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천문우주 교육동영상
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계절의 변화 이해를 위한 Parallel Earth 과학실험
2020-07-172020 Parallel earth project에 한국도 참여해요!
2020 Parallel earth project란?
국제천문연맹(IAU)에서 학생 교육을 위해 추진하는 프로그램으로, 전 세계 시민과 학생 누구든지 참여할 수 있는 기회를 제공하여 교실 환경에서는 다소 이해하기 어려운 과학적 개념을 쉽게 이해할 수 있게 하는 목적의 프로젝트입니다.
Parallel Earth 과학실험 어떻게 할까요?
1. 나침반을 사용하여 북쪽을 확인합니다.
2. 지구본의 북극과 남극을 이은 가상의 선이 나침반의 북쪽과 나란하게 지구본을 놓습니다.
3. 우리나라가 지구본의 맨 위에 놓이도록 지구본의 위치를 조절합니다. (위도 : 37도, 경도 127도)
4. 인형을 우리나라의 위치에 붙입니다.
5. 막대들을 인형과 경도는 같고 위도는 다른 곳에 일정한 간격으로 붙입니다.
6. 막대와 인형의 그림자 길이와 방향을 측정하고 관찰 시각과 함께 기록합니다.
선생님과 함께 활동지로 학습해보고, IAU 국제 프로젝트에도 참여해보세요!
과학실험 후 참가신청서를 작성하여(영문작성) IAU에 메일(newsletter.nase@gmail.com) 발송
신청기간 : ~ 2020. 9. 23까지
학습자료 및 안내서, 신청서 등 다운로드 : https://www.kasi.re.kr/kor/publication/post/notice/28497
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2020-07-10
천문학 하면 가장 먼저 떠오르는 것 중 하나가 망원경 아닐까요?
천문학 연구에 중요한 도구인 망원경에 대해 일반인도 쉽고 재미있게 접할 수 있도록 전영범 박사님이 강의해주셨습니다.
강의는 도입부, 망원경의 발견, 망원경의 원리, 세계의 망원경(지상), 세계의 망원경(우주), 우리나라의 망원경, 마무리로 구성되어 있습니다.
본 동영상은 한국기초과학지원연구원으로부터 예산의 일부를 지원받아 제작하였으며, 2020 주니어닥터 프로그램에도 활용되었습니다.
* 영상 06:10 지점의 자막 '여기 미국의 18m짜리 제미니 망원경 이고'를 '여기 미국의 8m짜리 제미니 망원경 이고'로 정정합니다.
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2017-02-28
밤하늘을 망원경으로 관측하는 것은 이제 더 이상, 천문학자들만이 하는 일이 아닙니다. 우주에 대한 사람들의 호기심은 점점 커지고 있고, 그만큼 아마추어 천문인의 수도 해마다 증가하고 있죠. 그럼 우리는 지금부터 신비한 망원경의 세계와 만납니다.
-인터뷰-
망원경은, 깨지기 쉬운 렌즈나 거울이 장착되어 있기 때문에 무엇보다 조심히 다루어야 합니다.
망원경을 설치하기 위해서는, 제일 먼저 평평한 지면에 삼각대를 설치하고, 이렇게 삼각판을 연결해줘야 합니다.
-인터뷰-
삼각대 설치가 끝나면, 이제, 삼각대 위에 적도의식 가대를 올려 고정시킨 후 경통 밴드를 연결해줍니다. 가대위에 무게추를 달고, 무게추가 땅으로 떨어지지 않도록 조임 나사로 튼튼하게 조여 주면 됩니다.
이제 경통밴드가 달려있는 경통을 적도의식 가대위에 연결을 해야 하는데, 이 작업은 가급적 두 사람이 함께 작업을 하는 것이 좋습니다. 혼자 어렵게 조립하다가 경통을 땅에 떨어뜨리게 되면 대물렌즈가 깨질 수 도 있기 때문이죠.
경통설치를 끝냈다면, 이제 망원경의 접안부에 접안렌즈를 끼워야 합니다. 접안렌즈 조임 나사가 따로 있으니 접안렌즈를 삽입한 후에 안정되게 조여주면 됩니다.
-인터뷰-
안정적인 관측을 위해서는 망원경의 무게중심을 맞춰야 합니다. 천체망원경은 경통이 무거워서 무게중심이 맞지 않으면 한 쪽으로 쏠려 움직이므로 천체를 정확하게 관측할 수 없고, 천체망원경의 정교한 부품들이 손상되기 쉽습니다. 따라서 정교한 무게중심을 맞추는 작업을 필요로 합니다. 무게중심을 맞추는 작업은 두 가지 순서로 실행되는데 먼저 무게추와 경통의 균형을 맞춰야 하는데 이때 경통을 지면과 수평이 되도록 하고, 무게추를 좌우로 움직여 좌우 무게중심을 잡습니다. 무게추와 경통의 무게중심을 맞추고 나면 경통의 무게중심을 맞춥니다. 경통 홀더를 느슨하게 풀고 경통을 앞뒤로 움직이며 무게중심을 맞춥니다.
-인터뷰-
주망원경의 중앙과 파인더의 중앙을 잘 일치시켰다면, 이제 마지막으로 극축을 맞추는 작업을 해야 합니다. 극축은 가대에 있는 극축망원경으로 북극을 맞추는 작업으로 극축을 잘 맞춰 놓으면 천체를 추적하는데 아주 용이합니다.
-인터뷰-
태양은 맨눈으로도 바라보기 힘들 정도로 매우 강한 빛을 발산하고 있습니다. 그렇기 때문에 태양을 망원경으로 직접 바라보는 것은 매우 위험한 행동이므로 절대 해서는 안됩니다.
그렇다면, 태양은 어떤 방법으로 관측하면 될까요? 가장 쉬운 방법은, 접안렌즈에 직접 눈을 대지 말고, 투영판을 이용하면 됩니다. 이렇게 투영판을 이용하게 되면 태양이 망원경을 통과해 투영판에 투영이 되는 것이죠. 그 위에 흰 종이를 대면 이렇게 태양의 모습이 나타나게 됩니다. 투영판을 이용하여 태양을 보게 되면, 태양의 흑점을 관측할 수 있습니다.
또 다른 태양관측 방법은 태양필터를 이용하는 방법입니다. 태양필터는 태양의 빛을 줄여주는 역할을 합니다. 태양필터로 관측을 한다면 태양 표면을 관측할 수 있습니다.
-인터뷰-
달은 태양보다는 빛이 훨씬 약하지만 밤하늘에서 볼 수 있는 천체들 중에 가장 밝은 천체입니다. 그래서 보름달의 경우는 망원경을 통해 직접 눈으로 본다면 눈에 무리가 올 수 있기 때문에 필터를 사용하는 것이 좋습니다.
비교적 쉽게 관측할 수 있는 태양과 달을 찾아 봤다면, 이제 태양계에서 가장 큰 행성인 목성을 하늘에서 찾아보겠습니다. 목성은 지구에서 밝게 보이는 천체 중 하나로, 많이 찾아본 분들에게는 눈에 잘 띄겠지만, 목성과 처음만나는 사람들은 밤하늘의 모습을 보여줄 수 있는 천문학 프로그램을 이용해서 목성의 위치를 미리 알아보는 것도 좋은 방법입니다.
목성의 위치를 확인했다면, 먼저 파인더를 이용해서 목성을 찾아줍니다. 주망원경은 배율은 좋지만 볼 수 있는 하늘의 범위가 좁기 때문에 파인더 없이는 목성 찾기가 힘들기 때문입니다. 파인더 정렬을 마쳤다면, 파인더의 중앙에 있는 목성을 주망원경으로 통해 쉽게 볼 수 있을 겁니다. 어떠세요? 화려한 목성의 모습이 여러분의 눈앞에 보이나요?
목성을 관측한 이 같은 방법으로, 우리는 태양계의 다양한 행성들을 볼 수 있습니다. 토성까지는 밤하늘에서 찾기가 쉽지만, 천왕성과 해왕성은 실제 밤하늘에서 눈으로 보기 힘들기 때문에 천왕성과 해왕성의 위치를 확인한 후에 망원경으로 관측을 해야 합니다. 망원경의 작은 렌즈를 통해 바라본 우주의 모습은 끊임없이 커다란 놀라움과 신비로움을 안겨주며 우리의 마음속으로 찾아 올 것입니다.
자, 무사히 행성관측을 끝냈다면, 이제 다음 관측을 위해 망원경을 잘 보관해둬야겠죠. 망원경을 오래 사용하고, 정밀한 관측을 계속 하려면 망원경을 어떻게 손질하고 보관하는 것이 좋은지 지금부터 알아보겠습니다.
-인터뷰-
아닙니다, 망원경의 렌즈나 거울에 먼지가 묻으면 공기 펌프 브러쉬로 조심스럽게 날려줘야 합니다. 많은 사람들이 헝겊을 주로 사용하는데 거친 헝겊으로 표면을 문지르게 되면 렌즈나 거울에 상처가 나기 쉽습니다.
-인터뷰-
관측을 하다보면, 거울이나 렌즈에 이슬이 맺혀 상이 뿌옇게 보이는 경우가 흔히 있습니다. 이럴 때는, 경통 후드를 길게 씌워 주거나 헤어드라이어 등을 이용해서 안전하게 잘 말리는 것이 효과적입니다.
-인터뷰-
망원경을 사용을 한 후에는 깨끗하게 청소를 해주는 것도 중요하지만 얼마나 잘 보관하느냐도 매우 중요합니다. 망원경의 올바른 세척이 끝난 후에는, 반드시 경통과 파인더 뚜껑을 닫아 먼지나 물방울 등이 들어가지 않도록 해줘야 합니다. 그리고 정해진 장소에 잘 보관해 다음 번 관측을 미리 준비하는 것도 좋겠습니다. 무엇보다 망원경 본체는, 비닐 덮개 등으로 덮어 두어 먼지가 들어가지 않도록 관리하는 것이 가장 중요합니다. 그리고 장기간 사용하지 않을 때에는, 곰팡이가 생기지 않도록 건조제를 함께 넣어 보관해주는 것이 좋습니다.
망원경 보관을 위한 몇 가지 TIP
첫째: 망원경은 내부에 렌즈나 거울이 부착돼 있어서 깨지기 쉬우므로 충격을 주지 않는다.
둘째: 정밀하게 조립돼 있으므로 가급적 완전히 분해하지 않는다.
셋째: 망원경에는 작은 부품들이 많기 때문에 분실에 주의를 기울인다.
지금까지 우리는, 망원경을 통해 천체를 관측하고, 망원경을 어떻게 손질하는지에 대해 알아봤습니다. 이제 관측한 천체를 직접 사진촬영해서 한 장의 사진으로 간직할 수 있는 방법에 대해 알아볼까요?
천체를 촬영하기 위해서는, 보통 수동식 카메라가 적합합니다. 수동식 카메라 중에서도 셔터의 종류가 전자식보다는 기계식으로 되어 있는 것이 좋습니다. 왜냐면, 관측도중 배터리가 소모되어 좋은 촬영을 망치는 경우가 종종 있기 때문에 이런 낭패를 미연에 방지하기 위해서죠. 그리고 최근에는 이런 단점들이 많이 보완된 DSLR카메라가 많이 나와서 DSLR을 이용한 천체사진 촬영이 주로 이루어 지고 있습니다.
천체 사진을 촬영하기 위해 가장 주의를 기울여야 하는 것은 바로 조리개, 초점, 셔터속도의 적절한 조화입니다. 이 세 가지가 적합하게 이뤄져야 좋은 사진을 얻을 수 있다는 거죠. 조리개를 통해 렌즈를 통과하는 빛의 양을 조절해주고 초점은 대상이 선명하게 보이도록 사진기 접안렌즈를 보면서 맞춰야 합니다. 그리고 셔터속도 조절해 셔터를 얼마 동안 열어둘 것인지를 결정해야 합니다. 대부분의 천체는, 희미하게 보이기 때문에 장시간 노출시켜야하는데, 이런 경우에는 셔터의 속도를 B셔터로 맞추어 두면 원하는 시간만큼 노출을 줄 수 있습니다. 조리개를 크게 열면 빛이 많이 들어오므로 셔터속도를 상대적으로 짧게 해줘야 알맞은 빛의 양으로 좋은 사진을 촬영할 수 있다는 점 잘 기억하시길 바랍니다.
