왼쪽에서 별 하나가 빛나고, 거기서 색색의 파동이 차례로 퍼져 나간다 — 분홍, 청록, 보라 —, 저마다 제 지연을 지니고 있어 원들은 결코 겹치지 않는다. 그 위로 두 성운이 윤곽을 천천히 바꾸며 타오르고, 둘레에서는 주기를 서로 통약할 수 없게 고른 별들이 반짝인다. 아래쪽 눈금에서는 별에서 청록색 표지가 달려 나가 정확히 1광년 눈금에 닿고, 그곳에서 분홍 선이 기다린다. 이것이 측정 그 자체다 — 빛이 1년 동안 간 길을 자 위에 옮겨 놓은 것이다. 가운데 글자는 모든 언어에서 같고, 각 언어의 이름은 판 아래에 적혀 있다.
SI 밖의 단위 · 천문학 · 길이
광년, ly
빛이 눈금을 새기는 자
길이 단위 · 빛이 진공에서 율리우스년 1년 동안 가는 길 · 9 460 730 472 580 800 m
이 낱말을 만든 것은 천문학자가 아니라 과학 대중화에 힘쓴 이들이었고, 전문가들은 처음에 얼굴을 찌푸렸다. 거리를 시간으로, 그것도 달력마다 셈법이 다른 해로 잰다는 것이 터무니없어 보였기 때문이다. 그래도 알기 쉬움이 이겼다. «가장 가까운 별까지 빛이 4년 걸린다»는 말은 편지를 기다려 본 사람이라면 누구나 알아듣지만, 수백조 킬로미터라는 수는 상상력에 아무것도 말해 주지 않기 때문이다.
이 단위의 장점은 거리와 함께 상의 나이를 알려 준다는 데 있다. 프록시마를 볼 때 우리는 그 별의 4년하고 4분의 1 전 모습을 보고, 안드로메다 성운을 볼 때는 지구에 아직 현생 인류가 한 사람도 나타나지 않았을 때의 모습을 본다. 이런 뜻에서 망원경은 돋보기라기보다 과거를 보여 주는 기계이며, 하늘의 여러 부분을 여러 시대로 한꺼번에 보여 준다.
이 단위의 정확한 값은 측정이 아니라 두 가지 약속에서 나온다. 진공 속 빛의 속력은 초당 정확한 미터 수로 정해져 있고, 여기에 쓰는 해는 율리우스년, 정확히 3155만 7600초이다. 둘을 곱하면 광년의 길이를 마지막 자리까지, 아무런 불확도 없이 얻는다. 불확도는 그 뒤에, 이 자를 실제 하늘에 댈 때 생긴다.
국제 기호는 소문자 라틴 문자 두 글자 ly로, 마침표도 사이 공백도 없다. 한국어로는 «광년»이라고 쓰지만, 표와 그래프 제목에는 바로 ly를 쓴다. 그래야 어느 나라에서나 읽히기 때문이다. 배량은 흔한 접두어로 만든다. kly, Mly, Gly — 천, 백만, 십억 광년이다.
광년은 거리이며, 이름에 «년»이 들어 있다고 달라지지 않는다. «우리는 12광년 동안 날았다»고 말하는 것은 «시속 12킬로미터 동안 걸었다»고 말하는 것만큼 엉터리다. 3과 4분의 1광년보다 조금 긴 파섹과도, 시간의 길이로서의 해와도 혼동해서는 안 된다. 정의에 쓰이는 것은 정확히 365와 4분의 1일인 율리우스년이지 태양년이나 역년이 아니다.
01 · 정의
빛이 1년 동안 가는 길 · 상의 나이 · 우주선의 항행 시간광년은 빛이 진공에서 율리우스년 1년 동안, 곧 하루 8만 6400초인 날로 365와 4분의 1일 동안 가는 거리이다. 정의에는 두 양이 들어 있고 둘 다 정확히 정해져 있으므로 그 곱도 정확하다. 여기에는 원기도 측정도 보정도 없다 — 약속으로 받아들인 두 수의 곱셈만 있을 뿐이다.
