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천문학

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목차

1. 개요

천문학은 별, 행성, 은하 등 우주에 있는 천체와 그들의 물리적, 화학적 특성을 연구하는 학문이다. 어원은 '별의 법칙'을 의미하는 고대 그리스어에서 유래되었으며, 천체물리학과 밀접한 관련을 맺고 있다. 천문학은 인류의 기원과 함께 시작되어 동서양에서 농업, 기상 예측, 항해 등에 활용되었으며, 망원경 발명 이후 획기적인 발전을 이루었다. 현대 천문학은 전자기파, 중성미자, 중력파 등 다양한 수단을 활용하여 관측하며, 관측 천문학과 이론 천문학으로 나뉜다. 주요 연구 분야로는 측성학과 천체역학, 태양 천문학, 행성 천문학, 항성 천문학, 우리은하 천문학, 외부은하 천문학, 우주론 등이 있으며, 다른 과학 분야와 융합하여 학제간 연구도 활발히 진행되고 있다. 아마추어 천문학자들의 기여도 크며, 우주의 기원, 암흑 물질과 암흑 에너지의 본질 등 많은 미해결 문제들을 안고 있다.

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천문학
천문학
대마젤란 은하의 별 생성영역
불규칙은하인 대마젤란 은하의 별 생성영역.
학문 정보
학문명천문학
다른 이름천체학
학문 분야자연과학
언어
영어astronomy
독일어Astronomie
Sternkunde
네덜란드어astronomie
astronomia
sterrenkunde
sterrekunde
프랑스어astronomie

2. 어원과 용어

천문학의 영어 단어 'astronomy'는 별을 의미하는 그리스어 아스트론/ἄστρονgrc(''astron'')과 법칙, 문화를 뜻하는 노모스/νόμοςgrc(''nomos'')에서 유래했으며, 문자 그대로 "별의 법칙"(또는 별의 문화)을 의미한다.[1] 이 단어는 고대 프랑스어 astronomie프랑스어, 라틴어 astronomiala를 거쳐 고대 그리스어 άστρονομίαel (astronomíala)에서 유래했다. άστρονομίαel는 "별"을 의미하는 άστρωνel (astrōnla)과 "법칙"을 의미하는 νόμοςel (nómosla)의 합성어이다.[176] [177][178] 천문학은 인간사에 천체의 위치가 영향을 준다고 믿는 점성술과는 완전히 구별된다.[2]

일반적으로 '천문학(astronomy영어)'과 '천체물리학(astrophysics영어)'은 때때로 같은 의미로 사용되지만,[3][4][5] 엄밀하게는 천문학이 지구 대기 밖의 천체와 물질, 그리고 그들의 물리적 및 화학적 특성을 연구하는 학문이라면,[6] 천체물리학은 천체 및 천문 현상의 행동, 물리적 특성, 역동적 과정을 다루는 천문학의 한 분야이다.[7] 프랭크 수(Frank Shu)의 교재 ''The Physical Universe''의 서문에서처럼, 어떤 경우에는 "천문학"이 정성적 연구를, "천체물리학"이 물리학 중심의 연구를 설명하는 데 사용될 수 있다.[8] 그러나 현대 천문학 연구는 대부분 물리학과 관련된 주제를 다루므로, 현대 천문학은 사실상 천체물리학이라고 부를 수 있다.[3]

천문측량학과 같은 일부 분야는 천체물리학보다는 순수 천문학에 속한다. 과학자들이 이 주제에 대한 연구를 수행하는 다양한 부서에서는 부서가 역사적으로 물리학과 관련이 있는지 여부에 따라 "천문학"과 "천체물리학"을 사용하며,[4] 많은 전문 천문학자들이 천문학 학위보다는 물리학 학위를 가지고 있다.[5] 이 분야의 주요 과학 저널 제목에는 ''천문학 저널(The Astronomical Journal)'', ''천체물리학 저널(The Astrophysical Journal)'', 그리고 ''천문학 및 천체물리학(Astronomy & Astrophysics)''가 있다.

위치천문학은 천체의 위치를, 천체역학은 천체의 운동을 연구하는 학문으로, 천문학 내에서 고전 분야로 간주된다.

뉴사우스웨일스주 천문대, 오스트레일리아 1873년


중국과 일본에서 사용되었던 한자어 "天文"은 예로부터 음양도와 역학 등 천체의 움직임 변화로 미래를 예측하는 점술 분야에서 사용되어 왔다는 미신적인 측면이 있었다.[179] 에도 시대에 서양학이 성행하면서 네덜란드어 sterre(n)kundenl의 번역어로 '''역학'''[180]이나 '''성학'''[181]이 사용되었다. 메이지 시대에는 영어 astronomy영어나 독일어 Astronomiede의 번역어로 "성학"이 채택되었다. 1878년에는 도쿄 제국대학에 "성학과"가 설립되었다. 다이쇼 시대가 되면서 연구 대상이 별뿐 아니라 우주 공간 및 기타 현상에까지 미치게 됨에 따라 "천문학과"로 개칭되었다. 여기서 "천문학"이 보이지만, 누가 어떤 이유로 제정했는지는 알려져 있지 않다. 이와 같은 시기인 1921년에는 간사이 지역의 교토 제국대학에서는 새로운 astrophysics영어를 강의한다는 취지로 신조 신조의 제안으로 그 번역어에서 "'''우주물리학''' 강좌"가 설립되었다.[182][183] 따라서 현재도 교토대학 출신의 천문학자는 직함으로 "우주물리학자"를 사용하고 있다. 그러나 astrophysics영어는 현재는 '''천체물리학'''으로 번역되고 있다.[184] 참고로, 천문학 분야 이외에서는 종종 "천문물리학"이라는 표현이 보이지만, 그러한 분야는 존재하지 않는다.[183] 또한 명확한 정의는 없지만, 주로 탐사선에 의해 얻어진 데이터를 이용하는 분야를 우주과학이라고 부르기도 한다.[183][185] 오늘날 "천문"이라고 하면 본래의 미신적인 요소는 잊혀지고, 동양 천문학사를 제외하고는 주로 자연과학으로서의 천문학을 가리킨다. 에도 막부에 의해 설치되었던 관상대는 현재의 기상청과 국립천문대를 겸비한 기관으로 운영되었다. 그 목적은 역법의 편찬, 기상 관측 등을 수행하는 것이었다.

3. 기원과 역사

천문학은 인간이 하늘에 대하여 관심을 가지면서 동·서양의 양쪽에서 가장 일찍 태동한 학문 중의 하나이다. 동·서양을 막론하고 농사와 날씨 예견 그리고 해양, 지리 관측과 측량이 그 주요 동기라고 볼 수 있다. 어떤 지역에서는 스톤헨지처럼 천문학적 목적을 가진 것으로 추정되는 거대한 유적이 건설되기도 했다. 제사 같은 종교적 목적 외에도 이러한 천문대들은 1년의 길이를 재거나, 매해 일정한 시기에 농사를 짓고, 수확하기 위해 하늘을 관측하는데 쓰였을 것으로 추정된다.[197]

17세기 네덜란드 지도제작가 프레데리크 더빗이 만든 성도


그리스의 해시계. 오늘날의 아프가니스탄(기원2-3세기)에서 발견됨.


### 고대 천문학

고대 문명이 발전하면서, 이집트, 메소포타미아, 그리스, 페르시아, 인도, 중국, 중앙아메리카 등에서 천문대가 건설되었고 우주의 본질에 대한 연구가 시작되었다.[14] 초기 천문학은 별과 행성의 위치를 측정하는 천체측량학이 주를 이루었으며, 이를 통해 행성 운동에 대한 초기 개념이 형성되었고, 철학적으로 태양, 달, 지구의 본질을 탐구하였다. 당시에는 지구가 우주의 중심이고 태양, 달, 별이 지구 주위를 회전한다는 지구 중심 모델(프톨레마이오스 체계)이 널리 받아들여졌다.[14]



바빌로니아에서는 수학적·과학적 천문학이 시작되어 후대 천문학적 전통의 기반을 마련했다.[15] 이들은 사로스 주기를 발견하여 월식의 반복 주기를 예측했다.[16]

에 대해 설명하고 있는 점토판 "MUL.APIN"의 첫 페이지. 천구의 세 가지 구분, 주요 별이 뜨는 날짜, 황도 위의 별자리 등을 설명한다. 기원전 1000년경 작성된 것으로 추정되며, 대영박물관에 소장되어 있다.