이제, 본격적인 천체사진 촬영을 시작해볼까요? 천체를 촬영하는 방법은 크게 고정 촬영과, 가이드 촬영으로 나눠집니다. 고정 촬영은, 카메라를 삼각대 위에 고정 시킨 후에 적당한 노출 시간을 주어 촬영하는 방법이고, 가이드 촬영은 천체의 일주 운동을 노출시간동안 추적하면서 촬영하는 방법입니다.
먼저 고정촬영을 통해 천체사진을 만나볼까요? 고정촬영을 하기 위해서는 셔터 속도를 조절할 수 있는 카메라가 필요합니다. 그리고 삼각대, 후드, 릴리즈가 필요하죠. 삼각대는 카메라를 잘 받쳐주는 튼튼한 것일수록 좋고, 릴리즈는 장시간 노출을 줄 때 카메라의 흔들림을 방지하기 위해 필요합니다.
고정촬영은, 다시 짧은 시간의 노출로 별을 점상으로 찍는 점상촬영과 긴 시간의 노출로 별의 움직임을 찍는 일주촬영으로 나눌 수 있습니다. 점상촬영은 주로 밝은 천체인 태양, 달, 행성, 밝은 별, 별자리 등을 대상으로 하며 일주운동 촬영은, 카메라를 하늘의 한 방향에 고정시켜 놓고 짧게는 1시간, 길게는 12시간까지 오랜 시간을 노출을 해 별들의 일주운동을 카메라에 담고 있습니다.
고정촬영이 이렇게 카메라를 고정시킨 상태에서 천체를 찍는다면, 가이드 촬영은, 별의 움직임에 따라 움직이는 추적 장치를 망원경에 설치하여 천체를 찍는 방법입니다. 이 같은 가이드 촬영은, 밝은 천체나 희미한 천체 모두 촬영이 가능해 다양하게 활용되고 있습니다.
그 외에도 카메라를 망원경에 연결하여 촬영하는 직초점촬영과 확대촬영이 있습니다. 직초점촬영은 망원경의 접안렌즈를 끼지 않고 카메라만 연결하여 찍는 방법이고, 확대촬영은 망원경에 접안렌즈를 연결하여 천체를 촬영하는 방법입니다. 성운이나 성단, 행성 등을 크게 촬영하고 싶다면, 직초점촬영이나 확대촬영을 해야 합니다.
또한 좀더 전문적인 방법으로 CCD를 이용하는 방법인데요. CCD를 이용하여 서로 다른 파장의 사진을 합성을 한다면 좀더 멋진 사진을 촬영할 수 있습니다. 그러나 CCD는 고가의 장비이기 때문에 아마추어 천문인들이 사용하기 보다는 전문적인 연구시설에서 주로 이용합니다.
지금까지 천체를 촬영할 수 있는 여러 가지 촬영방법에 대해 알아봤습니다. 각각의 촬영법마다 장단점이 있고 원하는 대상에 따라 어울리는 방법들도 저마다 다릅니다. 신비한 천체를 직접 눈과 마음에 담고 싶은 마음이 있다면, 언제든지 카메라 셔터를 눌러보세요. 빛나는 별과 아름다운 행성의 모습이 여러분 앞에 멋지게 펼쳐 질 겁니다.
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2017-02-28
망원경1
망원경은 실생활 속에서 다양한 목적으로 사용되고 있는 광학기기 중 하나입니다. 어린아이들이 사용할 수 있는 작은 망원경에서부터 천문대에 설치되어 있는 거대한 천체망원경까지 그 종류도 다양하죠.
하지만, 아직도 사용방법이 어렵고 전문가들만 사용한다는 인식 때문에 일반인들에게는, 거리감이 느껴지는 것도 사실입니다. 이제 우리는, 생활 속에서 사용되고 있는 다양한 망원경들을 만나보고 망원경의 원리도 알아보면서 그들과 좀 더 친해져보기로 하겠습니다. 그럼 지금부터, 흥미로운 망원경의 세계와 만나볼까요.
망원경은, 크게 굴절망원경과 반사망원경으로 나눠집니다. 망원경을 만들 때 렌즈를 사용했는지 거울을 사용했는지에 따라 두 가지로 구분을 짓고 있죠. 한 마디로 렌즈를 사용하면 굴절망원경이 되고, 거울을 사용하면, 반사망원경이 되는 겁니다.
자, 그럼 망원경의 심장이라고 할 수 있는 렌즈와 거울에 대해 알아볼까요. 먼저 렌즈에 대해 살펴보겠습니다. 망원경에 사용되는 렌즈에는 볼록렌즈와 오목렌즈가 있습니다.
볼록렌즈는, 렌즈의 중앙 부분이 가장자리보다 두꺼워 이렇게 볼록한 형태를 띠고 있는 렌즈를 가리킵니다. 빛은 렌즈의 두꺼운 부분으로 굴절되는 습성이 있는데, 볼록렌즈는 빛을 모아주는 역할을 하게 됩니다. 볼록렌즈를 통과한 빛이 한 점에서 만나는 지점을 초점이라고 하고, 렌즈와 이 지점과의 거리를 초점거리라고 하죠. 볼록렌즈로 태양 빛의 초점을 모으면 검은 색종이를 태울 수도 있습니다. 볼록렌즈는, 작은 물체를 크게 확대해 볼 수 있는 대신에 볼 수 있는 범위는 비교적 작습니다. 그래서 글씨를 크게 보이게 하는 돋보기의 소재로 가장 많이 쓰이며 현미경, 사진기 등에도 이용되고 있습니다. 또한 의학용으로는, 멀리 있는 것은 잘 볼 수 있지만, 가까이 있는 것은 잘 볼 수 없는 원시안의 교정렌즈로 사용되고 있습니다.
오목렌즈는, 볼록렌즈와 반대로 중앙 부분이 가장자리보다 얇아 오목한 형태를 띠고 있습니다. 볼록렌즈가 빛을 모으는 성질이라면 오목렌즈는 빛을 퍼지게 하는 성질을 가지고 있죠. 오목렌즈 통과해 퍼져 나간 빛은 이렇게 마치 한 점에서 나온 것처럼 보이게 됩니다. 이렇게 빛을 퍼지게 하는 성질이 있는 오목렌즈는, 큰 물체를 작아 보이게 하는 대신에 넓은 면적을 한 번에 볼 수 있게 도와줍니다. 그래서 가까이 있는 것은 잘 볼 수 있지만, 멀리 있는 것을 잘 볼 수 없는 최근 청소년들에게 자주 나타나는 근시안 교정과 망원경 등에 널리 활용되고 있습니다.
반사망원경에 주로 사용되는 거울도 렌즈와 같이 볼록거울과 오목거울이 용도에 따라 구분되어 사용되고 있습니다. 하지만 망원경에 사용되는 렌즈의 역할과는 정반대를 띠고 있죠.
-인터뷰-
이처럼 렌즈와 거울의 원리를 이용해 우리는 다양한 망원경을 만들 수 있습니다. 볼록렌즈와 거울을 이용하여 별 빛을 모아, 별의 상을 만들고, 이 상을 확대해 천체를 관측하기도 하죠. 바로 그 때 사용되는 망원경이 바로 이 천체망원경입니다. 천체망원경은 크게 삼각대, 가대, 경통 이렇게 3부분으로 구성되어 있습니다. 경통은, 망원경의 핵심 부분으로서 주 망원경과 보조 망원경으로 이루어져 있고 가대는, 망원경의 경통을 올려두는 받침대로서 망원경의 방향을 조절해주는 역할을 하고 있습니다. 그리고 삼각대는, 목재나 금속으로 만들어진 가대를 연결해 주는 다리라고 할 수 있죠.
앞서 얘기했듯이, 망원경은 렌즈로 만들어졌는지 거울로 만들어졌는지에 따라 굴절망원경과 반사망원경으로 나눠집니다. 또한, 망원경의 가대에 따라서도 분류하기도 하는데, 경위대식 가대와 적도의식 가대로 나뉘어 경위대식 망원경, 적도의식 망원경으로 분류하고 있습니다.
먼저 굴절망원경부터 만나볼까요. 굴절망원경은, 볼록렌즈로 이루어진 대물렌즈로 빛을 모아, 접안렌즈로 물체의 상을 확대하는 망원경입니다. 이 때 접안렌즈를 어떤 렌즈로 사용하느냐에 따라 다시, 갈릴레이식과 케플러식 망원경으로 구분 지을 수 있습니다.
갈릴레이식의 망원경은, 갈릴레오 갈릴레이가 고안한 천체망원경으로 볼록 대물렌즈와 오목 접안렌즈로 구성되어 있습니다. 접안렌즈를 오목렌즈를 사용하고 있어서정립상이나 시야가 좁아 사용하기가 불편하며 지금은 거의 사용하지 않고 소형 쌍안경 등에 응용되고 있습니다.
케플러식의 망원경은, 시야가 좁은 갈릴레이식 망원경을 보완하기 위해 고안한 망원경으로 대물렌즈와 접안렌즈를 모두 볼록렌즈로 사용하여 초점을 대물렌즈와 접안렌즈 사이에 맺게 했습니다. 이 망원경은, 시야가 넓어 보기에는 편리하지만 상이 거꾸로 보이는 단점이 있습니다. 하지만 이 단점은, 프리즘이나 거울로 보정이 가능해 오늘 날 사용되는 천체관측용 굴절망원경의 대부분은 케플러식 망원경의 형식을 따르고 있습니다.
이밖에도, 천체관측을 위해 굴절망원경을 선호하는 이유는 또 있습니다.
-인터뷰-
굴절 망원경이 여러 개의 렌즈를 사용해 만든 망원경이라면, 반사망원경은, 거울의 반사 원리를 이용한 망원경입니다. 빛이 거울면을 통과하지 못하기 때문에 색수차가 일어나지 않고, 렌즈에 비해 가공이 쉽다는 장점이 있습니다. 또한, 반사망원경은 발명자의 이름을 붙여서 그 종류를 나누고 있는데 대표적으로 뉴턴식, 카세그레인식 망원경을 예로 들 수 있습니다.
뉴턴식 반사망원경은, 뉴턴에 의해 발명되었으며 오목한 포물면을 가진 주경과 평면 사경을 가진 부경으로 구성되어 있습니다. 이 망원경은, 주경의 포물면에 의해 집광된 빛이 평면 사경에 의해 다시 반사돼 경통 밖에서 상이 맺히게 되고 다시 접안렌즈로 이 상을 확대하여 관측하는 망원경입니다. 굴절망원경에 비해서 초점거리를 짧게 만들 수 있어 사진촬영 등에 유리하며, 색수차가 없고, 경통이 짧으며 제작이 쉽고, 가격이 저렴해 아마추어용으로도 많이 활용되고 있습니다.
카세그레인식 망원경은, 프랑스의 카세그레인에 의해 발명된 망원경으로 주경은 오목거울, 부경은 볼록거울로 구성되어있습니다. 주경에 들어온 빛은 1차 반사되어 부경에 부딪혀 2차 반사가 되고, 주경 중앙에 뚫린 구멍을 통해 경통 밖으로 나와 초점을 맺게 됩니다. 이 망원경은 뉴턴식에 비해 경통의 길이가 더 짧고 무게 균형을 맞추기가 쉽지만, 빛의 경로를 부경이 막고 있어서 별의 선명도가 떨어 질 수 있고, 설계시 관측시야와 부경의 크기를 고려해야하는 어려움이 있다.
