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위치천문학

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목차

1. 개요

위치천문학은 천체의 위치를 정확하게 측정하고, 그 변화를 연구하는 천문학의 한 분야이다. 고대부터 시작되어 별 목록 작성을 통해 발전해 왔으며, 히파르코스와 프톨레마이오스 등의 학자들이 중요한 업적을 남겼다. 중세 시대에는 압드 알라흐만 알수피, 이븐 유누스 등이 관측 기술을 발전시켰으며, 근대에 들어 망원경과 사진 기술의 발달로 정밀도가 향상되었다. 20세기에는 히파르코스, 가이아 위성 등의 우주 임무를 통해 획기적인 발전을 이루었으며, 현재는 외계 행성 탐지, 지구 근접 천체 추적 등 다양한 분야에 활용되고 있다.

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위치천문학
분야
분야천문학의 한 분야
목표
목표천체의 위치와 움직임을 정확하게 측정하고 설명하는 것
관련 분야
관련 분야측지학
천체역학
항법
역법

2. 역사

위치천문학의 역사는 항성 목록의 역사와 깊이 관련되어 있다. 고대부터 천문학자들은 별의 위치를 기록하고, 이를 이용하여 천체의 움직임을 추적했다.

1980년대 연구되었던 TAU 우주선 개념도. 항성 시차 계산의 기준선을 확장하여 천체측량을 지원하기 위한 항성 간 선구자 탐사선을 사용하는 방식이었다.


위치천문학은 자연과학의 가장 오래된 분야 중 하나이며, 고대 그리스의 히파르코스까지 거슬러 올라간다. 그는 밤하늘에 보이는 항성을 관측하여 최초의 별 목록을 편찬하였고, 별의 밝기를 나타내는 등급 체계를 확립하였다. 이 등급은 기본적인 개념을 바꾸지 않고 현대에도 사용되고 있다. 천구상의 천체 간의 각도를 측정하기 위해 아스트롤라베가 발명되었고, 위치천문학의 문제를 해결하기 위해 구면기하학이 발전하였다.

육분의의 발명으로 천구상의 각도 측정 정밀도가 비약적으로 향상되었다. 근대 위치천문학은 베셀에 의해 창시되었다. 베셀은 ''Fundamenta astronomiae''(『천문학 원론』)라는 저서를 출판하였고, 이 책에서 브래들리가 1750년부터 1762년 사이에 관측한 3,222개의 항성에 대해 평균 위치를 제시하였다.

2. 1. 고대

기원전 190년경, 고대 그리스의 천문학자 히파르코스는 티모카리스와 아리스틸루스의 목록을 사용하여 지구의 세차 운동을 발견하고, 별의 밝기 척도를 개발했다.[1] 그는 850개 이상의 별과 그 위치를 포함한 목록을 작성했다.[2] 히파르코스의 후계자인 프톨레마이오스는 그의 저서 《알마게스트》에 1,022개의 별 목록을 포함하여 위치, 좌표, 밝기를 제공했다.[3]

10세기, 이란의 천문학자 압드 알라흐만 알수피는 별을 관찰하고 별의 위치, 크기, 별의 색깔을 설명했으며, 각 별자리에 대한 그림을 제공했다. 이집트의 수학자 이븐 유누스는 대형 아스트롤라베를 사용하여 태양의 위치에 대한 10,000개 이상의 항목을 관찰했다. 그의 일식 관측은 사이먼 뉴컴의 달 운동 연구에, 목성과 토성의 운동 관측은 라플라스의 연구에 영감을 주었다.[4]

2. 2. 중세 및 근대

15세기에 티무르 제국의 천문학자 울루그 베그는 《술타니 지》를 편찬하여 1,019개의 별을 분류했다. 울루그 베그의 목록은 히파르코스와 프톨레마이오스의 이전 목록들과 마찬가지로 약 20 분의 정밀도를 가진 것으로 추정된다.[5]

16세기에는 덴마크의 천문학자 티코 브라헤가 대형 벽측기를 포함한 개선된 기기를 사용하여 이전보다 더 정확한, 15~35 각초의 정밀도로 별의 위치를 측정했다.[6] 오스만 제국의 학자 타키 알딘은 자신이 발명한 "관측 시계"를 사용하여 타키 알딘의 콘스탄티노플 천문대에서 별들의 적경을 측정하였다.[7] 망원경이 일반화되면서 조준환이 측정 속도를 높였다.

