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과학잡학사전 통조림: 우주편

별│밤하늘의 별

도구 없이 별을 보려면 어떻게 해야 할까?

별 관찰법 이야기: 별을 볼 수 있는 밤에는 깜깜하기 때문에 주의해야 한다.

세 가지만 알면 나도 우주 전문가!

-눈이 어둠에 적응하는 시간이 필요하다

밝은 곳에서는 눈으로 어둑한 별빛을 볼 수 없다. 가로등 근처에서는 주위가 밝아 별이 잘 보이지 않는다. 최대한 어두운 곳에서 밤하늘을 보면 눈이 어둠에 적응되어 더 많은 별을 볼 수 있다. 태양계에 있는 다섯 개의 행성, 즉 수성, 금성, 화성, 목성, 토성은 맨눈으로도 볼 수 있다.

-밤하늘에 빛나는 달과 행성들

깜깜한 밤하늘에는 밝은 별과 어두운 별, 색깔이 있는 별 등 다양한 별이 있다. 태양처럼 스스로 빛을 내는 별을 ‘항성’이라고 한다. 항성 외에도 항성의 빛을 반사해서 빛나 보이는 달과 행성 등이 있다. 항성 중에서 특히 밝게 보이는 별자리는 계절에 따라 달라지는 밤하늘을 즐길 수 있는 지표가 된다.

-안전에 주의하면서 즐기자

깜깜한 밤에 이루어지는 야간 활동에는 예상치 못한 위험이 따를 수 있다. 해가 지기 전에 복장 및 준비물을 확인하고 미리 챙겨둔다.

우주│망원경 관측

망원경으로 태양을 보면 왜 안 될까?

위험한 태양 빛 이야기: 보호 장비 없이 망원경으로 태양을 보면 실명할 수도 있다.

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-태양 빛에는 여러 가지 빛이 포함되어 있다

햇빛이 있는 낮에 밝은 것은 가시광선 때문이다. 우리는 햇빛이 닿으면 온기를 느끼고, 장시간 강한 햇빛에 노출되면 피부가 까무잡잡하게 타거나 심하면 일광화상을 입기도 한다. 햇빛에서 느껴지는 온기는 적외선, 피부가 그을리는 것은 자외선 때문이다. 태양 빛에는 파장이 다른 여러 가지 빛이 포함되어 있다.

-태양을 직접 바라보면 실명할 수도 있다

태양을 맨눈으로 보면 망막이 손상되며 일광 망막변증(solar retinopathy)을 일으킬 수 있다. 특히 푸른빛과 자외선은 큰 에너지를 가지고 있어 망막에 심각한 영향을 준다.

-눈이 부시지 않아도 위험하다

예전에는 검은색 유리나 셀로판지 등을 대고 태양을 보기도 했다. 하지만 그 정도 보호 장비로는 자외선 등을 차단할 수 없다. ‘태양 빛의 세기×관측 시간’에 비례해서 증상이 나타나므로, 눈이 부시지 않아도 장시간 태양을 바라보면 일광 망막변증이 생길 수 있다.

지구│천동설과 지동설

천동설이 뭘까?

천동설 이야기: 옛날 사람들은 별이 지구 주위를 돈다는 천동설을 믿었다.

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-지구가 우주의 중심이다

아리스토텔레스는 지구가 우주의 중심이라 추정하고, 별은 중심을 회전하는 아이테르(aether)를 따라 움직인다고 믿었다. 별이 지구 주위를 돈다는 사고방식이었다. 이런 지구 중심 사고방식은 기독교 교리에 편입되어 오랫동안 진리로 여겨졌다.

-천동설에서는 항성의 시차가 발생하지 않는다

만약 지구가 움직인다면 계절과 해가 바뀜에 따라 항성이 보이는 각도가 달라져야 한다. 이러한 현상을 ‘연주 시차(annual parallax)’라고 한다. 그러나 당시 관측 기술로는 시차를 찾아낼 수 없어 천동설이 지지를 받았다.

-행성의 역행은 설명하기 어렵다

한편 행성은 때때로 다른 별과 반대로 움직인다고 알려져 있다. 고대 그리스의 천문학자이자 지리학자였던 클라우디오스 프톨레마이오스(Claudios Ptolemaeos)는 천동설에 주전원, 이심원 등의 개념을 정립해 설명했다.