고대 그리스와 헬레니즘 시대에는 천문학이 더욱 발전했다. 그리스 천문학은 천체 현상에 대한 합리적이고 물리적인 설명을 추구하는 특징을 보였다.[17] 기원전 3세기, 사모스의 아리스타르코스는 달과 태양의 크기와 거리를 추정하고, 태양 중심 모델을 제안했다.[18] 기원전 2세기, 히파르코스는 세차 운동을 발견하고, 달의 크기와 거리를 계산했으며, 천구의와 같은 천문 기구를 발명했다.[19] 또한, 히파르코스는 1020개의 별 목록을 작성했으며, 북반구 별자리 대부분은 그리스 천문학에서 유래한다.[20] 안티키테라 기계(기원전 150년~80년경)는 태양, 달, 행성의 위치를 계산하기 위해 설계된 초기 아날로그 컴퓨터였다.[21]

### 중세 시대의 천문학

중세 시대에 천문학은 이슬람 세계에서 번성했다. 9세기 초 이슬람 세계에 최초의 천문 관측소가 등장했으며, 964년에는 페르시아계 무슬림 천문학자 압드 알라흐만 알수피가 그의 저서 ''항성의 책''에서 안드로메다 은하를 묘사했다.[26] 이는 국부 은하군에서 가장 큰 은하이다. 기록상 가장 밝았던 항성 현상인 SN 1006 초신성은 1006년 이집트 아랍 천문학자 알리 이븐 리드완과 중국 천문학자들에 의해 관측되었다.[22][23][24][25] 이란 학자 알비루니는 프톨레마이오스와 달리 태양의 원일점(천구에서 가장 높은 지점)이 고정되어 있지 않고 움직인다는 것을 관측했다.[27] 알바타니, 테빗, 압드 알라흐만 알수피, 비루니, 아부 이샤크 이브라힘 알자르칼리, 알비르잔디 등 이슬람 천문학자들은 많은 별의 이름을 도입하는 등 천문학에 큰 공헌을 했다.[28][29]

짐바브웨와 팀북투[30]의 유적이 천문 관측소였을 것이라는 추측도 있다.[31] 후기 고대 서아프리카에서는 천문학자들이 별의 움직임과 계절과의 관계를 연구하고, 복잡한 수학적 계산을 바탕으로 하늘의 차트와 다른 행성의 궤도를 정확하게 나타낸 다이어그램을 만들었다. 송가이의 역사가 마흐무드 카티는 1583년 8월의 유성우를 기록했다.[32][33]

6세기 이상(후기 중세의 고대 학문의 회복부터 계몽 시대까지), 로마 가톨릭 교회는 천문학 연구에 많은 재정적 및 사회적 지원을 제공했다. 교회의 동기 중 하나는 부활절 날짜를 찾는 것이었다.[38]

중세 유럽에는 월링포드의 리처드, 니콜 오레스므, 장 부리당, 게오르크 폰 퍼어바흐, 레기오몬타누스 등 많은 중요한 천문학자들이 있었다. 월링포드의 리처드는 천문 시계인 렉탱굴루스를 발명했고, 달, 태양, 행성의 경도와 같은 천문 계산에 사용할 수 있고 일식을 예측할 수 있는 ''앨비온''이라는 천구의를 만들었다. 니콜 오레스므와 장 부리당은 지구 자전에 대한 증거를 논했으며, 부리당은 운동량 이론(현대 과학의 관성 이론의 전신)을 개발하여 천사의 개입 없이 행성의 운동이 가능함을 보였다.[39] 게오르크 폰 퍼어바흐와 레기오몬타누스는 코페르니쿠스의 지동설 개발에 중요한 천문학적 진보를 이루는 데 기여했다.

### 과학 혁명과 근대 천문학

17세기를 전후하여 발명된 망원경으로 천문학은 더 멀리 볼 수 있게 되었고, 20세기에 이르는 시기에 발전된 역학, 전자기학 및 상대성 이론과 같은 현대 물리학의 업적은 천문학과 서로 도움을 주고 받으면서 새로운 장을 열었다.[218][217] 20세기에 접어들어 인간은 지구를 벗어나 우주 공간에서 우주를 관찰·탐험하는 경지에 이르렀다.

르네상스 시대에 니콜라우스 코페르니쿠스는 태양중심설을 제창했으며, 이는 갈릴레이와 케플러에 의해 좀 더 확장되고 발전되었다. 갈릴레이는 처음으로 천문학에 망원경을 도입하였다. 케플러는 행성들이 태양을 초점에 놓는 타원궤도를 공전하는 정확한 태양계 모형을 고안해 냈지만, 행성들이 타원 궤도를 그리는 근본적인 이유는 알지 못했다. 이는 뉴턴이 천체역학과 중력의 법칙을 발견함으로써 해결되었다. 뉴턴은 또한 새로운 방식의 반사 망원경을 고안하기도 했다.[40][41]

최초의 망원경 천문 관측 결과를 담은 갈릴레오의 획기적인 저서 『별의 전령(Sidereus Nuncius)』(1610)에 나오는 달 지형의 최초 스케치


망원경의 크기과 성능이 향상되면서 많은 천문학적 발견들이 이루어졌다. 라카유는 방대한 별의 목록을 작성하였으며, 허셜은 방대한 성운·성단목록을 제작했고, 1781년에는 처음으로 새로운 행성인 천왕성을 발견하게 된다.[42][43][219] 1838년에는 베셀이 백조자리 61별의 시차를 측정함으로써 처음으로 별까지의 거리를 측정하였다.[220][171]

18-19세기 중에는 오일러, 클레로, 달랑베르 등이 삼체문제를 해결하기 위해 많은 노력을 기울였으며, 이로써 달과 태양의 위치를 보다 정확히 예측할 수 있게 되었다. 라그랑주와 라플라스는 이러한 노력을 더욱 발전시켜서, 달과 행성의 섭동으로부터 질량을 추정하기도 했다.[44][221][172]

분광학과 사진술 같은 새로운 기술의 발전으로 천문학에 획기적인 발전이 이루어졌다. 프라운호퍼는 1814–15년에 태양의 분광한 태양광선 스펙트럼에서 약 600여개의 어두운 띠를 발견하였는데, 이는 1859년에 키르히호프에 의해 각기 다른 원소들 때문에 생긴다는 것이 밝혀졌다. 분광학을 다른 별들에 적용함으로써, 별들이 태양과 같은 천체이며, 다만 온도, 질량, 크기가 다른 것이라는 사실이 정립되었다.[209][28][161]

20세기에 들어 하늘에 보이는 은하수가 별들의 집합인 우리은하라는 사실이 확립되었고, 이어서 우리은하 밖의 외부 은하, 그리고 우주의 팽창이 발견되었다.[222]

현대 천문학은 또한 펄사, 퀘이사, 블레이져, 전파은하 같이 특이한 천체들을 발견하였고, 이러한 관측들은 이를 중성자별·블랙홀로 설명하는 이론의 발전에 중요한 역할을 하였다. 우주 마이크로파 배경, 허블의 법칙, 우주의 원소 함량 등의 관측이 지지하는 대폭발 이론의 등장으로, 물리적 우주론은 20세기 들어와 큰 성공을 거두었다. 우주 망원경의 발전으로 지구 대기에 흡수되어서 그동안 관측 할 수 없었던 전자기파의 영역을 통한 관측이 가능하게 되었다.

