천체 관측(연주시차 / 일주시차) 및 달의 위상 변화 관측-54
(StarWalk2 - 과학과 사람들 스타체이서)
봄내중학교 - 봄내중 고준
천체 관측(연주시차 / 일주시차) 및 달의 위상 변화 관측-54
(StarWalk2 - 과학과 사람들 스타체이서)
봄내중학교 - 봄내중 고준
천체 관측(연주시차 / 일주시차) 및 달의 위상 변화 관측-54
(StarWalk2 - 과학과 사람들 스타체이서)
봄내중학교 - 봄내중 고준
천문학
[ Astronomy ]
천문학은 천체나 천체 현상을 연구하는 자연과학의 한 분야다. 동양에서 사용하는 한자어 天文學은 글자 그대로 해석하면 하늘에 대한 학문이고, 영어 astronomy는 그리스어 ἀστρονομία에 뿌리를 둔 말로서 별의 법칙을 나타낸다. 천문학에서 다루는 천체에는 태양, 달, 행성, 위성, 왜소행성, 혜성 등 태양계를 구성하는 천체뿐 아니라, 별, 성단, 성운, 은하 등이 있으며, 더 큰 규모로는 은하군/은하단, 초은하단 등이 있다. 천문학은 이들 천체뿐 아니라, 별과 별사이에 있는 물질인 성간물질이나 은하와 은하사이에 있는 은하간물질과 함께 고에너지 입자인 우주선(cosmic rays)도 주요 연구 대상으로 삼는다. 천체의 물리적 특성뿐 아니라, 별의 분포, 은하의 분포 등 천체의 분포, 그리고 이 모두를 포함하는 우주에 대한 연구가 천문학의 고유한 영역이다. 최근에는 우주에서 일어나는 생명 현상을 다루는 천체생물학도 천문학의 한 분야로 확장되었다
역사
천문학은 가장 오래된 학문 중 하나다. 대부분의 고대 문명에서 태양, 달, 행성 등 천체의 위치를 측정하는 측성학(astrometry)을 중심으로 천문학이 발달하였다. 이로 부터 천체의 운동에 대한 이해가 이루어졌으며, 대표적인 산물이 역법과 태양중심설이나 지구중심설과 같은 우주 모형이다.
수메르인은 달의 운동에 기초하여 태음력을 만들었고, 이집트, 바빌로니아, 고대 페르시아에서는 태양의 운동에 기반한 태양력이 발달하였다(그림 1). 인도와 중국도 독자적인 역법 체계를 발달시켰으며 기원전 5세기 경에는 태음태양력이 만들어졌다. 우리나라에서 사용했던 음력은 태음태양력에 해당한다.
그림 1. 태양력을 사용했던 고대 이집트에서 사용했던 해시계. 이집트 왕들의 무덤이 있는 계곡에서 발견되었으며, 기원전 13세기에 만들어진 것으로 추정된다.(출처: University of Basel)
바빌로니아에서 적어도 기원전 수세기 전에 6585.3211일(18년+11.321일)을 주기로 일식이나 월식이 되풀이되는 주기인 사로스(Saros) 주기가 발견되었다. 사모스의 아리스타르쿠스(Aristarchus)가 기원전 3세기에 달과 태양의 크기와 거리를 측정하였고, 지구와 행성이 태양 주위를 도는 태양중심설을 제창하였다. 히파르쿠스(Hipparchus)는 세차 운동을 발견하였고, 1020개의 별을 수록한 별 목록을 만들었다. , 프톨레마이오스(Ptolemios)는 과거의 기록을 집대성하고, 주전원을 도입하여 모든 천체가 지구 주위를 도는 지구중심설을 완성하였다.
