14살에 시작하는 처음 천문학

글쓴이의 말: 우주 이야기가 주는 감동을 함께 느낄 수 있으면 좋겠다 004

1장 ◆ 천체는 어떻게 움직일까?
행성은 타원 운동을 한다! 008
천문학 산책 ◆ 우라니보리 천문대와 브라헤 030

2장 ◆ 천체 사이에는 어떤 힘이 작용할까?
모든 물체 사이에는 중력이 작용한다! 032
천문학 산책 ◆ 지구 중력을 극복하는 데 필요한 비용 053

3장 ◆ 망원경의 발전이 천문학 발전에 어떻게 기여했을까?
망원경 덕분에 태양계와 우주가 크게 넓어졌다! 056
천문학 산책 ◆ 메시에 마라톤 075

4장 ◆ 우주에서는 거리를 어떻게 잴까?
연주 시차 측정으로 우주에서 거리 재기가 시작되었다! 078
천문학 산책 ◆ 별의 밝기와 등급 099

5장 ◆ 별빛을 분석하면 어떤 것을 알 수 있을까?
별빛은 별에 대한 모든 정보를 담고 있다! 102
천문학 산책 ◆ 천문학자와 교통경찰 122

6장 ◆ 시공간의 구조가 어떻게 중력을 만들어 낼까?
시공간이 휘어진 정도가 중력의 세기를 결정한다! 124
천문학 산책 ◆ GPS와 상대성 이론 144

7장 ◆ 별은 어떻게 태어나서 성장하고 죽어 갈까?
별의 일생은 크기에 따라 달라진다! 146
천문학 산책 ◆ 미래에는 별나라 여행이 가능할까? 167

8장 ◆ 우주가 팽창하고 있다는 것은 어떻게 알았을까?
허블 법칙은 우주가 팽창하고 있다는 것을 의미한다! 170
천문학 산책 ◆ 밤하늘은 왜 어두울까? 190

9장 ◆ 우주는 어떻게 시작되었을까?
빅뱅과 함께 모든 것이 시작되었다! 192
천문학 산책 ◆ 빅뱅이라는 명칭의 유래 216

10장 ◆ 우주의 미래는 어떻게 될까?
우주의 운명은 암흑 에너지가 결정한다! 218
천문학 산책 ◆ 외계인이 있을까? 237

사진 및 도판 제공 240

하노버에서 태어나 독일 군악대 대원으로 전쟁에 참여했다가 영국으로 망명하여 작곡가이면서 뛰어난 오보에 연주자 생활을 하고 있는 윌리엄 허셜은 차츰 천문학에 관심을 가지게 되었다. 시간이 지남에 따라 천문학은 단순한 취미에서 점차 가장 중요한 관심사가 되었다. 그래서 천체 관측에 필요한 망원경을 제작하는 방법을 스스로 개발하여 크고 성능이 좋은 망원경을 많이 만들었다. 그때 그의 여동생인 캐롤라인 허셜도 일을 도왔다.
캐롤라인은 허셜의 일을 도울 뿐만 아니라 스스로도 천체를 관측하여 새로운 혜성을 여러 개 찾아내기도 했다. 캐롤라인은 망원경을 만들 때의 허셜의 모습을 다음과 같이 기록해 놓았다.
“오빠는 옷을 갈아입을 사이도 없이 망원경 만드는 일을 계속했다.
오빠의 옷소매는 찢어져 있거나 거울을 연마하는 데 사용하는 송진으로 더럽혀져 있었다. (…) 나는 손이 더러워 음식을 집어먹을 수 없는 오빠에게 음식을 떠먹여 주기도 했다.”

천문대 대장이 된 후에는 별의 위치를 정확하게 결정하기 위한 연구에서 커다란 성과를 거뒀다. 정지해 있는 지구에서 별을 관측하는 것이 아니라 빠르게 달리고 있는 지구에서 별을 관측하므로 별의 위치가 계절에 따라 조금씩 다르게 측정된다. 따라서 여러 계절에 측정한 별의 위치를 이용하여 정확한 위치를 결정하기 위해서는 여러 가지 계산이 필요하다. 천문학뿐만 아니라 수학에도 뛰어난 능력을 지닌 베셀은 별의 위치를 결정하는 방법을 개발했다.
베셀이 쾨니히스베르크 천문대 대장으로 있으면서 이룬 가장 중요한 업적은 백조자리 61번별의 연주 시차를 측정하는 데 성공한 것이다. 연주 시차의 측정은 고대 그리스 천문학자들 이래로 수많은 천문학자들이 시도했지만 성공하지 못한 것이었다. 천문학자들은 연주 시차의 측정이 천문학이 해결해야 할 가장 중요한 숙제라는 것을 잘 알고 있었다. 그런데 베셀이 그 일을 해낸 것이다. 베셀의 연주 시차 측정 성공으로 천문학이 오늘날 우주의 시작과 끝을 이야기할 수 있는 천체물리학으로 발전할 수 있는 기틀이 마련되었다.

허긴스 부부가 천문학 발전에 기여한 가장 큰 업적은 별에서 오는 빛을 분석하여 별에 대한 정보를 알아내는 방법을 발전시킨 것이다. 별은 아주 멀리 있기 때문에 실제로 별에 가서 자세하게 조사할 수 없다.
따라서 별에서 오는 신호를 분석하여 정보를 얻어야 한다. 멀리 있는 별에서 오는 신호 중에 가장 많은 정보를 담고 있는 것은 빛이다. 천문학자들은 빛을 분석하여 수억 광년이나 떨어져 있는 은하의 구성 성분은 물론 온도나 내부 구조에 대해 자세하게 알아낼 수 있다.
별빛을 분석하여 별의 구성 성분과 별이 멀어지거나 다가오는 속력을 처음으로 알아낸 천문학자가 바로 허긴스 부부였다. 자신들이 세운 천문대에 지름이 20센티미터인 망원경과 빛을 분석하는 장치를 갖춘 허긴스 부부는 1863년, 별빛을 분석하여 별도 지구에 존재하는 것과 같은 원소들로 이루어져 있음을 알아냈다. 그는 오리온자리의 알파별인 베텔게우스가 나트륨·마그네슘·칼슘·철·비스무트와 같은 원소를 포함하고 있다는 것을 알아냈다.