### 현대 천문학

20세기에 들어 하늘에 보이는 은하수가 별들의 집합인 우리은하라는 사실이 확립되었고, 이어서 우리은하 밖의 외부 은하, 그리고 우주의 팽창이 발견되었다.[222] 1929년에는 에드윈 허블에 의해 우주가 팽창하고 있다는 것이 알려지면서 인류의 우주에 대한 인식이 변혁했다.[173] 1919년 후커 망원경이 완성되었을 당시, 우주는 우유빛 강 은하로만 이루어져 있다는 견해가 지배적이었다. 후커 망원경을 이용하여 허블은 여러 나선 성운에서 세페이드 변광성을 확인했고, 1922년~1923년에 안드로메다 성운과 삼각형자리 성운 등이 우리 은하 외부의 독립적인 은하임을 결정적으로 증명하여, 우주는 수많은 은하로 구성되어 있다는 사실을 밝혀냈다.[46] 이를 통해 허블은 허블 상수를 공식화했고, 이는 최초로 우주의 나이와 관측 가능한 우주의 크기를 계산할 수 있게 해주었다.[47]

아이작 로버츠(Isaac Roberts)가 1888년 12월 29일에 촬영한 가장 오래된 안드로메다 대성운 사진. 1923년 안드로메다 은하의 거리가 계산됨으로써 은하간 공간의 존재가 증명되었고, 이는 우주의 나이와 크기를 계산할 수 있게 해주었다.


현대 천문학은 또한 펄사, 퀘이사, 블레이져, 전파은하 같이 특이한 천체들을 발견하였고, 이러한 관측들은 이를 중성자별·블랙홀로 설명하는 이론의 발전에 중요한 역할을 하였다. 1958년에는 얀 오르트에 의해 은하수가 소용돌이 모양을 하고 있다는 것이 밝혀졌다.[174] 이론 천문학은 블랙홀과 중성자별과 같은 천체의 존재에 대한 추측으로 이어졌으며, 이는 퀘이사, 펄서, 블레이저, 전파 은하와 같은 관측된 현상을 설명하는 데 사용되었다.

2019년에 전파 천문학을 통해 촬영된 최초의 (초대질량) 블랙홀의 직접 이미지. M87 중심부에 위치해 있다.


물리적 우주론은 20세기에 엄청난 발전을 이루었다. 1900년대 초 빅뱅 이론 모델이 제시되었는데, 이는 우주 마이크로파 배경 복사, 허블 법칙, 우주 내 원소의 풍부도 등의 증거에 의해 강력하게 뒷받침되었다. 우주 망원경은 대기가 차단하거나 흐릿하게 만드는 전자기 스펙트럼의 영역에서 측정을 가능하게 해주었다.[48]

1957년에는 스푸트니크 1호가 인류 역사상 처음으로 우주로 발사된 인공위성이 되어, 이후 인류는 대기권 밖의 사건을 직접 관측하는 수단을 얻었다. 이후 미국과 소련에 의해 우주 개발 경쟁이 시작되어, 1960년대부터 1970년대에 걸쳐 양국의 인공위성이 속속 발사되어 우주 공간의 지식이 급속도로 축적되었다. 1990년에는 최초의 지구 대기권 밖의 망원경으로 허블 우주 망원경이 발사되어, 이에 의해 지상에서의 관측보다 훨씬 상세한 데이터를 얻을 수 있게 되었다.[175]

2016년 2월, 라이고 프로젝트가 전년 9월 중력파의 증거를 탐지했다는 사실이 발표되었다.[49][50]

3. 1. 고대 천문학

고대 문명이 발전하면서, 이집트, 메소포타미아, 그리스, 페르시아, 인도, 중국, 중앙아메리카 등에서 천문대가 건설되었고 우주의 본질에 대한 연구가 시작되었다.[14] 초기 천문학은 별과 행성의 위치를 측정하는 천체측량학이 주를 이루었으며, 이를 통해 행성 운동에 대한 초기 개념이 형성되었고, 철학적으로 태양, 달, 지구의 본질을 탐구하였다. 당시에는 지구가 우주의 중심이고 태양, 달, 별이 지구 주위를 회전한다는 지구 중심 모델(프톨레마이오스 체계)이 널리 받아들여졌다.[14]

바빌로니아에서는 수학적·과학적 천문학이 시작되어 후대 천문학적 전통의 기반을 마련했다.[15] 이들은 사로스 주기를 발견하여 월식의 반복 주기를 예측했다.[16]

고대 그리스와 헬레니즘 시대에는 천문학이 더욱 발전했다. 그리스 천문학은 천체 현상에 대한 합리적이고 물리적인 설명을 추구하는 특징을 보였다.[17] 기원전 3세기, 사모스의 아리스타르코스는 달과 태양의 크기와 거리를 추정하고, 태양 중심 모델을 제안했다.[18] 기원전 2세기, 히파르코스는 세차 운동을 발견하고, 달의 크기와 거리를 계산했으며, 천구의와 같은 천문 기구를 발명했다.[19] 또한, 히파르코스는 1020개의 별 목록을 작성했으며, 북반구 별자리 대부분은 그리스 천문학에서 유래한다.[20] 안티키테라 기계(기원전 150년~80년경)는 태양, 달, 행성의 위치를 계산하기 위해 설계된 초기 아날로그 컴퓨터였다.[21]

3. 2. 중세 시대의 천문학

중세 시대에 천문학은 이슬람 세계에서 번성했다. 9세기 초 이슬람 세계에 최초의 천문 관측소가 등장했으며, 964년에는 페르시아계 무슬림 천문학자 압드 알라흐만 알수피가 그의 저서 ''항성의 책''에서 안드로메다 은하를 묘사했다.[26] 이는 국부 은하군에서 가장 큰 은하이다. 기록상 가장 밝았던 항성 현상인 SN 1006 초신성은 1006년 이집트 아랍 천문학자 알리 이븐 리드완과 중국 천문학자들에 의해 관측되었다.[22][23][24][25] 이란 학자 알비루니는 프톨레마이오스와 달리 태양의 원일점(천구에서 가장 높은 지점)이 고정되어 있지 않고 움직인다는 것을 관측했다.[27] 알바타니, 테빗, 압드 알라흐만 알수피, 비루니, 아부 이샤크 이브라힘 알자르칼리, 알비르잔디 등 이슬람 천문학자들은 많은 별의 이름을 도입하는 등 천문학에 큰 공헌을 했다.[28][29]

짐바브웨와 팀북투[30]의 유적이 천문 관측소였을 것이라는 추측도 있다.[31] 후기 고대 서아프리카에서는 천문학자들이 별의 움직임과 계절과의 관계를 연구하고, 복잡한 수학적 계산을 바탕으로 하늘의 차트와 다른 행성의 궤도를 정확하게 나타낸 다이어그램을 만들었다. 송가이의 역사가 마흐무드 카티는 1583년 8월의 유성우를 기록했다.[32][33]

6세기 이상(후기 중세의 고대 학문의 회복부터 계몽 시대까지), 로마 가톨릭 교회는 천문학 연구에 많은 재정적 및 사회적 지원을 제공했다. 교회의 동기 중 하나는 부활절 날짜를 찾는 것이었다.[38]

중세 유럽에는 월링포드의 리처드, 니콜 오레스므, 장 부리당, 게오르크 폰 퍼어바흐, 레기오몬타누스 등 많은 중요한 천문학자들이 있었다. 월링포드의 리처드는 천문 시계인 렉탱굴루스를 발명했고, 달, 태양, 행성의 경도와 같은 천문 계산에 사용할 수 있고 일식을 예측할 수 있는 ''앨비온''이라는 천구의를 만들었다. 니콜 오레스므와 장 부리당은 지구 자전에 대한 증거를 논했으며, 부리당은 운동량 이론(현대 과학의 관성 이론의 전신)을 개발하여 천사의 개입 없이 행성의 운동이 가능함을 보였다.[39] 게오르크 폰 퍼어바흐와 레기오몬타누스는 코페르니쿠스의 지동설 개발에 중요한 천문학적 진보를 이루는 데 기여했다.

3. 3. 과학 혁명과 근대 천문학

17세기를 전후하여 발명된 망원경으로 천문학은 더 멀리 볼 수 있게 되었고, 20세기에 이르는 시기에 발전된 역학, 전자기학 및 상대성 이론과 같은 현대 물리학의 업적은 천문학과 서로 도움을 주고 받으면서 새로운 장을 열었다.[218][217] 20세기에 접어들어 인간은 지구를 벗어나 우주 공간에서 우주를 관찰·탐험하는 경지에 이르렀다.

