2019 심화교육 – 천체지구과학 강의노트 1

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2019-10-08 경남과학고등학교 오유신 작성

#근대 천문학과 천체 역학

도입:천문학사(천문학의 발전)

천문학의 발전을 이야기하려면 하늘을 처음 살폈을 때를 이야기해보아야 한다.

고대 사람들의 경우에는 해가 뜨고 지는 현상만으로도 충분히 과학적이라고 생각했음. 천체를 통하여 역법이 발전.

천문학은 책으로만 이해하고 글로서만 바라보는 것이 아니라, 실제로 여러분들이 밤하늘을 살펴보고, 관측 등을 통하여 실제로 확인해보는 기회를 많이 만들어 학습하는 것이 중요함.

고대 천문학

고대 사람들은 시간과 계절을 기록하고 항해에 도움을 받기 위하여 하늘을 관찰하고자 했다.

예를 들어, 건기와 우기에 해당할 때 하늘의 패턴(달의 모습 등)을 관측하여, 이를 예측하는 데 천문 현상을 사용했다(주기의 일치성)

천문학과 시간, 그리고 오늘날의 천문학

예로부터 천문학은 역법에 활용되었다. 해시계 등은 시간을 정하는 데 아주 유용했다.

그러나 현대의 천문학의 경우는 시간 등 역법만을 담당하지 않는다. 먼 공간에도 천체들이 존재하는 것 등을 확인하여 우주의 크기를 추정하거나, 수소 등으로 가득찬 우주 공간을 어떻게 이해하는 지가 현대 천문학이 연구하고 있는 분야이다.

지구의 위치

우리 지구는 태양계에 속한 행성이며, 태양계는 수많은 다른 계들과 함께 우리 은하(the Milky Way Galaxy)에 속해 있으며, 우리 은하는 국부 은하군(the Local Group)에 다른 많은 은하들과 함께 속해 있으며, 국부 은하군은 국부 초은하단(the Local Supercluster)에 속해있다.

우리는 이러한 작은 공간에서 우주를 설명하기 위해 노력하고 있는 것이다.

시리우스(Sirius, m=-1.46, 9,940K)

시리우스는 겨울철 별자리인 큰개자리의 알파별로서, 겨울철의 대삼각형을 구성하는 3개의 별 중 하나이다. 주계열성이다.

시리우스는 사실 쌍성인데, 시리우스 옆에는 같은 거리에 있는 Sirius B 백색 왜성이 있다. 백색 왜성은 반경은 굉장히 작으나 표면 온도가 굉장히 높아서, X선을 방출하는 영역대의 온도를 가진다.

시리우스는 분광형 A0로, 태양에 비해 약간 더 크다.

안드로메다 은하(the Andromeda Galaxy)

천체를 구분할 때 가장 편안한 기준 중 하나가 점광원이냐/퍼진 광원이냐는 기준인데, 점광원은 별이며, 퍼진 광원의 예로는 성운, 은하, 성단, 초신성의 잔해 등을 들 수 있다. 외부 은하의 존재는 허블에 의하여 알게 되었다(최초로 확인된 외부 은하가 안드로메다 은하).

이러한 안드로메다가 외부 은하임을 확인하는 데 결정적인 역할을 한 것은 안드로메다 은하 내의 세페이드 변광성으로, 주기-광도 관계가 있어 이와 포그슨 방정식을 이용하여 거리를 추산할 수 있었다.

안드로메다를 하늘에서 찾기 위해서는 가을철 별자리인 페가수스 자리를 찾고, 안드로메다 자리를 찾아 그 언저리를 보면 된다.

시선 방향으로 안드로메다 은하 까지의 거리는 250만 광년 정도 된다.

X선 관측을 통하여 X선이 보이는 경계와 보이지 않는 경계가 대략 200만 광년 정도로, 안드로메다 은하의 헤일로를 결정할 수 있었다.

우주의 과거 들여다보기

허블 망원경은 우주 망원경으로서 지상의 망원경에 비해 방해 요소가 거의 없어 오차가 적고, 정확하고 효율적인 관측이 가능하다.

우리 우주의 나이는 약 137억년 정도이다.

빛의 속도는 유한하므로, 우리는 우주의 ‘과거’의 모습을 봄으로서 우주를 관측하고, 그 속에서 우리의 위치를 찾으며, 우주의 역사는 어떠했는지 추측해본다.

공간(우주)의 크기

이를테면, 1/100억 축척을 도입하여, 1광년을 약 1000km라 하자.

그렇다면 태양은 자몽의 크기와 비슷하고, 지구는 15m 거리의 볼펜심 속의 구슬이 되며, 명왕성은 600m 정도 떨어져 있고 크기는...(안습)

알파 센타우리는 실제 4.4광년 떨어져 있으니, 태양과 알파 센타우리 간의 거리는 워싱턴 DC와 캘리포니아 사이의 거리로서 비유될 수 있다.

여담:보이저 탐사선

- 1977년 보이저 2호는 1.4km/s의 속도로 발사되어 1979년 목성, 1981년 토성, 1986년 천왕성, 1989년 해왕성 둥 외행성을 통과하여 태양계 외부로 빠져나가는 중이며, 앞으로 약 10만년 동안 이 속도로 간다면 알파 센타우리에 도달할 수 있다.