굴절망원경과 반사망원경의 중요한 특징을 정리하자면 다음과 같습니다. 굴절망원경은, 반사망원경에 비하여 대상의 명암이 매우 뚜렷하고, 경통 내부가 밀폐되어 있어서 공기 대류에 의한 대상의 흔들림이 없어 안정된 상을 얻을 수 있지만, 색수차가 나타나고 반사망원경에 비해 대체로 가격이 비싼 편입니다. 따라서 굴절망원경은 소형망원경에 적합하며 달이나 행성 등을 관측하는데 주로 사용되고 있습니다.
반면, 반사망원경은, 색수차가 없고, 굴절망원경에 비해 큰 구경을 만들 수 있습니다. 하지만 굴절망원경에 비하여 대상의 명암이 뚜렷하지 못하고, 경통 내부의 대류현상으로 인해 대상이 흔들릴 수 있는 한계가 있습니다. 따라서 반사망원경은 대형망원경에 적합하고 성단, 성운 등을 관측하는데 널리 쓰이고 있습니다.
이제, 굴절망원경과 반사망원경에 대해 확실히 알게 됐나요. 이렇듯 망원경은 렌즈로 만들어졌는지 거울로 만들어졌는지에 따라 구분이 되기도 하지만, 망원경의 경통을 올려두는 받침대인 가대에 따라 크게 경위대식망원경과 적도의식망원경으로 구분 짓기도 합니다.
경위대식망원경은, 경통을 상하좌우로 움직여 방위각과 고도를 조절하면서 천체를 관측하는 망원경으로 설치가 쉽고 사용하기도 비교적 간편합니다. 하지만 별의 일주 운동으로 별의 위치가 계속변하기 때문에 경위대식망원경으로, 별의 위치를 추적하기에는 어려움이 많습니다.
반면 적도의식망원경은, 적경축과 적위축을 이용하여 움직이는데, 적경축을 천구의 북극방향으로 지구의 자전축과 정확히 일치시켜 놓으면 항성 추적 장치를 이용해 별을 추적할 수 있습니다. 항성 추적 장치는, 별의 일주 운동 속도와 같은 속도로 망원경을 회전시키기 때문에 별을 계속 추적하면서 육안관측이나 사진촬영을 할 때 적합한 망원경입니다.
지금까지 우리는, 망원경의 다양한 종류와 원리, 그리고 종류별 장단점에 대해 알아봤습니다. 그럼, 이제부터 망원경이 어떤 성능을 가지고 있기에 밤하늘의 재밌고 흥미로운 천체의모습을 우리에게 자세히 보여주고 있는지 알아볼까요? 망원경은 사람의 눈에 비해 더 많은 빛을 모으는 광학기기입니다. 그리고 이 집광력 때문에 맨눈으로는 볼 수 없는 희미한 천체들을 우리가 망원경을 통해 볼 수 있게 되는 거죠. 즉, 망원경을 통해서 천체를 보게 되면 사람 눈에 비해 집광력, 분해능, 그리고 배율이 더욱 높아 먼 곳의 어두운 물체를 더욱 크고 선명하게 볼 수 있도록 도와줍니다. 집광력, 배율, 분해능..다소 어렵게 들린다고요?
-인터뷰-
그리고 배율은, 망원경을 통해 본 대상의 크기와 맨눈으로 본 상의 크기의 비를 말합니다. 그렇다면 망원경의 배율이 높고 낮음은 어떤 차이가 있는 걸까요?
-인터뷰-
마지막으로 망원경이 가지고 있는 분해능이란, 서로 떨어져 있는 두 물체를 서로 구분 할 수 있는 능력을 말하는데, 이는 인접한 두 물체를 각각 구별할 수 있는 각거리를 뜻하기도 합니다. 망원경의 분해능이 낮을 때에는 가까운 두 별이 하나로 겹쳐 보이거나 달이나 행성의 표면이 또렷하지 않고 흐리게 보이는데, 분해능을 좋게 하는 방법은, 구경을 크게 하는 방법이 있습니다. 망원경의 구경이 클수록, 회절효과가 적어서 분해능이 좋아지는 것이죠. 이렇듯, 결국 망원경의 성능을 높이는 것은, 망원경의 크기에 달려 있다는 것을 우리는 짐작할 수 있습니다.
자, 이제 망원경에 대한 궁금증이 조금 풀리셨나요? 그동안 망원경을 사용이 어렵고 전문가들만 사용하는 어려운 광학기기로만 생각해 왔다면, 이제 망원경에 대한 여러분의 오해가 싹 풀렸을 거라 기대합니다. 이제, 망원경을 통해 밤하늘을 올려다보면서 별과 달을 관측해보고, 우주에 대한 호기심을 조금씩 풀어 나가보는 건 어떨까요?
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2017-02-28
천문대2
우리 민족은 예로부터 하늘을 보고 세상 만사와 연결지어 생활하였다고 합니다. 그럼 이러한 천문활동을 언제부터 했을까요?
우리민족이 처음 천문활동을 시작한 곳으로 강화도의 마니산 참성단이 알려져 있습니다.
고대 사회에서는 하늘에 지내는 제사를 매우 중요시 여겼죠. 이것을 이른바 제천의식이라고 하는데, 세종실록지리지에는 “강화도 마니산에 돌로 쌓아 지은 참성단은 단군할아버지가 하늘에 제사를 지낸 석단”이라고 하였습니다.
세종실록지리지에 보이는 것처럼 고대사회에서 제천의식은 매우 중요한 행사인 동시에, 그 제사를 지내는 곳이 바로 천문 활동의 근거지가 되기도 했습니다.
-인터뷰-
마니산 참성단은 어떻게 생겼을까요? 처음 천문 활동을 시작한 이 마니산 참성단은 한쪽 길이가 약 6m인 정방향의 돌로 쌓여 마니산 봉우리에 위치하고 있는데요. 참성단을 위에서 내려다보면 ‘하늘은 둥글고 땅은 네모나다’는 고대 하늘에 대한 우리 선조들의 인식을 그대로 보여주는 구조인 것을 확인할 수 있습니다.
마니산 참성대와 같이 신라에는 경주 첨성대가 있었습니다. 이것은 현재에도 남아있는 것으로, 오늘날의 천문대와 같은 거지요.
경주의 신라 첨성대는 현재까지 남아있는 세계에서 가장 오래된 천문대인데요. 신라 선덕여왕 때에 축조되었다고 합니다.
-인터뷰-
그렇다면, 경주의 첨성대는 어떤 구조로 이루어져 있을까요? 첨성대는 2단 기단 높이로 12개의 판석이 4각형을 이루고 있습니다. 몸통은 기단에서 높이 약 8m까지 유리병 모양을 하고 있는데요. 밑 부분이 굵고 위로 올라가면서 가늘어지는 아주 독특한 모양이죠.
첨성대의 몸통에는 365개의 돌이 사용되었고, 두께는 거의 같지만 길이는 약간씩 다르다고 합니다. 밖으로 노출된 부분은 둘레 곡률로 다듬어 있고요. 한 꼭대기 부분은 눕혀 놓은 긴 돌이 2단으로 겹쳐져 있어 서로 벌어지지 않게 했고 몸통의 돌들이 흩어지지 않게 무겁게 누르면서 정자 모양을 하고 있습니다.
신라의 첨성대 외에도 삼국시대에는 고구려 평양성에도 첨성대가 있었고 백제에도 있었을 것입니다. 그리고 고려에도 첨성대가 존재하였는데요. 현재는 개성에 고려 첨성대의 일부만 남아있습니다.
시간이 흘러 조선 시대에는 궁중 천문대와 지역 천문대라 하여, 천문대가 여러 곳에 산재했습니다. 궁중 천문대는 간의대와 창덕궁의 관천대로 하늘 현상을 관찰했고, 지역 천문대는 서울 외곽이나 지방에 위치하여 일식이나, 월식, 혜성 출현 시 임시로 사용되었다고 합니다.
궁중 천문대에 속하는 간의대는 세종시대에 경복궁 안 경회루 북쪽에 세워진 천문대인데요. 무려 약 9m의 큰 규모를 가지고 있던 이 간의대 주변에는 혼의, 혼상, 규표 등 여러 가지 천문관측기기가 설치되어 있었지만, 안타깝게도 임진왜란 때 천문관측기기가 사라지고 지금은 남아 있지 않습니다.
간의대는 파괴되어 볼 수 없지만 다행이도 관천대는 아직까지 그 모습을 확인할 수 있는데요. 세종 때, 간의대와 같은 시기에 만들어진 관천대는 불에 소실되었었지만, 1688년에 복원하여 현재는 창덕궁 옆 현대 건설 사옥 앞에 옮겨져 있습니다.
지금까지 고대 천문대에 대해 살펴봤는데요. 이러한 옛날 천문대는 밤하늘 전체를 살피면서 주로 별의 전반적인 현상을 관측하였기 때문에 사실 높은 산에 위치할 필요가 없었습니다. 사방이 탁 트인 곳이라면 어디든 관측이 가능했으니까요. 하지만, 현대에 와서는 상황이 달라졌습니다. 별의 운동이나 별빛의 변화, 육안으로 보이지 않는 별까지 연구하고 있기 때문인데요. 그렇기 때문에 성능이 좋은 망원경이 필요하게 되었고 전깃불 등의 영향을 받지 않는 높은 산에 천문대를 짓기 시작한 것 이죠.
현재는 고도의 과학기술 발달로 이런 요구 조건들을 모두 갖출 수 있게 되었습니다. 그렇다면 현재 우리나라에서 운영되고 있는 천문대는 어떤 것들이 있는지.. 한번 살펴볼까요?
현재 우리나라에 있는 수 많은 천문대 중에서 한국천문연구원에서 운영하고 있는 천문대는 보현산 천문대, 소백산 천문대, 미국 아리조나주에 위치한 레몬산 천문대, KVN 등 입니다.
그렇다면 이런 천문대 중 우리나라 천문 연구의 중심지는 어디일까요? 바로 1996년 4월 경북 영천에 세워진 보현산 천문대입니다. 이곳에서는 항성과 성단 측광 연구, 은하의 형성과 진화에 관한 관측 연구도 활발하고요. 산개성단 측광과 성단 내 변광성 탐사 연구와 항성, 성간 물질과 은하 형성 연구, 소행성과 퀘이사 탐사 및 외계 행성 탐색 연구와 미소중력 렌즈 연구까지! 참으로 많은 연구와 탐색들이 이뤄지고 있습니다.
보현산 천문대가 국내 광학 천문 관측의 중심지로서 이런 활발한 활동을 할 수 있었던 이유는 무엇일까요? 바로 보현산 천문대에는 여러 가지 망원경이 설치되어있기 때문입니다. 우리나라에 가장 큰 1.8m 망원경 역시 이곳에 설치되어있죠.
-인터뷰-
이 1.8m 망원경에 사용되는 영상 관측 장비는 어떤 것들이 있을까요? 주로 사용되는 장비는 2K CCD 카메라인데요. 이 카메라는 1995년부터 1997년까지 3년에 걸쳐 개발 되었습니다. 그리하여 1997년 11월부터 현재까지 1.8m 망원경의 주력 관측기기로 사용되고 있죠.
이 외에도 지상 망원경용 극 적외선 카메라 시스템으로 한국 천문연구원에서 개발한 것들이 있는데요. 2004년 개발 사업을 시작하여 3년에 걸친 작업 끝에 시스템 제작을 마무리, 보현산 천문대 1.8m 망원경에 부착한 KASINICS와 태양 플레어 망원경입니다. 태양 플레어 망원경은 직경 20cm 두 대, 15cm 두 대와 가이드 망원경으로 구성되어 있으며, 각 망원경의 광학기기들은 경통 내부의 광학 레일위에 설치되어 있습니다.
보현산 천문대가 세워지기 이전에 이미 세워진 천문대가 있었습니다. 바로 소백산 국립공원 내에 위치한 소백산 천문대인데요. 이 천문대에서는 식쌍성의 광도 곡선 해석을 통한 온도 및 질량 등 물리적인 인자 도출과 맥동 변광성 연구, 산개 성단과 구상 성단 내의 변광성 연구, 혜성, 신성과 같은 신 천체의 영상 획득에 주력하고 있습니다.
