천체물리학(Astrophysics)

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천체물리학(Astrophysics)

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외국어 표기	Himmelskörper Physik(독일어), ce’ Leste Physique(프랑스어), 天體物理學(한자)

목차

1. 1. 개념 및 정의
2. 2. 역사와 발전단계
3. 1) 천문학의 발달
4. 2) 상대성이론
5. 3) 빅뱅이론
6. 4) 블랙홀
7. 5) 관측 천체물리학
8. 3. 접근방법 및 주요 연구영역
9. 1) 접근방법
10. 2) 연구영역
11. 4. 주요 용어 및 관련 직업군
12. 1) 주요 용어
13. 2) 관련 직업군

1. 개념 및 정의

천체물리학(天體物理學, astrophysics)은 우주를 대상으로 하는 물리학(物理學, physics)의 한 분과이다. 천체물리학은 크게 천문학(天文學, astronomy)을 물리학적인 방법으로 연구하는 분야와 과거 우주탄생 및 진화를 연구하는 우주론(宇宙論, cosmology)으로 나눌 수 있다. 현대 천체물리학은 주로 대학 천문학과에서 다루는데, 천체물리학의 경우 물리학과 천문학의 경계가 모호하다. 많은 경우 물리학 및 천문학과(department of physics and astronomy)로 통합하여 운영하고 있는 대학이 많아 따로 구분할 수는 없다.

관측 천문학을 기반으로 하고 있는 천체물리학은 항성, 은하 및 성간물질중력파 또는 전파천문학(電波天文學, radio astronomy)일반상대성이론을 바탕으로 빅뱅이론과 블랙홀粒子物理學, particle physics)과 연계되어 양자중력이론

2. 역사와 발전단계

1) 천문학의 발달

천문학은 고대 점성술플라톤(Platon, BC 427~347)역행현상

히파르코스(Hipparchos, BC 190?~125?)는 지구 주위에 큰 가상의 원이 있고, 가상의 원을 따라서 움직이며 회전하는 주전원(epicycle)클라우디오스 프톨레마이오스(Klaudios Ptolemaeos, 85~165)니콜라우스 코페르니쿠스(Nicolaus Copernicus, 1473.2.19~1543.5.24)의 지동설

플라톤(Platon, BC 427~347)

클라우디오스 프톨레마이오스(Klaudios Ptolemaeos, 85~165)

니콜라우스 코페르니쿠스(Nicolaus Copernicus, 1473.2.19~1543.5.24)

덴마크의 천문학자 티코 브라헤(Tycho Brahe, 1546~1601)는 행성들의 운동을 정밀하게 측정하였고 그의 사후 후계자인 독일의 천문학자 요하네스 케플러(Johannes Kepler, 1571~1630)가 그의 자료를 면밀히 분석하여 지동설을 확립하고 케플러의 법칙갈릴레오 갈릴레이(Galileo Galilei, 1564.2.15~1642.1.8)

이후 케플러 법칙은 위대한 과학자 아이작 뉴턴(Isaac Newton, 1642.12.25~1727.3.20)에 의해 수학적으로 완전히 이해되고 만유인력인 중력을 제창함으로써 천체역학(天體力學, celestial mechanics)양자역학(量子力學, quantum mechanics)도플러 효과를 측정함으로써 팽창하는 우주가 밝혀졌고 이는 현대의 빅뱅이론

티코 브라헤(Tycho Brahe, 1546~1601)

요하네스 케플러(Johannes Kepler, 1571~1630)

갈릴레오 갈릴레이(Galileo Galilei, 1564.2.15~1642.1.8)

아이작 뉴턴(Isaac Newton, 1642.12.25~1727.3.20)

2) 상대성이론

우주 자체에 대한 수학적 연구는 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein, 1879.3.14~1955.4.18)중력특수상대성이론(special theory of relativity)입자가속기

1915년 아인슈타인은 외부에 힘이 작용하지 않는 특수상대성이론의 한계를 넘어 중력을 포함한 일반적인 이론으로 확장하는데 성공하였다. 일반상대성이론(general theory of relativity)아서 스탠리 에딩턴(Arthur Stanley Edington, 1882~1944)중력렌즈 효과양자중력이론

아인슈타인(Albert Einstein, 1879.3.14~1955.4.18)

아서 스탠리 에딩턴(Arthur Stanley Edington, 1882~1944)

3) 빅뱅이론

에드윈 파월 허블(Edwin Powell Hubble, 1889~1953)

