우주의 측량

안상현 지음

동아시아 2018년 01월 25일 출간 종이책 : 2017년 12월 29일 출간

작품소개

책소개

『우주의 측량』 〈천문학자 안상현이 그려낸 138억 년 우주의 역사〉는 고대 그리스의 천문학부터 현대 천체물리학까지 ‘우주의 측량’에 관한 인류의 역사와 과학적 방법을 한 권에 집약했다. 천문학은 행성과 별과 성운과 은하와 우주와 시공간이 무엇이며 어떻게 생겨났는지를 과학적으로 연구하는 학문이다. 사실, 넓은 우주에서 벌어지는 다양한 천체 현상을 연구하는 일은 그리 쉽지 않으며 한 권에 집약하는 것은 어림도 없는 일이다. 그래서 저자인 천문학자 안상현은 천문학의 기본이라고 할 수 있는 우주의 측량에 집중했다. 책은 우주를 측량하기 위해 필요한 기초 수학과 물리학 지식을 차근차근 소개한다. 아울러 그리스 자연철학자들의 연구에서부터 최신 현대 천체물리학에 이르기까지 우주 측량의 발달 과정도 함께 소개한다.

목차

머리말
프롤로그

1장 우주의 척도
측정과 유효숫자/ 거리는 시간이다

2장 태양계
고대 그리스의 천문학/ 해와 달의 거리를 측량한 아리스타르코스/ 지구의 크기를 잰 에라토스테네스/ 삼각함수: 삼각측량의 기본 지식/ 태양계 측량 (1): 내행성의 공전궤도 측량/ 태양계 측량 (2): 외행성의 공전궤도 측량/ 금성의 태양면 통과: 1천문단위는 몇 킬로미터인가?/ 케플러의 행성 운동에 관한 세 가지 법칙/ 뉴턴의 만유인력의 법칙에서 케플러의 제3법칙 유도하기

3장 별
가장 가까운 별, 프록시마 센타우리/ 가까운 별까지의 거리 측량: 연주시차와 파섹/ 해 주변의 별들/ 쌍성

4장 은하
우리 은하수 측량하기/ 안드로메다은하/ 은하수의 위성은하: 대마젤란은하와 소마젤란은하/ 은하의 종류/ 망원경의 각 분해능과 측량 정밀도/ 별의 밝기와 등급/ 표준 촛불/ 초신성 1987A와 대마젤란은하까지의 거리/ 도플러 효과에 의한 적색이동/ 나선은하의 회전속도 곡선과 암흑물질/ 국부은하군

5장 우주의 팽창
허블의 법칙/ 우주의 팽창/ 허블상수의 측정

6장 우주론적 거리
고정 유클리드 시공간/ 팽창하는 평탄한 유클리드 시공간 (1): 고유거리-정상시간 시공간도/ 팽창하는 평탄한 유클리드 시공간 (2): 동행거리-정상시간 시공간도/ 시공간도에서 살펴본 동행거리, 고유거리, 광행거리/ 천문 관측적 거리: 광도거리, 각지름거리, 고유운동거리

7장 거시적 우주
국부초은하단: 처녀자리 초은하단/ 은하 서베이 프로젝트/ 중력렌즈/ 은하단 속의 암흑물질/ 슬론 디지털 우주 측량 사업/ 회상시간과 은하의 나이/ 허블 울트라 딥 필드/ Ia형 초신성과 암흑에너지

8장 우주배경복사
우주배경복사에 숨어 있는 우주 탄생의 비밀/ 궁극의 우주 측량

부록 A 원운동을 하는 쌍성에 대해 케플러의 조화의 법칙 유도하기
부록 B 거듭제곱
부록 C 상용로그
부록 D 우리 우주의 시공간
부록 E 일반적인 시공간에서의 각지름거리

