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자주하는 질문

Total 142   
  • 작성일2010-02-23
일반적으로 암석의 나이를 측정하는 방법으로 많이 사용하는 방법이 방사성 동위원소의 반감기를 이용하여 암석이 생성된 연대를 측정하는 방법을 사용한답니다. 오래된 암석으로 측정하는 방법에 많이 이용되는 방사성 동위원소는 우라늄 238을 많이 사용하는데 이 우라늄 238 (238 U)의 반감기는 45억 년으로 납 206 (206 Pb)이 생성됩니다. 우리가 시료 암석이 생성될 당시 이 두 원소의 조성비를 알고 있다면, 현재의 조성비를 측정하면 그 동안 경과된 시간을 알 수 있을 겁니다. 이 동위원소 이외에 나이 측정에 사용하는 동위원소는,

칼륨 40 ---> 칼슘 40 + 아르곤 40, 반감기 13억년,

루비튬 87 ---> 스트론듐 87, 반감기 470억 년,

따위입니다.



이와 같은 방법으로 지금까지 알려진 지구에서 가장 오래된 암석의 나이는 39억 년이랍니다. 즉 지구의 나이는 "적어도" 39억 년은 되었다는 사실입니다. 한편 아폴로 우주선이 지구로 가져온 월석을 연구한 결과 이 월석의 나이는 44억 8천만년으로 나타났습니다. 지구와 달, 그리고 행성이 동시에 형성되었다는 동시형성설에 의하면 이와 같은 결과는 적어도 태양계의 나이가 44.8억 년은 되었다는 것이 됩니다.



월석이 지구의 암석보다 오래된 것으로 나타난 이유는 지구의 경우 지구표면에서 끊임없이 물과 바람에 의하여 암석이 변화하고 있는데 반하여 달은 이러한 변화를 겪지 않았기 때문입니다. 그런데 지구로 떨어진 운석 중에서 가장 오래된 것은 46억 년으로 나타났습니다. 태양계의 나이는 적어도 46억 년을 되었다는 이야기지요. 태양의 경우에는 나이를 측정할 수 없기 때문에 천문학적인 계산에 의지해야 합니다. 천체물리학적인 태양의 진화 모델 계산에 의하면 태양은 대략 50억 년은 되었을 것으로 추정되고 있습니다.



따라서 이 모든 결과가 "오차" 범위에서 일치하는 것으로 보아 태양계의 형성, 즉 지구의 형성은 대략 46억 년 전에 이루어졌다는 것으로 결론 내릴 수 있습니다.
  • 작성일2010-02-23
24(절)기는 태양의 지구 중심 겉보기 황경이 특정한 값에 이르는 순간을 가리킵니다. 예를 들면, 소한, 대한, 입춘, 우수는 각각 태양 황경이 285도, 300도, 315도, 330도에 이르는 순간입니다. 그러므로 입기 시각을 계산하려면 태양의 황경을 계산해야만 합니다. 입기 시각 계산에 쓰일 수 있는 간단한 수식이나 규칙은 없습니다.



한국천문연구원의 역서 편찬실에서는 미국 해군 천문대(U.S. Naval Observatory)에서 편찬한 천체력(The Astronomical Almanac)을 사용하여 입기 시각을 추산하는 것으로 알고 있습니다. 그러나 만세력 제작자들은 이 방법을 쓸 수 없습니다. 먼 과거나 미래의 태양 황경이 수록된 천체력 자체가 없기 때문입니다. 설사 그런 천체력이 있다 하더라도 일일이 보간법으로 입기 시각을 구하는 데에는 한계가 있습니다. 이 경우 한국천문연구원에서 미리 계산해 놓은 입기 시각을 활용하거나(물론 자료에 대한 사용권을 정식으로 얻어야 하겠지요) 태양 황경을 계산하는 프로그램을 별도로 만들어야 하는데, 이 또한 쉽지 않은 일입니다. 천문 계산 관련 서적에 수록된 계산식은 한두 개가 아니고 너무 복잡하기 때문에 (아울러 저작권 침해 소지도 있으므로) 입기 시각을 계산하는 방법(제가 고안한 방법)만 개략적으로 설명하겠습니다.