현재 보이저 1호는 100AU 정도 떨어져 있으며, 카이퍼 벨트를 통과하는 중이다.

별의 생애와 은하 내 순환

별은 질량에 따라서 진화 경로가 다르다.

태양 정도: 성간 구름 -> 원시성 -> 주계열성 -> 적색 거성 -> 행성상 성운 + 백색 왜성

질량이 큰 경우: 빠르게 진화한다: 성간 구름 -> 원시성 -> 주계열성 -> 청색 거성(성) -. 적색 (초) 거성 -> 초신성 -> 중성자별/블랙홀 등

우리의 태양은 앞으로 태양 정도의 진화 경로에 따라서 적색 거성이 되었다가 행성상 성운 + 백색 왜성의 진화경로를 거치게 될 것으로 예상된다.

지구라는 우주선(R. Buckminstar Fuller, 1896-1983)

지구는 스스로 약 24시간에 서->동으로 자전한다. 그러면서 스스로 약 1년을 주기로 서->동으로 공전까지 한다.

지구의 공전 궤도는 타원 궤도이며, 근일점과 원일점이 존재한다. 재미있게도, 북반구에서 겨울일 때 현재는 지구 공전 궤도 상에서는 근일점에 해당한다.

춘분/하지/추분/동지점을 기억해둘 것.

태양계의 운동

태양도 공전을 하고 있다! 우리 은하의 약 27,000 광년 떨어진 중심을 원점으로 하여, 총 궤도 길이 230 million-year의 궤도를 공전하고 있다.

다만, 은하 내부에서 별들 사이의 거리는 멀리 떨어져 있으므로(알파 센타우리까지만 해도 4.4광년) 은하가 자전한다고 해서 별들 사이의 충돌은 사실상 일어날 수 없다.

암흑물질

허블의 법칙의 그래프를 그려보았더니, 실제로 이론 상에서 예측된 것 보다도 실제 값이 우주는 예상보다 덜 팽창했음을 가리키고 있었다. 이를 토대로 볼 때, 우주의 수축 원인이 되는 암흑물질의 존재를 예측할 수 있다.

허블의 법칙(E. Hubble, 1920 발표)

1. 국부은하군 외부에 놓인 거의 모든 은하(외부 은하)는 우리로부터 멀어지고 있다.

2. 은하들이 멀리 떨어져 있을수록 그 후퇴속도는 더 빨라진다.

국지적인 팽창이 아닌, 우주 전체의 팽창임에 유의한다.

달(Moon)

달의 공전 주기와 자전 주기가 일치하기 때문에 우리는 항상 달의 한 면 밖에 볼 수 없다.

달의 경우, 지구의 인력에 의하여 지각의 평균 두께가 지구 쪽이 얇다(내부 핵 부분이 쏠리는 모습을 생각해보자. 마치 날달걀 노른자가 쏠리는 느낌)

달의 위상 변화는 skip(너무 쉽다)

일식

일식이 일어나는 이유는 태양을 중심으로 하는 지구의 공전궤도면과 지구를 중심으로 하는 달의 공전궤도면의 각이 약 5도 정도로 거의 차이가 없고, 따라서 태양-달-지구의 상대적인 위치에 따라서 태양이 달에 의하여 가리는 등의 일식이 나타날 수 있다.

태양은 달보다 400배 정도 크나 400배 정도 멀리 떨어져 있어 우리가 보는 거의 대부분을 가리는 일식이 가능

달 또한 지구 중심으로 돌 때에 그 공전 궤도 상에 근일점과 원일점이 있는데, 원일점 부근에서 일식이 일어날 경우는 금환일식(Annular eclipse)이, 근일점 부근에서 일식이 일어날 경우는 개기일식(Total eclipse)이 일어난다.

월식

개기월식 중에는 달이 붉게 변한다. 이는 지구 대기를 태양이 통과하면서 파란색 부분은 지구 지표 쪽으로 굴절되었고, 붉은 부분은 덜 굴절되어 달로 도달하였기 때문이다.

수퍼문

보름달이 근일점에 있을 때의 모습을 수퍼문이라고 한다.

행성에 얽힌 고대 미스터리

행성의 역행은 역사적으로 상당히 설명하기 어려웠다. 수개월을 통해 일어나는 현상이므로 수개월을 관측해야 비로소 알 수 있는 현상이기도 했으니 말이다. 그러나 역사적으로 지구가 공전/자전하는 것을 알지 못했던 과거에는 이를 설명하기 굉장히 난해하였고, 잘못된 모델도 많았다.

일반적으로 지구 공전의 증거를 우리는 연주시차(6개월간의 간격을 두고 관측한 별의 겉보기 위치 차이인 시차의 절반을 연주시차, 혹은 항성시차라고 한다)라고 하나, 실질적으로 연주시차는 매우 작기 때문에(기본적으로 초 단위임) 관측하기 상당히 어렵다. 당장 가장 가까운 알파 센타우리도 그 시차가 1.25초 정도 밖에 안된다.