이러한 연구를 위해 소백산 천문대에는 Boller & Chivens 24인치 반사망원경을 설치했는데요. 주경이 61cm, 부경이 18cm의 유효직경을 가지며 관측시야가 1도 정도인 적도의식 마운트 형식으로, 컴퓨터 제어 및 핸드 패들로 구동됩니다.
그 외에도 소백산 천문대에는 대형쌍안경(Fujinon 150mm)과 150mm 굴절망원경(Takahashi 150mm)을 비롯 헤 다양한 관측기기를 보유하고 있죠.
한국천문연구원에서 운영하는 천문대는 미국에도 위치합니다. 미국 아리조나주에 위치한 레몬산 천문대에 가면 2001년 말에 한국천문연구원에서 설치한 1m 광학 망원경을 볼 수 있는데요. 우리는 그 곳에 가지 않더라도 컴퓨터를 이용한 원격조정으로 1m 광학 망원경으로부터의 관측을 활발히 진행하고 있습니다.
그렇다면 왜, 우리의 천문대가 미국에까지 설치가 되었을까요? 해발 2,776m에 위치한 아리조나주의 레몬산 천문대는 측광 가능한 날이 약 200일/년 이상이라고 합니다. 국내에 비해 관측 여건이 매우 좋은 곳이기 때문에 양질의 측광 관측 자료를 획득할 수 있을 것이라는 기대를 갖고 설치한 것 이죠.
이 외에도 천문대와 관련하여 한국 천문연구원에서는 2001년부터 한국우주전파관측망(KVN) 사업을 추진 중에 있는데요. 국내 최대 학연사업으로 꼽히는 이 한국우주전파관측망은 서울, 울산, 제주 3개의 지역에 21m 전파망원경을 각각 설치하여 동시에 관측할 수 있도록 하는 것으로써 현재 마무리 단계에 있다고 합니다. 한국우주전파관측망을 통하면 지름 480km의 망원경으로 우주를 관측하는 것과 맞먹는 효과를 얻을 수 있는데요. 망원경의 크기가 커지면 더 넓은 범위의 우주를 보다 정밀하게 관찰할 수 있게 되기 때문에, 우주 구조에 대해 더 정밀한 파악이 가능할 것으로 기대되고 있죠.
-인터뷰-
한국우주전파관측망을 통해서 우리가 궁극적으로 알고자하는 것은, 외부은하 중심의 변화 가능한 지역의 관측도 물론 중요합니다만 무엇보다 천체까지의 거리라 할 수 있습니다. 천체까지의 거리를 알게 되면, 그 외의 질량, 크기 등 기본 성질들에 대한 정보를 파악할 수 있기 때문이죠.
한국 우주 전파 관측망 사업이 많은 이들의 이목을 집중시키는 또 다른 이유가 있습니다.
-인터뷰-
자, 지금까지 한국천문연구원에서 운영하고 있는 천문대와 현재 우리나라의 천문학의 상황에 대해 알아보았습니다. 현재까지 꾸준하게 기술적 발전을 하고 있는 한국의 천문학. 그렇다면 한국천문연구원에서는 한국 천문대의 기술적 발전과 세계적 입지를 위해 어떤 노력들을 하고 있을까요?
한국 천문 계 미래를 위한 준비. 그것은 현재 천문연구원에서는 참여하고 있는 거대마젤란망원경(GMT) 사업으로 대답할 수 있습니다.
이 거대마젤란망원경(GMT) 사업에서 우리나라는 2차 반사경인 부경을 제작하게 되는데요, 이 2차 반사경은 1차 반사경인 지름 8.4m짜리 주경 7장이 모은 빛을 다시 초점에 모아주는 구실하게 됩니다. 그리고 망원경이 완공되면 우리나라도 1년에 한 달 가량 이를 이용할 수 있게 되기 때문에 앞으로 한국의 천문대 및 망원경을 이용한 연구가 더욱 활발히 진행될 것으로 기대됩니다.
천문대의 역사와 현재 운영 중인 천문대, 그리고 앞으로 우리나라의 천문대의 활용 가능성까지.. 우리나라 천문과학의 흐름을 한눈에 볼 수 있는 기회가 되었나요?
한가로운 휴일, 좀 더 특별한 추억을 만들고 싶다면 가족들과 함께 경주에 있는 첨성대로 나들이 어떨까요? 세계에서 가장 오래된 천문대를 멀리 가지 않아도 볼 수 있다는 것, 우리에겐 참 행운이 아닐까... 싶습니다.
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2017-02-28
천문대1
17세기 초 한스 리퍼셰라는 네덜란드 안경제조공은 아주 우연한 기회에 렌즈두개를 가지고 장난을 치다가 물건이 확대되어 보이는 것을 발견하게 됩니다. 이것이 현존하는 가장 오래된 문헌에 나오는 망원경의 탄생이야기인데요.
그렇다면 망원경이 발명되기 이전 사람들은 하늘을 어떻게 관찰했을까요? 그 이전에는 맨눈으로 하늘을 바라보는 것 만이 유일했습니다.
망원경의 발명은 천문학의 모든 것을 바꾸어 놓았다 해도 과언이 아닌데요. 이번 시간에는 관측기기의 역사와 세계 천문대, 우주 망원경에 대해 알아보겠습니다.
망원경 발명이후 처음으로 갈릴레오 갈릴레이가 망원경을 밤하늘의 연구를 위해 하늘을 관찰하는 수단으로 사용하기 시작했죠. 그리고 지금까지의 우주에 대한 대부분의 생각은 틀렸다는 것을 증명하게 됩니다.
-인터뷰-
갈릴레이가 썼던 망원경은 오늘날 굴절 망원경에 속하는 데요. 보이는 그림처럼 굴절망원경은 이러한 구조로 되어 있습니다. 그렇다면 굴절망원경은 어떤 원리로 물체가 크게 보이는 것일까요? 먼저 빛이 앞부분의 대물렌즈를 통해 들어와서 렌즈에 의해 한 점으로 모아 지는데요. 그 빛은 망원경 끝부분의 접안렌즈를 통해 우리의 눈으로 들어오게 되고, 이때 피사체가 확대 되어 보이는 것입니다.
그런데 이 굴절 망원경에는 한 가지 문제점이 있었습니다. 굴절 망원경의 대물렌즈는 볼록렌즈로 되어 있는데 볼록렌즈로 빛을 모으는 과정에서 색수차가 생기기 때문이죠. 빛은 파장별로 굴절률이 다른데 그림에서처럼 보라색은 심하게 굴절되고 빨강색은 굴절이 덜되어 초점의 위치가 다르게 되는데요. 이에 따라 대상의 주변에 무지갯빛 후광이 맺히는 것을 바로 색수차라 말하는 것이죠. 즉 대상 주변에 붉은색이나 푸른색 등의 색으로 뿌옇게 보이게 되는 겁니다. 이러한 문제점은 뉴턴의 반사망원경이 나오면서 해결 됩니다.
반사망원경을 처음으로 만든 사람은 뉴턴이 아닌 니콜로 주키라는 학자입니다. 그 후 뉴턴이 색수차의 문제점을 해결하여 반사망원경을 다시 만든 것 이죠. 뉴턴의 반사망원경 원리는 이렇습니다. 빛이 망원경 안으로 들어와 오목거울을 만나서 모아 지게 되고 이를 거울로 반사시켜 접안렌즈를 통해 우리의 눈까지 이르게 하는 것 이죠. 뉴턴이 만든 이 첫 번째 반사망원경은 경통길이가 15cm에 불과하였지만 놀랍게도 약 40배의 배율을 가지고 있어 당시의 경통길이가 2m굴절망원경 이상의 성능을 갖고 있었다고 합니다.
뉴턴의 15cm 반사 망원경이 만들어 진 후 얼마 뒤, 18세기 후반, 당시 세상에서 가장 큰 반사망원경이 제작됩니다. 독일에서 태어난 윌리엄 허셀에 의해 제작된 이 망원경은 크기가 너무 커서 이를 조작하는데 많은 사람을 필요했다고 해요. 우주에 관심이 많았던 허셜은 대형 망원경 뿐 아니라 천문학 분야에 많은 업적을 남겼습니다.
-인터뷰-
그렇다면 허셜이 만든 이런 큰 망원경처럼 커다란 망원경들은 어떤 것들이 있을까요? 세계에서 가장 큰 굴절망원경은 바로 1800년대 말 미국 여키스 천문대에 설치되어 있는데요. 이 굴절망원경은 경통길이만 18m, 렌즈의 지름은 무려 1m나 된다고 하네요.
예전에는 없던 이 큰 굴절 망원경 덕분에 천문학자들은 그동안 하지 못했던 많은 연구들을 할 수 있었답니다.
-인터뷰-
세계에서 가장 큰 굴절 망원경이 설치되면서 많은 연구들이 이뤄졌지만, 그 크기만으로 굴절 망원경의 성능을 높이는 것은 한계가 있었다고 해요. 굴절망원경은 별빛이 렌즈를 투과해야 하기 때문에 렌즈의 지지대를 렌즈가장자리에 설치할 수밖에 없는데요. 이때 렌즈가 지나치게 커지면 너무 무거워져서 그 지지대로는 버틸 수가 없었던 것 이죠.
그래서 생각해 낸 것이 반사 망원경의 크기를 늘리는 것이었습니다. 반사망원경의 주경은 뒷면에서 지지 할 수 있어서 훨씬 크게 만들 수 있기 때문인데요. 그리하여 더욱 거대망원경이 탄생이 된 것 이죠. 현재 대부분의 대형광학망원경은 반사망원경에 속한다고 합니다. 거대한 반사망원경중 하나인 후커 망원경은 1917년 제작되었으며 이후 30여년동안 우주팽창설과 빅뱅 우주론의 기초가 되는 획기적인 공헌을 하였습니다.
그리고 사진술의 발달로 인간은 눈으로만 봐 오던 하늘을 자세히 보게 되었습니다. 어떻게 볼 수 있냐고요? 별빛을 후커 망원경에 설치된 사진건판에 몇 시간동안 모으면 눈으로는 볼 수 없었던 세부구조가 드러나는 것이죠. 이렇게 눈을 대신해 사진건판이 활용되었고, 이후 사진건판보다 뛰어난 CCD를 발명하여 현재 사용하고 있습니다.
이처럼 우주에 대한 호기심으로 성능이 좋은 여러 가지 대형 망원경들이 발명되었고, 더불어 세계 곳곳에서 많은 천문대가 설립되었답니다.
지금까지 굴절망원경, 그리고 반사망원경에 대해 알아봤는데요. 이번에 소개할 전파 망원경을 알기 위해서는 적외선, 자외선, 가시광선 등 우주의 전자기파에 대하 먼저 알아 두는 것이 좋습니다. 우주는 모든 파장 대역에서 전자기파를 방출하는데요. 하지만 인간이 볼 수 있는 전자기파는 가시광선만으로 극히 일부분에 지나지 않습니다.
그런데 아주 우연히 라디오 전파에서 우주에서 온 약한 전파를 발견하게 되는데요. 이를 계기로 천문학자들은 전파 망원경을 개발하게 되었고, 이로서 우리는 보이지 않는 것들을 볼 수 있게 되었습니다.
그렇다면 전파 망원경으로 우리는 어떤 것들을 볼 수 있게 되었을 까요?
-인터뷰-
이렇게 신기하고 놀라운 전파 망원경. 어딜 가야 볼 수 있을까요? 세계에는 많은 전파 망원경들이 있습니다. 웨스터보르크 전파 간섭계, 오스트레일리아 CSIRO의 ATCA, 뉴멕시코의 VLA안테나, 그리고 2014년에 완공 예정인 ALMA. 특히 이 천문대는 완성된다면 해발5000m에 위치해서, 런던만큼의 넓은 영역에 펼쳐져 세계에서 가장 높은 곳에 건설된 가장 큰 천문대가 될 것이라고 하니 기대해도 되겠죠?