1729년, 영국의 천문학자 제임스 브래들리는 항성 시차를 측정하려고 시도했다. 항성의 움직임은 그의 망원경으로는 너무 미미했지만, 빛의 광행차와 지구 축의 세차 운동을 발견했다. 1807년, 현대 천체측량의 아버지인 독일 천문학자 프리드리히 베셀은 브래들리의 3222개 별 목록을 개선하였다. 베셀은 최초로 항성 시차를 측정했는데, 쌍성 61 Cygni에 대해 0.3 각초였다. 1872년, 영국의 천문학자 윌리엄 허긴스는 분광법을 사용하여 시리우스를 포함한 여러 주요 별들의 시선 속도를 측정했다.[8]

2. 3. 현대

19세기 말, 천문 사진 건판을 사용한 천체 사진은 위치천문학 연구를 가속화했다.[9] 1960년대에는 자동화된 평판 측정 기계와 더 정교한 컴퓨터 기술이 별 목록 편집의 효율성을 높였다.[9] 19세기 후반에 시작된 별 매핑 개선 프로젝트인 카르트 뒤 시엘(Carte du Ciel)은 완료되지 못했지만, 천체 사진을 위치천문학의 일반적인 기술로 만들었다.[10]

1980년대에는 CCD(전하 결합 장치)가 사진 건판을 대체하고 광학적 불확실성을 1밀리아크초로 줄였다. 이 기술은 위치천문학을 더 저렴하게 만들어 아마추어들에게도 이 분야를 개방했다.

1989년, 유럽 우주국의 히파르코스 위성은 우주에서 정밀한 위치 측정을 수행했다. 1989년부터 1993년까지 운영된 히파르코스는 이전의 어떤 광학 망원경보다 훨씬 더 정밀하게 하늘의 크고 작은 각도를 측정했다. 4년 동안 118,218개의 별의 위치, 시차, 고유 운동이 전례 없는 정확도로 결정되었다. 새로운 "티코 목록"은 1,058,332개의 별 데이터베이스를 20-30 밀리아크초(mas) 이내로 통합했다. 히파르코스 임무 중에 분석된 23,882개의 이중성 및 다중성, 11,597개의 변광성에 대한 추가 목록도 편찬되었다.[11]

2013년, 가이아 위성이 발사되어 히파르코스의 정확도를 향상시켰다.[12] 정밀도가 100배 향상되어 10억 개의 별을 매핑할 수 있게 되었다.[13]

오늘날 가장 많이 사용되는 카탈로그는 USNO-B1.0으로, 10억 개 이상의 항성 물체에 대한 고유 운동, 위치, 등급 및 기타 특성을 추적하는 전천후 카탈로그이다. 지난 50년 동안 7,435개의 슈미트 카메라 건판을 사용하여 여러 하늘 조사를 완료하여 USNO-B1.0의 데이터를 0.2 아크초 이내로 정확하게 만들었다.[14]

3. 응용

위치천문학은 천체역학, 항성역학, 은하 천문학 등 다양한 분야의 기초가 된다. 관측 천문학에서 위치천문학 기법은 고유한 운동을 통해 항성 천체를 식별하는 데 도움이 된다. UTC는 정확한 천문 관측을 통해 지구의 자전에 맞춰 동기화된 국제 원자시로, 시간 측정에 있어서도 중요한 역할을 한다.

위치천문학은 우주 거리 사다리에서 중요한 단계이며, 밀키 웨이 내 별들의 시차 거리 추정치를 설정한다.

천체물리학자들은 위치천문학 측정을 사용하여 천체역학의 특정 모델을 제약한다. 예를 들어, 펄서의 속도를 측정하여 초신성 폭발의 비대칭성에 대한 제한을 설정할 수 있다. 또한, 위치천문학 결과는 은하계의 암흑 물질 분포를 결정하는 데 사용된다.