정의의 «진공에서»라는 말은 장식이 아니다. 공기, 유리, 성간 기체 속에서 빛은 더 느리게 가며, 단위를 실제 광선으로 정의한다면 그 길이는 광선이 하늘의 어느 부분을 지나왔느냐에 따라 달라질 것이다. 천문학적 진공은 거의 완벽하지만 물질에 의한 보정은 전파에서 여전히 무시할 수 없으며, 그래서 정의에는 진공에서의 속력이 분명히 적혀 있다.
둘째 세부는 어떤 해를 쓰느냐이다. 태양년은 율리우스년보다 약 11분 짧고, 역년은 길이가 수시로 바뀌며, 항성년은 더 길다. 차이는 결국 백만분의 몇 수준이지만 천문학에는 작지 않다. 국제천문연맹이 율리우스년을 고른 것은 바로 그 일정함 때문이다. 지구의 자전에도 태양 둘레의 공전에도 묶여 있지 않아 시간이 흘러도 변하지 않는다.
마지막으로 이 양에는 미터에도 파섹에도 없는 성질이 있다. 우리가 얼마나 늦었는지를 곧바로 알려 준다는 것이다. 광년으로 나타낸 거리는 상의 나이이고, 모든 성도는 여러 시대를 한 장의 그림으로 이어 붙인 지도임이 드러난다. 전문가들이 이 단위를 참아 주는 것은 이 성질 때문이지만, 논문에서는 파섹을 더 좋아한다. 파섹은 시간이 아니라 직접 잰 각도에서 나오기 때문이다.
우리는 누구를 보고, 누구에게 닿는가
장면의 위쪽 절반에서는 천체가 빛나고, 거기서 파동이 우리에게 다가온다. 파동이 아직 오는 중인 동안 우리가 보는 것은 별이 아니라 그 과거이며, 접안렌즈 옆의 표시는 빛이 출발한 해를 보여 준다. 거리 슬라이더는 천체를 태양계 가장자리에서 이웃 은하까지 옮기고, 그에 따라 우리가 보는 시대도 바뀐다. 아래쪽 절반에서는 우주선이 같은 천체를 향해 날아가며 시계 두 개를 지닌다. 보라색 시계는 지구에 남고 분홍색 시계는 선내에서 간다. 두 번째 슬라이더로 우주선을 가속하면 광속에 가까워질수록 두 시계의 읽음이 벌어지고, 마침내 지구에서 보면 몇 세기가 걸리는 길이 승무원에게는 몇 해로 줄어든다. 어떻게 설정해도 우주선이 빛을 앞지를 수 없다는 점에 주목하라. 분홍 표지는 늘 청록 표지 뒤에 머문다.
02 · 환산
거리 · 나아가는 빛 · 광속에 가까운 비행하나의 거리, 여섯 가지 모습
첫째 탭은 입력한 거리를 다른 단위로 환산한다 — 파섹과 천문단위에서 광일과 평범한 킬로미터까지. 둘째 탭은 잘 알려진 천체에서 어느 시대의 빛이 우리에게 오는지 보여 준다. 셋째 탭은 비행을 계산한다. 여러 속력에서 지구 시계로 몇 년, 우주선 시계로 몇 년이 걸리는지를.
외워 둘 어림: 1파섹은 3광년을 조금 넘고, 1광년은 6만 3천 천문단위를 조금 넘으며, 태양의 빛이 우리에게 닿는 데 8분 남짓 걸린다.
