국부 정지 좌표계(LSR)의 이해

천문학에서 은하의 회전과 항성 운동을 배우다 보면 국부 정지 좌표계라는 것이 나온다.

은하 회전, 그리고 항성 운동은 어차피 물리학에서 모두 나오는 중력과 도플러 효과로 풀어나가기 때문에 그리 어렵지 않으나, 국부 정지 좌표계라는 개념은 천구를 처음 배울 때 만큼이나 생소하기 때문에 이해하기가 조금 까다롭다.

그래서 이 개념을 어떻게 이해해 나가야 하는지 비유를 통해 설명하고자 한다.

이 글을 보기 전에 항성의 공간운동, 은하 회전에 대한 내용을 학습하고 오기 바란다.

1. 국부 정지 좌표계(LSR)란?

국부 정지 좌표계는 순간적으로 태양의 위치를 중심에 두고 은하 중심에 대하여 원운동을 하는 좌표계를 뜻한다.

이 말을 찬찬히 살펴보자.

국부 정지 좌표계(Local Standard of Rest)
1) 좌표계의 기준 : 태양위치
2) 속도의 기준 : 태양 위치에서의 완전한 원운동
3) 표현 방법 : 완전한 원운동에 대한 상대적 운동

국부 정지 좌표계는 태양의 위치에서 완전한 원운동을 하는 천체를 가정하고, 이에 대해 '상대적으로' 어떻게 움직이는지를 나타낸다.

심지어 위치의 기준이 되는 태양도 우리 은하에 대하여 완전한 원운동을 하지 않기 때문에 LSR에 대하여 움직이고 있는 것으로 나타난다.

태양은 헤라클레스 자리 방향으로 19.5km/s로 움직이고 있다.

2. 국부 정지 좌표계의 이해

아래와 같이 태양 주변에서 A, B, C 궤도를 도는 천체가 있다고 가정하고 LSR에 대한 속도를 비교해보자.

세가지 궤도를 가정하고 LSR에 대한 속도를 비교해보자.

1) A궤도는 LSR 위치에서 원일점, 은하 중심 근처에서 근일점을 가지는 궤도이다. 이 경우, 완전한 원 궤도를 도는 천체보다 느리게 움직일 것이다.
2) B궤도는 LSR을 지나는 완전한 원 궤도이다. 이것은 LSR의 기준이 되는 속도이다.
3) C궤도는 LSR 위치에서 근일점, 은하 중심 방향에서 원일점을 가지는 궤도이다. 이 경우, 완전한 원 궤도를 도는 천체보다 빠르게 움직일 것이다.

따라서 B 궤도를 도는 천체는 LSR에 대하여 완전히 정지해 있는 것으로 나타나며, A궤도를 도는 천체와 B궤도를 도는 천체는 LSR에 대하여 서로 반대 방향으로 움직이는 것 처럼 나타나게 될 것이다.

또 다른 예시를 하나 들어보자.

각각의 화살표는 각 궤도를 도는 천체의 속도와 방향을 나타낸 것이다.

LSR 주변에서 두 궤도를 도는 천체는 어떻게 보일까?

이는 벡터의 차와 같다.

두 천체가 LSR에서 보이는 속도는 실제 속도와는 상이하다.

고이심률 궤도의 천체는 실제 속도는 느리지만, LSR과의 속도 차이가 크기 때문에 빠른 속도로 움직이는 것 처럼 보인다.

저이심률 궤도를 도는 천체는 속도가 실제로는 다른 천체보다 빠르지만, LSR에 대한 속도 차이가 크지 않기 때문에 저속도로 움직이는 것 처럼 보인다.

중요한 것은 LSR에서 보이는 속도는 실제 속도가 아니며, 완전한 원 궤도에 대하여 어떻게 움직이는 지를 보여줄 뿐이라는 것이다.

실제 우리 은하의 운동을 살펴 보면 LSR에 대하여 천체는 3개의 축 방향으로 다르게 움직이는 것 처럼 보인다.

3. 결론

1) LSR은 태양 위치를 가정하고 완전한 원궤도를 도는 천체의 속도에 대해
2) 다른 천체들이 어떻게 움직는지를 나타낸 것이며
3) LSR을 통한 천체 운동의 관측은 실제 원 운동에 대하여 우리 은하의 회전이 어떻게 이루어지고 있는지를 보여주는 것이다.
4) 천체가 탄생한 장소가 어디냐에 따라 LSR 상에서 다른 위치를 보여주게 된다. 각 특성은 암기하는 것이므로 한번 찾아보면 된다.