개기일식 — 에딩턴, 상대성이론을 증명하다
1919년 5월 29일 개기일식 때, 가려진 태양 곁을 지나는 별빛이 휘어진 정도를 재어 아인슈타인의 일반상대성이론을 처음으로 시험한 관측입니다. 이 결과가 발표되면서 아인슈타인은 세계적으로 유명해졌습니다.
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이 이벤트 이야기
1919년 5월 29일, 아프리카 서쪽 기니만의 작은 섬 프린시페에서 영국 천문학자 아서 에딩턴이 개기일식을 기다리고 있었습니다. 아침부터 비바람이 불었지만, 달이 태양을 가린 오후 2시 무렵 구름 사이로 사진을 찍을 수 있었습니다. 같은 시각 대서양 건너 브라질 소브랄에서는 앤드루 크로멜린과 찰스 데이비드슨이 이끄는 다른 팀이 같은 일식을 찍었습니다.
두 팀이 찍으려 한 것은 태양 자체가 아니라 태양 바로 곁의 별들이었습니다. 아인슈타인의 일반상대성이론에 따르면, 무거운 태양은 주변의 공간을 휘게 만들고 그 곁을 지나는 별빛도 함께 휘어집니다. 그러면 태양 곁의 별이 평소 자리에서 조금 밀려난 것처럼 보여야 합니다. 평소에는 태양이 너무 밝아 곁의 별이 보이지 않으므로, 태양이 가려지는 개기일식 때만 이 차이를 잴 수 있었습니다.
그날의 배치는 이 실험에 잘 맞았습니다. 태양이 황소자리의 히아데스 성단 앞에 있었기 때문에, 가려진 태양 둘레에 비교적 밝은 별이 여러 개 있었습니다. 또 이 일식은 가장 긴 곳에서 6분 51초나 이어진 긴 개기일식이어서 사진을 찍을 시간도 넉넉했습니다. 원정대는 일식 사진 속 별의 자리를, 태양이 없는 밤하늘에서 찍은 같은 별들의 자리와 비교했습니다.
사진을 몇 달 동안 분석한 결과는 아인슈타인의 예측과 맞았습니다. 1919년 11월 6일 런던의 왕립학회와 왕립천문학회 합동 회의에서 결과가 발표되었고, 신문들이 이 소식을 크게 실었습니다. 공전뷰에서는 그날 태양·달·지구가 한 줄로 선 배치가 재현되고, 별자리뷰에서 프린시페와 1919년 5월 29일을 고르면 가려진 태양 곁에 히아데스 성단이 놓인 하늘이 재현됩니다.
관측 가이드 — 어디서, 언제, 어떻게
1919년 개기일식의 띠는 남아메리카 북부에서 대서양을 건너 아프리카로 이어졌습니다. 브라질 소브랄에서는 오전 9시 무렵 약 5분 13초 동안 태양이 가려졌고, 프린시페에서는 오후 2시 무렵 구름 사이로 개기일식을 볼 수 있었습니다. 두 곳을 고른 것은 한 곳의 날씨가 나빠도 다른 곳에서 결과를 얻기 위해서였습니다.
당시 관측에는 유리판에 빛을 기록하는 사진 건판과, 별의 위치를 손으로 재는 정밀 측정 기구가 쓰였습니다. 같은 실험은 지금도 할 수 있습니다. 개기일식 때 태양 곁의 별을 찍고, 몇 달 뒤 밤하늘에서 같은 별들을 찍어 위치를 비교하면 됩니다. 2017년 미국 개기일식 때는 한 아마추어 천문가가 디지털 카메라로 이 측정을 다시 해내 주목을 받았습니다.
별자리뷰에서 관측지를 프린시페(상투메 프린시페)로, 시각을 1919년 5월 29일 14시(세계시) 무렵으로 맞추면 그날의 하늘이 재현됩니다. 가려진 태양 곁에 히아데스 성단과 밝은 별 알데바란이 놓인 배치가 보입니다. 소브랄로 관측지를 바꾸면 아침 하늘에서 같은 일식이 일어나는 모습이 재현됩니다.