단위 자체는 정확하지만, 그것으로 나타낸 거리가 늘 정확한 것은 결코 아니다. 이웃 별까지는 몇 분의 1 퍼센트 정밀도로 알지만, 밝은 초거성까지는 수십 퍼센트의 흩어짐이 있고, 먼 은하의 거리는 고른 팽창 모형에도 좌우된다. 참고서에 실린 광년 수는 거의 언제나, 대중용 설명이 빼 버리는 불확도를 품고 있다.
| 양 | 값 | 비고 |
|---|---|---|
| {k} | {v} | {note} |
{text}
04 · 측정 기기
레이저 측거 · 위치천문 위성 · 세페이드 · 초신성한 단 한 단이 앞 단 위에 선 사다리
자가 정직한 유일한 경우
달에 남겨 둔 모서리 반사경에 지금도 레이저 펄스를 쏘아 되돌아오는 광자를 붙잡는데, 몇 발에 하나꼴로 돌아온다. 거리는 왕복 시간에서 그대로 나오므로 말 그대로 광초로 재는 셈이고, 정밀도는 센티미터에 이른다. 이 방법은 태양계 안에서만 통한다 — 그 너머에는 반사경을 놓을 사람이 없어, 자는 간접적인 방법들의 사슬에 자리를 내준다.
자 대신 흔들림
가장 가까운 별은 기하학으로 잰다. 반년 동안 관측자는 지구와 함께 태양까지 거리의 두 배만큼 옮겨 가고, 가까운 별은 먼 별에 대해 조금 어긋난다. 이 어긋남의 각은 1각초의 몇 분의 1이고, 그 역수가 곧바로 파섹으로 거리를 주며, 이를 다시 광년으로 환산한다. 오늘날의 위치천문 위성은 이렇게 10억 개가 넘는 별을 재어, 직접 방법의 지평을 수천 광년까지 밀어냈다.
제 밝기를 스스로 알리는 별
세페이드 변광성은 맥동하며, 그 맥동 주기는 참된 광도와 단단히 묶여 있다. 스톱워치로 주기를 알아내면 천문학자는 별이 실제로 얼마나 밝은지 알게 되고, 겉보기로 얼마나 어두운지와 견주면 거리를 얻는다. 바로 이렇게 지난 세기 1920년대에 안드로메다 성운이 우리 은하 훨씬 바깥에 있다는 사실이 밝혀졌고, 세계의 크기는 하룻밤 새 몇 배로 커졌다.
광년이 편리하지 않게 되는 곳
먼 거리에서는 광도가 거의 같은 특정한 종류의 초신성 폭발과 스펙트럼선의 적색이동이 쓰인다. 그러나 여기서 단위는 어려움에 부딪힌다. 빛이 오는 동안 공간이 팽창했기에 «거리»가 여러 다른 양으로 갈라진다 — 빛이 얼마나 오래 날아왔는가와 천체가 지금 얼마나 멀리 있는가로. 그래서 우주론은 적색이동으로 말하기를 좋아하고 광년은 대중용 설명에 맡긴다.
05 · 표기 규칙
마침표 없는 ly · 배량 접두어 · 이것은 길이이름에는 해, 실체는 미터
이 단위를 둘러싼 오류는 거의 다 그 이름에서 나온다. «년»이라는 말이 시간을 끌어들여, 거리를 시간으로, 속력을 킬로미터로 재는 말투가 글에 섞여 든다.
첫째 표기는 거리 대신 시간의 길이를 놓았으므로 뜻이 통하지 않는다. «12킬로그램의 길»이라고 하는 것과 같다. 둘째와 넷째는 기호의 꼴을 어긴다. 소문자 두 글자에 마침표도 공백도 없다. 셋째는 율리우스년 대신 역년을 써서 단위의 값을 여섯째 자리에서 바꿔 버린다. 다섯째는 거리와 나이를 헷갈린다. 빛은 4년을 여행했지만 별은 수십억 년째 존재한다. 여섯째는 바로 다른 모든 오류가 자라나는 원래의 오류이며, 안타깝게도 꽤 진지한 그림 설명에서도 보인다.
06 · 이웃 단위
파섹 · 천문단위 · 광초이웃한 세 단위는 같은 거리 범위를 나누어 맡으며, 잣대를 어디서 가져왔느냐가 다르다. 파섹은 각, 천문단위는 지구 궤도, 광년과 광초는 길에 걸리는 시간이다.