그렇다면, 지상까지 내려오는 전자기파는 전파뿐일까요? 적외선 또한 일부분이지만 대기의 하층부분까지 내려와 건조한 기후의 고지대에서 관측이 이루어진다고 합니다.
적외선 관측은 매우 멀리 떨어진 은하를 관측할 때에 적합한데요. 그 이유는 파장이 길어 차가운 먼지구름을 잘 통과하기 때문이랍니다. 이러한 은하의 어린 별들은 자외선 영역에서 빛이 납니다. 하지만 팽창하는 우주에서 빠른 속도로 멀어지므로 도플러 효과에 의해 파장이 긴 쪽으로 이동해 적외선 영역에서 관측됩니다.
이렇게 전파나, 적외선처럼 지상까지 내려오는 전자기파도 있지만 지구에는 보호막 역할을 하는 대기가 있어서, 감마선을 포함한 몇몇 전자기파는 지상까지 도달할 수 없다고 해요. 이러한 해결책으로 최대한 높은 곳에 망원경을 설치하기도 하지만 산의 높이로도 한계가 있습니다.
그래서 결국 천문학자들은 결심하게 되죠. 우주로 망원경을 올려 보내기로 말입니다. 그리고 비로소 우주 망원경의 시대가 열리게 됩니다.
-인터뷰-
천문학 전 분야에 걸쳐 허블은 큰 혁명을 가져옵니다. 저기 아름다운 우주사진이 보이나요? 이것은 <허블 울트라 딥 필드> 라는 현재까지 제일 먼 우주를 찍은 가장 훌륭한 사진으로 평가되는 이미지라고 합니다. 허블 망원경이 혁명이라 불리는 이유는 이처럼 제일 먼 우주를 찍기도 했지만 여러 가지 다양한 관측을 가능하게 했기 때문이죠.
-인터뷰-
허블 망원경이 이룬 업적들이 굉장히 많죠? 이런 허블 망원경 말고도 많은 우주망원경이 있습니다. 그 중 적외선 허블망원경이라 불리는 스피처 우주망원경은 지금까지 발사된 가장 민감한 적외선 기기입니다. 그 이유는 우주의 먼지뿐 아니라, 행성상 성운과 초신성 잔해가 먼지 입자들로 가득하다는 사실을 발견했기 때문인데요. 심지어 거대 블랙홀의 강력한 폭풍을 따라 회전하는 먼지도 발견하고, 분광기를 이용해 우주 먼지의 화학 및 광물학적인 구조를 알아낼 수 있다고 하니, 가장 민감한 적외선 기기라 할 수 있겠죠?
그리고 나사의 찬드라 엑스선 우주망원경과, 유럽우주국의 XMM-뉴턴 우주망원경은 우주에서 가장 뜨거운 지역을 지켜보고 있다고 해요. 이들 망원경은 블랙홀로 빨려 들어가는 기체는 엑스선을 방출하고 이를 관측하여 블랙홀의 존재를 밝혀내기도 했죠.
우주에는 과학위성자체가 망원경 역할을 하는 것도 있는데요. 바로 WMAP이 그중 하나이죠. WMAP은 우주의 사진을 찍는 위성으로 현재까지도 활동을 하고 있는데요. WMAP은 상세한 우주 배경복사 지도를 완성하여 우주 초기, 무려 약 137억 년 전에 대해 많은 자료를 제공하였습니다.
현재 우리는 우주에 대해 아주 많은 것을 알아냈고 아직도 알아가고 있는 단계입니다. 하지만 그렇게 많은 부분을 알아내고도 아직 탐험의 초기 단계에 있는데요. 그만큼 우주는 우리가 상상하지 못할 만큼 거대하기 때문이죠.
망원경의 발달과 함께 좀 더 가까워진 우주. 거대한 우주, 우주를 향한 끝임 없는 욕구와 호기심이 있는 한 앞으로의 천문학은 무한히 발전할 것입니다.
13
2017-02-28
한국의 전통천문학
우리는 지금 언제 어디서나 날짜와 시간을 확인할 수 있습니다. 하루에도 몇 번씩 시간과 날짜를 확인하고, 상대방에게 스스럼없이 물어보는 것을 보면 우리가 얼마나 편리하게 시간과 날짜를 알 수 있게 되었는지를 느낄 수 있죠.
지금은 발달된 디지털 기술로 손쉽게 날짜와 시간을 알 수 있게 되었지만, 과학과 기술이 발달되기 이전 고대 사람들은 어떻게 시간의 경과를 알 수 있었을 까요?
요즘같이 흔한 디지털 기기는 물론이고 전기불도 없었던 고대문명시절에도 아침과 밤은 존재했고 그에 따른 시간의 경과 또한 느낄 수 있었을 것입니다. 농경사회였던 고대에는 한 해의 농사일을 위해서라도 날짜의 계산이 반드시 필요했다는데요. 이때, 사람들이 시간의 경과를 알기 위해 천체를 측정하고 연구한 것이 바로 역법입니다.
-인터뷰-
이러한 역은 전통적으로 여러 기능이 있었지만, 역의 기능 중 가장 중요한 것은 장기간에 걸쳐 시간을 따라 가면서 사람들이 계절의 순환을 예측할 수 있도록 천체운동의 법칙을 찾아내어 달력을 만든다는 것입니다.
그렇다면 역법의 자연적 단위는 무엇일 까요? 역의 자연적 단위는 지구의 자전주기에 근거한 하루, 달의 공전 주기에 근거한 달, 그리고 지구의 공전주기에 근거한 일 년 등입니다. 현재의 정의에 따르면 달의 위성이 한 번에 완전히 순환하는데 걸리는 주기를 삭망월이라 부르는데, 이는 29.5306일이고, 회귀년이라 불리는 지구의 기본적 공전 주기는 365.2422일이라고 합니다.
하지만 고대에는 특별히 정의된 기준이 없었습니다. 그래서 1년의 길이를 얼마로 하느냐에 따라 조금씩 차이가 생겼고, 지역별로 다양한 방법으로 역을 다뤄 여러 가지 역법이 생겼던 것 이죠.
-인터뷰-
그렇다면 우리가 지금 공통적으로 사용하고 있는 양력은 어디서부터 시작되었을까요? 현재의 역법은, 최소한 기원전 8세기부터 날짜를 매긴 것으로 보이는 서양역인 그리스 역에서 연유되었는데요. 이 역으로부터 태양력 중 하나인 율리우스 역이 나왔다고 합니다. 율리우스 역이 도입되면서 역법에 있어 큰 진전을 보였죠.
하지만 율리우스 역의 평균 년이 실제 값 365.2422일과 약 11분의 차이가 나서 이것이 수 세기에 걸쳐 누적되면 상당한 오차가 발생한다는 문제가 있었습니다. 그래서 당시 교황 그레고리 13세는 더 나은 역의 개정에 대한 필요성을 느끼게 되었고 그 후 교황의 이름을 딴 그레고리력이 도입되게 됩니다.
이 역도 평균 길이가 365.2425 평균 태양일이기 때문에 3300년의 기간 동안 하루 정도의 오차가 발생하는 등의 결함이 있어 400년간에 97회의 윤년을 두는 새로운 치윤법을 정하였습니다. 이것은 4로 나누어지는 해는 윤년으로 하고 그 중에서 100으로 나누어지는 해는 평년으로 하되, 400으로 나눠지는 해 만은 윤년으로 둔다는 것입니다.
현재 전 세계가 공통으로 사용하고 있는 태양력인 이 그레고리력은 우리나라에서도 1895년 고종 황제 때 채택하여 사용하고 있습니다.
-인터뷰-
지금까지 역법과 우리가 현재 사용하고 있는 그레고리 역에 대해 알아봤습니다. 정밀한 달력을 만들기 위해 사람들은 과거 천체를 정확히 측정 할 수 있는 관측기기를 만들어 왔습니다. 그것을 우리는 천문 의기라고 부르는데요. 그 용도에 따라 시간을 측정하는 것 외에 천체의 위치 측정용 의기와 구면을 측정하거나 하늘의 모습을 표현하는 의기로 구분 할 수 있습니다.
달력을 만들기 위한 꾸준한 관측과 노력은 세종시대에 이르러 그 결실을 맺게 됩니다. 바로 ‘칠정산’이라는 독자적 역법을 만들게 되는데요, 이러한 역법 계산은 여러 천문의기의 제작과 꾸준한 관측의 결과였던 것입니다. 세종 때 제작된 관측기로는 천체의 위치 측정을 위하여 제작한 혼천의와 혼상, 간의, 일성정시의를 비롯해, 낮 시간과 밤 시간을 측정하기 위해 만든 4종의 해시계와 물시계 등이 있죠.
인류 역사상 가장 먼저 제작된 천문 관측용 측정기기는 그림자의 길이를 측정하는 긴 막대기 모양의 규표이지만, 우리에게 가장 익숙한 기기는 아마도 조선시대에 만들어진 국보 230호 혼천시계에 붙어있는 혼천의 일 것입니다. (한국천문학사 p.108, p.l14)
혼천의는 동양의 전통천체관측기기로 세개의 고리로 이루어져 있고, 가장안쪽의 사유환에는 천체를 관측하는 규형이 설치 되어있습니다. 바깥쪽에는 적도, 황도, 백도를 나타내는 삼신의가 설치되어 있으며, 삼신의의 바깥에는 가로와 세로로 혼천의를 받쳐주는 육합의가 놓여 이를 네개의 받침대로 받쳐져 있습니다. 이러한 혼천의는 천체가 회전하는 모양에 따라 움직이는 구조로 되어 있습니다.
-인터뷰-
혼천의는 비록 중국에서 처음 만들어진 천문기기 이지만 혼천시계는 여기에 전자식 자동시보 시계를 결합한 과학유물이기 때문에 세계에 당당히 자랑할 만한 우리나라의 과학발명품이라 할 수 있는 것입니다.
그리고 세종시대에 만들어진 조선시대 대표적 천체관측 기구 중 하나인 간의는 천체의 위치를 측정하던 기구이며, 혼천의를 간단히 한 것으로 크게 지평경위의와 적도경위의 부분으로 나누게 됩니다. 지평경위의는 고도와 방위각으로 측정하며 적도경위의는 천체의 회전에 따라 움직이도록 되어 있으며, 천체의 위치는 바닥과 사유환에 새겨진 눈금으로 확인 하게 됩니다..
-인터뷰-
소간의는 조선시대 천문대인 관천대에 설치된 조선시대 천문관측기기로, 세종 16년에 간의를 더욱 작게 하여 독창적으로 고안하였습니다. 밑받침 위에 적도환과 백각환, 사유환을 하나로 꿰어서 기둥에 연결하였고, 이를 비스듬히 기울려 설치하면 적도경위의와 유사하게 사용할 수 있습니다. 사유환 내에는 규형이 있어 이를 통해 별을 관측할 수 있으며, 세환을 곧게 세우면 지평경위의와 유사합니다.
특히나 많은 역사유물 중 간의와 소간의가 없어진 것이 안타까운 이유는, 지금도 사용할 수 있을 정도로 정밀한 관측기기이기 때문인데요. 다행히도 세종 시대의 천문의기를 복원, 제작하려는 연구가 계속되어 대전에 있는 한국천문연구원의 앞마당에 간의와 소간의 등의 여러 천문의기가 복원되어 전시되어 있습니다.
-인터뷰-
세종 19년에 창제된 일성정시의는 해시계와 별시계의 기능을 가진 천문시계입니다. 이 구조를 보면 밑받침위에 용이 있고 용이 바퀴자루를 물고 있으며, 바퀴 중심의 구멍은 정극환을 통해 북극을 맞출 수 있습니다. 또한 바퀴 위에는 정극환을 지지하는 계형이 있고, 그 아래 성구백각환, 일구백각환, 주천도분환이 나란히 놓여 있습니다.