르네상스 시대에 니콜라우스 코페르니쿠스는 태양중심설을 제창했으며, 이는 갈릴레이와 케플러에 의해 좀 더 확장되고 발전되었다. 갈릴레이는 처음으로 천문학에 망원경을 도입하였다. 케플러는 행성들이 태양을 초점에 놓는 타원궤도를 공전하는 정확한 태양계 모형을 고안해 냈지만, 행성들이 타원 궤도를 그리는 근본적인 이유는 알지 못했다. 이는 뉴턴이 천체역학과 중력의 법칙을 발견함으로써 해결되었다. 뉴턴은 또한 새로운 방식의 반사 망원경을 고안하기도 했다.[40][41]

망원경의 크기과 성능이 향상되면서 많은 천문학적 발견들이 이루어졌다. 라카유는 방대한 별의 목록을 작성하였으며, 허셜은 방대한 성운·성단목록을 제작했고, 1781년에는 처음으로 새로운 행성인 천왕성을 발견하게 된다.[42][43][219] 1838년에는 베셀이 백조자리 61별의 시차를 측정함으로써 처음으로 별까지의 거리를 측정하였다.[220][171]

18-19세기 중에는 오일러, 클레로, 달랑베르 등이 삼체문제를 해결하기 위해 많은 노력을 기울였으며, 이로써 달과 태양의 위치를 보다 정확히 예측할 수 있게 되었다. 라그랑주와 라플라스는 이러한 노력을 더욱 발전시켜서, 달과 행성의 섭동으로부터 질량을 추정하기도 했다.[44][221][172]

분광학과 사진술 같은 새로운 기술의 발전으로 천문학에 획기적인 발전이 이루어졌다. 프라운호퍼는 1814–15년에 태양의 분광한 태양광선 스펙트럼에서 약 600여개의 어두운 띠를 발견하였는데, 이는 1859년에 키르히호프에 의해 각기 다른 원소들 때문에 생긴다는 것이 밝혀졌다. 분광학을 다른 별들에 적용함으로써, 별들이 태양과 같은 천체이며, 다만 온도, 질량, 크기가 다른 것이라는 사실이 정립되었다.[209][28][161]

20세기에 들어 하늘에 보이는 은하수가 별들의 집합인 우리은하라는 사실이 확립되었고, 이어서 우리은하 밖의 외부 은하, 그리고 우주의 팽창이 발견되었다.[222]

현대 천문학은 또한 펄사, 퀘이사, 블레이져, 전파은하 같이 특이한 천체들을 발견하였고, 이러한 관측들은 이를 중성자별·블랙홀로 설명하는 이론의 발전에 중요한 역할을 하였다. 우주 마이크로파 배경, 허블의 법칙, 우주의 원소 함량 등의 관측이 지지하는 대폭발 이론의 등장으로, 물리적 우주론은 20세기 들어와 큰 성공을 거두었다. 우주 망원경의 발전으로 지구 대기에 흡수되어서 그동안 관측 할 수 없었던 전자기파의 영역을 통한 관측이 가능하게 되었다.

3. 4. 현대 천문학

20세기에 들어 하늘에 보이는 은하수가 별들의 집합인 우리은하라는 사실이 확립되었고, 이어서 우리은하 밖의 외부 은하, 그리고 우주의 팽창이 발견되었다.[222] 1929년에는 에드윈 허블에 의해 우주가 팽창하고 있다는 것이 알려지면서 인류의 우주에 대한 인식이 변혁했다.[173] 1919년 후커 망원경이 완성되었을 당시, 우주는 우유빛 강 은하로만 이루어져 있다는 견해가 지배적이었다. 후커 망원경을 이용하여 허블은 여러 나선 성운에서 세페이드 변광성을 확인했고, 1922년~1923년에 안드로메다 성운과 삼각형자리 성운 등이 우리 은하 외부의 독립적인 은하임을 결정적으로 증명하여, 우주는 수많은 은하로 구성되어 있다는 사실을 밝혀냈다.[46] 이를 통해 허블은 허블 상수를 공식화했고, 이는 최초로 우주의 나이와 관측 가능한 우주의 크기를 계산할 수 있게 해주었다.[47]

현대 천문학은 또한 펄사, 퀘이사, 블레이져, 전파은하 같이 특이한 천체들을 발견하였고, 이러한 관측들은 이를 중성자별·블랙홀로 설명하는 이론의 발전에 중요한 역할을 하였다. 1958년에는 얀 오르트에 의해 은하수가 소용돌이 모양을 하고 있다는 것이 밝혀졌다.[174] 이론 천문학은 블랙홀과 중성자별과 같은 천체의 존재에 대한 추측으로 이어졌으며, 이는 퀘이사, 펄서, 블레이저, 전파 은하와 같은 관측된 현상을 설명하는 데 사용되었다.

물리적 우주론은 20세기에 엄청난 발전을 이루었다. 1900년대 초 빅뱅 이론 모델이 제시되었는데, 이는 우주 마이크로파 배경 복사, 허블 법칙, 우주 내 원소의 풍부도 등의 증거에 의해 강력하게 뒷받침되었다. 우주 망원경은 대기가 차단하거나 흐릿하게 만드는 전자기 스펙트럼의 영역에서 측정을 가능하게 해주었다.[48]

1957년에는 스푸트니크 1호가 인류 역사상 처음으로 우주로 발사된 인공위성이 되어, 이후 인류는 대기권 밖의 사건을 직접 관측하는 수단을 얻었다. 이후 미국과 소련에 의해 우주 개발 경쟁이 시작되어, 1960년대부터 1970년대에 걸쳐 양국의 인공위성이 속속 발사되어 우주 공간의 지식이 급속도로 축적되었다. 1990년에는 최초의 지구 대기권 밖의 망원경으로 허블 우주 망원경이 발사되어, 이에 의해 지상에서의 관측보다 훨씬 상세한 데이터를 얻을 수 있게 되었다.[175]

2016년 2월, 라이고 프로젝트가 전년 9월 중력파의 증거를 탐지했다는 사실이 발표되었다.[49][50]

4. 관측 천문학

천문학에서의 모든 정보는 주로 천체로부터의 가시광 영역의 빛, 또는 일반적으로 다른 파장대의 전자기파를 감지하고 분석함으로써 얻어진다.[223] 관측천문학은 전자기파의 파장대별로 나눌 수 있다. 지상에서 관측이 가능한 파장대의 빛도 있지만 어떤 영역대는 높은 고도의 지역에서나 또는 우주에서만 가능하다.

관측 파장과 관측 가능성에 따른 관측 천문학의 종류 개요


천체 및 기타 천체에 대한 주요 정보원은 가시광선 또는 더 일반적으로 전자기 방사선이다.[51] 관측 천문학은 관측에 사용되는 전자기 스펙트럼의 해당 영역에 따라 분류될 수 있다. 스펙트럼의 일부는 지구 표면에서 관측할 수 있지만, 다른 부분은 고도가 높거나 지구 대기권 밖에서만 관측할 수 있다.

천문학은 천문 현상에 대한 접근 방식에 따라 크게 관측 천문학과 이론 천문학으로 나눌 수 있다. 관측 천문학에서는 천체의 현상을 관측하고 방대한 데이터를 수집한다. 이론 천문학에서는 그러한 현상을 설명하는 모델, 이론, 원리 등을 발견하거나 만들어낸다.

좀 더 일반적으로는 각 연구자들이 다루는 연구 대상이나 방법에 따라 분야가 나뉜다. 예를 들어, 은하의 움직임을 중심으로 연구하는 은하 천문학처럼 우주의 특정 천체를 다루는 것, 우주론이나 별 생성론처럼 특정 문제를 다루는 것, 전파 천문학이나 광적외선 천문학처럼 천체를 관측하는 방법에 따른 분류 등이 가능하다.

