천체물리학(Astrophysics)

천체물리학(Astrophysics)

천체물리학(Astrophysics)은 천체와 우주 현상 연구에 화학과 물리학의 방법과 원리를 적용하여 사용하는 과학입니다. 이 분야의 창시자 중 한 명인 제임스 킬러는 천체물리학은 우주에서 천체의 위치나 움직임과 그리고 천체가 어디에 있는지가 아니라 천체가 무엇인지 원초적인 성질을 파악하기 위해 천체물리학을 이용한다고 말합니다. 연구 대상 중에는 태양(태양 물리학), 태양계 외 행성, 은하, 성 간 매질 다른 항성 및 우주 마이크로파 배경이 있습니다. 이러한 물체로부터의 방출은 전자 스펙트럼의 모든 부분에 걸쳐 조사되며 조사된 특성에는 온도 및 화학, 밀도, 온도, 광도 조성이 포함됩니다. 천체물리학은 매우 광범위한 학문이기 때문에 천체물리학자들은 상대성이론, 열역학, 양자역학, 전자기학, 통계역학, 전자기학, 고전역학, 핵 입자 물리학 및 원자 분자 물리학 등 많은 분야의 개념과 방법을 적용하고 있습니다. 실제로 현대 천문학 연구는 종종 관측 물리학과 이론 물리학 분야에서 상당한 작업을 포함하고 있습니다. 천체물리학자들의 연구 분야에는 암흑물질, 암흑에너지, 블랙홀 및 기타 천체의 성질을 파악하려는 연구, 그리고 우주의 기원과 먼 훗날 우주의 최종 운명 등이 있습니다. 이론 천체물리학자들에 의해 연구된 주제에는 자기유체역학, 은하 형성과 진화, 우주 물질의 광범위한 구조, 우주의 기원, 일반상대성 이론, 양자 물리 우주론, 항성역학과 진화, 은하 형성과 진화, 태양계의 형성과 진화 등이 있습니다. 인공위성 제작이나 우주 탐사선, 달 탐사 제작 및 궤도 설정, 허블망원경이나 제임스 웹 우주 망원경 같은 정밀한 우주 연구 장비 제작 등 우주에 관하여 절대 빠질 수 없는 학문입니다. 보이저 1&2호는 천체물리학의 역대 수작으로 꼽히고 있으며 아직 지금까지 탐사 활동을 하고 있어 아직도 많은 학자가 우주 탐사를 위해 열심히 연구하고 있습니다. 천체물리학은 고난도의 학문이라 선진국 지정의 지표가 되는 학문이며, 여러 나라에서는 천문학적인 돈을 투자하여 엄청난 연구를 하고 있습니다.

천체물리학의 역사

천체물리학의 역사에는 천문학과 지구물리학 빠질 수 없습니다. 천문학은 지구물리학과 완전히 반대되는 연구에서조차 오랫동안 분리되어 온 옛날 고대 과학이다. 전능한 고대 과학자인 아리스토텔레스 세계관에서는 하늘에 있는 물체는 원 안에서 한결같은 움직임밖에 없는 불변의 구체인 것처럼 보였고, 지구상의 세계는 성장과 쇠퇴를 겪으며 움직이는 물체가 목적지에 도달하면 자연스러운 움직임이 일직선으로 끝나는 영역인 것으로 보았습니다. 결과적으로 천상 영역은 플라톤이 유지하는 불, 아리스토텔레스가 유지하는 에테르와 같은 지상 영역과는 근본적으로 다른 종류의 물질로 이루어져 있다고 생각되어 왔습니다. 17세기 동안 데카르트, 갈릴레오, 뉴턴과 같은 자연철학 자들은 하늘과 땅은 같은 종류의 물질로 이루어져 있으며 같은 자연법칙을 따른다고 주장하기 시작했습니다. 그들의 과제는 그 당시에 열악한 연구 환경 속에서 이러한 주장을 증명하는 도구가 아직 발명되지 않았다는 것이었습니다. 19세기 대부분의 기간동안 천문학적인 연구는 천체의 위치를 측정하고 운동을 계산하는 일상적인 작업 즉 기본적인 연구에 초점이 맞춰져 있었습니다. 