에필로그
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책 속으로

천문학은 행성과 별과 성운과 은하와 우주와 시공간을 과학적으로 연구하는 학문이다. 천체가 무엇이며 어떻게 생겨났는지를 수학과 물리학과 화학을 동원하여 연구한다. 넓은 우주에서 벌어지는 다양한 천
체 현상을 연구하는 일은 그리 쉽지 않다. 또 그런 이야기를 모두 담아내기는 책 한 권으로는 어림도 없다. 그래서 이 책에서는 천문학의 기본인 우주의 크기 측량에 집중해볼까 한다. 인류는 자신이 사는 우주를 측량하면서 수학과 과학을 발전시켜왔다. 우리는 이 책에서 지구의 크기를 재고, 태양계 행성들은 얼마나 멀리 떨어져 있는지 직접 계산해볼 것이다. 또 태양계를 넘어 이웃한 별들까지의 거리와 우리 은하수의 크기를 측정해보고, 이웃 은하들은 얼마나 멀리 떨어져 있으며 또 어떻게 분포해 있는지 알아보고, 그리고 마지막으로 우리 우주 전체의 크기를 가늠해볼 것이다. / 프롤로그(20-21쪽)

가까운 별까지의 거리는 파섹이라는 단위로 나타낸다. 파섹은 연주시차로 정의된 거리 단위이다. 손을 앞으로 쭉 뻗고 엄지손가락을 세운 다음, 그 엄지손가락을 오른쪽 눈을 감고 왼쪽 눈으로만 봤다가, 또 왼쪽 눈을 감고 오른쪽 눈으로만 봤다가 해보자. 손가락이 벽이나 먼 풍경과 같은 배경에 대해 왔다 갔다 하는 걸로 보일 것이다. 우리는 이것을 시차라고 한다. 앞에서 금성의 태양면 통과와 관련하여 이미 시차라는 개념을 설명했다. 손가락이 눈에 가깝게 있으면 왔다 갔다 하는 정도가 심하고 손가락이 눈에서 멀리 있으면 왔다 갔다 하는 정도가 작다. 손가락의 거리가 멀수록 시차가 작아진다. 이러한 성질을 이용하여 거리를 측량할 수 있다. 우리가 사는 지구는 1년 동안 해를 1바퀴 공전한다. 그러면 앞의 손가락 보기와 마찬가지로, 지금 어떤 별의 위치와 6개월 뒤의 별의 위치가 그 별보다 훨씬 더 멀리 배경에 있는 별들에 대해서 움직이는 것처럼 보일 것이다. 이것을 ‘연주시차’라고 한다. 한 해[年] 동안 돌면서[周] 나타나는 시각의 차이[視差]라는 뜻이다. 천문학에서 연주시차는 1년 동안 나타나는 시차의 절반으로 정의된다. / 3장 별(129쪽)

천체 중에는 그 고유의 밝기가 모두 같은 것이 있다. 세페이드 변광성이나 Ia형 초신성이 그런 천체이다. 고유 밝기가 같더라도 관측자에게서 떨어진 거리가 다르면 관측되는 겉보기밝기는 달라진다. 천체에
서 나온 빛이 그 천체와 관측자 사이의 거리를 반지름으로 하는 구의 표면에 골고루 퍼지기 때문에, 천체의 겉보기밝기는 천체까지의 거리의 제곱에 반비례한다. 어떤 별이 관측자로부터 10파섹에 놓여 있을 때의 밝기를 ‘절대밝기’ 또는 ‘절대광도’라고 한다. 그 별이 10파섹의 2배인 20파섹에 있다면, 그 별의 밝기는 거리의 제곱에 반비례하므로 4배 어두워지고, 30파섹에 있다면 9배 어두워진다. 따라서 고유의 밝기를 알고 있는 천체라면 그 겉보기밝기를 측정함으로써 그 천체까지의 거리를 구할 수 있다. / 4장 은하(173쪽)

먼 은하일수록 더 빨리 달아난다는 말은 ‘은하의 후퇴속도가 은하까지의 거리에 비례한다’라고 고쳐 말할 수 있다. 거리에 따라 후퇴속도가 커질 때, 거리의 제곱에 비례할 수도 있고, 세제곱이나 네제곱에 비례할 수도 있다. 그런데 허블은 은하들의 후퇴속도가 거리에 비례한다는 사실을 발견하였다. 거리의 제곱이 아닌 단지 거리에 비례한다(수학적으로는 선형 비례한다)는 것은 정말로 중요한 사실이다! 그것은 우리 우주 공간이 팽창하고 있음을 의미하기 때문이다. / 5장 우주의 팽창(228쪽)