그리고 세종시대에 만들어진 또 다른 천문기기에는 혼상이 있습니다. 실제 밤 하늘을 보면 둥근 하늘에 많은 별들이 놓여 있는 것처럼 보이는데 이러한 하늘의 모습을 둥근 구 위에 별자리를 새겨 놓은 것이 혼상입니다. 혼상의 별자리는 일반 천문도의 별자리와 달리 뒤집혀 새겨져 있으며, 혼상은 북극성 주변의 지구 회전축을 따라 회전하게 되어 있습니다.
일성정시의와 혼상의 발명과 함께 세종 시대의 과학의 특징 중 하나는 그 전까지 사용되었던 해시계와는 다른 원리와 형태를 갖춘 해시계의 발명입니다. 이때의 해시계는 크게 4가지로 나눌 수 있죠.
-인터뷰-
해시계중 가장 유명한 앙부일구는 둥근 하늘의 모습을 땅에 재현하여 만든 한국의 전통 천문시계입니다. 안쪽에는 해 그림자를 나타내는 영침이 설치되어 있는데 이 영침은 관측자의 위치에 따라 놓여 지며 해의 방향에 따라 바닥에 그림자가 비춰집니다. 바닥에는 시반면이 있는데 그림자의 위치에 따라 계절과 시간을 확인할 수 있습니다. 이러한 앙부일구는 우리나라 최초의 공중 해시계로 세종때 혜정교와 종묘 근처에 놓여 있었습니다.
해시계 외에도 세종 시대의 물시계는 빼놓을 수 없는 기기 중 하나입니다. 자격루는 장영실이 만든 스스로 치는 물시계인데요. 이 물시계는 자동시보장치가 붙어 있어서 때가 되면 그 시간을 알리는 인형이 나타나서 종과 징과 북을 치는, 조선의 독창적 방식을 하고 있죠.
-인터뷰-
조선중기이후 서양천문학이 들어오면서 제작된 신법지평일구는 평면으로 된 해시계입니다. 바닥에는 시각과 절기를 새겨놓았으며 삼각형 모양의 영침이 새워져 있고, 영침의 가운데에는 홈이 있는데 홈의 그림자가 드리워진 위치를 읽어 시각과 계절을 알 수 있습니다.
고대의 사람들은 하늘의 천체를 관측하고 이들의 위치와 모양을 나름대로의 방식으로 기록하여 남겼는데, 이것이 바로 천문도입니다. 그 중 우리나라에서 자랑할만한 것으로 조선 태조4년인 1395년에 만든 천상열차분야지도가 있죠.
천상열차분야지도는 돌에 새겨놓은 천문도로 현재 국보 228호와 보물 837호로 지정되어 있습니다. 이 국보 석각 천문도에는 앞, 뒷면에 별이 새겨져 있는데 천문도 위쪽에는 24절기의 별의 위치를 설명한 혼효중성도가 새겨져 있습니다. 이 천문도에는 모두 1,467개의 별이 새겨져 있는데 이들은 우리나라 밤하늘에 볼 수 있는 모든 별을 새긴 것이며, 특징적인 것은 별의 크기를 달리해 새겨놓은 점을 볼 수 있습니다. 그리고 이 천상열차분야지도 아래쪽에는 이 천문도가 고구려에서 유래하였음을 적고 있습니다.
이 천상열차분야지도를 올바르게 이해하기 위해서는 엄청나게 많은 수학과 과학 지식이 필요합니다. 이때의 지식은 그 당시 사람들이 이해하고 인식했던 지식체계를 바탕으로 한 지식으로, 현재의 지식체계의 수준과의 정확한 비교는 어렵습니다.
하지만 천문학에 대한 기본적인 진리는 동일하기 때문에 천상열차분야지도를 비롯한 많은 천문도와 천문기기 제작에 있어 실로 대단한 과학적 지식 등이 사용됐다는 사실은 의심할 여지가 없을 것입니다.
별이나 달의 움직임과 위치에 따른 계절이 변하는 것은 고대인들에게 새로운 희망을 주었습니다. 별의 움직임은 농사를 짓기 위한 계절뿐 아니라 인간 세상에 미래를 읽을 수 있는 희망이 되어 준 것이죠. 우주를 향한 끝임 없는 관심, 좀 더 나은 세상을 향한 고대인들의 노력이었습니다.
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2017-02-28
여러분은 천문학자.. 하면 어떤 일을 하는 사람이라고 생각하나요?
-인터뷰-
물론, 여러분이 생각하는 것처럼 별들의 움직임을 관찰하기도 하지만 천문학자가 별만을 연구하는 것은 아닙니다.
예로부터 “왕의 학문”이라 불리던 천문학은, 삼국시대부터 조선시대까지 무려 2000년 이상, 하늘을 관측하며 기록하는 일을 담당해 왔습니다.
여러분이 잘 아시는 삼국사기, 고려사, 조선왕조실록 등을 보면, 일식과 월식, 태양의 흑점 유성과 유성우 등에 대한 기록이 남아있죠.
이러한 고대의 기록들을 분석하고, 현대 관측자료를 이용해 과거의 천문현상에 대해 연구하는 일을 바로 천문학자들이 하고 있습니다.
또한 천문학자들은 과거, 하늘을 관측할 때 사용했던 천문기기들과 그동안 알려지지 않는 다양한 관측기기에 대해서도 분석하고 복원하는 일도 담당하고 있죠.
여러분이 생각했던 것보다 더 복잡하고 다양한 일을 하고 있는 것 같다고요?
자, 그럼 지금부터 천문학자들을 더 가까이에서 만나볼까요?
이곳은, 우리나라를 대표하는 국가 천문연구기관인 한국천문연구원입니다.
수많은 천문학자들이 이곳에서 우주에 대한 탐구를 펼치고 있죠.
먼저, 한국 전통 천문학 연구 및 천문기기를 복원시키고 있는 천문학자들과 만나볼까요?
-인터뷰-
우리가 사용하고 있는 달력과 시간을 바로 천문학자들이 관리하고 있다는 사실, 알고 있었나요?
과거의 천문학은 해와 달 등의 천체를 관측하여 정확한 달력과 시간을 측정해 국민들에게 농사에 필요한 적절한 시기를 알려주는 것이 주된 목적이었기 때문에 고대 천문학자들은 달력 만드는 일에 주력했던 것이 사실입니다.
고대 천문학자들이 그래왔듯이 이곳의 천문학자들도 한국의 표준달력을 만들고 있는 것이죠.
이곳에는 광학천문학을 연구하는 천문학자들이 있습니다. 우리 눈에 보이는 가시광선 영역을 가지고 우주를 관측하고 연구하는 사람들이죠.
우리나라는 광학천문학 연구를 위해 소백산, 보현산, 레몬산 천문대등을 운영하고 있습니다. 그렇다면, 이곳에서 천문자료들을 통해 과연 어떠한 연구를 하게 되는 걸까요?
예를 들어 가시광선영역으로 식쌍성을 관측해보면 이렇게 식쌍성의 밝기가 변화하는 것을 알 수 있습니다.
천문학자들은 이 같은 별의 밝기변화 그래프를 가지고 별의 온도나 질량 등의 물리적인 특성을 밝혀내는 것이죠.
또한, 보현산천문대에서 있는 우리나라 최대의 반사망원경을 통해서는 보다 세밀하고 깊은 천문연구가 가능한 관측 자료들을 얻고 있습니다.
한국천문연구원의 연구원들은, 보현산 천문대의 관측자료들을 통해 구상성단을 연구하고 있습니다.
구상성단을 관측해 HR도를 만들어서 구상성단의 나이나 그 특성을 알아내는 것이죠.
그리고 보현산 천문대에는 BOES라 불리는 특별한 관측기기가 있습니다. 고분산 분광기인 BOES는 최고의 성능을 자랑하며 외국 전문가들로부터 높은 평가를 얻기도 했죠.
더 놀라운 것은, 세계적으로 인정받은 이 관측기기를 바로, 우리나라 천문학자들이 직접 개발했다는 사실입니다.
이렇듯 천문학자들은, 우주를 관측하면서 천체들만 연구하는 것이 아니라 우주를 좀 더 과학적으로 연구할 수 있도록 도와주는 관측기기 개발에도 직접 참여하고 있습니다.
또한, 천문학자들은 전파망원경을 이용한 천체연구도 하고 있습니다.
1984년 대덕연구단지에 있는 한국천문연구원에 직경 14m의 전파망원경 설치를 추진하면서 우리나라의 천체 관측 영역이 가시광선에서 전파영역으로 확장되었습니다.
대덕전파천문대와 같은 전파천문대를 통해 현재 전파천문학자들은, 성간물질과 별 탄생 영역, 원시별과 만기형 별의 진화 연구, 은하 중심부 탐색은 물론 새로운 분자선 탐색과 같은 성간화학 등을 연구하고 있습니다.
최근 전파천문학 영역에서는 대덕전파천문대보다 더 정확하고 세밀한 자료를 얻기 위해 최첨단 우주 관측 시스템인 한국 우주 전파 관측망(KVN)을 구축했습니다.
-인터뷰-
한국 우주 전파 관측망(KVN) 시스템은, 전파를 받을 수 있는 안테나도 중요하지만, 받은 전파를 검출할 수 있는 수신기의 역할도 중요합니다. 이 한국 우주 전파 관측망(KVN) 수신기 역시 한국천문연구원의 연구원들이 자체 개발한 작품이죠.
이제 아시겠죠? 천문학자들은 별을 보고 우주를 연구하는 것이 아니라 보다 정확한 천체연구를 위해 이렇게 관측기기 개발에도 힘쓰고 있다는 사실을요.
하지만, 천문학자들의 이 같은 노력에도 불구하고 아직까지 우리나라의 망원경은 세계적인 망원경들보다 수준이 뒤쳐지기 때문에 끊임없는 연구개발이 필요하다고 할 수 있죠.
이렇듯 대형망원경 개발에 대한 필요성을 느낀 우리나라는 한국천문연구원을 주관으로 현재 25m급 반사망원경인 거대마젤란망원경 사업에 참여하고 있습니다.
미국, 호주의 여러 기관들과 함께 거대마젤란망원경 개발에 참여하고 있는 우리나라는 그중에서도 망원경의 부경과 적외선 분광기를 우리의 기술로 제작하기 위해 연구에 박차를 가하고 있습니다.
-인터뷰-
한국천문연구원은 우주에서 천체관측을 할 수 있도록 인공위성에 탑재할 우주망원경 개발에도 앞장서고 있습니다.
그 결과, 한국 천문연구원의 인공위성 탑재체 연구그룹은 지난 2003년, 최초의 국산 우주망원경인 FIMS 개발에 성공하게 됐죠.
그 외에도 인공위성 탑재체 연구 그룹은 고에너지 검출기와 적외선 관측기기 등의 개발은 물론, 새로운 검출기를 개발하기 위한 연구에도 매진하고 있습니다.
천문학자는 또 어떤 일을 할까요? 우리와 가장 가까운 별인 태양에 관한 연구도 바로 천문학자들이 하고 있습니다.
태양의 활동이 지구에 살고 있는 우리에게 많은 영향을 미치기 때문에 천문학자들은 태양플레어 망원경을 이용해 태양을 실시간 감시하고 있는 거죠.
한국천문연구원의 태양우주환경그룹은 태양플레어 망원경을 통해 관측한 자료를 가지고 지자기폭풍을 예보하고 있으며 우주환경 모니터링 시스템을 구축해 우주환경을 감시하기도 합니다.
그리고 일반인들에게는 조금 생소한 천문학 분야도 있습니다. 바로 우주측지라고 불리는 연구 분야죠.