이 대목을 화면에서 확인하려면 — 그 시각 그 하늘 열기 · 공전 궤도에서 그 순간 재생
왜 이 식이 특별한가
두 이론이 내놓은 예측은 분명히 달랐습니다. 아인슈타인의 이론은 태양 가장자리를 스치는 별빛이 1.75초각만큼 휜다고 보았고, 뉴턴의 중력 이론으로 계산하면 그 절반쯤인 0.87초각이 나왔습니다. 1초각은 아주 작은 각도로, 1.75초각은 지름 2cm짜리 동전을 약 2.4km 떨어진 곳에서 볼 때의 크기와 비슷합니다. 그만큼 정밀한 측정이 필요했습니다.
측정 결과는 소브랄의 작은 10cm(4인치) 망원경에서 1.98초각(오차 ±0.12), 프린시페에서 1.61초각(오차 ±0.30)이었습니다. 두 값 모두 뉴턴의 값보다 아인슈타인의 값에 가까웠습니다. 소브랄의 큰 망원경으로 찍은 사진은 초점이 흐려져 결론에서 제외되었는데, 이 선택을 두고 뒷날 논란이 생겼습니다.
이 논란은 뒤에 다시 검토되었습니다. 1979년 영국 그리니치 천문대에서 현대 장비로 원래 사진을 다시 측정했고, 아인슈타인 쪽이라는 결론이 유지되었습니다. 그 뒤로도 전파 망원경과 가이아 우주망원경 등이 태양이 빛을 휘게 하는 효과를 1919년보다 훨씬 정밀하게 측정해, 일반상대성이론의 예측과 맞는다는 것을 거듭 확인했습니다.
배경과 이전 사례
아인슈타인의 예측값은 처음부터 1.75초각이 아니었습니다. 그는 1911년에 약 0.83초각이라는 값을 계산했는데, 이는 뉴턴식 계산과 비슷한 값이었습니다. 1915년 일반상대성이론을 완성한 뒤에야 값이 두 배쯤인 1.75초각으로 바뀌었습니다. 그 사이 1912년 브라질과 1914년 크림반도로 떠난 관측은 날씨와 1차 세계대전 발발 때문에 결과를 얻지 못했습니다. 만약 그때 성공했다면 처음의 틀린 값이 먼저 시험대에 올랐을 것입니다.
에딩턴은 전쟁에 반대하는 퀘이커교 신자여서 징집을 거부하려 했습니다. 영국 왕실 천문관 프랭크 다이슨은 에딩턴이 이 일식 원정을 이끄는 것이 나라에 중요한 과학 연구라고 주장해 그의 징집 면제를 이끌어 냈습니다. 전쟁이 끝난 직후 영국 과학자가 독일 출신 과학자의 이론을 확인한 이 일은, 과학이 나라의 경계를 넘는다는 상징으로도 받아들여졌습니다.
일식은 약 18년 11일마다 비슷한 모양으로 되풀이되는데, 이 주기를 사로스라고 부릅니다. 1919년 일식은 사로스 136번에 속합니다. 이 계열은 20세기에 아주 긴 개기일식을 여러 번 만들었습니다. 1937년 6월 8일(7분 4초), 1955년 6월 20일(7분 8초), 1973년 6월 30일(7분 4초)의 개기일식이 모두 이 계열입니다.
자주 묻는 질문
무엇을 쟀나요?
가려진 태양 곁에 있는 별들이 평소 자리에서 얼마나 밀려나 보이는지를 쟀습니다. 아인슈타인의 이론은 1.75초각, 뉴턴의 이론은 그 절반쯤인 0.87초각을 예측했습니다.
결과는 어땠나요?
소브랄의 작은 망원경에서 1.98초각, 프린시페에서 1.61초각이 나와 두 값 모두 아인슈타인의 예측에 더 가까웠습니다.
데이터를 골라 썼다는 논란은 어떻게 되었나요?
소브랄의 큰 망원경 사진이 흐려서 빠진 것을 두고 논란이 있었지만, 1979년 원래 사진을 현대 장비로 다시 측정해 원래 결론이 유지되었습니다. 이후 전파 망원경과 가이아도 같은 효과를 훨씬 정밀하게 확인했습니다.
히아데스 성단은 왜 중요했나요?
별빛의 휘어짐을 재려면 태양 바로 곁에 밝은 별이 여러 개 있어야 합니다. 1919년 5월 29일에는 태양이 마침 히아데스 성단 앞에 있어서 잴 수 있는 별이 많았습니다.
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시각·수치는 근사이며 관측 계획엔 공식 자료를 확인하세요. 시뮬레이션은 J2000 평균 궤도요소 기반입니다.