태양│태양의 특징

태양의 온도는 몇 도일까?

태양의 온도 이야기: 태양에서 오는 빛을 분석해 태양의 표면 온도가 섭씨 약 6,000도라는 것을 밝혀냈다.

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-태양의 온도를 알아내려면

태양의 온도는 태양이 내보내는 빛을 분석해서 알아낼 수 있다. 태양 빛을 분광기에 통과시켜 스펙트럼 양상을 조사해 색(빛의 파장)마다 세기를 비교한다. 실험실에서 온도 및 빛의 파장과 비교하며 태양 표면의 온도를 추정한다.

-태양의 표면 온도는 섭씨 약 6,000도

빛을 나누어 스펙트럼으로 관측할 때 파장이 짧은 파란색 빛이 강하면 온도가 높아지고, 파장이 긴 빨간색 빛이 강하면 온도가 낮아진다는 것을 알 수 있다. 중심 온도는 섭씨 약 1,600만 도로 추정

-중심 온도는 섭씨 약 1,6000만 도로 추정

마찬가지 방법으로 분석하면 흑점은 섭씨 약 4,000~4,500도로, 온도가 주위보다 낮아서 검게 보인다. 태양의 중심 온도는 스펙트럼이 아니라 태양에서 오는 에너지의 양과 태양의 성분과 무게로 계산한 결과 섭씨 약 1,600만 도로 추정된다.

달│달의 구조

달의 크기는 얼마나 될까?

달의 크기 이야기: 달은 지구에 비해 지름은 4분의 1, 무게(질량)는 80분의 1, 표면 중력은 6분의 1 수준이다.

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-떨어진 지점에서 동시에 달을 보고 거리를 알아낸다

근대적 측정 기구를 사용하지 않아도 같은 날 같은 시각, 지구에서 최대한 멀리 떨어진 두 지점에서 달을 보고 각도를 측정하면 삼각 측량 기법으로 거리를 구할 수 있다.

-거리를 알면 크기도 알 수 있다

대상이 멀어질수록 작게 보이고 가까워질수록 크게 보인다. 이 원리를 이용하면 겉보기 크기와 거리로 실제 크기를 알 수 있다. 이 방법으로 계산하면 달의 지름은 약 3,474킬로미터로 지구의 약 4분의 1이다. 달은 타원처럼 보이지만 정밀하게 측정하면 적도 부근이 약간 큰 서양배 모양이다.

-궤도를 알면 무게를 알 수 있다

뉴턴이 발견한 만유인력의 법칙을 적용하면 궤도와 그 속도를 이용해 대상의 무게를 구할 수 있다. 이 법칙에 따르면 달의 무게는 지구의 약 80분의 1이고 지표면의 중력은 지구의 6분의 1 수준이다.

우주 개발│행성 탐사

최초의 우주 탐사선이 도착한 곳은 어디일까?

최초의 우주 탐사선 이야기: 지구와 가까운 달 탐사로 우주 탐사의 첫걸음을 떼었다!

세 가지만 알면 나도 우주 전문가!

-1950년대 말 인류 최초로 우주 탐사선 발사

1959년에 소련의 루나(Luna) 2호가 최초로 월면에 충돌하면서 우주에 도달했다. 이어서 루나 3호가 최초로 달의 뒷면을 비행하면서 촬영한 사진을 지구로 전송했다. 최초의 행성 탐사는 1962년 미국 매리너(Mariner) 2호의 금성 탐사다.

-인류 최초의 시료 회수는 달의 암석

샘플 리턴(sample return)이란 다른 천체에서 채취한 시료를 지구로 가져오는 임무다. 1969년에 아폴로(Apollo) 11호가 달 착륙에 성공해 월면에 최초로 인류가 내렸다. 이때 약 11킬로그램짜리 달의 암석을 가져왔다. 1970년 소련의 무인 탐사선 루나 16호는 달에서 토양 101그램을 가져왔다.

-가장 가까운 달에 가는 과정도 쉽지 않다

달은 가까워서 우주선 연료도 적게 필요하고, 광속 전파를 사용한 통신 지연도 적다. 그런데도 인류가 달에 착륙하기 전에 여러 대의 무인 탐사선을 발사해 정보를 수집하면서 달 연구의 안전성을 확인했다.

은하│성운과 성단

성단이 뭘까?