천체물리학이라고 불리는 새로운 천문학이 출현하기 시작한 것은 윌리엄 하이드 월러스톤과 조지프 폰 프라운호퍼가 독립적으로 태양으로부터의 빛을 분해할 때 스펙트럼 내에서 많은 어두운 선(빛이 적은 영역 또는 아닌 영역)이 관측되고 있다는 것을 발견했을 때입니다. 1860년까지 물리학자 구스타프 키르히호프와 화학자 로버트 분센은 태양 스펙트럼의 어두운 선이 그전에 연구로 밝혀진 가스 스펙트럼의 밝은 선에 대응한다는 것을 증명했습니다. 키르히호프는 태양 스펙트럼의 암선은 태양 대기 중 화학 원소에 의한 흡수에 의해 야기된다고 추정했습니다. 이러한 연구 결과로 태양이나 별에서 발견된 화학 원소도 지구상에서 발견된다는 것이 증명되었습니다. 태양 스펙트럼과 항성 스펙트럼의 연구를 확장한 것은 1868년 태양 스펙트럼의 어두운 선뿐만 아니라 방사선도 검출한 천체물리학자 노르만 롸키어 입니다. 화학자 에드워드 프랭클린과 협력하여 다양한 온도와 압력에서 원소의 스펙트럼을 조사한 결과, 그는 태양 스펙트럼의 노란 선을 알려진 원소와 연관시킬 수 없었습니다. 그는 이 선이 이후 그리스의 헬리오스, 태양의 의인화를 따서 헬륨이라고 불리는 새로운 원소를 나타낸다고 주장 했습니다. 1885년 에드워드 C. 피커링은 하버드 천문대에서 여성 컴퓨터 팀, 윌리엄 이나 플레밍, 앤토니에 마우리, 애니 잼 캐논이 사진판에 기록된 스펙트럼을 세세히 나누고 분류하는 야심에 찬 프로그램을 맡았습니다. 1890년까지 10,000개 이상의 항성 카탈로그가 작성되었고, 13가지 스펙트럼으로 세분되어 분류되었습니다. 피커링 비전에 따라 1924년까지 캐논은 카탈로그를 9권과 25만 개 이상의 별과 행성 성운으로 확대하였고, 1922년 전 세계에서 사용이 인정된 하버드 분류 체계를 개발했습니다. 1895년 조지 엘러리 헤일과 제임스 E. 킬러는 미국과 유럽 서양 국가 10명으로 구성된 편집자 그룹과 함께 천체물리학 저널(The Astropysical Journal) 설립했다. 분광학과 천문물리학에 대한 국제적 리뷰를 실었고, 이 잡지는 천문학과 물리학 저널 사이의 간극을 메우기 위한 것이며 분광기의 천문학적 응용에 관한 논문 발표 장소를 제공하고 있습니다. 금속과 기체 스펙트럼 파장 측정 및 방사선과 흡수에 관한 실험, 태양, 달, 행성, 혜성 및 성운에 관한 이론, 망원경 및 실험실 기계 등 천체물리학 발전에 많은 도움이 되는 자료 등을 게재하며 천체물리학 발전에 많은 공을 세우고 있습니다. 1920년경 항성 분류와 그 진화의 기초로 아직도 사용되고 있는 헤르츠스프룽-러셀 그림이 발견된 후 아서 에딩턴은 항성 내부 구성에 관한 논문에서 항성에서의 핵융합 프로세스 발견과 메커니즘을 예측하였습니다. 당시 항성의 에너지원은 완전한 수수께끼였으며, 에딩턴은 그 근원이 수소를 헬륨에 융합시켜 아인슈타인의 상대성 이론 방정식인 E=MC^2에 따라 거대한 에너지를 방출할 것이라고 올바르게 추측하였습니다. 이는 당시의 핵융합과 열핵에너지, 나아가 별의 대부분이 수소로 이루어져 있다는 점에서 특히 두드러진 발전이었습니다. 1925년 영국계 미국 천체물리학자인 세실리아 헬리나 페인(후에 세실리아 페인 가포슈킨으로 개명하였습니다.)은 래드클리프 대학에서 영향력 있는 박사 논문을 썼고, 거기서 그녀는 스펙트럼 클래스를 항성의 온도와 연관시키기 위해 항성 대기에 전리 이론을 적용하였습니다. 가장 중요한 것은 수소와 헬륨이 항성의 주요 구성 요소임을 발견하여 우주와 행성의 생성 기원 연구에 불씨를 지핀 아주 중요한 연구 결과를 도출하였습니다.

