광속의 측정 방법 3 - 브래들리

연주시차와 광행차

영국의 그리니치 천문대 대장을 맡은 천문학자 제임스 브래들리는 항성의 연주시차를 관측하고 있는 동안, 광행차를 발견해 광속을 계산하였습니다. 연주시차는 지구의 공전에 의해 계절에 따라 지구에서 멀리 있는 항성보다 근처에 있는 항성이 보이는 위치가 더 크게 어긋나는 현상으로 지구와 항성과 태양을 이루는 각도입니다. 연주시차를 구하려면 항성의 위치를 ​​측정하고 반년 후에 다시 항성의 위치를 ​​측정합니다. 항성의 연주시차 값은 매우 작기 때문에 이를 측정하는 것은 매우 어려운 일 입니다. 예를 들어 16세기에는 덴마크의 천문학자 티코 브라헤는 망원경으로 관측했을때 연주시차가 확인되지 않았기 때문에, 코페르니쿠스의 지동설을 부정하고 천동설을 지지하기도 했습니다. 연주시차 측정에 처음 성공한 것은 독일의 천문학자 프리드리히 빌헬름 베셀인데, 그는 1838년에는 백조자리 61번 별의 연주시차를 0.314초로 계산하였습니다. 브래들리가 연주시차에 대해 조사한 것은 베셀이 연주시차를 계산하기 100년 이상 전 입니다. 그는 항성의 연주시차를 조사하는 동안 항성의 겉보기 위치가 지구의 공전에 의해 어긋나는 현상을 발견했습니다. 당초 그는 이 현상이 연주시차라고 생각했지만 항성의 위치가 예상보다 훨씬 크게 벗어난다는 것이 마음에 걸렸습니다. 그는 이 현상을 이해하는 데 어려움을 겪었지만 1728년 가을에 템스 강에서 요트 놀이에 참가했을 때 깨달았습니다. 그가 타고 있던 요트의 돛대에는 풍향계가 붙어있었는데, 그는 요트가 운행하는 방향을 바꾸면 풍향계가 가리키는 방향이 바뀌는 것을 보았습니다. 즉 요트가 진행되는 방향을 바꾸면, 그에따라 풍향이 바뀌는 것처럼 보였습니다. 그가 이 현상에 대해 선원에게 물었을 때, 선원은 풍향이 변하는 것은 아니고, 풍향계가 가리키는 방향이 바뀌는 것은 요트가 방향을 바꾸었기 때문이라고 대답하였습니다. 그는 이 현상에서 항성의 위치가 어긋나는 것은 빛의 속도와 지구의 공전 속도에 의한 것임을 즉시 이해했습니다. 관측자가 이동하고 있으면, 항성의 위치가 이동 방향으로 어긋나 보이는 것을 발견했습니다. 이 현상을 광행차라고 합니다. 광행차는 수직으로 내리는 비 속을 자동차를 타고 이동하고 있을 때, 자동차 안에서는 비가 어떻게 보이는가 하는 현상과 같습니다. 자동차가 멈추면 비가 바로 위에서 내려오지만 자동차가 달리기 시작하면 자동차 안의 사람은 비가 비스듬하게 전방에서 내려온 것처럼 보입니다. 이때 비가 얼마나 기울어져 보이는지는 자동차의 속도에 따라 달라집니다. 이것을 지구와 항성의 관계로 치환하면 지구가 자동차, 항성에서 오는 빛이 비, 자동차 안의 사람이 관측자가 됩니다. 지구는 항상 움직이고 있기 때문에, 항성에서 오는 빛은 지구에 있는 사람에게는 지구의 속도만큼, 비스듬하게 전방에서 오는 것처럼 보입니다. 브래들리는 용자리의 감마 별의 관측 데이터로부터 항성의 어긋난 각도를 구하고, 그 값으로부터 태양으로부터 지구까지 빛이 오는 데 걸리는 시간은 8분 12초로 계산했습니다. 브래들리는 실제로 광속을 계산하지는 않았습니다. 그것은 당시에는 지구의 공전 속도와 공전 반경이 정확하게 알려지지 않았기 때문이라고 생각됩니다. 현재 확인된 태양에서 지구까지 빛이 오는 데 걸리는 시간은 8분 19초입니다. 이 값과 브래들리가 구한 8분 12초부터 브래들리가 계산한 광속을 단순히 구해 보면,

 

(480+19) / (480+12) × 2.998 × 10^8 = 3.04 × 10^8 m/sec

 

라고 생각할 수 있을 것입니다.