성단 이야기: 성운보다 또렷하게 대량의 별이 모인 형태로 보이는 항성의 집단이다.

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-항성이 서로의 중력으로 집단을 이룬다

무수한 항성이 중력에 의해 집단을 형성한 상태가 성단이다. 우리은하에는 수만에서 수백만 개의 항성이 구 형태로 모인 구상 성단과 수십에서 수천 개의 항성이 다소 불규칙하게 모인 산개 성단이 있다. 망원경을 이용하면 볼 수 있다.

-M15(Messier 15)가 대표적인 구상 성단

구상 성단은 은하계가 만들어질 무렵 탄생해 나이가 100억~140억 년이나 된다. 은하 탄생 무렵과 수축 무렵에 탄생한 것으로 추정된다. 소형 망원경을 이용하면 항성을 구분할 수 있는데, 구름처럼 덩어리로 보인다. 은하계 안에서 구상 성단 약 130개, 산개 성단 약 1,000개가 발견되었다.

-대표적인 산개 성단, 플레이아데스성단

황소자리 어깨 부분에서 보이는 플레이아데스성단(Pleiades star cluster)은 ‘좀생이 성단’이라고도 불린다. ‘일곱자매별’로도 잘 알려져 있다. 눈이 좋으면 일곱 개가 넘는 별의 군집을 볼 수도 있다.

우주│우주 관측

우주 바깥은 어떻게 생겼을까?

우주 바깥 이야기: 진동을 생각하면 상전이를 일으키는 점이 여러 개다. 그래서 우주도 하나만 존재하지 않는다.

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-상전이 점에서 우주는 다른 우주로 이어지고 있다

진동을 없앨 수 없어 우주가 탄생하는 점이 여러 개 있어야 한다. 점을 매개로 두 우주가 연결되어 있을 수도 있다. 즉, ‘우주는 하나가 아닐 수도 있다’. 이를 ‘다중 우주론(Multiverse)’이라고 한다.

-우주의 성장으로 연결 부분이 절단

매개점은 개별 우주가 성장함에 따라 절단되어 ‘아들 우주’로 독립해서 떠돌게 된다. 이 아들 우주가 ‘손자 우주’를 만든다. 급팽창도 곳곳에서 발생한다고 보는 것이 논리적으로 자연스럽다.

-막우주(Membranes, 줄여서 Branes)

대상을 고차원까지 확장해 우리 우주(3차원 공간과 시간을 포함한 4차원)는 그 안을 떠돌고 있는 ‘막(전체에서 보면 저차원)’에 불과하다는 이론(‘막우주론’)도 있다. 이 이론은 텔레비전에서 원래 입체를 평면상에서 보여주는 상황(정보 조작)과 비슷하다. 고차원 안에서 불필요한 차원은 작게 접히는 것으로 추정된다.

지구│지구의 특징

지구는 왜 ‘물의 행성’으로 불릴까?

지구의 특성 이야기: 물의 존재가 확인된 천체 중에서도 지구는 특별한 존재다.

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-물이 있는 행성은 지구 외에 더 있다

태양계의 많은 행성과 위성에 물이 존재한다는 사실이 밝혀졌다. 예를 들어, 목성의 위성과 화성 등에 많은 양의 물이 존재한다는 사실은 예전부터 알려져 있었다. 하지만 이런 별은 지구보다 태양에서 멀어 대부분 얼음 상태로 존재한다.

-물의 행성은 액체 상태의 물이 풍부한 별

지구는 풍부한 액체 상태의 물이 존재하는 특별한 행성이다. 지구 표면의 70퍼센트를 바다가 뒤덮고 있다. 그 물이 수증기, 구름, 비, 눈, 얼음 등 다양한 형태로 변화해 지구의 다채로운 자연을 형성한다.

-‘물의 행성’은 지구의 대명사였다

일본의 과학 탐사선 하야부사 2호가 조사한 소행성 ‘류구’에 액체 상태의 물이 존재했고, 목성의 위성에 액체 상태의 물이 존재한다는 사실 등이 증명되었다. 어쩌면 지구 이외의 별이 물의 행성이라 불릴 날이 올 수도 있다. 지구보다 태양에 가까운 고온의 수성과 금성에도 아주 적은 양의 수증기가 있다.

행성│행성의 대기와 온도

금성의 자전은 왜 지구와 역회전할까?

