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- 작성일2010-02-23
그런데 지구 반경에 비하여 거리가 가까운 인공위성의 경우에는 지구 질량에 비례하고, 거리 제곱에 반비례하는 힘으로 나타낼 수 없습니다. 간단하게 생각하면 지구 표면근처에 있는 어떤 인공위성에 작용하는 힘은 지구를 구성하고 있는 모든 질량의 만유인력의 합이 됩니다. 이와 같은 힘이 조석력이라 할 수 있습니다. 조석력은 거리의 세제곱에 반비례합니다. 이 힘은 근사 식으로 표현된 것입니다. 실제로는 거리제곱에 반비례하는 힘, 세제곱 힘, 네제곱 힘 .... 등등의 합인데 적당한 근사를 쓰면 네제곱 힘 이하는 무시할 수 있고, 제곱 힘, 세제 곱 힘이 제일 큰 값이 됩니다.
이와 같은 중력장에서 움직이는 인공위성의 궤도를 장기간 잘 관찰하면 궤도가 규칙적 혹은 단조 함수적으로 변하는 항을 구할 수 있는데 이로부터 지구 중력장의 모양, 즉 지구의 모양을 알아낼 수 있습니다.
이와 마찬가지로 지구는 거대한 자석입니다. 따라서 아주 먼 거리에서는 거리제곱에 반비례하는 자기력이 작용하지만, 지표 근처에서는 조석력처럼 거리 세제곱에 반비례합니다. 지구 자기장은 지구 중력과 달리 먼 거리에서 거리제곱에 반비례하지 않습니다. 먼 거리에서 거리의 세제곱에 반비례합니다. 가까이 가면 점점 복잡해 지구요.
이유는 자연에는 자기장을 만드는 극성이 한 개만 존재할 수 없기 때문입니다.
전기장이나 중력은 극성이 한가지만 존재할 수 있습니다. 즉 +극 또는 -극이 따로 존재할 수 있지요. 중력은 물론 +의 질량만 있는 것처럼 보이지만요. 어쨌든 서로 다른 극성이 한 개만 존재합니다. 이런 때는 거리의 제곱에 반비례하는 힘이 작용합니다.
그러나 자기장은 N극과 S극이 따로 존재할 수 없습니다. N극을 +라 하고 S극을 -라고 하면... 그리고 두 극 사이의 거리를 a라고 하면
힘 = 1/(r+a)x(r+a) - 1/rxr = 약 1/(rxrxr)
이런 식으로 거리의 세제곱에 반비례합니다. 이것을 전문적인 용어로 말하면 전기장, 중력은 monopole(하나라는 의미)이 존재해서 거리의 제곱에 반비례하지만 자기장은 monopole은 존재할 수 없고 dipole(두개라는 의미)만 존재할 수 있기 때문에 거리의 세제곱에 반비례합니다. 교과서에 나오는 것은 N극이나 S극이 혼자만 있다고 가정했을 때의 경우일 것입니다. 그러나 실제로 그런 경우는 발견된 적이 없습니다.
물론 이론물리학자중 디랙이라는 사람이 처음으로 magnetic monopole의 존재에 대해 이야기하여 이론적으로 많은 연구가 되어있고 되고 있지만 실제로 관측된 적은 없습니다. 그래서 이론물리학자들은 왜 우주에 자기 monopole이 현재의 우주처럼 거의 없을까 에 대해서 연구합니다.
- 작성일2010-02-23
- 작성일2010-02-23
어쨌든 보이드는 오히려 기존의 빅뱅이론이 더욱 옳다는 것을 증명하는 것입니다. 기존의 빅뱅이론 중에 빅뱅의 원인, 혹은 그 기원을 설명하는 이론 중에 인플레이션 우주론이라는 이론이 있는데, 간단하게 설명하면 빅뱅 직전에 우주가 상 전이를 하게 되는데 이 상 전이에 의하여 우주가 급격하게 팽창하였다는 이론입니다. 즉 우리가 물에서 수증기로 상 전이할 때 많은 기포가 생기게 되지요. 이와 같이 많은 기포가 우리 우주의 인플레이션 단계에 발생하여 현재의 우주의 큰 구조를 이루었다는 것입니다.