다음의 방법을 따른다면 24기의 입기(절입) 시각을 비교적 정확하게 계산할 수 있습니다. 이 글에서 사용된 황경은 모두 "지구 중심 겉보기 황경"입니다.



1. 한국천문연구원이 펴낸 역서(2000년)에 수록된 입기일을 1차 근사치로 놓고 태양의 황경을 구합니다. 예를 들어, 1500년의 경우, 춘분은 1500년 3월 20일, 추분은 1500년 9월 23일.



2. 24기 입기 순간의 태양의 황경(285도, 300도, 315도, 330도, ...)과 첫 번째 단계에서 구한 황경의 차를 계산합니다.



3. 매 초당 태양의 황경 변화량을 이용하여 1차 근사치(2000년 역서의 입기일)를 보정하여 좀더 정확한 입기 시각(2차 근사치)을 구합니다.



4. 2차 근사치를 초기치로 놓고 태양의 황경을 다시 계산합니다.



5. 24기 입기 순간의 태양 황경(285도, 300도, 315도, 330도, ...)과 세 번째 단계에서 계산된 황경을 비교하여 원하는 정밀도를 얻을 때까지 2번, 3번, 4번 과정을 반복합니다.



입기 시각의 정확성은 태양의 황경을 얼마나 정확하게 계산하는가에 달려 있습니다. 그런데 만세력을 만들고자 한다면 상당히 긴 기간의 합삭 시각과 24기의 입기 시각을 정확하게 계산하지 않으면 안되는데, 천문 계산의 원리에 익숙하지 않는 사람에게는 결코 쉽지 않은 일입니다. 이 부분은 길게 설명해도 이해하기 어렵기 때문에 참고할 만한 책만 소개하고 넘어가겠습니다.



Planetary Programs and Tables from -4000 to +2800 (Willmann-Bell Inc.)

Astronomical Algorithms (Willmann-Bell Inc.)



천문 계산에 관하여 진지하게 공부하고자 한다면 위의 두 번째 책을 꼭 읽어 볼 것을 권합니다. 이 책은 http://www.willbell.com 에서 쉽게 구입할 수 있습니다. 쓸 만한 음양력 프로그램을 만들고자 한다면 이 책에서 설명하는 태양과 달의 위치 계산법 정도는 훤히 꿰뚫고 있어야 합니다. 이 분야의 국내 서적은 거의 없는 것으로 알고 있습니다. 국내의 책으로는 유일하게 "역법의 원리 분석"(이은성 저, 정음사)에 근래의 24기 입기 시각을 추산하는 방법이 설명되어 있습니다.



책을 읽는 수고를 덜고 싶으면, 한국천문연구원에서 계산한 자료에 대한 사용권을 정식으로 얻는 방법 외에는 도리가 없습니다. 도서출판 계백이라는 데에서 출판한 "표준 만세력"은 한국천문연구원으로부터 제공받은 입기 시각과 합삭 시각 관련 자료를 바탕으로 편찬된 만세력입니다(아마 사용권을 얻는 데에 비용이 좀 들었을 겁니다).
  • 작성일2010-02-23
먼저 해뜨는 시각과 해지는 시각은 해의 위 부분이 지평선 아래로 나타나거나 사라지는 순간의 시각으로 정의됩니다. 이 시각은 천문학적으로 지평선 아래에서 떠오르거나 사라지는 시각에 지구대기의 굴절효과를 포함한 것입니다. 태양의 위 부분이 지평선에 닿았을 때를 일출, 혹은 일몰로 정의합니다. 따라서 공기가 없는 경우 태양의 중심이 지평선 아래 약 15분 있을 때인데, 여기에 지구 대기의 굴절 효과를 고려해야 합니다. 그런데 태양의 시 직경은 황경에 따라 약간 변하므로 이를 고려해야 할겁니다.



대기의 굴절 효과는 천정 거리 90도일 때 약 35분이나 됩니다. 그러므로 태양의 중심이 지평선 아래 15분 + 35분 = 50분 아래 있으면 태양의 위 부분이 지평선 아래 부분과 만나게 됩니다. 50분은 시간으로 약 3.3분 정도 됩니다. 대기 굴절 효과는 대기의 온도와 밀도, 압력에 따라 변화합니다. 이 값은 고도 0도일 때의 값이므로 고도가 높아지면 달라집니다.