금성의 자전 이야기: 금성은 지구와 반대 방향으로 자전하는데, 자전 속도가 엄청 느리다.

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-금성에서는 서쪽에서 떠오른 해가 동쪽으로 진다

금성에서는 지구와 정반대 현상이 일어난다. 지구에서는 북극을 위에서 보고, 반시계 방향으로 회전하고, 태양이 동쪽에서 서쪽으로 움직이는 것처럼 보인다. 그런데 금성은 시계 방향으로 돌고, 태양이 서쪽에서 동쪽으로 움직인다. 하지만 두꺼운 구름에 가려져 태양이 거의 보이지 않는다.

-금성은 왜 지구와 반대 방향으로 돌까?

최초의 행성이 탄생할 때 암석끼리 충돌해 지구와 같은 방향으로 자전하는 행성과 반대 방향으로 자전하는 행성이 생겨났다는 가설이 있다. 또 대기가 두껍고 태양이 가까워 태양의 인력으로 대기가 지면을 조금씩 잡아당겨 긴 시간 반대 방향으로 회전하게 되었다는 가설도 있다. 무엇이 옳은지는 아직 알 수 없다.

-금성의 자전은 엄청 느리다

금성의 자전은 엄청 느려 지구 시간으로 243일이나 걸린다. 반면 공전은 225일이라서 하루가 끝나는 동안 1년이 끝나는 셈이다.

태양│오로라

오로라가 뭘까?

오로라 이야기: 주로 극지방에서 밤에 초고층 대기 중에 나타나는 발광(發光) 현상이다.

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-기상 현상이 아닌 우주 현상

오로라는 밤하늘에 빨강, 초록, 분홍, 파랑 등 다채로운 색의 향연이 펼쳐지는 현상이다. 대체로 커튼처럼 넘실대는 모양이다. 무지개처럼 고도 수백 미터에서 일어나는 지구 규모의 기상 현상과는 다르다. 오로라는 무지개의 1,000배 높이 위치에서 태양에서 오는 입자 무리가 일으키는 우주 현상이다.

-출현 방식

자정 전후로 두 시간 정도 나타나는 경우가 많다. 짧게는 20초, 길면 몇 시간까지 이어진다. 또렷한 형태와 흐릿한 형태가 있고, 커튼 모양 외에 하늘 전체가 희붐하게 빛을 내는 형태의 오로라도 있다.

-위도가 높은 지역에서 볼 수 있다

북극과 남극(자기권 S극과 N극)을 중심으로 위도가 높은, 주로 추위가 기승을 부리는 지역에서 볼 수 있다. 안전하게 관찰할 수 있는 지역은 한정되어 있다. 지면 가까이 구름이 있으면 보기 어려워 기상 조건도 중요하다.

우주 개발│우주 비행

우주 비행사가 되려면 어떻게 해야 할까?

우주 비행사의 자격 이야기: 우주 비행사는 전문 인력이기 때문에 자격 조건을 통과해야 한다.

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-NASA의 우주 비행사가 되려면

NASA의 우주 비행사가 되려면 기본적으로 엔지니어링, 생물과학, 물리과학, 수학 분야 학사 학위를 가진 사람으로, 관련 분야에서 최소 3년 이상 일한 경력이 있어야 한다. 또한 시력과 혈압, 키 등의 신체검사를 통과해야 한다.

-일본 우주 개발의 중심 JAXA

일본에서 우주 비행사가 되려면 우주항공연구개발기구(JAXA)에 들어가거나 우주 비행사 후보 공모에 응모해야 한다. 일본의 항공우주 개발정책을 담당하는 JAXA는 우주 비행사 파견뿐 아니라 인공위성 발사, 행성 탐사 등 우주 개발의 중심 역할을 한다.

-우주 비행사는 지상에서 더 바쁘다

우주 비행사 후보가 되어도 바로 우주에 갈 수 있는 것은 아니다. 많아야 10년에 두 번 정도다. 오히려 지상 업무로 더 바쁘다. 일상적인 훈련을 소화하고 로켓 발사 지원 등의 업무를 하느라 분주하게 일한다. 미국에서는 민간 기업이 주관하는 유인 우주선 개발·운용도 시작되었다.

우주│지구 이외의 생명체

생명체가 존재할 가능성이 가장 높은 별은 어디일까?

