시선속도

그림 1. 공간속도와 시선속도, 접선속도의 관계. 여기에서 @@NAMATH_INLINE@@d@@NAMATH_INLINE@@는 별까지의 거리를, @@NAMATH_INLINE@@\mu@@NAMATH_INLINE@@는 고유운동을 나타낸다.(출처: 장헌영/이상성/한국천문학회)

시선속도(radial velocity, line-of-sight velocity)는 관측 대상의 공간운동 속도의 시선방향 성분이다(그림 1 참조). 시선(line of sight)은 관측자에게서 관측 대상을 향하는 직선이며, 시선속도는 관측자와 관측대상의 거리의 시간적 변화율을 나타낸다. 관측자가 관측자 방향에서 멀어지면 시선속도는 양의 값을 갖게 되고, 관측자 방향으로 다가오면 시선속도는 음의 값을 갖는다. 시선속도는 도플러효과(Doppler effect)를 이용해 결정할 수 있다. 시선속도가 양인 대상에서 나오는 빛은 파장이 길어지고(적색이동), 시선속도가 음인 대상에서 나오는 빛의 파장은 짧아진다(청색이동).

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그림 2. 일정한 속도로 멀어지는 천체에서 관측되는 적색편이된 스펙트럼 선.()

천체의 시선속도는 그 천체의 스펙트럼 선의 파장을 측정하고 실험실에서 측정한 스펙트럼 선의 파장을 비교하여 측정할 수 있다(그림 2 참조). 파장의 이동량과 천체의 시선속도는 다음과 같은 관계가 성립한다:

@@NAMATH_DISPLAY@@\frac{\lambda_{\rm obs}-\lambda_0}{\lambda_0}=\frac{v_{\rm rad}}{c}.@@NAMATH_DISPLAY@@

여기에서 @@NAMATH_INLINE@@c@@NAMATH_INLINE@@는 빛의 속도이고, @@NAMATH_INLINE@@\lambda_{\rm 0}@@NAMATH_INLINE@@와 @@NAMATH_INLINE@@\lambda_{obs}@@NAMATH_INLINE@@는 각각 별에서 방출된 스펙트럼 선의 파장과 실험실에서 측정한 스펙트럼 선의 파장이다. 이런 방식으로 정의하면, 천체가 우리에게서 멀어지고 있는 경우 스펙트럼 선들은 붉은색 쪽으로 치우쳐 나타나므로 파장은 길어지고 시선속도는 양의 값을 갖는다.

한편, 시선속도의 측정을 위한 도플러 이동 자료를 분석하는 과정에서 위도별로 나타나는 지구 자전에 의한 효과, 타원궤도를 따라 움직이는 지구 공전에 의한 효과(엄밀하게 말하면 태양계 행성을 모두 고려한 질량중심을 중심으로 운동하는 복잡한 효과), 우리은하 안에서 국부정지좌표계(Local Standard of Rest, LSR)에 대해 이동하는 태양의 운동에 의한 효과 등을 보정해야 한다.

쌍성의 궤도면이 천구와 나란하지 않는 한 질량중심(center of mass)을 중심으로 하는 별의 궤도 운동 때문에 별은 주기적으로 관측자와 가까워졌다가 멀어진다. 이러한 거리 변화는 시선속도의 변화로 나타난다. 이런 쌍성(binary)을 분광쌍성(spectroscopic binary)라고 부르는데 별들의 질량을 구하는데 이용된다.

같은 원리를 근거하여 시선속도법은 외계행성(exoplanet)을 찾는 중요한 수단이 되었다. 별의 자전이나 맥동(pulsation) 등의 연구에서 중대한 역할을 하기도 하였고, 고유운동(proper motion)의 관측 결과와 함께 이용되어 태양계, 성단, 은하계 등의 구조나 운동에 관한 중요한 지식을 제공하였다. 허블(Edwin Hubble)은 외부은하(extra gallaxy)의 시선속도로부터 우주가 팽창한다는 이론을 정립하게 되었다.