빅뱅이론은 이제 중·고등학교 과학교과서에도 실릴 만큼 학계의 정설로 굳어졌다. 그러나 사실 빅뱅이론이 처음 제안되었을 때는 얼빠진 이론으로 여겨졌고 빅뱅이란 말도 우주팽창이론을 비하하기 위해서 영국의 천문학자 프레드 호일(Fred Hoyle, 1915.6.24~2001.8.20)

그런데 아인슈타인의 장방정식(field equation)을 풀어보면 우주는 수축하고 일그러지는 것으로 나타났다. 이는 중력으로 우주의 물질이 서로 거리를 좁히려고 하기 때문이다. 아인슈타인은 우주는 항구 불변해야 한다는 선입관으로 우주상수Alexander Friedmann, 1988.6.29~1925.9.16)은 우주상수 없이 아인슈타인의 방정식을 다시 풀어보니 우주는 수축할 수도 있지만 팽창할 수 있다는 결론을 얻었다.

1929년 미국의 천문학자 에드윈 파월 허블(Edwin Powell Hubble, 1889~1953)은 도플러 효과조지 가모프(George Gamow, 1904~1968)는 우주가 작았을 당시 핵물리학(核物理學, nuclear physics)을 기초로 해서 우주는 뜨거운 불덩이에서 출발했다는 우주탄생 모델을 제창했다. 그리고 우주 초기 고온의 상태에서 일어나는 핵반응으로 인해 현재 우주의 구성원소가 형성되었다는 이론을 발표한다. 이후 핵물리학에 기초한 우주론의 연구를 통해 초기 우주에서는 수소, 중수소, 헬륨, 리튬만이 합성된다는 것이 밝혀졌고 나머지 무거운 원소는 초신성

가모프는 우주에 마이크로파의 배경복사가 존재해야 함을 예언했고 그 온도는 5~7K정도일 것이라고 추정하였다. 이후 1965년 미국의 벨 연구소의 아노 앨런 펜지아스(Arno Allan Penzias, 1933~)와 로버트 우드로 윌슨(Robert Woodrow Wilson, 1936~)인플레이션 우주

1998년 초신성을 이용해 먼 곳까지의 허블상수를 측정하자 우주팽창속도가 더 빨라지고 있다는 것을 미국의 천문학자 솔 펄머터(Saul Perlmutter, 1959.9.22~)와 호주의 천문학자 브라이언 슈밋(Brian Schmidt, 1967.2.24~)

4) 블랙홀

스티븐 호킹(Stephen Hawking, 1942.1.8~2018.3.14)

블랙홀은 우주론에서 중요한 연구주제이다. 그 이유는 블랙홀은 거대한 별이 맞는 최후일 뿐만 아니라 블랙홀 자체가 갖고 있는 물리적 특이성이 매우 흥미롭기 때문이다. 아인슈타인의 일반상대성이론에서는 중력은 시공간을 굽게 만든다. 독일의 천문학자 카를 슈바르츠실트(Karl Schwarzschild, 1873.10.9~1916.5.11)는 아인슈타인의 장방정식을 이용하여 별이 중력붕괴를 일으킬 수 있는 임계질량

별이 어떤 질량 이상이 되면 시공간의 곡률이 무한대로 휘게 되어 빛조차도 빠져나올 수 없는 상태가 되는데, 이것이 블랙홀이다. 그는 그의 결과를 아인슈타인에게 편지로 보냈고 아인슈타인은 그를 대신해 논문에 제출하게 되었다. 그러나 불행히도 당시 슈바르츠실트는 1차 세계대전에 참전하고 있었는데 전선에서 그만 병사하고 말았다.

유명한 천체물리학자 스티븐 호킹(Stephen Hawking, 1942.1.8~)은 블랙홀에 양자역학(量子力學, quantum mechanics)을 고려하여 블랙홀이 모든 것을 빨아들이기만 하는 것이 아니라 입자를 방출할 수 있다는 것을 이론적으로 발견하였다. 블랙홀 입구 주변에서는 입자와 반입자의 쌍들이 생겼다 사라졌다를 아주 짧은 시간에 무수히 반복하는데 이 중 하나가 쌍소멸하기 전에 블랙홀 속으로 떨어지고 다른 하나는 탈출한다면 블랙홀은 복사를 방출하면서 사라진다는 것이다.