그런데 최근에 (1990년대)에 우주론에 아주 획기적인 사건이 있었는데 그것이 바로 COBE의 관측이었습니다. 이 코비 위성의 관측은 전파와 적외선에 관한 것으로, 그중 우주로부터 등방적으로 복사되고 있는 3K복사의 공간적 분포를 관측하는 것이었는데 그 결과는 아주 놀랄만한 것이었습니다. 이 복사는 빅뱅 후 약 1000년 후에 그 당시 물질에 갇혀있던 전자기파가 물질밀도가 떨어진 후에 사방으로 퍼져나간 것인데 그 결과는 빅뱅에서 예측한 바와 같이 놀랄 정도로 균질하고, 등방적으로 분포한다는 사실입니다.
그리고 또 한 가지는 약 1백만분의 1정도의 밀도 불균형이 거품모양으로 존재한다는 것이었습니다. 즉 우주는 균질하고 등방적으로 팽창하였으며, 100분의 1정도의 크기를 갖는 불 균일성이 있었다는 것입니다. 이 불 균일성이 바로 인플레이션의 잔해라고 생각하고 있습니다. 그리고 그 결과가 우주의 큰 구조에 해당하는 거품구조를 만들고, 안쪽은 보이드가 되었다는 이론입니다.
보이드 안에도 물질이 상당히 있을 겁니다. 현재 관측 가능한 천체의 전체 질량은 우주 전체질량의 10%정도밖에 안됩니다. 나머지를 암흑물질이라고 하는데 보이드에 암흑물질이 있겠지요.
- 작성일2010-02-23
어쨌든 달이 이 교점 근처에 있고, 달이 그믐이거나 보름일 때 식이 일어납니다. 일식의 경우 달이 그믐이면서 교점에 있어야 일어나겠지요.
만약 달이 승교점에서 일식이 일어났다면, 다음 강교점에서 일식이 일어날 확률이 높습니다. 따라서 지구에서 보아 승교점과 강교점은 반대 방향에 있으므로 일식이 남반구와 북반구에서 번갈아 일어나게 됩니다.
그런데 이것이 규칙적인 것은 아닙니다. 왜냐하면 달 궤도면과 황도면의 교선이 지구에서 보아 황도면 상에서 회전하게 되며, 또 달의 궤도 장축이 지구 중심 회전하기 때문입니다. 이 회전주기가 약 18.6년입니다.
- 작성일2010-02-23
이 단계를 지나면 중심부에 탄소 코어의 온도가 올라가 탄소 연소반응이 일어납니다. 이 반응은 흡열반응으로 온도가 약 10억 도에 이르러야 반응이 일어납니다. 탄소-탄소, 혹은 탄소-알파입자 반응에 의하여 나트륨, 네온 따위의 더 무거운 원소가 만들어집니다. 이러한 핵융합 과정은 철 원자핵을 만들면서 종료되는데 이 이유는 철이 결합에너지가 가장 크다는, 즉 가장 안정적인 원소이기 때문입니다. 따라서 철 핵이 만들어지면 별 내부의 핵반응은 사실상 끝나게 됩니다. 철보다 무거운 원소는 초신성 폭발과 같은 격렬한 핵반응에 의하여 만들어지는 것으로 알려지고 있습니다.
- 작성일2010-02-23
한편 천왕성은 1781년 위대한 천문학자 허셜에 의하여 행성이라는 것이 발견되었습니다. 그전에 성도에 나오기는 하였죠. 해왕성은 천왕성의 궤도를 연구하던 천왕성의 궤도가 어떤 천체에 의하여 섭동을 받는다는 사실이 1790년부터 1840년까지의 관측에 나타난 것을 애덤즈와 르베르리에는 각각 천왕성 밖의 행성에 의한 천왕성 궤도에 미치는 영향을 계산하여 천왕성 밖에 행성이 존재한다는 것을 처음으로 발표하였고, 그 위치를 추정해 내었습니다. 마침내 1846년 베를린천문대의 갈레에 의하여 예측한 위치에서 1도 떨어진 곳에서 해왕성이 발견되었습니다. 애덤즈와 르베르리에가 사용한 방법이 뉴톤역학에서 섭동이라는 방법을 이용하였습니다.