전문 논문의 단위다. 시간이 아니라 잰 각도에서 곧바로 나오므로, 해의 길이에 관한 바깥 약속을 끌어들일 필요가 없다.
태양계 안살림의 잣대다. 지구에서 태양까지의 거리로, 정확한 미터 수로 정해져 있다. 해왕성 궤도 너머에서는 벌써 쓰기 불편하다.
같은 계열의 여동생으로, 통신에 편리하다. 달까지 빛이 1과 4분의 1초 걸리므로, 달과의 대화는 이제 눈에 띄는 멈춤 없이는 이어지지 않는다.
Simetrium 여권 가운데 이웃에는 파섹이 있고, 두 단위의 바탕에는 같은 빛의 속력이 있다. 지상 통신선에서 신호가 전해지는 시간도 이것으로 잰다.
07 · 역사 부문
기록 보관소 · 1676 → 1838 → 1851 → 1984빛의 늦음이 자가 되기까지
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{text}
막대의 높이는 시대마다 직접 기하학적 측정으로 어디까지 닿았는지를 보여 주고, 흰 표지가 그 길을 끝까지 지나간다. 도약마다 새 이론이 아니라 새 기구와 이어져 있다는 점에 주목하라. 처음에는 헬리오미터, 다음에는 사진 건판, 그리고 대기 밖으로 쏘아 올린 위성이다.
부정확한 거리를 위한 정확한 단위
이 단위의 묘한 점은 그 자체는 완전히 정확히 알려져 있는데, 그것으로 잰 모든 것은 어림으로만 알려져 있다는 것이다. 정확함은 공짜로 왔다. 미터가 빛의 속력으로 정의된 순간부터 빛의 속력은 더 이상 재지 않게 되었고, 율리우스년은 정확히 3155만 초하고 반으로 정했으니, 정확한 두 수의 곱은 셋째 정확한 수일 수밖에 없다.
불확도는 다음 단계, 자를 하늘에 댈 때 나타난다. 가장 가까운 별까지의 거리는 백분율의 백분의 몇 정밀도로 알려져 있지만, 베텔게우스 같은 밝은 초거성에서는 추정값의 흩어짐이 벌써 수십 퍼센트에 이른다. 그런 별은 표면 자체가 흐릿해서 시차를 흔들리는 상에서 걸러 내야 하기 때문이다. 은하 규모의 거리에서는 간접적인 방법들의 사슬이 들어서고, 그 한 단 한 단이 앞 단에서 물려받은 불확도에 제 몫을 더한다.
여기서 좋은 관례가 나온다. 광년 수는 그 불확도와 그것을 얻은 방법과 함께 밝혀야 한다. 시차로 얻은 «2500광년»과 적색이동으로 얻은 같은 수는 성질이 다른 양이기 때문이다. 단위에는 아무 잘못이 없다. 정의된 그대로이며, 모든 불확도는 자가 아니라 그것으로 재는 대상에서 온다.
양 목록
천문학과 거리SI 기본 단위
미터와 초를 강조 — 광년은 이 둘로 이루어진다어디를 보고 무엇을 보는가
빛이 출발한 해는 올해로부터 거슬러 센다| 천체 | 거리 | 파섹으로 | 나아가는 빛 | 빛의 출발 | 그때 일어나던 일 |
|---|---|---|---|---|---|
| {name} | {ly} | {pc} | {wait} | {when} | {era} |
마지막 열이 이 단위를 지지하는 가장 큰 근거다. 거리를 날짜로 바꾸어, 관측을 여러 세기에 부친 편지를 읽는 일처럼 만들어 준다. 다만 먼 천체의 경우 이 날짜들은 약속일 뿐이라는 점을 기억하자. 빛이 오는 동안 공간이 팽창해 버려, «몇 년을 날아왔나»는 더 이상 «천체가 지금 얼마나 먼가»와 같지 않다.