천체물리학을 이용한 우주관측

천체물리학을 이용한 우주 관측 천문학은 주로 물리 모델의 측정 가능한 의미를 발견하는 이론 천체 물리학과 그와는 대조적으로 데이터 기록과 해석에 관한 천문학으로 나눌 수 있습니다. 천체물리학을 이용한 우주 관측은 천체 망원경 등을 사용하여 천체를 관측하는 게 제일 먼저 이루어져야 하는 필수 과정입니다. 천체물리학을 이용한 우주 관측의 대부분은 전자 스펙트럼을 사용하여 행해지고 있습니다. 전파 천문학은 수 밀리미터 이상 파장의 방사선을 연구합니다. 연구 분야로는 통상 성간가스나 진운 등 차가운 물체에서 방출되는 전파, 빅뱅으로부터의 적색 시프트 빛인 우주 마이크로파 배경 방사, 마이크로파 주파수에서 최초로 검출된 펄서 등이 있습니다. 이 전파 파동 연구에는 매우 큰 전파 망원경이 필요로 하고 있습니다. 적외선 천문학은 파장이 너무 길어 맨눈으로는 보이지 않지만 전파보다 짧은 방사선을 방출하여 이 방사선의 관찰을 통해 연구가 이루어지고 있습니다. 적외선 관측은 보통 친숙한 광학 망원경과 비슷한 망원경으로 이루어집니다. 항성보다 차가운 물체(행성 등)는 보통 적외선 주파수로 많이 관찰 연구되고 있습니다. 광학 천문학은 가장 초기의 천문학이었습니다. 전하 결합 장치 또는 분광기와 쌍을 이룬 망원경은 우주 관측에 사용되는 가장 일반적인 기기입니다. 지구 대기는 광학 관측에 많이 간섭되기 때문에 가능한 최고의 화질을 얻기 위해 적응 광학과 우주 망원경이 사용됩니다. 이 파장 범위에서 별들은 매우 가시성이 높은 선명한 사진을 구할 수 있고 많은 화학 스펙트럼을 관측하여 별, 은하, 성운의 화학적 조성을 연구할 수 있습니다. 자외선, X선, 감마선 천문학을 이용하여 이진 펄서, 블랙홀, 자기계 등의 매우 에너지적인 프로세스를 연구하고 있습니다. 이런 종류의 방사선은 지구 대기에 잘 침투하지 않습니다. 전자기 스펙트럼의 이 부분을 관측하기 위해 사용되는 두 가지 방법이 있습니다. 공간 기반 망원경과 지상 기반 이미징 에어 체렌코프 망원경(IACT)이 있습니다. 첫 번째 유형의 관측소의 예는 RXTE, 찬드라 X선 관측소와 콤프턴 감마선 관측소가 있습니다. IACT의 예로는 고에너지 스테레오 시스템(H.E.S.S)과 MAGIC 망원경이 있습니다. 전자 방사 이외에 지구에서 멀리 떨어진 곳에서 관측되는 것은 거의 없다고 봐도 무방합니다. 몇 개의 중력파 관측소가 건설되고 있지만 중력파를 검출하는 것은 매우 어렵습니다. 중성미자 천문대도 건설되어 있으며 주로 태양을 연구하기 위해서 입니다. 매우 높은 에너지 입자로 이루어진 우주 행성 물체가 지구 대기에 충돌하고 있는 것을 관찰할 수 있습니다. 또한 관측치는 시간 척도에 따라서도 매우 다를 수 있습니다. 대부분의 광학적 관찰에는 몇 분에서 몇 시간 및 수 시간이 걸리기 때문에 이보다 빠르게 변화하는 현상은 쉽게 관찰할 수 없습니다. 단, 특이하게 몇몇 객체의 이력 데이터는 여러 세기 또는 수천 년에 걸쳐 사용할 수 있습니다. 한편 전파 관측에서는 밀리초 단위의 시간 스케일(밀리초 펄서)로 여러 가지 현상을 관찰하거나 수년간의 데이터(펄서 감속 연구)를 조합할 수 있습니다. 이러한 다른 시간 척도에서 얻을 수 있는 정보는 매우 다릅니다. 