이 두 사건의 공통점은 천체의 궤도 운동을 <뉴톤 역학>을 써서 계산하여 안 보이는 천체의 영향과 정체를 알아냈다는 것이죠.
- 작성일2010-02-23
만약 사용 가능한 핵연료를 모두 소모하면 어떻게 될까요. 연료를 모두 소모하게 되면 별이 수축하겠지요. 더 이상 압력이 중력을 지탱할 수 없게되니까 말이죠. 이에 대해 여러 가지 이론이 있지만 중심부는 급격하게 수축하는데 반하여 별의 외각은 아직도 산발적으로 핵반응이 일어나거나 팽창하고 있어 중심부와 외각부분이 분리된다고 봅니다. 이렇게 별의 겉 거죽이 밖으로 팽창하는 단계를 행성상 성운이라 부릅니다.
두 별이 쌍으로 있는 쌍성의 경우에는 더 재미있는 상태가 됩니다. 둘 중 질량이 큰 놈 (주성)이 먼저 진화하여 거성-초거성 단계로 진화합니다. 이렇게 되면 주성이 팽창하여 마침내 주성의 외각부분에 있는 가스가 질량이 작은 반성 쪽으로 흘러 들어가게 됩니다. 최후에는 주성의 질량이 반성 쪽으로 이동하여 반성의 질량이 주성보다 커지고, 핵연료를 모두 소모한 주성은 수축하게 됩니다.
핵연료를 모두 소모한 별은 수축하여 무한히 작아질까요 ? 그렇지는 않습니다. 나머지 질량이 태양의 1.44배 이하인 별의 경우 핵연료를 모두 소모한 별의 내부는 원자핵과 전자로 구성되어 있는데 온도는 그렇게 높지 않지만 밀도는 아주 높은 상태가 됩니다. 이 상태에서 양자역학적으로 전자는 축퇴되어 일정한 공간을 차지하게 됩니다. 전자 하나가 차지해야 하는 공간은 양자역학적으로 일정하기 때문에 이보다도 작은 공간에 두 개의 전자가 들어갈 수 없게 됩니다. 이렇게 되면 전자들 사이에 배타적인 압력이 생기게 되는데 이를 축퇴압력이라고 하는 것이죠. 이러한 상태에서는 축퇴압력이 중력에 맞서게 됩니다. 이것이 백색왜성인데 빛은 중력에너지, 즉 위치에너지에 의하여 발생합니다.
태양질량의 1.44배보다 크고 태양의 수 (3- 8배)보다 작은 별의 경우에는 중력이 축퇴압력을 넘어 전자축퇴는 붕괴되어 수축하여 별의 온도가 올라갑니다. 이와 같이 별의 온도가 높고 압력도 높은 상태에서는 양성자 + 전자 --> 중성자의 변환이 이루어지고, 마침내 거의 중성자로 이루어진 천체가 되는데, 이때 전자와 마찬가지로 페르미온인 중성자가 축퇴되어 중력에 맞서게 됩니다. 이를 중성자별이라 하며 대략 표면 중력은 지구의 수 십억 배가됩니다. 태양질량보다 약 8배 이상인 경우에는 중력이 중성자 축퇴 압력보다 커져 별이 중력붕괴에 이르게 되는 것으로 알려지고 있습니다. 이렇게 중력 붕괴가 일어나면 불랙홀이 생성되는 것으로 여겨지고 있습니다.
백색왜성으로 처음 발견된 것이 시리우스의 반성인데 원래 이 반성은 시리우스 쌍성 계의 주성이었다가 위와 같은 진화에 의하여 백색왜성이 된 것입니다. 이 시리우스 반성은 크기는 지구정도인데 질량은 태양질량 정도입니다.