천문학자들은 지구 근접 천체 추적에 위치천문학 기법을 사용한다. 이는 소행성 충돌 회피 등의 목적에 활용된다. 콰오아와 세드나는 캘리텍의 마이클 브라운 등이 팔로마 천문대의 약 121.92cm 사무엘 오신 망원경과 팔로마 퀘스트 광역 CCD 카메라를 사용하여 발견한 왜행성이다. 이러한 천체의 위치와 움직임을 추적하는 능력은 태양계와 우주에 있는 다른 천체들과의 상호 관련된 과거, 현재, 미래를 이해하는 데 매우 중요하다.[19][20]

3. 1. 외계 행성 탐지

큰 천체(예: 항성) 주위를 공전하는 작은 천체(예: 외계 행성)가 공통 질량 중심(빨간 십자가) 주위를 공전할 때 큰 천체의 위치와 속도 변화를 보여주는 다이어그램.


천체측량은 행성이 모항성의 겉보기 위치에 미치는 변위를 측정하여 외계 행성 존재를 뒷받침하는 데 사용된다. 이 방법은 지구 대기의 왜곡 효과가 없는 우주에서 더 정확하다.[15] NASA의 우주 간섭계 임무(SIM PlanetQuest)(현재 취소됨)는 천체측량 기법으로 태양과 유사한 항성 주위를 공전하는 지구형 행성을 탐지하려 했다. 2013년 발사된 유럽 우주국의 가이아 미션은 항성 조사에 천체측량 기법을 적용하며, 외계 행성 탐지[16] 외에도 질량 결정에 사용될 수 있다.[17]

4. 통계

위치천문학의 기본은 오류 수정이다. 대기 조건, 장비의 불완전성, 관찰자나 측정 장비의 오류 등 다양한 요인으로 인해 별의 위치 측정에 오류가 발생한다. 이러한 오류 중 상당수는 장비 개선 및 데이터 보정과 같은 다양한 기술을 통해 줄일 수 있다. 그런 다음 통계적 방법을 사용하여 결과를 분석하여 데이터 추정치와 오류 범위를 계산한다.[21]

참조

[1] 서적 Astrometry of fundamental catalogues: the evolution from optical to radio reference frames Springer 2000
[2] 서적 Star maps: history, artistry, and cartography Springer 2007
[3] 문서 Kanas 2007
[4] 학술지 Great Inequalities of Jupiter and Saturn http://adsabs.harvar[...]
[5] 서적 History of astronomy: an encyclopedia Taylor & Francis 1997
[6] 서적 Fundamentals of Astrometry Cambridge University Press 2004
[7] 백과사전 Taqi al-Din https://www.springer[...] Kluwer Academic Publishers
[8] 학술지 On the Spectrum of the Great Nebula in Orion, and on the Motions of Some Stars towards or from the Earth
[9] 웹사이트 CERN paper on plate measuring machine http://cdsweb.cern.c[...]
[10] 서적 The Great Star Map, Being a Brief General Account of the International Project Known as the Astrographic Chart John Murray 1912
[11] 웹사이트 The Hipparcos Space Astrometry Mission http://www.rssd.esa.[...] European Space Agency 2007-12-06
[12] 웹사이트 From Hipparchus to Gaia https://thewire.in/t[...] thewire.in 2020-01-27
[13] 웹사이트 Gaia : the first 3D map of the milky way https://www.pourlasc[...] pourlascience.fr 2020-01-27
[14] 서적 Modern Astrometry https://archive.org/[...] Springer 1995
[15] 학술지 2009-12-08
[16] 웹사이트 ESA - Space Science - Gaia overview http://www.esa.int/e[...]
[17] 뉴스 Infant exoplanet weighed by Hipparcos and Gaia https://www.esa.int/[...] 2018-08-21
[18] 웹사이트 Discovery of a candidate inner Oort cloud planetoid http://www.gps.calte[...] European Space Agency 2007-12-06
[19] 웹사이트 Discovery: Largest Solar System Object Since Pluto http://www.space.com[...] SPACE.com 2007-12-06
[20] 웹사이트 Planet-Like Body Discovered at Fringes of Our Solar System http://www.nasa.gov/[...] NASA 2007-12-06
[21] 서적 Modern Astrometry https://archive.org/[...] Springer Science & Business Media 2002-01-22
[22] 간행물 2体の軌道決定法の新展開 -VERA・JASMINE等の高精度位置天文観測を期待して- https://www.asj.or.j[...] 2006-11


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