16세기 코페르니쿠스(Nicolaus Copernicus)는 태양중심설을 제창하였고, 17세기초 갈릴레오(Galileo Galilei)는 자신이 만든 굴절망원경으로 금성의 위상 변화와 목성의 위성을 관측하여 태양중심설을 확인하였다를(그림 2). 케플러(Johannes Kepler)는 티코 브라헤(Tycho Brahe)의 관측 자료를 분석하여 행성이 태양을 한 초점으로 하는 타원궤도를 돈다는 것과 궤도 주기의 제곱이 타원궤도 장반경의 세제곱에 비례한다는 것을 발견하였다. 17세기 후반 뉴턴(Isaac Newton)은 중력 법칙을 발견하여 행성의 운동을 설명할 수 있었고, 반사망원경을 발명하였다. 18세기에는 플람스티드(John Flamsteed)에 의해 3000여 개를 수록한 별의 목록이 만들어지고, 윌리엄 허셀(William Herschel)은 성운과 성단의 목록을 만들고 1781년에는 천왕성을 발견하였다.
그림 2. 망원경을 천체의 관측에 사용하여 관측천문학의 새로운 지평을 연 갈릴레오의 초상(출처 : National Maritime Museum, Greenwich, London, Caird Collection)
18세기와 19세기에 걸쳐 천체역학이 발달하여 천체의 섭동으로 부터 달이나 행성의 질량 추정이 가능해졌다. 1915년 아인슈타인(Albert Einstein)이 일반상대성이론을 발표하여 우주의 구조와 진화를 물리적으로 기술할 수 있게 되었다.
1925년 허블(Edwin Hubble)에 의해 외부은하의 존재가 확인되었다. 1927년 르메트르(Georges Lemaitre)는 우주의 팽창을 발견하였고, 1929년 허블에 의해 확인되었다. 1965년 펜지아스(Arno Penzias)와 윌슨Robert Wilson)에 의해 우주배경복사가 발견되어 대폭발우주론이 표준우주론으로 자리잡았다. 2016년 중력파가 관측되어 전자기파와 함께 중력파로 천체를 관측하는 다중신호천문학이 시작되었다.
연구 분야
천문학에서 다루는 분야에는 천체의 공간 분포, 운동, 물리적 특성과 함께 이들의 시간에 따른 변화 등이 포함된다. 즉, 우주를 구성하는 천체의 특성과 진화를 이해하려는 노력이 천문학인 셈이다. 관측천문학과 이론천문학은 이를 실현하는 방법에 따라 천문학을 구분한 것이며, 연구 대상에 따라 구분하기도 한다.
관측천문학
관측을 통해 천체의 운동, 물리적 특성, 공간 분포 등을 연구하는 분야가 관측천문학이다. 관측천문학은 천체를 관측하는 전자기파의 파장에 따라 전파천문학, 적외선천문학, 광학천문학, 자외선천문학, X-선천문학, 감마선천문학 등으로 나눌 수 있다. 최근에는 전자기파뿐 아니라 중성미자(neutrino)를 이용하는 중성미자천문학이나, 중력파를 이용하여 천체 현상을 연구하는 중력파천문학 분야가 열리고 있다. 전자기파의 경우 각 파장대의 전자기파 신호를 측정할수 있는 망원경과 검출기를 이용하며 천체에서 나오는 빛을 관측하고(그림 3, 4), 중성미자나 중력파의 경우 이를 검출하는 시설이 필요하다.
그림 3. 남미 아타카타 사막에 건설된 밀리미터/서브밀리미터파를 관측하는 전파망원경의 배열(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ALMA). 망원경 위로 수많은 별과 함께 대마젤란은하와 소마젤란은하가 보인다.(출처: ESO/C. Malin)
그림 4. 윌슨산천문대의 후크(Hooker)망원경. 허블이 은하를 관측하여 우주의 팽창을 발견하는데 사용된 구경 2.5미터 광학망원경이다.(출처: Ken Spencer )
이론천문학
이론을 바탕으로 해석학적 모형 또는 컴퓨터를 이용한 수치모의 실험을 통해 천체나 천체 현상을 연구하는 분야가 이론천문학이다(그림 5). 이론천문학에서는 관측 결과를 해석하는 모형을 만들 뿐 아니라, 천체의 현상을 예측하기도하며, 이는 후에 관측을 통해 검증된다. 이론천문학이 다루는 분야에는 천체역학, 항성진화, 은하생성, 우주거대구조, 우주선의 기원, 일반상대성이론, 물리적 우주론 등이 있다.