역서에서 발표되는 전국 각지의 시각은 국립지리원에서 제공하는 지역의 위치 자료를 이용하여 계산된 것입니다. 국립지리원에서 서울과 각 도시의 위치를 어느 곳으로 택하여 좌표를 산정 하였는지는 잘 모르겠지만, 제 생각으로는 도로의 기준점이 되는 곳, 이를테면 기차역, 시청 따위의 지방 자치단체 중요 관공서가 아닐까 생각합니다. 서울의 경우 정부종합청사 앞이 아닐까 생각이 되는데, 만약 강남과 강북을 생각할 때 "계산상으로" 이 두 지역의 일월출몰 시각이 다르게 계산되겠지만, 과연 그것이 주변환경의 변화에 의한 영향에 따른 오차 범위를 벗어나겠느냐는 것입니다.



즉, 위에서 고려하는 지구대기의 굴절효과는 아주 이상적인 경우, 이를테면 아주 맑고 안정된 대기를 가정하여 계산된 것인데 대기의 일일변화에 의한 굴절의 변화로 유발되는 실제 일 출몰 시각의 변화는 위에서 고려한 서울 지역 내에서의 변화 보다 상당히 큰 수십 초의 오차를 주게 됩니다. 또 주위에 있는 산에 의한 영향 등은 이보다 더 많은 변화를 보일 겁니다.



또 현재 역서에는 해발고도 0을 기준으로 계산된 자료가 제공되고 있습니다. 물론 해발고도가 높아지면 일월출몰 시각이 변합니다. 그러나 해발 1 ~ 200m 정도는 해발고도 0도의 값과 계산상으로 불과 수초 이하의 차이를 보입니다. 이러한 차이는 위와 같은 굴절 효과 등에 비할 때 무시할 수 있을 정도라 보면 됩니다.



따라서 이러한 오차 때문에 일 출몰 시각을 초 단위 이내로 표현하는 것은 과학적인 오차 범위 내에 들뿐만 아니라, 현실 생활에도 무의미한 값이 됩니다. 그래서 현재 한국천문연구원에서 발행하는 역서에는 일 출몰 시각이 분단위로 나와 있습니다.
  • 작성일2010-02-23
우리가 쓰는 달력(태양력)이 태양의 운행을 바탕으로 만들어졌기 때문입니다. 2000년의 1태양 년(회귀년)의 길이는 365.242190일입니다. 1회귀년이란 태양이 춘분점을 떠나 다시 춘분점까지 회귀하는 데 걸리는 시간입니다. 현행 태양력에서 1년의 길이는 365.2425일로 고정되어 있습니다. 실제의 1년의 길이와 달력상의 1년의 길이는 불과 26초밖에 차이가 나지 않습니다. 24절기가 든 날이 매년 일정하다는 사실에서도 알 수 있듯이, 현행 태양력은 이름 그대로 태양의 위치를 표시하는 달력이나 마찬가지입니다. 이런 까닭에, 오늘의 일출 시각은 지난해의 일출 시각과 거의 일치합니다.



역서에 수록되어 있지 않은 지역의 일 출몰 시각도 구할 수 있습니다. 물론 그 지역의 위도와 경도를 알고 있어야 합니다. 이 방법은 "역법의 원리 분석(정음사)"라는 책에 자세히 소개되어 있습니다.
  • 작성일2010-02-23
지구가 처음 생성된 당시부터 기울어져 있었습니다.



