각지름거리 (Angular Diameter Distance)

천문학
한 줄 정의: 천체의 실제 물리적 크기와 관측된 각크기 사이의 관계로부터 정의되는 거리 척도로, 팽창 우주에서는 특정 적색편이 이상에서 거리가 오히려 감소하는 특이한 성질을 보인다.

쉽게 풀면

천체의 실제 크기와 하늘에서 보이는 각도상의 크기를 비교해서 구하는 거리로, 아주 먼 거리에서는 신기하게도 더 멀리 있는 천체가 더 커 보일 수 있다.

왜 중요한가

각지름거리는 천체의 실제 크기를 알 때 관측된 각크기로 거리를 구하거나, 반대로 거리를 알 때 각크기를 물리적 크기로 환산할 때 쓰는 척도입니다. 중입자 음향 진동의 표준자와 CMB 음향 봉우리의 각위치를 해석하는 데 바로 이 거리가 들어갑니다. 은하단의 크기나 강한 중력렌즈의 기하학을 다룰 때도 기준이 됩니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

Hoyle, F. (1959), "The relation of radio-astronomy to cosmology", in Paris Symposium on Radio Astronomy, IAU Symposium 9.

호일은 팽창 우주 모형에서 각지름거리가 적색편이에 따라 단조증가하지 않고 특정 지점에서 최댓값을 가진 뒤 감소할 수 있음을 이론적으로 논의했다.

"우주배경복사의 음향 봉우리 각크기를 각지름거리로 환산하여 우주의 곡률이 평탄에 가깝다는 결론을 얻었다."

표준자 역할을 하는 물리량의 실제 크기와 관측된 각크기를 비교해 우주의 기하학적 형태를 추정하는 방법을 보여준다.

조금 더 깊게 보면

팽창 우주에서는 적색편이가 커질수록 각지름거리가 어느 지점부터 오히려 줄어들어, 아주 먼 은하가 같은 크기의 가까운 은하보다 더 크게 보이는 역설적 현상이 생깁니다. 이는 빛이 출발할 당시 우주가 훨씬 작았기 때문이며, 광도거리와는 (1+z)의 제곱만큼 차이가 납니다. 두 거리를 혼동하면 밝기와 크기 해석이 모두 어긋납니다. 각지름거리가 최댓값을 갖는 적색편이는 우주론 매개변수에 따라 달라지며, 대략 적색편이 1에서 2 사이에서 발생한다고 계산되어 이 부근의 표준자 관측이 특히 민감한 시험대가 된다. 각지름거리와 광도거리는 D_L=(1+z)²D_A 관계(에서링턴 거리 쌍대성)로 묶여 있어, 두 거리를 독립적으로 재어 이 관계를 시험하면 광자 수 보존 위반이나 먼지 소광 같은 계통 오차를 점검할 수 있다.

주의할 점

각지름거리는 광도거리와 밀접한 관계(듀얼리티 관계)가 있지만 값이 서로 다르므로, 어떤 거리 척도를 사용하는지 명확히 구분해야 한다. 각지름거리로 재구성한 물리적 크기는 대상 천체가 정말로 알려진 표준 크기를 갖는다는 가정에 의존하므로, 그 가정이 틀리면 곡률 추정 자체가 왜곡된다.

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