우리가 측정하는 물리량은 거리가 아니고 적색이동 z이다. 은하의 스펙트럼을 관측하여 방출선이나 흡수선의 파장이 실험실에서 측정된 파장과 얼마만큼 차이가 나는지로부터 적색이동을 측정한다. 적색이동을 측정했다고 해서 바로 거리를 알 수 있는 것은 아니지만, 어떤 우주 모형을 따라 우주 시공간이 팽창하는지를 알면 적색이동으로부터 여러 가지 거리를 구할 수 있다. 즉, 적색이동이 가장 기본적인 관측값임을 명심해야 한다. 앞에서 허블의 법칙을 공부하면서 알게 되었듯이, 허블의 법칙에 나오는 적색이동은 우주가 팽창하기 때문에 생기는 것이지 은하 자체의 운동 때문에 생기는 것이 아니다. (…) 즉, 적색이동이 클수록 우주가 지금보다 작았을 때라는 뜻이다. / 6장 우주론적 거리(247-248쪽)

출판사 서평

“해와 지구의 거리는 얼마일까?”
수학과 물리학을 통해 내 손으로 직접 우주의 거리를 잰다!

고대 그리스의 천문학부터 현대 천체물리학까지 체계적으로 소개하며
‘우주의 측량’을 천문학·물리학·과학사학적으로 한 권에 담아내다

우주에 대한 호기심을 완벽하게 해결해주는 책!
우리 인간은 해와 달, 별, 그리고 수많은 은하들을 발견하고 측량하고 이해할 수 있는 존재다!