태양 연구는 관측 천체 물리학에서 아주 특별한 위치를 차지하고 있습니다. 다른 모든 별의 엄청난 거리로 인해 태양은 다른 어떤 별보다 상세하게 관측할 수 있습니다. 태양을 이해하는 것은 다른 별을 이해하기 위한 가이드 역할을 하고 있습니다. 항성이 어떻게 변화하는지 또는 항성 진화의 주제는 종종 탄생부터 파괴까지 항성 물체의 상태를 나타낸다고 볼 수 있는 헤르츠스프룽-러셀 다이어그램을 통해 각 위치에 있는 다양한 종류의 항성 유형을 배치하여 모델링 됩니다. 이론 천체 물리학자들은 해석 모델(예를 들어 항성의 거동을 근사하기 위한 폴리트로프)과 계산 수치 시뮬레이션을 포함한 여러 가지 다양한 도구를 사용하고 있습니다. 각각의 도구에는 몇 가지 이점이 있습니다. 프로세스 분석 모델은 일반적으로 무슨 일이 일어나고 있는지에 대해 이해를 도와주는 것에 더 좋습니다. 수치 모델은 그렇지 않으면 볼 수 없는 현상과 효과의 존재를 밝힐 수 있습니다. 천체물리학 이론가들은 이론적 모델을 만들고 그 모델들의 관찰 결과를 파악하기 위해 큰 노력을 합니다. 이를 통해 관찰자는 모델을 반박할 수 있는 데이터를 검색하거나 몇 가지 대체 모델 또는 경쟁 모델 중에서 선택하는 데 도움을 받을 수 있습니다. 또한 이론가는 새로운 데이터를 선택하기 위해 모델을 생성하거나 수정 하려고 합니다. 부정합의 경우 일반적인 경향으로는 데이터에 맞게 모델을 최소한으로 수정 하려고 할 것입니다. 경우에 따라서는 시간이 지남에 따라 대량의 일관성 없는 데이터가 모델을 완전히 다르게 바꾸도록 할 수 있습니다. 이론 천체 물리학자들에 의해 연구된 주제에는 자기 유체 역학, 우주에서의 대규모 구조, 항성 역학과 진화, 우주선의 기원, 은하 형성과 진화, 자기 유체 역학, 일반 상대성 이론 및 물리 우주론이 포함됩니다. 상대론적 천체물리학은 중력이 조사된 물리 현상에서 중요한 역할을 하는 대규모 구조물의 특성을 측정하는 도구로서 기능하며 블랙홀(천체)의 물리학과 중력파 연구의 아주 중요한 기초가 되고 있습니다. 현재 람다 CDM 모델에 포함된 천체물리학 이론과 모델에는 암흑에너지 및 기초이론, 빅뱅, 암흑물질, 우주 팽창 이 널리 받아들여져 연구되고 있는 것도 있습니다. 천체물리학을 이용한 우주관측의 기원은 17세기에 여러 가지 과학 학문과 통일된 물리학의 출현에서 볼 수 있는데, 그 곳에서 천상계와 지상계에도 같은 법칙이 적용되고 있습니다. 물리학과 천문학 모두에서 그 학문에 맞는 자격을 갖춘 과학자들이 있어 현재 천체물리학의 기초를 다지고 이루어 냈습니다. 현대에는 왕립천문학회와 저명한 교수인 스티븐 호킹, 로렌스 클라우스, 휴버트 리브스, 닐 데그라세 타이슨, 수브라마니얀 찬드라세칼, 칼 세이건, 패트릭 무어 등 저명한 천체 물리학자들에 의해 계속 인기를 끌고 있기 때문에 학생들은 천체물리학에 아주 깊이 매료되고 있습니다. 초기, 후기, 현재 과학자들의 노력으로 천체물리학의 역사와 과학을 연구하기 위한 젊은이들의 흥미를 일으켜 계속 끌어들이고 있습니다. TV 시트콤 프로그램 및 유명 과학 저널, 탐사 TV 채널 등 천체물리학 분야를 일반 대중에게 전파하고 스티븐 호킹과 닐 드그래스 타이슨 등 저명한 과학자들의 연구 회의를 인터넷과 TV로 송출하며 전 세계 사람들에게 천체물리학을 친근하게 다가가고 있습니다.