그림 5. 우주론 수치모형 계산인 Horizon Run이 보여주는 우주의 물질밀도 분포. 지구는 왼쪽 꼭지점에 있고, 대폭발면(Big Bang surface)인 우주의 지평선(Horizon)은 오른쪽 끝에 있다. 쐐기의 윗변에는 적생이동(redshift)값을 아랫변에는 돌아보기시간(lookback time)을 10억년 단위로 표시했다. 은하의 형성은 적색이동 6 부근에서 시작되었음을 보여준다.(출처: Kim, J., Park, C., Gott, J.R., & Dubinski, J. 2009, ApJ, 701, 1547 )
대상에 따른 구분과 학제간 분야
천문학의 분야를 연구 대상에 따라 나누면, 우주론, 외부은하천문학, 은하천문학, 항성천문학, 태양천문학, 행성천문학 등으로 나눌 수 있다. 최근에 연구가 이루어지고 있는 천체생물학(astrobiology)과 같이 학제간 접근이 필요한 경우도 천문학의 연구 분야로 자리잡고 있다. 학제간 분야의 다른 예로는 천체화학(astrochemistry), 행성대기학, 행성지질학, 우주과학 등을 들 수 있다. 이와 달리 천체물리학은 다루는 내용이 천문학과 거의 구분이 되지 않아 천문학의 동의어로 취급된다.
특성
천문학은 다른 학문과 학문적 특성이 크게 다르다. 우주에 대한 이해를 통해 인식의 지평을 넓혀 합리적인 세계관 수립에 기여할뿐 아니라, 새로운 기술을 창출하여 삶의 질을 높이는 데도 크게 기여하고 있다. 또 하나 특별한 점은 직업과 무관하게 천문학을 취미로 즐기는 사람이 많고, 시민과학을 통하여 과학 발전에 기여하는 점이 크다는 점이다. 국제 협력도 어느 분야보다 왕성하여 세계 천문학자의 모임인 국제천문연맹(International Astronomical Union, IAU)이 창립된 지도 이미 100년이 지났다.
아마추어 천문학
아마추어 천문학은 참가자가 맨눈이나 작은 망원경을 이용하여 천체 관측을 즐기는 취미 활동을 말한다하(그림 6). 그럼에도 불구하고 아마추어 천문학자들이 돌발천체나 초신성, 혜성, 소행성 등을 발견하여 천문학 연구에 크게 기여하는 경우도 많이 있다. 1932년 전파관측으로 이루어진 백조자리 A 전파은하의 발견이나, 1993년 20세기 북반구에서 관측된 가장 밝은 초신성 중 하나인 SN1993J의 발견 등이 대표적이다.
그림 6. 페르세우스 유성우를 관측하고 있는 아마추어 천문가들. 미국 델라웨어강 부근의 여름 하늘이다.(출처 : Halfblue on en.wikipedia)
고전적인 아마추어 활동과는 조금 다르지만 최근에는 아마추어 천문학자뿐 아니라 일반 시민이 과학 연구에 참여하는 시민과학도 천문학에서 활발히 전개되고 있다. 대표적인 활동은 외계지성체를 찾는 작업인 SETI (Search for Extra-Terrestrial Intelligence)와 은하의 형태를 분류하는 은하세계(galaxy zoo) 등이 있다.
