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자주하는 질문

Total 142   
  • 작성일2010-02-23
별은 매우 멀리 떨어져있기 때문에 하나의 고정된 점 광원으로 보아야 합니다. 그런데 우리 눈과 별 사이에는 대기가 존재합니다. 지구의 대기는 잘 알려져 있듯이 끊임없이 불규칙하게 움직입니다. 이러한 대기의 불규칙한 움직임(요동)은 대기를 통과하는 별빛의 방향을 휘게 만들고 마치 춤추듯이 보이게도 합니다. 이렇게 별빛이 계속 휘어지는 현상이 우리 눈에는 별이 반짝이는 것처럼 보이게 합니다. 하나의 점 광원인 별이 대기의 불규칙한 요동으로 인해 흔들림으로서 그 빛이 퍼져 나타나게 됩니다. 이는 우리가 별을 관측할 때 방해 요인이 됩니다. 따라서 천문대는 대기가 안정되고, 습기가 없는 지역을 찾아 높은 곳에 세워야 합니다. 또한 별의 흔들림을 피해 대기 밖으로 나가 우주공간에 망원경을 세우기도 합니다.
  • 작성일2010-02-23
우주에는 지름이 수억광년 되는 빈 공간들이 존재하는데, 이러한 것을 공간의 보이드 (void, 공동)이라고 합니다. 우리가 은하단 이라고 하는 것은 이 보이드와 보이드 사이에 있다고 보면 됩니다. 이것은 마치 목욕탕의 비누거품을 연상하면 되는데, 우주는 이와 같이 비누거품구조를 갖고있다고 알려져 있습니다. 그렇다고 해서 이 보이드에 은하가 없는 것은 아닙니다. 현재 보이드 내에 은하가 발견되고 있습니다. 수억 광년은 우주의 크기에 비하여 큰 것이 아니지요.



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
달의 궤도는 지구 공전궤도면인 황도 면에 대하여 5도 9분 기울어져 있습니다. 이 황도면과 달의 공전궤도면이 만나는 선을 교선 (nodal line)이라 하고, 달의 궤도가 황도면과 만나는 점을 교점이라 합니다. 특히 달이 황도면 밑에서 위로 올라오면서 만나는 점을 승교점, 반대로 아래로 내려가면서 만나는 점을 강교점이라 합니다.



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
수소에서 헬륨으로 변화하는 반응은 여러 가지 방법 (pp chain, CNO cycle)이 알려져 있지만 모두 발열 반응입니다. 즉 핵반응에 의하여 에너지가 발생합니다. 한편 중심부의 온도가 높아져 별 중심부에 헬륨으로 이루어 진 헬륨코어에서 헬륨 3개 (알파입자)가 충돌하여 탄소와 베릴륨을 만드는 과정, 즉 3-알파 과정이 일어나며, 이 역시 에너지를 방출하는 과정에서 주 계열을 벗어나 거성단계에 있는 별의 핵반응으로 중요한 역할을 하게됩니다.



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
백색왜성중 처음으로 발견된 것이 시리우스의 반성인데 시리우스가 너무 밝기 때문에 이 반성이 보이지 않았습니다. 시리우스의 천구 상에서의 운동, 즉 고유운동을 관측하던 중 1844년 베셀이 불규칙한 고유운동 있음을 알아내고 이 별이 쌍성임을 알았습니다. 그때까지 반성을 직접 관측하지는 못하였습니다. 그러다가 1862년 클라크가 새로 만든 망원경을 시험 관측하던 중에 시리우스 반성을 발견하게 되었죠. 베셀이 시리우스의 고유운동에서 발견한 방법은 궤도의 운동을 뉴톤 역학적으로 분석하여 반성의 질량을 구하였습니다.



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
백색왜성은 수명을 다한 상대적으로 작은 질량을 가진 별의 마지막 진화 단계입니다. 일반적으로 항성이론에서 별 중심으로 수축하려고 하는 중력과 맞서는 것이 팽창하려고 하는 가스의 압력입니다. 별의 내부에서 발생하는 핵융합 반응으로 에너지가 발생하여 이 압력이 생겨나며, 이것이 별이 붕괴되는 것을 막게 됩니다. 그런데 시간이 지남에 따라 별의 중심부에 있는 핵연료를 소모하여, 중심에서 밖으로 핵융합 지역이 옮겨감으로써 별은 커지게 됩니다. 이러한 단계가 거성 단계입니다.



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
오랜 시간이 흐르면서 어떤 천체의 공전주기와 자전주기가 같아지는 현상을 동주기 자전이라 합니다.



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
종교적인 차원으로 지구 자전 축 기울기의 변화에 대하여 여러 가지 이야기가 나오고 있습니다. 몇 주 전에도 지구 자전축이 똑바로 서고 있는 것이 아닌가에 대한 문의를 어느 대학교 교수님이 한 적이 있습니다. 교수님들마저도 종교적인 해석에 관심이 있던 것 같았습니다.



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
일반적으로 행성의 북극은 시계 반대방향으로 돌아가는 극을 북극으로, 시계 방향으로 도는 극을 남극으로 정의합니다. 이렇게 정의하면 어느 행성이든지 행성의 북반구에서 북극을 바라보면 오른쪽이 동쪽으로 해나 별이 떠오르는 방향이 되고, 왼쪽이 서쪽으로 지는 방향이 됩니다.


천왕성의 경우 지구에서 보아 반대로 회전하는 것처럼 보이지만 결국 위와 같은 정의에 의하면 지구와 마찬가지로 모든 별이 동에서 떠서, 서로 지게됩니다.
  • 작성일2010-02-23
전통적인 의미에서 천문학과 천체물리학은 천체를 관측하는 것을 주로 하느냐 (천문학), 아니면 관측보다는 이론적인 계산에 역점을 두느냐 (천체물리학)로 구분하여왔습니다. 그러나 현대에서 이 두 구분은 매우 모호해지고 있고, 한편으로 같은 의미로 쓰일 때가 많습니다. 구분 경계가 모호하다고 생각하시면 됩니다.


한편 물리학자들 중에서 천체와 관련된 물리학, 이를테면 중력이론, 우주론 따위를 전공하는 물리학자를 천체물리학자로 부르기도 합니다. 이를테면 서울대 물리학과에 있다가 고등과학원으로 자리를 옮긴 이인수 박사님의 경우에는 블랙홀이 전공인데 물리학자들과 천문학자들이 천체물리학자라 부르며, 거의 비슷한 전공을 하는 한국천문연구원의 박석재 박사님의 경우에는 천문학자들은 천체물리학자라하고 물리학자는 천문학자라 할겁니다. 천체물리학자의 대표적인 예가 호킹 박사입니다. 물리학자들 입장에서 천문학을 전공하는 사람들은 모두 천문학자라 하겠지요.