이것을 호킹복사쌍성계x-선을 방출하게 되는데, 이를 이용해 블랙홀의 존재를 예측할 수 있게 되는 것이다. 현재 우리은하

5) 관측 천체물리학

과거 천문학은 눈으로 밤하늘을 관측하는 것으로 관측이 이루어졌다면 지금은 허블망원경처럼 매우 큰 광학망원경을 우주에 띄우거나 x-선 및 전자기파x-선 및 전자기파로 바라본 우주는 매우 동적이고 활발하다. 현재 가장 큰 전파망원경은 미국 코넬대가 관리하는 305m의 전파망원경

3. 접근방법 및 주요 연구영역

1) 접근방법

천체물리학의 연구방법은 크게 이론과 관측으로 나뉜다. 이론은 일반상대성이론과 입자물리학이론 등을 이용하여 우주론 분야가 활발히 개척되고 있다. 최근 천체물리학의 경향은 입자물리학과의 경계가 허물어지고 있다는 것이다. 이는 우주생성 초기에는 우주가 입자만큼이나 아주 작았기 때문이다. 일반상대성이론이 우주 자체를 연구하는 도구라면 양자역학은 양성자, 전자양자중력이론초끈이론의 확장판인 M이론

현재 관측 천체물리학은 광학망원경을 이용하기 보다는 x-선이나 전자기파 등을 관측하는 전파천문학이 발달하고 있다. 펜지아스와 윌슨이 우주배경복사를 관측한 이후 우주배경복사를 정밀하게 관측하려는 노력이 지속되었고 1989년 COBE(Cosmic Background Explorer)

2) 연구영역

천체물리학의 연구영역은 당연히 우주이다. 여기에서 다루는 우주는 현재의 우주뿐만 아니라 과거 빅뱅 초기의 우주, 그리고 미래 우주의 운명을 다루고 있다. 이는 우리가 어디에서부터 왔고 어디로 가는지에 대한 인류의 오랜 문제에 대한 답을 제공하려는 노력의 결과이다. 현대 천체물리학은 놀랍게도 그 질문에 대한 답을 잘 찾아가고 있는 것처럼 보인다. 아인슈타인은 일찍이 인간이 우주탄생의 순간과 우주 자체를 이해하는 것 자체가 놀라운 기적이라고 말한 바 있다.

4. 주요 용어 및 관련 직업군

1) 주요 용어

• 항성(fixed star): 태양과 같이 스스로 빛을 내는 천체로 일반적으로 별(star)이라고 한다. 천구 상에서 마치 고정된 것처럼 보이기 때문에 항성이라고 한다.

• 은하(galaxy): 항성, 성간물질, 암흑물질, 플라스마 등이 중력에 의해 묶여있는 하나의 천체로 은빛으로 흐르는 강물처럼 보인다고 해서 은하수(銀河水, milky way)라고도 한다. 모양에 따라 나선은하, 타원은하, 렌즈형은하, 불규칙은하 등으로 나뉜다.

• 성간물질: 별과 별사이의 공간에 존재하는 물질을 말하며, 주요성분은 수소이다.

• 초신성 폭발: 막대한 질량을 갖는 별의 중심핵에는 핵융합에 의해 철(Fe)이 생성된다. 이 중심핵이 강한 중력을 견디지 못하고 폭발을 하는데 폭발의 규모가 작으면 신성, 크면 초신성(超新星, supernova)이라고 한다. 초신성의 밝기는 다른 별에 비해 약 10억 배로 은하보다 밝게 관측되지만 폭발에 의한 관측이기 때문에 수주에서 수개월 동안 관측된다.

• 배경복사: 우주배경복사(宇宙背景輻射, cosmic background radiation)라고도 하는데 파장 0.1㎜~20㎝의 마이크로파가 모든 방향에서 같은 강도로 관측되는 현상으로 대폭발(big bang)에 의한 우주팽창을 뒷받침해주는 증거로 거론된다. 이러한 파장의 크기는 2.7K 흑체에서 나오는 파장의 크기와 같다.

2) 관련 직업군

• 과학자(대학교수 및 연구원)
• 국 · 공립 연구소 연구원(한국 천문 연구원, 국가 수리과학 연구소)
• 국립 천문대 연구원

참고문헌

• Michael Zeilik, Stephen A. Gregory(2010년), Introductory Astronomy and Astrophysics 4th Ed., Brooks/Cole.
• Bradly W. Carroll, Dale A. Ostlie(2007년), An introductioni to Modern Astrophysics 2nd Ed., Pearson Education.
• 오충식(2012년), 『우주론 Ⅰ – 우주의 시작』, 사토 카츠히코, 후타마세 토시후미, 『宇宙論』, 지성사.

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출처(학문명백과 : 자연과학, 이종수