행성들의 회전축이 황도 면에 수직, 즉 공전궤도면에 수직으로 있지 않은 이유는 여러 가지로 설명할 수 있습니다. 예를 들면 다른 행성들의 섭동에 의하여 기울어 졌을 수 있고, 위성의 영향을 받을 수도 있습니다. 재미있는 건 목성과 수성은 거의 수직으로 서 있고 나머지 행성은 지구보다 더 많이 기울어져 있습니다. 역학적으로 행성의 자전을 팽이에 비유할 수 있는데 팽이를 자주 쳐주면 더 빨리 돌면서 똑바로 서게 됩니다. 그러나 그냥 놓아두면 회전이 점차 느려지며 옆으로 쓰러지게 됩니다. 재미있는 것은 목성의 경우 행성 중에서 자전주기가 가장 짧습니다. 쓰러질듯 돌아가는 팽이의 머리의 운동을 살펴보면 머리를 끄덕이면서 회전축 주위를 돌게됩니다. 이때 회전축 주위를 머리가 도는 것을 지구에서는 세차운동이라고 하고 머리를 끄덕이는 것을 장동이라고 합니다. 태양계 형성과정에서 어쨌든 목성을 제외하고 행성들의 자전 각 운동량이 그렇게 크지 않았기 때문에 다른 행성의 섭동을 받아 (팽이의 경우에는 중력) 기울어진 것이 아닌가 생각됩니다.



자전축이 기울어 미치는 영향은 한 마디로 계절의 변화입니다. 즉 기울어진 채 공전하게 되면 북반구의 여름철에는 태양이 북반구를 수직으로 비추고, 겨울철에는 남반구를 수직으로 비추게 됩니다. 그리고 다른 영향은 세차운동, 장동운동 (이것은 지구의 모양과 달의 영향 때문에 생김)이 나타나게 됩니다.
  • 작성일2010-02-23
아마도 이 질문과 같은 의문을 갖는 분들이 많을 겁니다. 만유인력으로 조석을 설명하면 물이 달에 의하여 끌린다는 것을 이해하겠는데, 왜 양쪽 (즉 달이 있는 방향과 그 반대편 방향)에 같은 상태로 물이 끌려 올라가는가 하는 의문 말입니다.



이것은 바로 달과 지구가 공간상에 정지해 있는 것이 아니라는 것을 생각하면 의문이 풀립니다. 달과 지구는 이 두 천체의 질량 중심을 중심으로 공전하고 있습니다. 이 질량 중심은 지구-달 계의 경우 지구 반경의 0.7배되는 지구 내부에 있습니다. 이 지구-달 계의 운동에서 지구를 생각해 보면 달은 지구에서 보아 항상 질량 중심의 반대편에 오게 됩니다. 어쨌든 지구가 어떤 점에 대하여 회전하는 것으로 볼 수 있는데 그 회전하는 속도의 방향은 지구-질량중심-달 선에 수직입니다.



지구 자체를 생각해보면 지구 중심이 지구-달 계의 질량 중심을 회전하는 속도와 달 쪽의 지구표면이 회전하는 속도, 그 반대쪽이 회전하는 속도가 달라져야 합니다. 이러한 이유는 회전속도 = 각 속도 x 거리이기 때문입니다. 지구-달 계가 마치 하나의 막대로 연결된 것처럼 하나의 각 속도로 질량 중심을 회전하기 때문에 각 속도는 일정한 상수가 되겠지요. 그런데 달 쪽과 달 반대쪽은 질량 중심으로부터 거리가 각각 0.3x지구반경, 1.7x지구반경이 됩니다. 반면에 그 수직방향인 지구가 진행하는 방향은 거리가 지구반경과 같게 됩니다.



원심력은 "원심력 = 물체의 질량 x 각 속도^2 x 거리"가 되어 세 점의 원심력을 비교하면 다음과 같습니다. 지구 중심의 원심력은 + {질량 x 각 속도^2 x (0.7 x 지구반경)}이 되고, 달 쪽과 그 반대쪽은 각각 " - {질량 x 각 속도^2 x (0.3 x 지구반경)}", "+{질량 x 각 속도^2 x (1.7 x 지구반경)}이 되므로, 지구 중심에서 보면 달 쪽과 그 반대쪽은 원심력이 각각, - (질량 x 각 속도^2 x 지구반경), + (질량 x 각 속도^2 x 지구반경)이 되어 달 쪽은 지구 중심에 대하여 달 쪽으로 힘 (원심력)이 작용하고, 그 반대편은 달 반대편으로 같은 힘 (원심력)이 작용하여 양쪽이 부풀게 됩니다. 한편 지구가 진행하는 방향과 그 반대방향은 지구 중심과 같은 원심력을 가지므로 지구중심에서 보아 원심력의 차가 0이 됩니다.



