우주탐사의 물리학

프롤로그

1부 무중력과 인공위성
맨몸으로 하늘을 나는 꿈, 실현 가능할까?
무중력을 만드는 방법
무중력의 정체
스타십과 하이퍼루프를 이용한 미래의 무중력 체험
상상의 지구에서 체험하는 무중력
지구의 자전주기는 24시간이 아니다
인공위성과 미사일이 날아가면서 휘는 이유는?

2부 태양계 우주탐사
초기속도란 무엇인가?
달 그리고 다른 행성에 가기 위한 초기속도
중력도움 항법은 보이지 않는 공짜 추진체
수성과 태양 탐사에도 이용하는 중력도움 항법
우주선 비행 궤도의 모양이 의미하는 것은?
로켓과 이온 추진체, 그리고 미래의 광자로켓

3부 소행성과 혜성, 그리고 지구 방위
소행성과 혜성의 모양이 울퉁불퉁한 이유는?
공룡을 멸종시킨 소행성 충돌 에너지는 어디에서 왔나?
혜성이 지구와 부딪치면?
소행성과 혜성 충돌로부터의 지구 방위

4부 장기간 유인 우주탐사에 필요한 인공중력
시애틀 기차탈선사고는 어떻게 일어났나?
스포츠에서의 인공중력
우주에서 인공중력을 만드는 방법
인공중력에서 저글링을 하면?
평평함과 수평의 차이
무중력을 설명하는 있다가도 없는 관성력
인공중력의 정체, 그리고 관성력으로 보는 중력

5부 외계천체 찾기
첫 외계행성 관측과 도플러 효과
그림자의 과학: 외계행성 관측과 엑스선 영상
신기루의 과학: 블랙홀을 가까이에서 보면?
거리는 어떻게 측정할까?
첫 중력파 관측 논문 따라잡기

6부 특수상대성이론으로 풀어보는 외계행성 유인 탐사
우주선의 속도가 광속에 가까우면 생기는 일
쌍둥이 역설: 아는 것과 보이는 것의 차이
유인 우주선은 얼마나 빨리 가속할 수 있을까?
광속에 가깝게 가속할 때 필요한 에너지

에필로그
주
그림 출처

지구의 자전은 미사일 발사속도에도 영향을 끼친다. 지구에서 발사하는 미사일은 지구가 자전으로 움직이는 속도를 덤으로 얻는다. 달리는 버스 안에서 정확하게 위로 던져 올린 공을 버스 안에 있는 사람이 보면 공은 위로 올라가지만, 버스 밖 길거리에 서 있는 사람이 보면 공은 버스가 달리는 방향으로도 움직이는 것과 같은 이치이다. 지상에서 발사하는 미사일을 지상에서 보면 발사한 속도와 방향으로 움직인다. 하지만 먼 우주에서 보면 지구가 자전으로 움직이는 속도가 더해지기 때문에, 지상에서 보는 방향보다 자전하는 방향으로 치우쳐 날아간다.
자전으로 지구가 움직이는 속도는 위도에 따라 다르다. 같은 해수면 높이라면 적도에 위치한 지점이 지구가 자전하는 축에서 가장 멀리 떨어져 있는 지점이다. 이 때문에, 자전으로 움직이는 속도는 적도에서 가장 빨라서 초속 465미터에 이른다. 위도 30도에서는 초속 402미터이고 위도 60도에서는 초속 233미터로 점점 줄어든다. 북극이나 남극은 자전축에 위치하고 있기 때문에 제자리에서 돌기만 한다. 따라서 적도에 가까운 곳에서 발사할수록 미사일이 지구의 자전으로 인해 덤으로 얻는 속도는 더 커진다.
_1부 무중력과 인공위성

태양에 가장 가까운 행성은 수성이다. 지구와 수성 사이의 거리는 짧을 때는 7,700만 킬로미터이고, 멀 때는 2억 2,000만 킬로미터이다. 한편, 지구와 목성 사이의 거리는 가장 짧을 때도 6억 킬로미터에 이른다. 이렇게 수성이 목성보다 지구에 훨씬 더 가까이 있어서 수성 탐사를 훨씬 더 일찍 하지 않았을까 하는 생각을 할 수 있다. 하지만 첫 수성 탐사 시기는 첫 목성 탐사 시기와 비슷하다. 파이오니어 10호는 1972년 3월 3일 발사되어 1973년 12월 4일 처음으로 목성에 가장 가까이 간 반면, 최초의 수성 탐사선인 매리너 10호(Mariner 10)는 1973년 11월 3일 발사되어 1974년 3월 29일 수성에 가장 가까이 다가갔다.
수성 탐사선은 지구보다 더 안쪽을 공전하는 수성을 향해 날아가야 한다. 그런데 지구의 공전 속도를 덤으로 얻은 우주선의 빠른 속도가 문제이다. 우주선을 지구의 공전 방향으로 강하게 떠미는 관성이 방향을 바꾸는 것을 어렵게 만든다. 똑같이 방향을 바꾸려고 해도 우주선이 빠를수록 더 큰 속도 변화가 필요하기 때문이다. 배를 타고 물살이 빠른 강을 건널 때, 아무리 노를 저어도 강가에 서 있는 사람이 보면 배는 빠른 물살에 떠밀려 강물의 흐름과 별 차이 없게 움직이는 것처럼 보이는 것과 비슷하다.
_2부 태양계 우주탐사

물이 들어 있는 U자형 유리관의 왼쪽에 물을 더 넣으면 그 순간에 왼쪽의 물이 더 높아진다. 높아진 만큼 중력에 의해 더 많은 물이 누르기 때문에, 왼쪽에서 물이 누르는 압력이 커진다. 연결된 아랫부분을 통해 더 세게 누르는 왼쪽에서, 더 약하게 누르는 오른쪽으로 물이 이동한다. 시간이 지나면 양쪽 끝의 물 높이가 같아지고 누르는 압력도 같아져 더 이상 물이 이동하지 않는다. 양쪽 물높이가 같아졌다는 것은, 지구의 중심에서 양쪽 물 표면까지의 거리가 같아졌다는 것을 의미한다. 마찬가지로 유동체로 만들어진 천체도 천체 중심에서 표면까지의 거리가 모두 같아지는 공 모양으로 변하도록 내부 물질이 이동한다.
태양과 목성류 행성들은 내부가 대부분 기체나 액체인 유동체로 채워져 있다. 이 때문에 천체 내부에서 물질이 이동하기 쉬워 천체가 안정적인 공 모양이 되는 데 유리하다. 그런데 모양을 바꾸기 어려운 고체로 만들어진 천체도 많다. 지구나 화성 같은 경우는 내부를 구성하는 물질 대부분이 매우 단단한 암석이지만, 전체적으로는 둥근 공 모양을 하고 있다. 이런 공 모양의 암석 행성을 설명하려면 행성 자체의 무게로 인해 생기는 천체 내부의 압력에 대한 이해가 필요하다.
_3부 소행성과 혜성, 그리고 지구 방위