'''전자기파를 이용하는 천문학'''

천문학에서는 천체 등의 기본적인 정보를 가시광선이나, 보다 많은 전자기파로부터 얻는다.[186] 일반적으로 온도(에너지)가 높은 물체일수록 파장이 짧은 전자기파를 방출하므로, 짧은 파장을 이용하면 에너지가 높은 천체 현상을 관측할 수 있다. 우주 팽창에 따라 우주 탄생 초기의 빛 등은 더 긴 파장의 빛이나 적외선, 서브밀리미터파로 관측된다. 항성이나 행성, 위성 및 성간 티끌이 내는 방사 스펙트럼은 일반적으로 흑체 복사 법칙을 따른다.

  • 전파 천문학
  • 적외선 천문학
  • 가시광선 천문학
  • 자외선 천문학
  • X선 천문학
  • 감마선 천문학


'''전자기파 이외의 매체를 이용하는 천문학'''

  • 중성미자 천문학 (2007년까지 중성미자로 관측된 천체는 태양과 SN 1987A 두 천체뿐)
  • 중력파 천문학 (2016년 2월, 중력파가 초래하는 시공간의 왜곡을 측정함으로써, 쌍성 블랙홀을 관측하였다)[187]


'''컴퓨터 기기를 이용하는 천문학'''

  • 시뮬레이션 천문학
  • 천체관측

4. 1. 전파 천문학

전파천문학은 약 1mm보다 긴 파장대의 전자기파를 연구하는 분야이다.[224] 전파천문학은 관측천문학의 다른 분야와는 달리 관측된 전파를 개개의 광자로 다루기보다는 파동으로 다룬다. 그러므로 짧은 파장 영역의 전자기파와 달리, 전파의 세기(amplitude)뿐만 아니라 위상(phase)을 측정하는 데 상대적으로 수월하다.[52] 어떤 전파는 열적 발산의 형태로 천체에 의해 생성되기도 하지만, 지구상에서 관측 가능한 대부분의 전파는 싱크로트론 복사의 형태이다. (싱크로트론 복사는 전자가 자기장 주변에서 진동할 때 생성된다.[52] 또한, 특히 21cm의 수소 스펙트럼선을 포함하여 성간 가스에 의해 생성되는 여러 스펙트럼선이 전파 파장에서 관측된다.[8][52]

뉴멕시코주의 초대형 전파망원경(Very Large Array), 전파망원경의 한 예


초신성, 성간 가스, 펄서, 활동 은하핵을 포함한 다양한 천체가 전파 파장에서 관측된다.[8][52]

4. 2. 적외선 천문학

적외선천문학은 적외선 영역대(가시광의 붉은색 빛보다 파장이 긴 대역)의 빛을 감지하고 분석하는 분야이다. 근적외선(1-3μm)을 제외하고는, 적외선 영역의 빛은 대기에 의해 대부분 흡수되고, 지구대기 또한 많은 양의 적외선을 내뿜는다.[225] 그 결과, 적외선 관측은 높은 고도의 건조한 곳에 위치한 천문대, 또는 우주에서 이루어지고 있다.

적외선을 이용하면 행성이나 원시 행성 원반같이 온도가 매우 낮아서 가시광선을 거의 내지 않는 천체들을 관측할 수 있다. 파장이 긴 적외선은 가시광선을 쉽게 가로막는 성간먼지를 투과할 수 있으므로 우리은하의 중심부와 분자구름 깊은 곳에서 형성되고 있는 젊은 별들을 연구하는데 유용하다.[225] 광시야 적외선 탐사 망원경(WISE)의 관측은 수많은 은하 원시별과 그 모천체인 성단을 밝히는 데 특히 효과적이었다.[54][55]

어떤 분자들은 적외선에서 특히 강한 방출선을 내는데, 이를 이용하여 성간물질의 화학을 연구할 수 있다. 예를 들면, 적외선 분광학으로 혜성에 존재하는 물분자를 검출하기도 한다.[226][57]


4. 3. 광학 천문학

광학 천문학(가시광선 천문학)은 역사적으로 가장 오래된 천문학 분야이다.[227] 오랫동안 광학 영상은 손으로 그려져 기록되었으며, 19세기 후반과 20세기에는 사진이나 건판을 주로 이용하였다. 현재는 디지털 검출기, 특히 CCD 카메라(빛을 전하로 변화시켜 이미지를 얻어내는 기기)를 사용하고 있다. 가시광 영역은 400 나노미터에서 700 나노미터로, 근자외선(400나노미터에 가까운 자외선 영역)과 근적외선(1μm에 가까운 적외선영역)의 관측에도 같은 기기를 사용하기도 한다.[58]

마우나케아 천문대의 스바루 망원경(왼쪽), 켁 망원경(가운데 2개): 가시광선과 근적외선 관측에 쓰인다. 가장 오른쪽에 위치한 나사 적외선 망원경(NASA IRTF)은 근적외선 관측에만 쓰인다.

4. 4. 자외선 천문학

자외선천문학은 10 나노미터에서 320 나노미터 영역대의 자외선 파장을 관측하는 천문학이다.[224][52] 이 파장대의 빛은 지구 대기에 의해 흡수되기 때문에 자외선 관측은 대기 상층부나 우주 공간에서 이루어져야 한다.[224][52] 자외선천문학은 뜨겁고 파란 항성(OB형 항성)들로부터 나오는 열복사와 방출선들을 연구하는데 가장 적합하다.[224] 우리은하 밖의 다른 은하에 위치한 푸른 별들은 몇몇 자외선관측의 주요 관측대상이 되어 왔다. 자외선영역의 또다른 관측대상으로는 행성상 성운, 초신성 잔해, 활동은하핵 등이 있다.[224][52] 그러나, 자외선은 성간 먼지에 의해 쉽게 흡수되기 때문에 자외선 관측은 소광(extinction)을 정확히 보정해 주어야 한다.[224][52]

4. 5. X-선 천문학

X-선 천문학은 엑스선 파장대의 빛을 내는 천체를 연구하는 학문이다. 엑스선은 매우 뜨거운 천체들로부터 싱크로트론 복사, 제동복사(bremsstrahlung radiation), 그리고 흑체복사(blackbody radiation)의 형태로 방출된다.[224] 107(1천만) 켈빈 이상의 얇은 기체의 열 방사나, 107 켈빈 이상의 두꺼운 기체의 열 방사에 의해서도 생성된다.[52]

NASA의 찬드라 X선 관측소가 발견한 초대질량 블랙홀에서 생성된 X선 제트. 초기 우주의 빛으로 가시화됨


X-선은 지구 대기에 흡수되기 때문에, 높은 고도로 띄우는 풍선, 로켓, 비행선을 이용하거나 우주망원경 (X선 천문학 위성) 형태로 관측이 이루어지고 있다.[224][52] 잘 알려진 X-선 천체로는 엑스선 이중성, 펄사, 초신성 잔해, 타원은하, 은하단, 활동은하핵 등이 있다.[224][52]

4. 6. 감마선 천문학

감마선 천문학은 가장 짧은 전자기 파장대의 천체를 연구하는 천문학 분야이다.[224][52] 감마선은 콤프턴 감마선 천문대와 같이 인공위성에 의해, 또는 대기 체렌코프 망원경이라 불리는 특화된 망원경을 사용하여 관측된다.[224] 체렌코프 망원경은 감마선을 직접적으로 검출하진 않지만, 감마선이 지구대기에 의해 흡수되었을 때 생성되는 가시광 영역의 반짝임(체렌코프 복사)을 감지한다.[224][59] 일반적으로 온도(에너지)가 높은 물체일수록 파장이 짧은 전자기파를 방출하므로, 짧은 파장을 이용하면 에너지가 높은 천체 현상을 관측할 수 있다. 대부분의 감마선을 내뿜는 천체는 감마선 폭발이다. 감마선 폭발은 짧은 시간 동안 강한 감마선을 방출하고 금방 어두워지는 천체이다. 그 외에 감마선을 내뿜는 천체로는 펄사, 중성자별, 활동은하핵이 있다.[52]

4. 7. 전자기파 이외의 천문학

전자기파(빛)이외에도 중성미자, 중력파 등을 이용하여 우주에서 일어나는 현상을 관측할 수 있다.[228][229] 또한 탐사선을 이용하여 달이나 혜성 같은 지구 밖의 천체에서 직접 시료를 채취하기도 한다.