마찬가지로 태양에 의한 조석력도 비슷하게 설명할 수 있습니다. 즉 지구가 공전궤도를 운동할 때 지구 중심의 속도는 원심력과 중력이 맞서는 반면에 태양 반대편은 원심력이 지구 반경만큼 작아도 됨 (케플러 법칙에서 더 느린 속도로 공전해도 됨)에도 불구하고 지구 중심과 같으므로 남는 원심력이 밖으로 쏠리는 힘으로 작용하고, 태양 쪽은 지구 반경만큼 커야 함 (더 빠르게 공전해야함)에도 불구하고 작으므로 태양 쪽으로 끌려 가게됩니다.
  • 작성일2010-02-23
재미있는 질문입니다. 여러 사람들이 그와 같은 "공상"을 해왔죠. 대표적인 것이 태양을 건너 지구 반대편에 지구와 동일한 조건, 역사, 환경을 갖는 지구의 쌍둥이가 있다고 믿는 사람이 있었으니까요.



과학은 "믿음"이 아닙니다. 과학은 논리죠.



너무 멀리 생각하지 말고 여러분과 같은 동일한 조건, 동일한 인생, 동일한 생각을 갖고 있는 사람이 지구상에 있을까요 ? 없지요. 마찬가지입니다.



과학에 있어서의 선험적인 가정, 즉 증명할 수 없지만 공리 같이 믿어져 왔던 것이 "보편성의 원리 (universality)"입니다. 이 원리는 지구에서 적용되는 물리법칙은 안드로메다은하에서도 적용되고, 우주 어디에서나 적용된다는 원리입니다.



이 원리는 증명한 적은 없습니다. 이 원리에는 역사적 배경과 신학적이 배경이 들어 있습니다. 1601년에 이탈리아의 "부르노"라는 신부가 화형 당해 죽습니다. 이 이유는 그때의 교회의 가르침에 배반하는 이론을 설파하고 다녔기 때문입니다. 이 부르노 신부는 신에 대하여 명상을 하게 되는데 자기가 생각하기에 자기의 신 (기독교의 신)은 평등하거든요. 이게 신학적으로 가장 중요한 개념인데 그렇게 평등한 신이 이곳 (지구)만 창조했을 리는 없다는 생각을 갖게 되었죠. 이곳에 지구를 포함하는 우주를 만들었으면 다른 곳에도 "평등하게" 우주를 만들었을 것이다. 따라서 우주는 무한하다, 뭐 이런 주장을 펼치다가 화형 당합니다. 어쨌든 이 "신학적 의미의 평등"이 자연과학에서는 보편성의 원리로 남게 됩니다.



이 보편성의 원리에 따라 우주에는 지구 말고 다른 곳에도 생명이 존재할거라는 과학적 추론이 가능합니다. 이유는 태양은 아주 평범한 별이거든요. 따라서 태양 같은 조건을 갖는 별이라면 지구와 같은 행성이 존재할 가능성이 높고, 지구와 같은 환경이면 "보편적으로" 생명체가 존재할 가능성이 높다는 것입니다.



이런 이유로 볼 때 개인적으로는 외계인은 인간과 그렇게 많이 다를 것이라고 생각하지는 않습니다.
  • 작성일2010-02-23
라디오파(radio wave)를 우리말로 전파라고 하며 우주 전파를 수신하는 망원경을 전파망원경(radio telescope)이라 고 합니다. 또한 이를 통해 우주의 신비를 연구하는 학문을 전파천문학이라고 합니다. 하늘을 보는 창은 6개의 전자파 즉, 가시광선, 전파,x-선, 감마선, 자외선, 적외선들이 있고, 이 영역을 관측하게 됩니다. 쉽게 말하면 우주에서 나오는 전자파 중 어느 영역을 관측하는가에 따라 광학망원경, 전파망원경, x선 망원경 등...으로 표현합니다.



우주에서 전파가 나온다는 사실은 1931년 미국의 벨연구소에 근무하던 무선공학자인 칼 잔스키란 사람이 처음 발견하였습니다. 이후 우주전파를 관측하기 위해 전파망원경을 제작하게 되었는데 전파망원경은 크게 3 부분으로 구성되어 있습니다. 전파를 모으는 안테나 시스템, 모아진 전파를 증폭, 검파하고 세기를 측정하는 수신기 시스템 그리고 이들을 제어하는 컴퓨터로 구성되어 있습니다.