첨단기술 견인
천문학은 끊임없이 새로운 기술을 요구하기 때문에 천문학에서 개발된 기술이 일반사회로 넘어온 경우가 많다. 전파천문학에서 개발된 구경합성 기술이 컴퓨터단층촬영(CT 또는 CAT)이나 자기공명영상(MRI), 양성자복사단층촬영(PET) 기술로 넘어갔고, 천체 영상 관측을 위해 개발된 전하결합소자(Charge Coupled Device, CCD)가 개인용 카메라나, 웹캠, 모바일폰 등에 폭넓게 사용되고 있다. 이뿐 아니라 통신위성이나, 위치추적시스템인 GPS(Global Position System) 기술 등이 천문학에서 개발되어 산업계나 일상 생활로 넘어간 대표적인 사례라 볼 수 있다.
하드웨어뿐 아니라 소프트웨어도 산업으로 이전된 것이 많이 있다. 대표적인 것이 IDL (Interactive data Language)로 천문 자료 분석을 위해 개발된 소프트웨어가 의학계의 영상 자료 분석이나 GM에서 자동차 충돌 분석 등에 사용되고 있고, 미국광학천문대에서 개발된 영상처리시스템인 IRAF(Image Reduction and Analysis Facility)가 AT&T 등에서 컴퓨터 시스템 분석 등에 사용되고 있는 등 천문학에서 개발된 가술들이 산업 각 분야에서 폭넓게 사용되고 있다.
활발한 국제 협력국제천문연맹
IAU는 1919년 설립되어 천문학 연구뿐 아니라, 학자들간의 교류를 증진시키고 천문학 교육과 발전을 견인하는 국제협력의 구심체 역할을 하고 있다. 2020년 현재 세계 107개 국에 11100명의 회원이 있다. 개인 회원뿐 아니라 국가회원 제도를 두고 있으며, 82개국이 국가회원이다. 우리나라도 국가회원이다. 총회는 3년마다 한 번씩 열리며, 2021년에는 부산에서 제31차 총회가 예정되어 있었는데 코비드19 사태로 2022년으로 연기된 상태다.
IAU가 수행하고 있는 중요한 일 중의 하나는 시간의 기준을 정하는 것이다. 최초의 역법이 달의 운동에 기초하고 있듯이 모든 역법이 천체의 운동을 반영하여 만들어졌고, 오늘날 우리가 사용하고 있는 시간의 기준도 천문학에서 정의한 것이다. 1955년 시간 설정의 편리를 위해 도입된 원자시계의 눈금도 1952년 IAU가 채택한 천문 역법으로 정한 것이다. 하루 길이의 기준이 되는 지구의 자전주기가 조금씩 길어져 필요할 때 윤초를 한 번씩 더해 달력을 맞춰나간다.
거대 관측 장비 건설
천문학 연구는 엄청난 비용이 들어가는 관측 장비가 요구된다. 이 때문에 규모가 큰 경우 모든 예산을 한 나라가 부담하기는 어려운 경우가 많다. 그러므로 오랫동안 축적된 국제 협력 전통으로 거대 장비는 대부분 국제 공동으로 만들고 있다. 대표적인 예는 전파천문학 분야의 ALMA, SKA(Square Kilometer Array)와 광학천문학 분야의 GMT(Giant Magellan telescope), TMT(Thirty Meter telescope), ELT(Extremely Large Telescope) 등 거대광학망원경 건설이 있다. ALMA는 북미와, 유럽, 동아시아(우리나라 포함)가 함께 건설하고 있으며, 특히 GMT는 우리나라가 10%의 지분으로 참여하여 우리나라 천문학 발전에 크게 기여할 것으로 기대하고 있다.
[네이버 지식백과] 천문학 [Astronomy] (천문학백과)
천체 관측(연주시차 / 일주시차) 및 달의 위상 변화 관측-54
(StarWalk2 - 과학과 사람들 스타체이서)
봄내중학교 - 봄내중 고준
봄내중학교
강원특별자치도 춘천시 공지로200번길 36
map.kakao.com
천체 관측(연주시차 / 일주시차) 및 달의 위상 변화 관측-54
(StarWalk2 - 과학과 사람들 스타체이서)
봄내중학교 - 봄내중 고준