천문학에 대한 모든 것_관측천문학을 중심으로

관측천문학이란?

천문학에서 거의 모든 정보를 얻는 방법은 천체로부터의 가시광 영역의 빛, 또는 일반적으로 다른 파장대의 전자기파를 감지 및 분석하는 것입니다. 관측천문학은 전자기파(전자기장의 흐름에서 발생하는 일종의 전자기 에너지)의 파장대별로 나눌 수 있습니다. 지상에서 관측할 수 있는 파장대의 빛도 있지만 높은 고도나 우주에서만 가능한 영역대의 빛도 있습니다.

관측천문학의 종류

 

1. 전파천문학

전파천문학은 약 1mm보다 긴 파장대의 전자기파를 연구하는 분야입니다. 전파천문학은 다른 분야의 관측척문학과 다르게,  관측된 전파를 파동으로 다루며 개개의 광자로 다루지 않습니다. 그러므로 전파의 세기(amplitude)뿐만 아니라 위상(phase)을 측정하는 데 상대적으로 수월하여 짧은 파장 영역의 전자기파와는 다릅니다. 지구상에서 관측할 수 있는 대부분의 전파는 전자가 자기장 주변에서 진동할 때 생성되는 싱크로트론 복사의 형태이고, 특정 전파는 열적 발산의 형태로 천체에 의해 생성되기도 합니다.

 

2. 광학천문학

광학천문학은 가시광선 천문학이라고도 불리며, 역사적으로 가장 오래된 천문학입니다. 광학 영상은 오랫동안 손 그림으로 기록되었으며, 19세기 후반 ~ 20세기까지는 사진 또는 건판을 주로 이용하여 기록되었습니다. 현재는 디지털 검출기, 특히 CCD 카메라(빛을 전하로 변화시켜 이미지를 얻는 장비)를 주로 사용하여 기록하고 있습니다. 가시광 영역은 400나노미터에서 700나노미터이다. 근적외선(1μm에 가까운 적외선 영역)과 근 자외선(400나노미터에 가까운 자외선 영역)의 관측 시에도 같은 장비를 사용하기도 합니다.

3. 자외선천문학

자외선천문학은 자외선 파장을 관측하는 천문학으로, 10나노미터에서 320나노미터 영역대의 자외선을 관측합니다. 이 파장대의 빛은 지구대기에 의해 흡수됩니다. 그래서 지구대기층이 얇은 높은 고도 또는 우주에 자외선천문대가 세워져야 합니다. 뜨겁고 파란 별들로부터 나오는 열복사와 방출선을 연구하는데 가장 적합한 분야가 바로 자외선천문학입니다. 몇몇 자외선 관측의 주요 관측 대상이 되어 온 별들은 우리은하 밖의 다른 은하에 위치한 푸른 별들입니다. 자외선 영역의 또 다른 관측 대상으로는 활동은하핵 ,행성상 성운, 초신성 잔해 등입니다. 그러나 자외선은 성간 먼지에 의해 쉽게 흡수되는 특징을 가졌기에 자외선 관측은 정확하게 소광(extinction)을 보정해 주어야 합니다.

 

4. 적외선천문학

적외선천문학은 적외선 영역대(가시광의 붉은색 빛보다 파장이 긴 대역)의 빛을 감지하고 연구하는 분야입니다. 근적외선(1~3μm)을 제외한 적외선 영역의 빛은 대부분 대기에 의해 흡수되며 지구대기도 많은 양의 적외선을 내뿜습니다. 그래서 건조하고 높은 고도에 위치한 천문대나 우주에서 적외선 관측이 가능합니다. 적외선을 이용하면 가시광선을 거의 내지 않는,  온도가 매우 낮은 천체들을 관측할 수 있습니다. 파장이 긴 적외선은 젊은 별들을 연구하는 데 유용합니다. 젊은 별들은 우리은하의 중심부와 분자구름 깊은 곳에서 형성되는데, 긴 적외선이 가시광선을 쉽게 가로막는 성간먼지를 투과할 수 있기 때문입니다. 특정 분자들은 적외선에서 특히 강한 방출선을 내기 때문에, 이를 이용하여 성간물질의 화학 연구를 할 수 있습니다.