우리 나라에는 우리 연구원의 지역천문대인 대덕전파천문대에 직경 14미터 전파망원경이 있습니다. 지난 1985년에 설치된 이 망원경을 통해 우주전파를 관측하고 있습니다. 참고로 세계에서 제일 큰 전파망원경은 푸에르토리코에 있는 아레시보 망원경으로 직경이 305미터이고, 독일 에펠스버그에 100미터 전파망원경이 있습니다.



우리 연구원 홈페이지 대덕전파천문대에 들어가시면 우리 연구원의 현황을 알 수 있습니다.
  • 작성일2010-02-23
간섭 계의 원리는 전파 망원경의 경우, (분해능) = 1.03 (파장)/(구경) 이므로 분해능은 직경에만 관계하기 때문에 멀리 떨어진 두 안테나를 이용하여 동일한 시간에 동일한 천체를 관측하면 경로 차가 생겨 간섭이 일어나게 됩니다. 즉 파장의 정수배 만큼 경로 차가 생기면 보강간섭이 일어나게 됩니다. 따라서 전파의 세기가 커지게 됩니다. 이때 (구경) = (두 망원경의 기선)이 되어 분해능은 좋아지게 되는 것입니다. 이렇게 두 개의 망원경을 사용하는 간섭은 한 방향으로만 일어나기 때문에 전파 망원경 여러 개를 십자, 혹은 Y자 형태로 배열하여 전파망원경을 기차에 싣고 파장에 따라, 혹은 분해능에 따라 망원경을 옮겨 관측을 수행합니다. 이런 종류의 간섭 계를 보통 "전파망원경 배열 (array)"이라고 부르는데 미국의 VLA (very large array), 호주의 ATCA (australian telescope of compact array)등이 있습니다. 이 전파망원경 배열은 중성수소에서 나오는 21cm에서 수초 이하의 분해능을 구현하고 있습니다.



이외에 초장기선 간섭 계 (very-long-base-line Interferometer, VLBI)라 해서 기선이 1,000km이상 되는 간섭 계가 있습니다. 분해능은 0.001초 이하로 광학 망원경에서는 구현할 수 없는 분해능을 갖게 됩니다. 현재 VLBI를 운용하고 있는 나라는 미국과 호주 등이 있고, 우리 나라는 한국천문연구원이 중심이 되어 일본, 중국과 함께 동아시아의 VLBI를 추진 중에 있습니다. 한편 전파 우주망원경을 이용한 VLBI 계획을 갖고 있습니다.
  • 작성일2010-02-23
전파 복사의 원리는 크게 열적 복사와 비 열적 복사, 이렇게 둘로 나눌 수 있습니다. 열적 복사는 전파를 발생하는 성운의 온도, 즉 입자의 열 운동에 의하여 발생한다고 생각하면 됩니다. 성운으로부터의 전파는 대부분 분자, 특히 극성 분자의 회전이 양자역학적으로 양자화 되어 있는데 (회전이 가질 수 있는 에너지 가 레벨이 드문드문 떨어져 있다), 이 양자 화된 회전 에너지 레벨 사이의 천이에 의하여 전파가 발생합니다. (참고로 분자는 회전 운동에너지, 진동 에너지, 그리고 전자 에너지 레벨이 양자화 되어 상황에 따라 전자기파를 방출 혹은 흡수합니다. 진동에너지는 회전에너지 보다 상대적으로 크기 때문에 적외선이나 가시 영역에 나타나고, 전자 에너지는 가시영역에, 그리고 회전 에너지는 전파영역에 주로 나타납니다.)



또 한가지 수소의 21cm파와 같은 전파는 원자핵과 전자의 스핀 에너지에서 발생합니다.(FAQ의 "은하의 모양과 21cm중성수소파" 참조) 비 열적 복사는 자기장에 전하가 운동할 때 전파를 발생시킵니다. 태양의 플레어, 중성자별의 전파 (펄서), 활동 은하핵 중 전파원 등은 이와 같은 비 열적 복사에 의하여 발생합니다.