우주의 측량

천문학의 기본인 우주의 측량!
해와 달, 지구, 행성, 별, 우리 은하수, 그리고 외부은하까지
광대한 138억 년의 우주를 측량하다
『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.
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 촬영하거나 수집한 천체의 사진과 그래프를 실어 우주 측량의 원리를 시각적으로 이해할 수 있도록 했다. 또한 독자들이 활용해볼 수 있는 천문학 관련 웹 사이트를 소개하고, 곳곳에 연습문제를 실어 배운 내용을 바탕으로 천문학 문제를 해결해볼 수 있도록 했다. 또한 독자 개개인의 수준을 고려하여 쉽거나 어려운 지식은 부록에 따로 실음으로써 책 내용에 집중할 수 있도록 했다. 프롤로그에서 저자가 언급했듯 우주를 측량하기 위해 “가장 중요한 준비물은 여러분의 우주에 대한 무한한 호기심, 그리고 전자계산기”이다! 우주는 더 이상 막연한 존재가 아니다. 이제 직접 우주를 측량해보자!

캄캄한 밤하늘의 별은 더 이상 막연한 존재가 아니다
수학과 물리학을 통해, 내 손으로 직접 재는 우주의 거리!
『우주의 측량』은 우주를 측량하기 위해서 필요한 수학과 물리학 지식을 기초부터 차근차근 소개해준다. 저자 안상현은 프롤로그에서 “일반적으로 대중 과학서에는 되도록 수식을 쓰지 말라고들 한다”라며, “그러나 원고를 고치는 중에 나는 몇 가지 반성을 하게 되었다. 과학자들끼리는 일상적으로 수학을 사용하여 소통하면서 일반 독자들과는 수학을 사용하지 말고 소통하라는 것은 오히려 독자들에게 오해를 불러일으키는 것일 아닐까?”라고 설명한다. 이러한 취지에서 저자는, 과학자들의 언어라고 할 수 있는 수학적인 요소를 독자들이 제대로 이해할 수 있도록 자세히 설명함으로써, 천문학자들만이 알 수 있는 ‘우주의 측량’에 관한 전문 지식을 쉽고 친절하게 들려준다. 기초적인 수학 개념을 까먹거나 처음 배우는 독자들을 위해 거듭제곱, 상용로그, 호도법, 삼각함수 등 책을 읽는 데 필요한 수학 지식을 친절하게 설명한다. 또한 우주를 측량하는 데 필요한 기초 물리학 지식인 중력이론과 일반상대성이론 등을 소개한다.
이 책은 기존의 연구 결과를 소개하는 데 그치지 않고 독자들이 직접 계산해볼 수 있도록 곳곳에 연습문제를 두었다. 본문과 연습문제의 계산 과정을 상세하게 설명하여, 일반 독자들도 천문학자들이 사용하는 수식을 바탕으로 천문학 지식을 이해할 수 있도록 했다. 특히 모든 계산에서 현대천문학의 관측 수치를 활용하여, 계산 결과와 최근 우주 측량 관측치가 일치하기 때문에 실제 우주를 측량한 뿌듯함을 느낄 수 있을 것이다. 책을 차근차근 따라가다 보면 어느새 어마어마한 우주의 크기를 측량하고 있는 자신을 발견하게 될 것이다.
일찍이 갈릴레오 갈릴레이는 “우주를 읽으려면 그 언어를 배우고 그것이 적혀진 글자에 익숙해져야 한다. 우주는 수학이라는 언어로 적혀 있다”라고 했다. 이처럼 이 책은 천문학을 제대로 이해하고 싶은 독자들을 위한 진정한 초석이 되어줄 것이다.

각지름거리, 고유거리, 동행거리, 광행거리, 광도거리, 거리지수 등
우주론적 거리 개념을 가장 명료하게 정리한 책!
천문학에서 말하는 거리는 일반적으로 우리가 사용하는 거리보다 훨씬 멀고 길다. 우리가 캄캄한 밤하늘을 별을 보며 아득하게 느끼는 것은 아마 그 별까지의 거리를 도무지 가늠할 수 없기 때문일 것이다. 이 책은 우리가 일상생활에서 사용하는 거리 단위인 센티미터나 킬로미터 등으로부터 시작하여 천문학에서 사용하는 파섹, 메가파섹, 천문단위, 광년 등의 거리 단위를 자세하게 소개한다. 또한 각지름거리, 고유거리, 동행거리, 광행거리, 광도거리, 고유운동거리, 거리지수 등 복잡한 우주론적 거리 개념을 명료하게 설명하기 위해, 우주 탄생, 우주 팽창, 우주배경복사, 허블의 법칙 등 우주 측량에 관한 천문학 지식을 함께 소개한다.
우주론적인 거리에서 ‘고유거리’는 우주 팽창을 고려하여 실제로 측정한 물리적 거리인 데에 비해 ‘동행거리’는 우주 공간의 팽창에 따라 함께 눈금이 늘어나는 줄자로 잰 거리이다. 따라서 동행거리는 우주가 팽창해도 변하지 않는다. 이처럼 우주를 측량하기 위해서는 천문학에서 이야기하는 우주론적 거리가 각각 무엇을 의미하고, 어떻게 측정된 값이고, 어떻게 활용될 수 있는지를 제대로 이해하는 것이 중요하다. 『우주의 측량』의 백미는 아마도 1장부터 차근차근 살펴본 우주 측량 지식들을 바탕으로, 6장에서 우주론적 거리들을 이해하고, 7장과 8장에서 우주의 탄생과 138억 년이라는 광대한 우주의 역사, 최신 천문학 연구 성과를 깨닫는 일일 것이다.
아주 오래전부터 인류에게 밤하늘의 별과 달은 막연한 상상의 대상이었다. 하지만 우리는 이제 직접 달에 갈 수 있게 되었고 위성을 우주에 띄워 올려 우주배경복사를 측정하여 우주의 탄생을 깨닫게 되었다. 또한 우주론적 거리를 측정함으로써 은하나 우주의 생성 과정과 물리적 성질을 알 수 있게 되었다. 이 책을 통해 밤하늘과 함께한 인류의 긴 천문학의 여정을 떠나보자.