별이 반짝이는 이유 (대기 굴절, 섬광, 시상)
별빛은 지구 대기를 통과하는 순간 흔들립니다. 별 자체가 깜빡이는 게 아니라, 대기가 만들어내는 착시입니다. 저도 어릴 때 별이 실제로 빛을 껐다 켰다 하는 줄 알았습니다. 이 사실을 처음 알았을 때, 밤하늘이 완전히 다르게 보였습니다.
대기 굴절이 별빛을 흔드는 원리
별빛은 우주 공간에서는 거의 완벽한 직선으로 이동합니다. 문제는 지구 대기권에 진입하는 순간부터 시작됩니다. 대기는 균일한 덩어리가 아닙니다. 고도별로 온도가 다르고, 층마다 공기 밀도가 제각각입니다. 그 경계를 지날 때마다 빛의 경로가 미세하게 꺾입니다.
여기서 굴절(refraction)이란, 빛이 서로 다른 밀도의 매질 경계를 통과할 때 진행 방향이 바뀌는 현상을 의미합니다. 물컵에 담긴 빨대가 꺾여 보이는 것과 같은 원리입니다. 별빛도 마찬가지입니다. 대기 상층에서 하층으로 내려오면서 밀도가 달라질 때마다 조금씩 경로가 틀어집니다.
더 큰 문제는 대기가 정지해 있지 않다는 점입니다. 바람이 불고, 온도 차이로 기류가 생기고, 수증기 분포도 계속 바뀝니다. 이렇게 대기가 요동치면 빛의 굴절 방향도 실시간으로 변합니다. 그 결과 우리 눈에 닿는 별빛의 밝기와 위치가 순간순간 달라집니다. 이것이 바로 반짝임입니다.
천문학에서는 이 현상을 섬광(scintillation)이라고 부릅니다. 섬광이란 빛의 강도나 방향이 대기 교란으로 인해 불규칙하게 변동하는 현상을 뜻합니다. 제가 직접 맨눈으로 별을 관측하면서 느꼈던 것도 바로 이 섬광입니다. 바람이 강한 날 밤에는 별이 유독 더 심하게 흔들려 보였는데, 이제는 그 이유를 압니다. 대기가 더 많이 출렁이고 있었던 것입니다.
별이 반짝이는 정도에 영향을 주는 요인을 정리하면 다음과 같습니다.
- 대기 온도 분포: 층간 온도 차가 클수록 굴절이 심해져 더 많이 반짝입니다.
- 바람과 기류: 대기 상층의 제트기류가 강할수록 별빛이 더 불안정하게 보입니다.
- 관측 고도각: 지평선에 가까운 별일수록 통과하는 대기층이 두꺼워 반짝임이 더 심합니다.
- 수증기 함량: 습한 날보다 건조한 날 밤하늘이 더 선명하게 보이는 이유이기도 합니다.
실제로 NASA에 따르면 대기권 바깥, 즉 우주 공간에서 관측한 별은 반짝이지 않습니다([출처: NASA]). 허블 우주망원경이 지상 망원경보다 훨씬 선명한 이미지를 얻을 수 있는 핵심 이유가 바로 이것입니다. 대기 굴절의 영향을 받지 않기 때문입니다.
시상이 관측 품질을 결정하는 이유
천문학자들이 좋은 관측지를 고를 때 가장 먼저 확인하는 것이 시상(seeing)입니다. 시상이란 대기 교란이 천체 관측에 미치는 영향을 수치화한 지표로, 쉽게 말해 대기가 얼마나 안정되어 있는가를 나타냅니다. 시상이 좋은 날은 별이 덜 반짝이고, 망원경으로 보는 상이 훨씬 선명합니다.
반대로 시상이 나쁜 날은 아무리 고성능 망원경을 써도 상이 흔들려서 세밀한 관측이 어렵습니다. 저는 이 사실을 알고 나서 천문대가 왜 하와이 마우나케아나 칠레 아타카마 같은 고산지대에 자리 잡는지 비로소 이해했습니다. 고도가 높을수록 통과해야 하는 대기층이 얇아지고, 시상이 좋아지기 때문입니다.
행성과 별의 반짝임 차이도 시상 개념으로 설명할 수 있습니다. 행성은 지구에서 상대적으로 가깝기 때문에, 망원경으로 보면 점이 아니라 원판 형태로 보입니다. 이처럼 면적을 가진 광원에서는 굴절로 인한 빛의 흔들림이 서로 평균화되어 상쇄됩니다. 결과적으로 행성은 별보다 훨씬 안정적으로 보입니다. 제 경험상 이건 꽤 확실하게 차이가 납니다. 맑은 날 밤 목성을 찾아보면 주변의 별들이 반짝이는 것과 달리 목성만큼은 차분하게 빛나고 있는 걸 알 수 있습니다.
한국천문연구원에 따르면 국내에서 시상이 안정적인 관측 가능일은 연평균 100일 안팎으로, 기상 조건과 지형의 영향을 크게 받는다고 합니다([출처: 한국천문연구원]). 대기가 안정된 날, 고도가 높고 맑은 장소에서 바라보는 별이 가장 덜 반짝이는 이유가 여기에 있습니다.
솔직히 이 사실을 알기 전까지는 별이 반짝이는 게 그냥 예쁜 자연현상이라고만 생각했습니다. 하지만 알고 보면 밤하늘을 올려다볼 때마다 지구 대기 전체의 움직임을 함께 보고 있는 셈입니다. 반짝임이 심한 날은 대기가 출렁이는 날, 별빛이 차분한 날은 대기가 안정된 날입니다. 하늘이 하나의 정보가 됩니다.
이제 밤에 별을 보게 되면, 얼마나 반짝이는지 한 번 살펴보시길 권합니다. 지평선 가까이 있는 별일수록 더 심하게 흔들리고, 머리 위 높이 있는 별일수록 상대적으로 안정적으로 보입니다. 이 차이 하나만 이해해도 대기 굴절의 원리를 몸으로 느낄 수 있습니다. 제가 직접 확인해 봤을 때 이 차이는 맨눈으로도 충분히 구별됩니다. 익숙한 밤하늘이 갑자기 다르게 보이기 시작하는 순간이 꽤 재미있습니다.