백색왜성 발견의 중요성은 천문학자들이 생각하는 별의 진화의 마지막 단계의 모습을 알 수 있고, 쌍성 계의 진화에 대한 단서를 알 수 있다는 점입니다. 한편으로 물리학적으로 양자역학에서 예측한 페르미 입자 (페르미온; 전자, 양성자, 중성자처럼 스핀이 1/2인 입자)의 축퇴 상태가 자연계에 존재한다는 것을 증명해 줄뿐만 아니라, 강한 중력 (지구의 수십만배)에서의 물리적 특징, 이를테면 일반상대론에서 예측하는 중력에 의한 시간의 지연, 도플러효과 따위를 실험할 수 있는 천체가 존재한다는 것입니다. 실제로 이러한 시도가 이루어 졌었습니다. 결국 우주는 물리학 이론 실험의 장이 됩니다.
- 작성일2010-02-23
동주기 자전은 지구-달 계와 같은 경우나, 두 별이 중력에 의하여 서로 연결되어 있는 쌍성 계와 같이 조석력이 크게 작용하는 경우에 일어나는 것으로 생각됩니다. 이 이유는 계의 역학적 안정성과 관계 있습니다.
또 동주기 자전과 비슷한 현상으로 자전 주기가 공전주기의 2/3, 1/2,...등과 목성이나 해왕성과 같은 질량이 큰 행성의 영향으로 소행성의 공전 주기가 목성 또는 해왕성 공전 주기의 2/3, ..., 4/5배 등의 공명 주기를 갖게 됩니다. 이러한 이유도 역학적 안정성과 관계 있습니다.
- 작성일2010-02-23
지구 자전의 불규칙성에 대하여 천문학자들이 오랫동안 연구해 왔습니다. 지구는 하나의 큰 회전하는 팽이로 볼 수 있는데 이 팽이의 회전과, 회전축의 변화는 여러 가지 원인에 의하여 일어나게 됩니다. 주된 원인인 지구의 모양, 특히 적도의 모양과 이에 따른 달의 중력 영향이 가장 큰데, 이 원인으로 세차와 장동 운동이 생깁니다. 그 이외에 계절에 따른 해류나 공기흐름의 비 대칭성 영향, 태양이나 목성의 영향 따위에 의하여 여러 가지 불규칙성이 나타나는 것으로 알려져 있습니다.
천체 운동의 불규칙성은 작은 주기의 규칙적인 변화와 긴 주기의 영년 변화 (secular variation)로 나눌 수 있습니다. 이 중 영년 변화가 실제적인 변화를 이끌어 가게 됩니다. 세차운동이나 장동운동과 같이 현재까지 알려진 지구 자전의 불규칙성 중에서 가장 변화가 큰 것들이 바로 주기를 갖는 규칙적인 변화가 됩니다.
우리가 팽이의 운동을 잘 살펴보면 아주 빠르게 회전할 때에는 바로 서있지만 마찰에 의하여 각 운동량을 잃어버리면 머리를 흔들면서 회전하게 됩니다. 머리를 흔드는 것을 가만히 살펴보면 팽이 자신이 회전하면서 회전축 머리부분이 위아래로 떨며 팽이 지지점의 수직방향에 대하여 회전하는 것을 볼 수 있습니다.
이때 팽이 지지점의 수직방향에 대하여 팽이의 회전축이 회전하는 현상을 "세차운동 (Precession-약 25000년 주기)"이라 하고, 팽이의 머리가 작은 주기로 떠는 현상을 장동 (nutation-18.6년 주기)이라 합니다. 이것들이 지구운동의 불규칙성중 가장 진폭이 큰 운동입니다.
이에 더 자세한 것은 지구 운동을 영구적으로 모니터링하는 국제지구자전국 IERS (International Earth Rotastion Service Central Bureau, http://hpiers.obspm.fr/ )을 참고하시기 바랍니다
- 작성일2010-02-23
천왕성의 경우 지구에서 보아 반대로 회전하는 것처럼 보이지만 결국 위와 같은 정의에 의하면 지구와 마찬가지로 모든 별이 동에서 떠서, 서로 지게됩니다.