고르면 빛이 그곳까지 가는 데 걸리는 시간을 보여줍니다.

목적지

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비행기로 (시속 900km)

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보이저 1호로 (초속 17km)

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1광년은 약 9조 4,600억 km입니다. 빛의 속도는 초속 약 30만 km로 계산했습니다.

 

지금 밤하늘에서 보는 별 중 일부는 이미 사라졌을 수도 있습니다. 그 별이 폭발했다는 소식이 아직 도착하지 않았을 뿐입니다.

거꾸로 생각하면 이것은 축복이기도 합니다. 멀리 볼수록 과거를 보게 되니, 망원경은 곧 타임머신입니다. 130억 광년 밖의 은하를 관측한다는 것은 우주가 갓 태어났을 무렵의 모습을 보는 일입니다.

 

무수한 은하들을 시간의 시작_NASA

관측 가능한 우주는 왜 465억 광년일까

여기서 이상한 점이 나옵니다.

우주의 나이는 약 138억 년입니다. 그렇다면 빛이 아무리 멀리 와도 138억 광년이 최대여야 할 것 같습니다. 그런데 관측 가능한 우주의 반지름은 약 465억 광년이라고 합니다.

모순처럼 보이지만 아닙니다. 우주 공간 자체가 팽창하고 있기 때문입니다.

빛이 출발한 뒤에도 그 사이의 공간이 계속 늘어났습니다. 빛이 138억 년을 달려오는 동안, 출발점은 훨씬 더 멀어져 있었던 것입니다.

에스컬레이터를 거꾸로 걸어 올라가는 상황을 떠올리면 이해가 쉽습니다. 걸은 거리와 실제 위치 변화가 다릅니다. 여기서는 반대로, 발판이 뒤로 밀리는 게 아니라 발판 자체가 늘어난 것입니다.

참고로 팽창은 빛보다 빠를 수 있습니다. 광속 제한은 공간 '안에서' 이동하는 물체에 적용되는 것이지, 공간 자체의 팽창에는 적용되지 않습니다.

우주 적외선 망원경

자주 묻는 질문

광년과 파섹 중 어느 것이 정확한가요?

둘 다 정확한 단위입니다. 파섹은 관측에서 직접 나오는 값이라 논문에서 쓰이고, 광년은 직관적이라 대중 설명에 쓰입니다. 1파섹은 약 3.26광년입니다.

빛보다 빠르게 갈 수는 없나요?

현재 물리학으로는 불가능합니다. 질량이 있는 물체를 광속까지 가속하려면 무한한 에너지가 필요합니다. 워프나 웜홀 같은 개념이 논의되지만 실현 가능성은 확인되지 않았습니다.

별까지의 거리는 얼마나 정확한가요?

가까운 별은 상당히 정확합니다. 가이아 위성 덕분에 오차가 크게 줄었습니다. 다만 아주 먼 은하는 사다리를 여러 단계 거치기 때문에 오차가 누적되어 수 퍼센트대의 불확실성이 있습니다.

1광년을 다른 단위로 쓰면 얼마인가요?

약 9조 4,600억 km, 약 63,241 AU, 약 0.307 파섹입니다.

 

자료 출처

• 국제천문연맹(IAU) 단위 정의
• ESA 가이아(Gaia) 임무 관측 자료
• NASA
• 오류를 발견하시면 댓글이나 메일로 알려주세요.

마무리

광년은 단순한 단위 이상의 의미가 있습니다. 우주가 워낙 넓어서 거리와 시간이 분리되지 않는다는 사실을 담고 있기 때문입니다.

안드로메다 은하를 본다는 것은 250만 년 전의 모습을 보는 일이고, 우리가 보내는 빛이 그곳에 닿으려면 다시 250만 년이 걸립니다.

그리고 그 거리를 재는 방법은 놀랍도록 소박한 데서 출발합니다. 한쪽 눈을 감았다 뜨면 손가락이 움직여 보인다는, 그 관찰 하나에서 시작합니다.

 

지금 보고 있는 별빛은 언제 출발했나

한국에서 맨눈으로 볼 수 있는 밝은 별들이 언제의 모습인지 정리해 봤습니다.

별	거리	지금 보는 빛이 출발한 때
시리우스 (겨울 밤 가장 밝은 별)	8.6광년	2010년대 후반
견우성(알타이르)	17광년	2000년대 후반
직녀성(베가)	25광년	2000년경
북극성	약 400광년	조선 광해군 무렵
리겔 (오리온자리)	약 860광년	고려 초기
데네브 (백조자리)	약 1,500광년	삼국시대

 

칠월칠석에 만난다는 견우와 직녀는 실제로 17광년쯤 떨어져 있습니다. 빛의 속도로도 편도 17년입니다.

북극성을 볼 때 우리는 조선시대에 출발한 빛을 보고 있는 셈입니다. 그 사이 북극성에 무슨 일이 있었는지는 앞으로 400년 뒤에나 알 수 있습니다.

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