중성미자 천문학에서는 천문학자들이 SAGE, GALLEX, 카미오카 II/III같은 특별한 지하 시설을 이용하여 중성미자를 검출한다. 지구를 통과하는 중성미자의 대부분은 태양에서 기원하지만, 초신성 1987A에서 온 24개의 중성미자도 검출되었다.[52] 우주선은 매우 높은 에너지를 가진 입자(원자핵)로 구성되어 있으며, 지구 대기로 진입할 때 붕괴되거나 흡수되어 2차 입자의 캐스케이드를 생성하는데, 이는 현재의 관측소에서 검출할 수 있다.[60]

중력파 천문학은 먼 거리에 있는 거대한 천체에 대한 관측 자료를 수집하기 위해 중력파 검출기를 사용하는 새로운 천문학 분야이다. 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)와 같이 몇몇 관측소가 건설되었다. 라이고는 2015년 9월 14일에 최초로 중력파를 검출하여 쌍성 블랙홀에서 발생한 중력파를 관측했다.[61] 두 번째 중력파는 2015년 12월 26일에 검출되었고 추가적인 관측이 계속될 예정이지만, 중력파를 관측하려면 매우 민감한 장비가 필요하다.[62][63]

전자기파, 중성미자 또는 중력파를 이용한 관측과 기타 보완적인 정보의 조합을 다중 메신저 천문학이라고 한다.[64][65]

행성과학자들은 직접적인 관측을 위해, 우주탐사선을 행성에 보내거나 시료를 채취해서 돌아오는 방식을 이용하기도 한다. 예를 들어, 탐사선이 행성을 지나쳐 가면서 사진을 찍거나, 행성표면에 직접 착륙해서 실험을 수행하기도 하고, 표면에 탐사선을 충돌시키고 이 때 발생하는 물질들을 원거리에서 관측하기도 한다.

5. 측성학과 천체역학

측성학(39/astrometry}})은 천체의 위치를 측정하는 학문 분야로, 천문학뿐만 아니라 자연과학에서 가장 오래된 분야 중 하나이다.[230] 역사적으로 해, 달, 행성, 별들의 위치를 정확히 아는 것은 항해나 달력을 만드는데 필수적이었다.[230][66]{{rp영어 위치천문학은 천체의 위치를, 천체역학은 천체의 운동을 연구하는 학문으로, 천문학 내에서 고전 분야로 간주된다.

측성학은 행성의 위치를 매우 정확하게 측정함으로써 중력의 섭동에 관해 잘 이해할 수 있도록 기여했으며, 이는 행성들의 위치를 정확하게 예측할 수 있는 천체역학(Celestial mechanics영어)의 발전으로 이어졌다.[230]

최근에는 근지구 천체를 추적함으로써 이러한 혜성이나 소행성들이 지구와 충돌하거나 비껴가는 위험한 경우를 예측하는 중요한 역할을 하고 있다.[230][67]

가까운 별들의 연주시차를 측정하여 별까지의 거리를 구하는 것은 우주의 크기를 가까운 곳부터 먼 곳까지 차근차근 정립해나가는 소위 우주 거리 사다리를 구성하는 기본 기준이 된다.[68] 또한 가까운 별까지의 거리를 재는 일은 별의 절대 광도 같은 물리량을 정확히 잴 수 있으므로 매우 중요하다. 별들의 시선속도를 재는 것과 함께 고유운동을 재면 별들의 3차원적인 운동을 알 수 있고, 이를 통해 우리은하 내의 천체들이 어떻게 움직이는 지를 연구할 수 있다.[68]

1990년대부터는 별의 궤도가 예상과는 달리 약간 흔들거리는 현상(stellar wobble영어)을 정확하게 측정해서 이러한 별의 주위를 공전하고 있는 외계행성을 찾는 방법이 널리 이용되고 있다.[232][69]

성단 피스미스 24과 성운

6. 이론 천문학

이론 천문학자들은 해석적인 모형이나 컴퓨터를 이용한 수치 모형을 사용하여 천체나 천문 현상을 이해한다.[233][234] 해석적인 모형은 어떤 현상에 대한 직접적인 통찰력을 제공하며, 수치 모형은 복잡한 현상을 기본 물리 법칙으로 계산하여 존재 가능성을 이해하는 데 도움을 준다.[233][234]

이론 천문학은 모형을 만들고 그 결과를 연구하여 관측자들이 이론을 검증할 자료를 수집하고 실험을 계획하도록 돕는다. 새로운 관측 결과에 따라 모형을 지속적으로 수정하고 발전시키며, 관측 자료와 모순되는 경우 모형을 폐기하기도 한다.

이론 천문학의 주요 주제는 천체 역학, 별의 진화, 은하의 형성과 진화, 우주 거대구조, 우주선의 기원, 일반 상대론, 물리우주론 등이다. 이러한 현상을 설명하기 위해 다양한 물리 법칙 및 이론을 적용한다. 예를 들어, 상대론은 중력이 중요한 우주 거대 구조 연구의 기본 틀을 제공하며, 중력파와 블랙홀 연구의 바탕이 된다.

현대 이론 천문학은 급팽창 이론, 암흑 물질, 기본적인 물리 법칙들을 바탕으로 ΛCDM 모형을 정립했으며, 이는 현재 천문학자들 사이에서 널리 받아들여지고 있다. 암흑물질과 암흑에너지는 현대 천문학에서 가장 주목받는 주제 중 하나이다.

다음은 이론 천문학에서 물리 법칙을 바탕으로 실험 및 관측 결과에 기반하여 이론적 모형을 만들고, 현상을 설명하거나 예측하는 예시이다.

물리 현상실험·관측이론적인 모형설명·예측
중력전파망원경자체 중력에 묶인 계항성계
핵융합분광학별의 진화별의 에너지원과 중원소들의 형성
대폭발허블 우주 망원경, COBE우주의 팽창우주의 나이
양자 요동우주의 급팽창우주의 평탄 문제(Flatness problem)
중력붕괴X-선 천문학일반 상대론은하 중심의 블랙홀
별의 CNO 반응무거운 별의 에너지원


7. 연구 대상에 따른 천문학의 세부 분야

천체물리학은 천문학에서 얻은 측정 결과를 이해하기 위해 물리학과 화학의 원리를 적용하는 분야이다. 연구 대상에는 태양, 다른 항성, 은하, 계외행성, 성간물질, 우주 마이크로파 배경 방사가 포함된다.[75][76] 천체물리학자들은 역학, 전자기학, 통계역학, 열역학, 양자역학, 상대성 이론, 핵물리학, 입자 물리학, 원자, 분자 및 광학 물리학 등 다양한 물리학 분야를 적용한다.

현대 천문학 연구는 이론물리학과 관측 물리학 영역에서 상당한 양의 작업을 수반한다. 암흑 물질, 암흑 에너지, 블랙홀의 특성, 시간 여행 가능성, 웜홀 형성 가능성, 다중우주 존재 여부, 우주의 기원과 우주의 최후 등이 연구 분야에 포함된다.[75] 이론 천체물리학자들은 태양계의 형성과 진화, 항성역학 및 항성 진화, 은하 형성과 진화, 자기유체역학, 우주의 대규모 구조, 우주선의 기원, 일반 상대성 이론 및 물리적 우주론( 끈 우주론 및 천체입자물리학 포함)을 연구한다.

천문학은 천문 현상에 대한 접근 방식에 따라 관측 천문학과 이론 천문학으로 나눌 수 있다. 관측 천문학은 천체 현상을 관측하고 데이터를 수집하며, 이론 천문학은 현상을 설명하는 모델, 이론, 원리 등을 발견하거나 만들어낸다. 1980년대 이후 슈퍼컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 실험도 많이 사용된다.

연구 대상이나 방법에 따라 분야가 나뉜다. 은하 천문학, 우주론, 별 생성론, 전파 천문학, 광적외선 천문학 등이 그 예이다.