태양계 내부의 생물 이야기: 생명체 거주 가능 영역에서 벗어나 생물이 존재할 가능성이 있는 별은 목성의 위성 유로파 정도다.

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-얼음으로 덮인 내부에 액체 상태의 물(바다)이 존재할 가능성

유로파는 갈릴레이가 1610년에 발견한 목성의 제2위성이다. 크기는 달보다 약간 작고 표면은 얼음으로 덮여 있다. 얼음 아래에는 깊이 100킬로미터가 넘는 바다가 펼쳐져 있을 것으로 추정된다. 표면에서 물의 분출도 관측되고 있다.

-에너지원은 조석 가열

목성과 기타 위성에서 가해지는 중력으로 지구와 달 사이의 조석 현상처럼 서로 잡아당기는 힘을 받아 끊임없이 변형하며(상호 마찰) 열이 발생한다. 생명체 거주 가능 영역에서 멀지만, 그 열이 에너지원이 될 가능성이 있다.

-해저 화산과 열수 분출공이 존재할 가능성

해저에는 지구와 같은 해저 화산과 열수 분출공이 있을 수도 있다. 지구에서 열수 분출공은 생명체 탄생의 요람으로 여겨지고 있다. 실제로 지구의 열수 분출공 주변에서 다양한 생물이 발견되었다. 따라서 유로파의 해저에서도 생명체가 탄생할 가능성이 있다.

별│별의 수수께끼

별에 직접 이름을 붙일 수 있을까?

별의 이름 이야기: 직접 이름을 붙일 수 있는 별이 있다. 실제로 자기 이름을 붙인 천체도 있다.

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-자기 이름을 붙인 별, 혜성

혜성에는 발견한 사람의 이름(발견 순서대로 세 명까지 자동)을 붙일 수 있다. 1965년에 발견된 이케야-세키 혜성은 일본인 발견자 두 사람의 이름이 붙었다. 1996년에 소행성을 발견한 일본인 천문학자는 한국의 왕 ‘세종’이라는 이름을 붙였는데, 작명 이유에 대해 “위대한 인물의 이름을 붙이고 싶어서”라고 밝혔다.

-이름을 붙일 수 있는 소행성

소행성을 발견하면 일단 번호를 붙인다. 그리고 발견자에게 해당 소행성에 이름을 제안할 권리를 부여한다. 다만 ‘16글자 이내여야 할 것’, ‘발음이 가능할 것’ 등의 조건이 있다.

-이름을 붙여주는 기업도 있다는데……

국제천문연맹(IAU)은 다음과 같은 성명을 발표했다. “별 이름을 붙일 권리를 준다는 기업에 비용을 주고 절차를 거쳤더라도 정식 명칭이 아니며 공식적인 효력도 없다. 별이 빛나는 아름다운 밤하늘은 모든 사람이 무료로 누릴 수 있는 인류 공동의 재산이어야 한다.”

지구│대기권

공기는 왜 바닥나지 않을까?

공기 이야기: 가볍지만 지구의 중력으로 우주 밖으로 날아가지 않기 때문이다.

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-중력 때문에 우주로 날아가지 않는다

지구의 공기는 중력으로 인해 우주로 날아가지 않는다. 다만 수소와 헬륨은 너무 가벼워 우주로 날아간다. 기체 분자는 뿔뿔이 흩어져 둥실둥실 날아다니는데, 가벼울수록 빨라지기 때문이다.

-지구의 온도가 너무 높지 않은 것이 중요

기체의 평균 속도는 온도가 높을수록 크다. 지금 지표 부근은 평균적으로 온난한 기온을 유지해 산소와 질소가 우주로 날아가지 않는다. 만약 태양이 밝아져 지구가 고온이 된다면 기체가 날아가는 속도가 빨라져 지구의 중력을 뿌리치고 날아가는 기체 분자의 수가 증가할 것이다.

-태양풍이 대기를 날려버려도 거뜬하다

고온인 열권에 고에너지의 태양풍이 충돌해 대기를 우주로 날려버리기도 한다. 그러나 열권의 대기는 매우 얇고 적어 전체적으로 대기가 줄어들 염려는 없다. 태양풍은 태양에서 엄청난 기세로 불어오는 플라스마다.

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본 정보는 도서의 일부 내용으로만 구성되어 있으며, 보다 많은 정보와 지식은 반드시 책을 참조하셔야 합니다.