“우주측지는 천문학 가운데 가장 역사가 오래된 분야 가운데 하나인 위치천문에서 시작되었습니다. 과거에는 천체를 관측해서 지상의 위치/시간, 지구의 크기를 결정했지만, 우주시대인 오늘날에는 천체와 함께 인공위성을 우주측지 기술로 관측해서 지구의 모양과 운동을 현존하는 기술 가운데 가장 정밀하게 측정할 수 있습니다. 대표적인 우주측지 기술로 차량 네비게이션으로 널리 알려진 GPS가 있습니다. 한국천문연구원은 우주측지 기반 지구관측 정보를 이용하여 좌표/시간 기준계를 결정/유지하고, 이를 지구과학, 측지/측량, 항법, 우주항공, 국방 등 다양한 응용분야에 활용하고 있습니다. 특히, 1년에 수 밀리미터 변형되는 지각판의 움직임을 감지하고, 대류층의 수증기량과 전리층의 총전자량 변화를 우주측지 기술로 감시할 수 있어 최근에는 다양한 자연재해 감시에 활용하는 연구도 수행하고 있습니다.”
한국천문연구원에는 국내 최초의 국제 GPS 기준점과 세계 네 번째 국제 GPS 데이터 센터를 운영하고 있습니다. 또한, 세계 두 번째 국제 VLBI 통합분석센터를 조만간 공식 운영할 예정입니다.
한국천문연구원은 향후 GPS, DORIS, VLBI, SLR, 중력측정시스템 등을 한 곳에 설치할 계획을 갖고 있습니다. 이를 통해 우주측지 개별기술간 단점을 상호 보완하는 세계 최고 수준의 우주측지 연구 인프라를 구축/운영하고 우주측지, 지구물리, 기상/기후, 해양, 극지 등의 연구 분야가 융합된 지구시스템 변화 감시로의 연구분야 확장을 꾀하고 있습니다.
이러한 연구인프라 및 연구역량을 바탕으로 국내외 우주측지연구분야를 선도할 계획입니다.
만약 지구에 소행성이나 혜성이 충돌을 하게 된다면 우리가 살고 있는 이 지구는 어떻게 될까요?
건물이 붕괴되기도 하고 인류의 목숨이 위험에 빠지기도 할 겁니다.
이 같은 위험에 대비하는 일도 바로 천문학자들이 하는 일이죠.
한국천문연구원의 우주감시체계 연구그룹은 지구에 접근할 가능성이 높은 천체를 선정해 주기적으로 감시하고 있죠.
어떻게 천체들을 감시하고 있냐고요? 바로, 0.5m급 로보틱 망원경 시스템을 개발해 보다 세밀하게 관측하고 있습니다. 이밖에도 우주감시체계 연구그룹은, 남아프리카공화국과 호주에 관측소를 건설하고, 무인원격제어 시스템을 이용해서 지구근접천체들을 감시하기도 하죠.
천문학자들은 이렇게 신비한 우주의 세계를 끊임없이 탐구하고 있습니다.
우주의 대부분을 차지하지만 그 정체가 완벽하게 밝혀지지 않은 우주공간의 암흑 물질과 암흑 에너지에 대한 연구도 지속하고 있죠. 그리고 우주 거대구조의 형성과 진화를 이해하기 위해서 일반상대론에 기반을 두고 우주구조의 선형, 비선형 이론 연구를 수행하고 있습니다.
이 같은 연구를 위해 한국천문연구원은 현재 슈퍼 컴퓨터급의 고성능 PC 클러스터를 구축해 놓은 상황이며 성간물질과 성단 역학 등의 정밀 수치 실험에도 활용되고 있어 세계적으로 경쟁력을 인정받고 있습니다.
자, 이제 천문학자가 어떤 일을 하는 있는지 잘 알게 됐나요?
다양한 천체들의 관측을 넘어 세계 최고의 천문기기 개발까지.. 천문학자들의 땀과 노력은 오랜 시간 계속돼 왔으며 앞으로도 멈추지 않을 것입니다.
한국천문연구원 역시, 우주에 대한 끊임없는 탐구과 연구로 한국 천문학의 위상을 세계에 알리기 위해 노력할 것입니다.
천문학자들의 땀과 열정이 멈추지 않는 한 우주강국 코리아는 머지않아 현실이 될 것입니다.
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2017-02-28
천문학자
우리가 하늘에 떠 있는 태양과 별을 바라보게 되면, 그들이 하루에 한 번씩 동쪽에서 떠올라 서쪽으로 지게 되는 것을 알게 됩니다. 이렇게 하늘과 천체의 모습을 보면서 고대 사람들은 하늘이 지구를 돌고 있다고 생각하게 되었죠. 하지만 그들의 생각은 시간이 흐르면서 점점 새롭게 변화되어 갑니다. 자, 그럼 지금부터 하늘과 천체를 끊임없이 바라봤던 위대한 천문학자들과 만나볼까요
고대 그리스의 유명한 철학자 아리스토텔레스는, 그 당시, 지구가 평평한 바둑판처럼 생겼다고 여기던 많은 사람들에게 지구가 둥글다는, 지구 구형설을 제시하게 됩니다. 아리스토텔레스는, 천문학자는 아니었지만, 정치, 예술, 윤리, 천문학 등 다방면에서 학식이 뛰어나 그 당시 사람들은 그의 말을 곧 진리라고 여길 만큼 아리스토텔레스에 대한 신뢰가 매우 높았다고 합니다.
아리스토텔레스는 지구가 둥글다는 자신의 학설을 증명하기 위해 두 가지 증거를 제시했습니다. 첫 번째는, 월식이 진행될 때마다 달에 비친 지구의 그림자가 항상 둥글게 나타난다는 사실이었습니다. 구형의 물체만이 항상 둥근 그림자를 만들어 낸다는 것을 내세운 증거였죠. 또한, 남쪽으로 내려올수록 북쪽의 별을 볼 수 없게 되고, 북극성의 고도가 감소하는 것을 증거로 지구의 모양은, 둥근 원 모양임에 틀림없다고 주장했습니다.
그리고 그리스의 천문학자하면 이 사람도 빼놓을 수 없습니다. 바로, 당시 모든 천문학의 지식을 집대성해 13권의 책으로 출간한 프톨레마이오스입니다. 그의 책 <알마게스트>는 고대 그리스 천문학에 대해 알 수 있는 중요한 역할을 하고 있습니다.
프톨레마이오스는, 천구 상에서 행성들의 역행과 순행을 설명하기 위해 주전원이라는 개념을 도입하였습니다.
이 같은 프톨레마이오스의 주전원은 지구 중심설에서 벗어나지 못했다는 한계 때문에 기본적으로는 틀린 것이지만, 과거 어떤 처계보다도 정확하게 행성들의 위치와 운동을 예측해 냈다는 사실에서 프톨레마이오스는 고대 최후의 위대한 천문학자임에 틀림없습니다.
이제 천문학은, 새로운 학문과 예술이 부활하던 르네상스시기를 거치면서 폴란드의 천문학자, 코페르니쿠스에 의해 새로운 지적 혁명을 맞이하게 됩니다. 코페르니쿠스는, 모든 천체가 지구의 주위를 돌고 있다는 지금까지의 학설을 뒤엎고, 처음으로 태양 중심의 우주 이론을 주장한 천문학자입니다. 코페르니쿠스는, ‘천체의 회전에 대하여’라는 책을 통해 지동설을 제창했지만, 그 당시, 그의 이론을 따르는 사람은 거의 없었습니다. 이후 수많은 학자들 사이에서 끊임없이 코페르니쿠스의 지동설이 토론되어졌고, 결국, 그의 이론은 세계사에 큰 영향을 미치게 되는 중요한 밑거름이 되었습니다.
코페르니쿠스처럼 새로운 우주 이론에 대해 끊임없이 연구한 천문학자가 있는가 하면, 천체의 정밀한 관측을 위해 인생을 바쳤던 사람도 있습니다. 덴마크 출신의 천문학자인 티코 브라헤는, 북해섬에 Uraniborg(우라니보르그)라는 천문대를 설립하고, 천체의 위치와 운동관측에 전념했습니다. 그가 행한 관측의 정밀도는, 망원경이 발명되기 이전에는 가장 훌륭한 것으로 인정받고 있으며 훗날 그의 방대한 관측 자료는 독일의 천문학자 케플러에게 넘겨져 행성운동의 세 법칙을 확립하는 기반이 되기도 했습니다.
스승과 제자사이였던 브라헤와 케플러 사이에는 특별한 일화가 있습니다. 평소 제자인 케플러의 명석함을 시기했던 티코 브라헤는 많은 자료를 케플러에게 주는 것을 꺼려했고, 결국, 케플러는 티코 브라헤가 세상을 떠난 후에야 그가 남긴 귀중한 자료들을 얻을 수 있었죠. 천체의 위치와 운동관측을 기록한 스승의 자료를 20년 이상 연구한 끝에 케플러는 그 유명한 ‘케플러의 세 가지 법칙‘을 탄생시키게 됩니다.
케플러의 제1법칙은, "각행성은 태양을 초점으로 하는 타원 궤도를 따라 태양의 주위를 회전한다." 는 타원궤도의 법칙입니다.
케플러 제 2법칙은, 면적속도 일정의 법칙으로 "행성과 태양을 잇는 직선은 같은 시간 간격에서 같은 면적을 지나간다." 는 원리를 설명하고 있습니다.
케플러 제 3법칙은, 조화의 법칙으로 "행성의 공전주기의 제곱은 궤도 장반경의 세제곱에 비례한다." 즉 태양으로부터 멀리 있는 행성일수록 공전주기도 길어진다는 것을 나타내고 있습니다. 이 같은 케플러의 세 가지 법칙은, 행성의 운동을 정확히 설명해주고 있지만, 이런 체계를 따르도록 지배하는 자연의 힘이 무엇인지는 설명하지 못했습니다. 이 남은숙제는 이제, 뉴턴에게로 넘겨졌습니다.
뉴턴에 대해 알아보기 전에 먼저 만나봐야 할 사람이 있습니다. 바로 여러분이 잘 아시는 갈릴레이 갈릴레오입니다. 코페르니쿠스의 태양중심설이 학자들 사이에서 뜨거운 논란이 되고 있을 때 갈릴레오는, 망원경을 가지고 하늘을 관측하기 시작했습니다. 관측 결과 목성 주위를 도는 네 개의 위성을 발견 했고, 이로써 지구를 중심으로 돌지 않는 천체의 존재를 세상에 알렸습니다. 갈릴레오의 놀라운 연구결과로 코페르니쿠스의 태양 중심설은 더욱 힘을 얻게 됐지만, 정작 갈릴레오 자신은 태양중심설을 절대 진리로 주장하는 바람에 종교 재판까지 받게 됐고, 결국 집밖으로 나올 수 없는 희생을 치르게 됩니다.
티코브라헤, 케플러, 갈렐리오 등 수많은 학자들에 의해 모아진 천문학의 관측들과 규칙들은 이제 아이작 뉴턴이 성립한 개념적 틀에 의해 완전하게 설명이 가능해졌습니다. 뉴턴은 현대 물리학의 길을 열어 준 세 가지 법칙을 발견함은 물론, 만유인력의 법칙도 발견해 케플러의 세 번째 법칙이 증명됨으로써 천문학발전에 기여를 하였습니다.
뉴턴의 제 1법칙은, 버스가 급정지를 할 때 몸이 자연스럽게 앞으로 치우치는 것처럼 움직이는 물체에 작용하는 외력이 없다면 계속 그 상태를 유지하려고 하는 관성의 법칙입니다. 제 2법칙은, 힘의 법칙으로 힘은 질량과 가속도에 비례함을 규명하고 있습니다. 똑같은 힘으로 야구공을 던질 때와 볼링공을 던질 때 확연히 가속도의 차이가 느껴지는 것을 말하죠. 세 번째 법칙은, 작용반작용의 법칙으로 빙판위에서 한 사람이 서있는 다른 한사람을 밀었을 때 서 있는 사람도 움직이지만, 민 사람도 뒤로 밀려나는 것처럼 모든 작용에는 항상 방향이 반대이고 크기가 같은 반작용이 따르고 있음을 말하고 있습니다.