역사적으로 역법학, 천체측량학, 천체역학 순으로 발전했다. 우주론은 근대에 들어와 물리학적으로 탐구되기 시작했다.

역법은 지구의 자전에 대한 연구이며, 케플러의 법칙으로 발전했다. 우주론은 빅뱅 우주론이 확립되었다. 은하 관측은 샤를 메시에, 윌리엄 허셜 등에 의해 시작되었다. 지구에 관해서는 지구물리학(지진학 관련)과 지구화학(환경 문제 관련)이 발전했다.

이처럼 지구-지구·달계-태양계-은하계-우주 대규모 구조-우주 탄생 및 진화에 이르는 폭넓은 영역을 다룬다.

7. 1. 태양 천문학

태양은 지구에서 가장 가까운 항성이자 가장 자세하게 연구된 별이다.[235][106] G형 분광형을 지닌 46억 살의 주계열성으로, 흑점 주기로 알려진 주기적인 밝기 변화를 보인다. 흑점은 11년 주기로 그 숫자가 변화하며, 강력한 자기장 활동과 관련되어 태양 표면의 다른 곳에 비해 온도가 낮다.[235]

태양은 탄생 이후 밝기가 천천히 증가하여 현재는 처음 주계열성이 되었을 때보다 40% 정도 더 밝다.[236][107] 이러한 밝기 변화는 지구의 생태계에 뚜렷한 영향을 주었으며, 일례로 마운더 극소기는 중세 시대 소빙기 현상의 원인으로 여겨진다.[237][108]

태양의 바깥 표면은 광구라고 불리며, 광구 위에는 채층이라 불리는 얇은 지대가 존재한다. 채층 위에는 코로나가 형성되어 온도가 급격하게 상승한다.[66]

태양 중심부에는 핵이 존재하며, 이곳에서 핵융합 작용이 일어날 수 있을 만큼 온도와 압력이 높다. 핵 위에는 복사층이 있어 플라스마가 복사 형태로 에너지를 전달하고, 그 위에는 대류층이 존재하여 기체의 물리적 이동을 통해 에너지를 수송한다. 이러한 대류층의 움직임이 자기장을 발생시켜 흑점을 만드는 원인으로 추정된다.[235][106]

플라스마 입자로 구성된 태양풍은 태양에서 꾸준히 우주 공간으로 흘러나가 태양권계면까지 이어진다. 태양풍은 지구의 자기권과 반응하여 밴 앨런대를 형성하고, 지구 자기력선이 대기와 만나는 지점에서 오로라를 생성한다.[238][109]

미국 항공우주국(NASA)의 TRACE 우주망원경이 관측한 태양의 활동적인 광구의 자외선 영상.


1962년에 건설된 슬로바키아(Slovakia) 롬니츠키 슈티트(Lomnický štít) 태양 관측소

7. 2. 행성 천문학

행성천문학은 행성, 위성, 왜행성, 혜성, 소행성, 기타 태양을 공전하는 다른 천체들, 그리고 외계 행성 집단들을 연구 대상으로 다룬다.[239] 태양계는 상대적으로 연구가 많이 이루어졌으며, 과거에는 관측 도구로 주로 망원경을 이용했으며 최근에는 우주 탐사선이 많은 역할을 하고 있다. 일련의 탐사로 인해 태양계의 형성과 진화에 관해 많은 지식을 얻게 되었으며, 새로운 사실들이 계속하여 발견되고 있다.[239]

상단의 검은 점은 화성의 분화구 벽을 타고 오르는 먼지 악마입니다. 이 이동하는 소용돌이치는 화성 대기 기둥(지구의 토네이도와 비슷함)은 길고 어두운 줄무늬를 만들었습니다.


태양계는 내행성, 소행성대, 외행성의 세 부분으로 크게 나눌 수 있다. 내행성계로 일컫는 지구형 행성들로는 수성, 금성, 지구, 화성이 있다. 바깥쪽을 공전하고 있는 외행성계는 가스 행성들로 이루어져 있으며, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성으로 구성되어 있다.[240] 해왕성 너머로는 카이퍼대가 존재하며, 가장 바깥쪽에는 최대 1광년에 이르는 거리까지 오르트 구름이 펼쳐져 있다.

행성들은 원시행성계원반에서 생겨났다. 중력에 의한 끌어당김, 충돌, 강착 과정을 통하여 원반에 있던 물질들은 큰 덩어리들로 자라났으며 이후 원시행성들로 진화했다. 태양풍에 의한 복사압으로 인해 덩어리로 뭉치지 못한 물질들은 쓸려 나갔고, 자기가 지닌 가스 대기를 잃지 않을 정도로 무거운 천체들만 살아남았다. 살아남은 행성들은 계속 커지거나 또는 극심한 충돌로 인해 자기가 갖고 있던 물질을 방출하기도 했다. 이러한 극심한 충돌의 증거는 달이나 수성 등에 있는 많은 충돌구를 통해 알 수 있다. 현재 지지를 받고 있는 이론에 따르면 이 기간 동안 원시행성들 중 일부는 충돌 과정을 겪었을 것이다.[241]

행성들은 충분한 질량을 획득한 뒤, 무거운 물질은 행성 중심부로 가라앉고 가벼운 물질은 위에 남는, 행성 분화의 과정을 겪게 된다. 이 과정을 통해 행성들의 중심에는 철이나 석질의 중심핵이 생성되고 그 위는 보다 가벼운 물질들로 이루어진 맨틀이 형성되었다. 핵 부위는 고체 또는 액체 성분을 지니고 있으며, 일부 행성의 중심핵은 고유의 자기장을 형성하는 원인을 제공한다. 이러한 자기장은 행성의 대기를 태양풍으로부터 보호하여, 벗겨져 나가지 않게 한다.[242]

행성이나 위성들의 내부열은 이들을 만들었던 물체(방사성 물질로 예를 들면 우라늄, 토륨, 26Al 등이다)들끼리 충돌하여 발생한 열 및, 조석가속으로 인하여 생겨났다. 일부 천체들의 경우 화산이나 지각 운동 등 지질학적 활동이 생겨날 정도의 열을 간직하게 되었다. 이들 중 대기를 갖게 되는 천체는 바람이나 물로 인하여 지각의 침식 과정을 겪는다. 질량이 작은 천체들은 빠르게 식었고, 충돌구 생성을 제외한 일체의 지질학적 활동을 멈추었다.[243]

7. 3. 항성 천문학

항성 및 항성들의 진화 과정을 이해하는 것은 우주를 이해하는 데 있어 매우 중요하다.[244][99] 천체물리학은 관측, 이론 및 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 항성 연구에 기여해 왔다.[244]

항성 생성은 거대 분자 구름으로 알려진, 먼지와 가스의 밀도가 높은 곳에서 시작된다.[247][96] 분자 구름이 불안정 해지면, 중력때문에 붕괴하면서 여러 조각들로 깨지게 되고, 각각의 조각들은 원시별을 형성한다. 중심핵 부분이 충분히 밀도가 높고, 뜨거워지면 핵융합 작용이 시작되며, 여기서 주계열성이 탄생하게 된다.[247] 수소와 헬륨, 리튬보다 무거운 모든 원소들을 천문학에서는 중원소라고 부르는데, 이들은 항성의 내부에서 만들어진 것들이다.[99]

주계열성을 벗어난 항성의 진화 과정은 주로 별의 질량에 의해 결정된다. 별이 질량이 크면 클수록 더욱 밝아지며 중심핵에서 수소 연료를 더 빨리 태운다. 시간이 지나면서 별이 갖고 있던 수소가 헬륨으로 모두 바뀌면, 항성은 진화하기 시작한다. 헬륨 융합이 일어나기 위해서는 중심핵의 온도가 더 뜨거워져야 하기 때문에 항성의 중심핵 밀도는 증가하며, 부피 또한 커지게 된다. 부피가 증가한 항성은 헬륨을 다 태울 때까지 잠시 동안 적색 거성 단계에 머무른다.[244] 질량이 매우 큰 별들의 경우 헬륨보다 무거운 원소들을 태우는 일련의 진화 단계를 따로 걷게 된다.[244][100]