5. 감마선천문학
 
감마선 천문학은 전자기 파장대 중 가장 짧은 파장대의 천체를 연구하는 학문입니다. 감마선은 인공위성(예시로 콤프턴 감마선 천문대(Compton Gamma Ray Observatory)가 있다) 또는 특화된 망원경(대기 체렌코프 망원경(atmospheric Cherenkov telescopes)이라 불린다) 사용하여 관측됩니다. 체렌코프 망원경은 감마선을 직접적으로 검출하진 않고 가시광 영역의 반짝임(체렌코프 복사)을 감지합니다. 이는 지구대기에 의해 감마선이 흡수되었을 때 생성되는 반짝임입니다. 감마선을 내뿜는 대부분의 천체는 감마선 폭발입니다. 감마선 폭발은 짧은 시간에 강한 감마선을 방출 후 금방 어두워지는 천체입니다. 그 외에 펄사, 중성자별, 활동은하핵이 감마선을 내뿜는 천체입니다.

 

6. X-선 천문학

X-선 천문학은 천체 중 엑스선 파장대의 빛을 내는 천체를 연구하는 학문입니다. X-선은 매우 뜨거운 천체들로부터 다양한 형태로 방출되는데, 흑체복사(blackbody radiation), 싱크로트론 복사, 제동복사(bremsstrahlung radiation)의 형태가 있습니다. X-선은 지구대기에 의해 흡수됩니다. 그래서 높은 고도로 띄우는 로켓, 풍선 또는 비행선을 이용하거나 우주망원경 형태로 관측이 이루어집니다. 엑스선 이중성, 펄사, 초신성 잔해, 타원은하, 은하단, 활동은하핵 등이 우리에게 주로 알려진 X-선 천체입니다.

7. 전자기파 이외의 천문학

전자기파(빛) 이외에 우주에서 일어나는 현상을 관측할 수 있는 방법은 중력파, 중성미자 등을 이용하거나, 혜성이나 달 같은 지구 밖 천체에서 직접 시료를 채취하기 위해 탐사선을 이용하기도 합니다.

주로 초신성 폭발이나 태양 내부에서 만들어지는 뉴트리노는 대기의 입자와 반응하거나 우주선(Cosmic ray)이라는 고에너지 입자가 차례로 붕괴로 만들어지곤 합니다. 이러한 뉴트리노는 물질과 거의 반응하지 않습니니다. 그래서 뉴트리노의 관측 방법은 지하 시설에 위치한 커다란 용기에 많은 양의 물과 얼음을 채워 놓은 후 뉴트리노와 이들이 반응할 때 나오는 아주 미세한 빛을 검출하는 방식입니다. 뉴트리노 검출기로는 특별한 지하 시설인 Kamioka II/III, SAGE 등이 있습니다.

새롭게 발생한 천문학의 분야로 중력파 천문학이 있습니다. 중력파 천문학의 목적은 블랙홀, 중성자별 등으로 구성된 쌍성들이 내는 것 같은 중력파를 검출하는 것입니다. 2016년 중력파 검출에 성공함으로써 아인슈타인의 상대성 이론의 강력한 증거가 되었고, 현재까지 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)가 만들어졌습니다.

행성 과학자들은 직접적인 관측을 실시하기도 합니다. 우주탐사선을 행성에 보내거나 시료를 채취 후 돌아오는 방식을 이용하기도 합니다. 예를 들어, 탐사선이 행성을 지나면서 사진을 찍거나, 행성에 직접 착륙 후 실험을 수행하거나, 탐사선을 표면에 충돌시켜 이때 발생하는 물질들을 원거리에서 관측하기도 합니다.

8. 측성학과 천체역학

측성학(astrometry)는 천체의 위치를 측정하는 학문입니다. 자연과학과 천문학에서 가장 오래된 분야 중의 하나로 꼽힙니다. 역사적으로 항해 또는 달력을 만드는 데 필수적인 것이 해, 달, 행성, 별들의 위치를 정확히 아는 것이기 때문입니다. 측성학은 매우 정확하게 행성의 위치를 측정하는 걸 가능하게 하였습니다. 그 결과, 중력의 섭동에 관해 잘 이해할 수 있도록 기여했을 뿐만 아니라, 천체역학(Celestial mechanics)이 발전하는 데 기여하였습니다. 최근에는 소행성과 혜성들이 지구와 충돌하는 등의 위험한 사고를 예측하는 매우 중요한 역할을 하고 있습니다. 또한 가까운 별까지의 거리를 재는 일은 매우 중요하데, 별의 절대 광도 같은 물리량을 정확히 잴 수 있기 때문입니다. 나아가 우리은하 내의 전체들이 어떻게 움직이는 지를 연구할 수 있습니다.