뉴턴은, 이 세 가지 법칙 외에도 행성의 운동을 설명하는데 필요한 만유인력 법칙도 개발했습니다.
이렇듯 천문학을 과학적으로 증명하기 위해 노력했던 수많은 천문학자들의 집념과 열정 덕분에 오늘날 현대 천문학은 눈부시게 발전할 수 있었습니다. 그렇다면 우리나라의 천문학 발전을 이끌었던 주인공들은 누가 있을까요?
여러분은 한국의 천문학자에 대해 얼마나 알고 있나요?
“잘 모르겠는데요... 장영실이요 장영실밖에 잘 모르겠습니다. 천문학자는 잘 모르겠어요... 장영실이요. 모르겠어요... 이천? 선덕여왕 세종대왕 잘 모르겠습니다.”
이렇게 여러분에게 잘 알려진 학자들도 있지만, 그렇지 못한 분들도 아주 많습니다. 그럼 이제, 오래 전, 이 땅 위에서 천문학이라는 학문을 꽃 피웠던 자랑스러운 한국의 천문학자들을 만나볼까요.
먼저 고려왕조 시기, 가장 유명한 천문학자는 바로 오윤부입니다. 고려사 기록을 보면 그는, 충렬왕 때 여러 관직을 거쳐 높은 관직까지 올라갔었고, 별을 보고 사람의 길흉을 예언하는 점성술에도 뛰어났다고 합니다.
그리고 고구려 때 분실되었던 천문도인 천상열차분야지도는, 조선왕조시대의 천문학자였던 류방택에 의해 천체들의 위치가 재계산 되어서 석각으로 탄생하게 됩니다. 유일하게 돌에 새겨진 천문도 천상열차분야지도는, 우리나라의 현존하는 천문도 중 가장 오랜 역사를 자랑하며 지난 1985년 국보 제 228호로 지정됐습니다.
또한, 조선시대 최고의 과학자로 이름을 떨쳤던 이천은, 간의, 소간의, 혼의, 혼상, 해시계 등 천문기기의 제작을 책임지면서 세종시대의 인쇄술 발달에 크게 공헌한 것으로 알려져 있습니다.
장영실, 우리에게 가장 익숙한 이름이죠? 사실 그는 천문학자라기보다는 공학자에 더 가깝습니다. 하지만 과학자 이천과 함께 해시계 현주일구 등 많은 천문기기를 제작하는 데 힘써 우리나라의 천문학 발전에 큰 도움을 준 중요한 인물입니다.
그리고 조선 전기 최고의 천문학자라 불리는 이순지는, 천문·역산·지리·수학 등의 분야에서 크게 공헌을 했으며 세종대왕의 명을 받아 옛 학자들의 자료를 엮어 천문, 역법 등의 여러 책들을 편찬하기도 했습니다. 또한 천문기기를 사용해 직접 천문을 관측하기도 했죠.
이순지와 함께 세종대의 천문 ·역산 등의 분야에 크게 공헌한 또 한 사람이 김담입니다. 그는 이순지와 함께 ‘칠정산내외편’을 저술했는데, 이것은 조선을 기준으로 한 최초 역법이기도 합니다.
우리나라 최초의 기계식 혼의는 조선후기, 송이영에 의해 제작된 것으로 추정되고 있습니다. 그가 제작한 것으로 추측되고 있는 이 혼천시계는 현재 고려대학교에 소장돼 있으며 국보 제 230호로 지정돼 있습니다.
한국의 코페르니쿠스로 불리던 홍대용은, 조선 후기 지전설을 주장했던 학자입니다. 최초의 지전설을 내세운 것은 조선후기 학자 김석문이었지만, 홍대용의 지전설은, 지구의 자전은 받아들이고, 공전은 받아들이지 않는 점에서 주목을 받고 있습니다.
조선후기에 활동했던 남병철, 남병길 형제는 천문과 역 계산에 정통하여 "수륜지구의", "의기집설", "추보산해"와 "성경", "시헌기요", "추보첩례"등을 저술하였습니다.
지금까지 우리는, 동서양을 막론하고, 천문학 발전에 공헌했던 수많은 천문학자들을 만나봤습니다. 그들의 우주를 향한 무한한 호기심과 연구에 대한 뜨거운 열정이 없었다면 아마 우리는 여전히 지구는 평편한 바둑판 모양이고, 하늘이 머리위에서 돌고 있는 거라고 생각하고 있을지도 모릅니다. 신비하고 놀라운 천문학의 세계를 우리에게 선물해준 수많은 천문학자들의 땀과 노력에 고마움을 전하며 앞으로도 그들이 만들어가는 천문학의 미래가 밤하늘에 떠 있는 저 별처럼 환하게 빛나길 바랍니다.
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2017-02-28
우주의 형성과 진화
미지의 세계 우주가 어떻게 형성되었을까.. 라는 의문은 누구나 한번쯤 해보았을 겁니다. 우주의 형성에 대해 알아보기 전에 먼저 우리은하 주위에 있는 별, 은하에 대해 알아보겠습니다. 우리가 살고 있는 지구에서 가장 가까운 별 바로 태양입니다. 천문학단위로 1AU로 계산했을 때, 지구에서 태양은 대략 1억 5천만 km의 거리에 위치해 있죠.
그렇다면 태양을 포함한 태양계의 크기는 얼마나 될까요? 우리가 태양계의 끝에 가려면, 혜성들이 떠도는 오르트 구름을 지나야하는데요. 지구에서 태양계의 가장 바깥, 오르트 구름거리는 무려 50,000AU로, 무려 지구와 태양거리의 50,000배나 멀리에 있는 것 이죠.
태양 외에 지구와 가까이에 있는 별에는 무엇이 있을까요? 바로 프록시마 센타우리 라는 별인데요. 지구와 약 1.3pc 거리에 있습니다. 이 거리는 4광년으로, 빛으로 4년 정도 가면 되는 거리에 있습니다. 가장 가까이에 있는 태양 말고 다른 별까지의 거리도 빛으로 4년 정도 가야 한다니, 상당히 먼 거리죠?
우리의 태양계가 있는 우리은하의 크기는 약 10만 광년의 크기를 가집니다. 또한 우리은하 내에는 대략 2천억개의 많은 별들이 존재합니다. 이런 사실로 보아 우리의 태양계는 거대한 우주의 한 점에 지나지 않는 것 이죠.
우리은하와 가까운 곳에 위치한 은하에는 무엇이 있을까요? 우리은하와 가장 가까운 안드로메다은하까지는 약 230만 광년 떨어져있습니다.
우리은하와 안드로메다은하를 포함하고 있는 은하 군을 우리는 국부 은하군이라고 부릅니다. 국부은하군은 지름이 약 600만 광년이나 된다고 하네요. 이것이 우주에서 가장 먼 거리라고요? 그렇지 않습니다. 국부은하군은 우리 우주에서 지극히 작은 부분에 일부이기 때문이죠.
좀 더 먼 우주로 나가면 머리털자리라는 은하단이 있습니다. 머리털자리은하단은 우리은하에서부터 무려 3억 2600만 광년이나 떨어져있죠.
이제 우주의 구조에 대해 알아볼까요? 우선 우주의 거대모습을 보겠습니다. 우주라는 거대한 구조를 멀리서 전체적으로 보게 된다면, 우리는 우주의 중간 중간에 비어있는 공간인 보이드(void)와 선처럼 연결된 필라멘트 구조를 볼 수가 있는데요. 특히 필라멘트는 은하가 많이 모여 있기 때문에 생기는 구조라고 합니다.
그런데 말이죠. 우리은하에서 먼 곳의 은하들을 관측해 보면, 그 은하들이 우리 은하로부터 점점 멀어지고 있다는 것을 알 수 있습니다. 주변 은하들은 왜, 점점 멀어지는 것일까요? 이것은 도플러 효과로 설명할 수 있습니다.
외부은하들의 스펙트럼을 조사해 보면 흡수선이 원래 위치에 비해 파장이 긴 적색 쪽으로 치우쳐 나타나는 것을 알 수가 있는데요. 보이는 것처럼, 이렇게, 흡수선의 파장이 긴 적색 쪽으로 치우쳐지는 현상을 적색편이라고 합니다. 이처럼 도플러 효과에 의하면, 이는 외부은하들이 모두 우리은하로부터 멀어지고 있다는 것을 의미하는 것입니다.
일찍이 허블은 모든 방향에서 보이는 외부은하들의 적색 편이 량을 측정하였습니다. 그 결과 외부은하의 후퇴속도가 거리와 비례한다는 사실을 밝혀냈는데요. 이것은, 다시 말해서 거리가 먼 은하일수록 후퇴속도가 더 빨라진다는 것을 의미합니다. 허블이 발견했다 해서 현재 이 법칙을 허블의 법칙이라고 부르고 있죠.
우주가 팽창한다는 사실을 알려준것이 허블의 법칙입니다. 이러한 사실을 증거로 해서 빅뱅이론이 나오게 된 것 이죠. 현재 천문학자들은 빅뱅이론이 우주의 기원을 설명하는데 가장 적합한 이론이라고 생각하고 있습니다.
빅뱅이론은 우주의 모든 물질과 에너지가 한 점에 모여 있다가 어느 순간 우주가 팽창하기 시작하여 지금의 우주가 형성되었다고 보는 이론입니다.
빅뱅이론은 우주배경복사의 관측으로 더욱 확실시 되었는데요. 초기의 아주 뜨거운 우주가 점점 팽창한다면 어느 정도의 온도가 될까? 라는 의문에서 계산해본 온도가 실제 지금 현재의 우주의 온도로 우주배경복사로 관측이 됩니다.
얼룩덜룩 온도차이가 나는 것으로 보이나, 그 온도차는 정밀하게 측정하지 않으면 잘 알 수 없을 만큼 작기 때문에 우주배경복사는 우주 모든 방향에서 같은 빛이 온다고 할 수 있습니다. 빅뱅이후 10의 마이너스 43초, 즉, 상상하기도 어려울 정도의 짧은 시간동안에는 시공간의 혼동이 있었을 것으로 예상하고 있습니다. 이 시기는 물리적인 법칙으로는 아직 설명하기 힘든 시기입니다.
짧은 시간, 시공간의 혼돈 후, 공간이 급속도로 팽창하는 인플레이션이 일어나게 됩니다. 얼마 후 인플레이션으로 인해서 시공간이 평평해지게 된 것 이죠. 실제로 지금 우리가 있는 우주는 평평한 모습을 하고 있습니다.
그 후 3분정도까지 양성자, 중성자등과 같은 입자들이 만들어 지고, 핵융합반응이 종료 되게 되고, 우주의 대부분을 차지하고 있는 수소나 헬륨 등이 이 시기에 다 만들어 졌습니다.
인플레이션이 일어나고, 우주를 차지하고 있는 여러 물질들이 생겨 난 후, 20만년 까지는 물질과 빛이 함께 섞여있는 기간이었습니다. 그리고 48만년 지난 뒤, 빛과 물질이 분리되기 시작했는데요. 이 시기를 우리는 재결합시기라고 부릅니다.
우리가 현재 관측하고 있는 우주배경복사는 이시기에 물질로부터 분리되어 빠져온 빛입니다. 다시 이야기 하자면 우리는 우주배경복사를 통해 48만년 당시의 초기우주를 볼 수 있는 것 이죠.
그렇다면 빅뱅 후, 별을 비롯해 은하들은 언제 처음 생겼을까요? 빅뱅이 일어나고 2억년 후에 최초의 별, 즉, 최초의 은하가 형성되었고요.
우리의 태양계는 태양계는 빅뱅이후, 약 87억년 뒤에 태어났다고 합니다.
우리는 밤하늘을 가득 채운, 별처럼 많은 별을 보며 더 큰 꿈을 꿉니다.
미지의 세계 우주를 향한 근원적 호기심이야말로 보이지 않은 희망과 미래를 향한 힘이 되어주는 것은 아닐까요?