천문학의 기본인 우주의 측량!
해와 달, 지구, 행성, 별, 우리 은하수, 그리고 외부은하까지
광대한 138억 년의 우주를 측량하다

천문학에서 우주의 측량이 중요한 이유는 우주의 크기 측량으로부터 발견해낼 수 있는 천문학적 지식이 많기 때문이다. 가령, 지구중심설을 믿었던 인류는 연주시차를 발견하여 태양중심설이 옳다는 것을 깨달았다. 쌍성의 공전궤도를 잘 관찰하면 그 쌍성을 구성하는 별들의 질량, 크기, 광도, 표면 온도와 같은 여러 가지 물리량을 구할 수 있고, 이러한 물리량은 항성 진화에 관한 중요한 자료를 제공한다. 또한 우리로부터 멀리 떨어져 있는 은하일수록 우리에게서 더 빨리 멀어진다는 ‘허블의 법칙’은 우주의 팽창의 결정적인 근거로 해석된다.
책은 해와 달, 지구와 같이 우리에게 익숙한 천체부터 측량을 시작하여 별, 우리 은하수, 외부은하에 이르기까지 우주의 거리를 넓혀간다. 1장 ‘우주의 척도’에서는 동서양에서 사용되던 전통적인 단위들과 현재 전 세계적으로 사용하는 길이·부피·무게의 국제 표준 단위에 대해 살펴본다. 이어서 천문학 규모에서 사용하는 킬로미터(km), 파섹(pc), 천문단위(au), 광년(ly) 등의 거리 단위, 과학 계산에서 중요한 개념인 측정, 유효숫자, 오차에 대해 익힌다.
2장 ‘태양계’에서는 고대 그리스 시대의 천문학자들이 해와 달, 지구의 크기와 거리 등을 측량한 방법, 삼각함수의 기본 원리, 내행성과 외행성의 공전궤도, 케플러의 행성 운동의 법칙, 뉴턴의 만유인력의 법칙 등을 살펴본다.
3장 ‘별’에서는 연주시차를 이용하여 지구에서 가까운 별까지의 거리를 측량하고, 쌍성의 공전궤도를 통해 쌍성의 질량을 구해본다.
4장 ‘은하’에서는 은하수의 구조에 대해 익히고, 각크기, 각지름거리, 케플러의 제3법칙 등의 개념을 통해 태양계가 우리 은하수의 중심으로부터 얼마나 떨어져 있는지 측량하고, 초신성 1987A까지의 거리를 측정한다. 또한 안드로메다은하, 대마젤라은하와 소마젤란은하에 대해 알아보고, 형태에 따른 다양한 은하의 종류, 망원경의 각 분해능, 별의 밝기와 등급, 표준 촛불로 사용되는 세페이드 변광성과 Ia형 초신성, 도플러 효과, 적색이동, 나선은하의 회전속도 곡선, 암흑물질, 암흑에너지, 국부은하군 등 우주를 측량하는 데 필요한 중요한 개념들을 살펴본다.
5장 ‘우주의 팽창’에서는 은하들의 후퇴속도가 거리에 비례한다는 사실을 발견하여 우주의 팽창을 밝힌, 20세기의 가장 중요한 과학적 발견으로 꼽히는 허블의 법칙에 대해 알아본다. 또한 우주 팽창을 이해하기 위해 필요한 거리 개념인 동행거리, 고유거리, 우주축척, 허블상수, 허블계수, 허블시간 등에 대해 익힌다.
6장 ‘우주론적 거리’에서는 시공간도와 광추 곡선을 통해 고정 유클리드 시공간과 팽창하는 유클리드 시공간에 대해 알아본다. 앞에서 배운 각지름거리, 고유거리, 동행거리는 물론, 광행거리, 광도거리, 고유운동거리 등 천문학에서 사용하는 우주론적 거리 개념들을 비교하며 자세하게 살펴본다.
7장 ‘거시적 우주’에서는 전 세계적인 규모에서 이루어지고 있는 여러 가지 최신 우주 측량 사업들을 소개하고, 중력렌즈에 따른 아인슈타인의 반지 현상과 아인슈타인의 십자가 현상, 우주론의 원리, 우주의 나이와 회상시간 등에 대해 다룬다.
8장 ‘우주배경복사’에서는 지구에서부터 우주거대구조에 이르기까지 책에서 다뤄온 긴 우주 측량의 여정을 정리한다. 또한 138억 년 전 우주 탄생 과정을 통해 가장 최신의 천문 관측 연구라고 할 수 있는 우주배경복사의 원리과 그 중요성을 배운다.
저자 안상현은 천문학자이자 역사천문학자인 만큼 천문학적인 사실 나열에 그치지 않고, 역사적 맥락과 그 발견의 주인공인 천문학자의 면모를 드러내는 인문적인 요소를 듬뿍 전한다. 가령 그리스 시대에 에라토스테네스가 지구의 크기를 최초로 측량한 방식, 세페이드 변광성으로부터 주기-광도 관계를 밝힌 헨리에타 리빗, 위성이 측정한 우주배경복사를 연구하여 노벨 물리학상을 받은 과학자들의 이야기 등, 그리스 시대부터 최첨단 우주과학에 이르기까지 인간의 호기심이 이루어낸 우주 측량에 관한 과학적인 성과들을 흥미롭게 책에 담았다. 그 밖에도 최첨단 연구 주제를 다루어 현대천문학의 주요 과제를 경험할 수 있다.
『우주의 측량』은 저자가 직접 촬영하거

작가정보

저자(글) 안상현

저자 안상현은 천문학, 천체물리학, 우주론, 역사천문학, 과학사를 연구하고 있다.
은하단에 의한 중력렌즈 효과가 우주배경복사에 미치는 효과를 연구하여 서울대학교에서 석사학위를 받았고, 우주 초기에 처음 생겨난 은하에서 수소 라이만 알파 광자가 어떻게 전파하는지를 연구하여 서울대학교에서 천문학 박사학위를 받았다. 캘리포니아 과학기술대학 특별학생, 한국고등과학원 연구원을 거쳐, 현재 한국천문연구원 선임연구원으로서 수치천체물리학 및 중력파천문학을 중심으로 천체물리학을 연구하고 있다.
60편 정도의 논문을 게재했으며 신문과 잡지에 대중적인 글도 썼다. 일반인을 위한 천문학 강연을 많이 했으며, 〈역사저널 그날〉, 〈궁금한 일요일 장영실쇼〉, 〈거인의 어깨〉 등에 출연하기도 했다. 2012∼2013년에 케임브리지 니덤 동아시아과학사연구소에 방문학자로 있으면서 동서양의 과학사를 폭넓게 공부하여, 그것을 바탕으로 『우리 혜성 이야기』와 『뉴턴의 프린키피아』, 『우주의 측량』을 저술했다.