구형의 하늘
지구상에 사는 관측자에게 밤하늘에 반짝이는 별들은 천천히 하늘을 가로질러 움직이는 것으로 보인다. 이러한 현상은, 비록 별들이 지구를 중심으로 회전하는 것처럼 보일지 몰라도, 사실은 지구의 자전 때문에 생기는 것이다. 관측자에게 하늘은 그 안쪽 면에 모든 별이 붙어서 지구를 중심으로 돌고 있는 가상의 구면으로 생각할 수 있다. 이 구면은 실제 지구의 구형 표면의 여러 특징과 연관되어 있다. 즉 천구의 북극과 남극은 지구의 북극과 남극을 각각 연장한 선상에 놓여 있고, 천구의 적도 역시 지구의 적도를 천구 면에 투영한 선으로 생각할 수 있다. 따라서 천구는 지구본을 확대한 것이라 생각하면 이해하기가 쉽다. 마치 경도와 위도로서 지구상 도시의 위치를 표현할 수 있는 것처럼 별이나 은하의 위치를 천구상의 경위도로 나타낼 수 있다.
천구는 크기가 규정되어 있지 않은 가상의 구면이다. 천문학자들은 이 천구상에서 별이나 기타 천체의 위치를 결정하거나 기술할 때 특별하게 정의된 기준면이나 기준선, 구면상의 기준점을 사용한다. 태양과 행성들은 천구에 고정되어 있지 않고 황도라는 천구상의 경로를 따라 움직이거나 그 인접한 곳에서 움직인다.
위도의 효과
지구상의 관측자는 어떤 경우라도 기껏해야 천구의 절반밖에 볼 수 없다. 나머지 절반의 천구는 지구 자체에 가려서 볼 수 없기 때문이다. 예컨대, 지구 북극에 있는 관측자는 북반구에 이는 천체는 언제나 모두 볼 수 있는 반면, 남반구에 위치한 절반의 천체는 지평선 위로 떠오르지 않으므로 결코 볼 수 없다. 한편 중위도 지방에 있는 관측자에게는 지구의 자전에 따라 천구의 보이는 부분이 연속적으로 변화하여 별들이 지평선 위로 떠올랐다 지평선 아래로 지는 것처럼 보인다. 예컨대, 북위 60도 혹은 남위 60도에 위치한 관측자는 대체로 전천의 4분의 3 정도를 볼 수 있고, 적도에 있는 관측자는 전천의 모든 부분을 볼 수 있다.
적도 위에 있는 관측자는 지구의 자전 때문에 하루 동안 천구상의 모든 천체를 관찰할 수 있다. 적도에서는 천구의 북극과 남극이 지평선에 위치한다. 북극에서는 전체 천구에서 북반구에 분포하는 천체만을 관측할 수 있다. 그리고 남반구에 분포하는 천체는 결코 관측할 수 없다. 그리고 천구의 적도가 지평선과 일치한다. 중위도 지역의 관측자는 일부 천체는 항상 관측이 가능하지만, 어떤 천체는 결코 관측할 수 없다. 그리고 지구의 자전 때문에 관측이 가능한 천구상의 구역이 시간에 따라 달라진다.
일주 운동
지구가 자전함에 따라 모든 별은 하늘을 가로질러 움직인다. 중위도 지방에 사는 관측자는 북극이나 남근 주변의 항성들이 극을 중심으로 동심원의 궤적을 그리며 하룻밤 동안 움직이는 것을 관찰할 수 있다. 한편 태양, 달, 행성 그리고 극을 중심으로 동심원을 그리지 않는 다른 모든 별은 동쪽 지평선에서 떠올라 남쪽으로 기운 궤도를 따라 하늘을 가로질러 서쪽으로 진다. 이때 (북반구 관측자의 경우) 일주 운동 궤적이 남쪽으로 기울어지는 정도는 관측자의 위도가 낮아질수록 커진다. 남반구의 경우에는 관측자의 위도가 낮아질수록 천체의 일주 운동 궤적이 북쪽으로 기울어진 경사각이 커진다. 항성의 위치는 천구에서 붙어 있기 때문에 정확히 1 항성 일에 한 번씩 반복적으로 회전한다. 행성, 태양 그리고 달은 천구상에서 항상 움직이기 때문에 항성의 운동과는 다른 운동 양상을 보인다.
연주 운동
지구가 태양 주변을 공전함으로써 태양은 배경에 있는 항성에 대해 상대적으로 움직이는 것으로 보인다. 하지만 태양이 천구상의 어느 위치에 오게 되면, 그 지역의 하늘이 너무 밝아져서 주변에 있는 상대적으로 어두운 항성들이 태양 빛에 묻혀 지구상에서 볼 수 없게 된다. 지구의 궤도 역시 천구상에서 태양의 위치의 반대쪽 부분 (자정에 남중하는 부분)에 궤적으로 나타나게 된다. 예컨대, 6월, 9월, 12월 그리고 3월에 한밤중에 중위도 혹은 적도 지역의 관측자가 볼 수 있는 남쪽 밤하늘의 별들은 완전히 다르다.
아리스토텔레스의 투명한 천구 이론
17세기까지만 해도 사람들은 천구를 허구적인 개념이 아니라 실제라고 믿었다. 이러한 믿음의 기원은 그리스의 철학자 아리스토텔레스가 처음 제안했고 프톨레마이오스가 우주 모형을 완성한 시대로 거슬러 올라간다. 이 우주 모형에 따르면 지구는 우주의 중심에 정지되어 있고, 여러 개의 투명 동심구가 지구를 감싸고 있으며 이 동심구에 별, 행성, 태양, 그리고 달이 붙어 있다고 보았다. 프톨레마이오스는 이러한 여러 겹의 투명 동심구는 서로 다른 속도로 회전하고 있으므로 천체의 겉보기 운동을 설명할 수 있다고 믿었다.
천구 좌표계
천문학자들은 천구의 개념을 사용해 항성을 비롯한 모든 천체의 위치를 기록하고 찾아낸다. 천체의 위치를 표시하기 위해 천문학자들은 지구상의 위치를 나타낼 때 사용하는 경도와 위도와 유사한 방법으로 천구 좌표계를 정의하고 사용한다. 이 좌표계는 적경과 적위를 사용해 나타낸다. 적위는 각도와 각 분의 단위로 적도에서부터 천구의 북극과 남극으로 측정한다. 적경은 천구 자오선에서 천체 사이의 각도 동쪽으로 재서 나타낸다. 천구 자오선은 지구상에서 본초 자오선에 대응되는 것으로 천구의 북극에서 적도면 상의 춘분점을 통과하는 대원이다. 이것으로 적경 측정의 기준선으로 삼는다. 천체의 적경은 각도, 각 분으로 나타내거나 시간과 시분으로 나타낸다. 360도를 자전하는 데 24시간이 걸리므로, 1시간은 15도에 해당한다.
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