항성의 최후 양상 역시 마지막에 남은 별의 질량에 따라 달라진다. 태양 정도 질량을 갖는 별은 행성상 성운의 형태로 질량을 방출하고 중심부에 백색왜성을 남긴다.[102] 주계열 시절 질량이 태양의 8배 이상이었던 별들의 경우 중심핵이 붕괴하면서 초신성으로 일생을 마친다.[244][101] 초신성 폭발 후 중심에 남은 물질은 중성자별이 되거나, 혹은 폭발 후 남은 질량이 태양의 3배가 넘는 경우 블랙홀로 진화한다.[244][245][103] 서로 가까이 붙어 있는 쌍성의 경우 주성에서 나온 물질이 반성인 백색 왜성으로 흘러들어가서 신성 폭발을 일으키는 것처럼, 더욱 복잡한 진화 경로를 겪게 된다.[104] 행성상 성운 및 초신성은 중원소를 성간 공간에 퍼뜨리는 중요한 역할을 하며, 생명체가 탄생할 재료를 공급하는 역할도 한다. 만약 이들이 없다면 새롭게 탄생하는 별들 및 행성들은 수소와 헬륨으로만 이루어질 것이고, 지구형 행성은 생겨날 수 없기 때문이다.[105]

Mz 3, 종종 개미 성운으로 불린다. 죽어가는 중심 별에서 방출되는 가스는 일반적인 폭발의 혼란스러운 패턴과 달리 대칭적인 패턴을 보여준다.

7. 4. 우리은하 천문학

우리 태양계는 국부 은하군에 속해 있는 막대나선은하인 우리 은하(Galaxy; Milky Way영어)에 속해 있으며, 우리 은하의 중심을 공전하고 있다.[66] 가스, 먼지, 별, 암흑물질 등이 서로의 중력을 통해 묶여 우리은하를 구성하고 있으며, 이들은 공통 질량중심을 축으로 회전하고 있다.[66] 태양계는 성간 먼지를 포함하는 바깥쪽 나선팔에 위치해 있기 때문에 먼지가 시야를 가려, 지구에서 볼 수 있는 우리 은하의 모습은 제한되어 있다.[66]

우리 은하 중심부에는 막대 모양의 팽대부가 있으며, 은하 중심에는 거대한 블랙홀이 있는 것으로 받아 들여지고 있다. 은하중심부는 바깥쪽으로 소용돌이처럼 퍼져나가는 네 개의 나선팔로 둘러싸여 있다.[95] 나선팔은 금속함량이 많고 젊은 항성종족 I 별들이 탄생하는 곳이다.[95] 은하 원반을 구형의 은하 헤일로가 둘러싸고 있는데, 여기에는 주로 늙은 항성종족 II 별들과 별들이 조밀하게 뭉친 구상성단들이 분포하고 있다.[246][95]

별들 사이에는 가스와 먼지 등으로 이루어진 희박한 성간 물질이 분포하고 있다. 성간 물질의 밀도가 높은 곳에서는 수소 분자 및 다른 원소들로 구성된 분자 구름이 만들어지고, 이 곳에서 별들이 태어난다. 별의 생성은 처음에는 분자구름이 밀집된 암흑 성운의 형태로 시작되며, 이들은 압축되고 붕괴되어 원시별을 형성하게 된다.[247][96]

질량이 큰 별들이 태어나는 곳의 주변은 빛을 방출하는 가스와 플라스마로 이루어진 H II 영역으로 진화한다. 무거운 별들은 강한 항성풍을 방출하고 초신성 폭발로 일생을 마치는데, 이로 인해 주변의 성간물질이 흩어지게 된다. 때로는 여러 별들로 이루어진 산개 성단이 만들어지기도 하는데, 산개 성단의 별들은 점차 흩어지게 되면서 우리 은하의 항성 종족에 편입된다.[248][97]

우리 은하 및 외부 은하에 대한 운동학적 연구를 통해 보이는 물질보다 더 많은 질량이 존재한다는 사실을 알게 되었다. 이렇게 빛을 내지 않지만 질량은 가지는 암흑물질의 본질은 아직 규명되지 않았으나, 암흑물질 헤일로가 우주에 있는 물질의 거의 대부분을 차지하는 것으로 보인다.[249][98]

우리 은하의 모식도. 하단부 회색 부채꼴 범위는 성간 먼지에 가려 지구에서 볼 수 없는 부분이다.


관측된 은하수의 나선팔 구조

7. 5. 외부은하 천문학

외부은하 천문학은 우리은하 밖의 천체와 현상을 연구하는 분야로서, 주로 은하의 형성과 진화, 외부은하의 형태와 분류, 활동은하, 은하단과 은하군, 그리고 이들로 이루어지는 우주의 대규모 구조를 연구한다.[66]

대부분의 은하는 모양에 따라 타원은하, 나선은하, 불규칙 은하로 분류된다.[250][91] 타원은하는 하늘에 투영된 모습이 타원 모양이며, 별들은 무작위적인 궤도로 움직인다.[66] 성간물질이 적고, 새로 생성되는 별이 적으며, 주로 나이가 많은 별들로 이루어져 있다. 은하단의 중심부에 위치하며, 여러 은하들이 합쳐져서 만들어졌다고 여겨진다.[66] 나선은하는 납작한 회전하는 원반모양을 가지고 있으며, 중심부의 팽대부(또는 막대)와 나선 모양의 팔들로 이루어져 있다.[66] 나선팔들은 성간먼지를 많이 포함하고, 주로 별들이 형성되는 곳으로 푸른 빛을 띠고 있다. 우리은하와 안드로메다 은하가 대표적인 나선은하이다. 불규칙은하는 나선은하나 타원은하로 분류할 수 없는 일정한 모양을 갖지 않는 은하이다. 이러한 불규칙한 모양은 다른 은하와의 상호작용 때문에 만들어진다.[92]

은하의 형태학적 분류. ''E''는 타원 은하, ''S''는 나선 은하, ''SB''는 막대나선 은하를 가리킨다.


활동은하는 방출하는 에너지의 상당 부분이 별, 먼지, 성간물질 같은 것이 아닌 은하 중심의 다른 에너지 원(블랙홀)으로부터 나오는 은하이다.[66] 이러한 활동은하핵은 강착원반을 가진 초대질량 블랙홀이라고 여겨진다. 활동은하에는 시퍼트 은하, 퀘이사, 블레이저, 전파은하 등이 있다. 전파은하는 일반적인 은하와 달리 전파에서 매우 강한 빛을 내며, 퀘이사는 우주에서 가장 밝은 천체 중 하나이다.[93]

우주 거대구조는 이러한 개개의 은하들이 모여서 이루는 구조를 의미한다. 우주의 거대 구조는 계층적으로 만들어지는데, 은하들이 모여 은하군을 이루고, 이 은하군들이 모여 은하단을 형성하며, 다시 초은하단을 만드는 식이다. 이러한 거대한 군집들은 다시 필라멘트 구조와 그 사이의 공동을 이루며 분포한다.[94][251]

이 이미지는 여러 개의 파란색 고리 모양의 천체를 보여줍니다. 이들은 중앙 근처에 있는 노란색 은하들의 무리의 중력 렌즈 효과에 의해 중복된 동일한 은하의 여러 이미지입니다. 렌즈는 더 멀리 있는 천체의 이미지를 확대하고 왜곡하는 빛을 굴절시키는 은하단의 중력장에 의해 생성됩니다.

7. 6. 우주론

물리 우주론(en)은 우주가 처음에 어떻게 생겨났고, 어떻게 진화했는지 같은 근본적인 질문을 다루는 분야이다. 우주론의 연구 대상으로는 우주 마이크로파 배경, 대폭발 핵합성, 우주 거대구조, 암흑물질, 암흑에너지 등이 있다.[252] 우주론의 밑바탕이 되는 이론은 우주가 약 137억년 전에 시공간의 한 점에서 시작되어 현재까지 팽창하여 왔다는 대폭발 이론이다.[252] 1965년에 우주 마이크로파 배경이 발견됨으로써 대폭발 이론은 널리 받아들여지게 된다.[252]

우주가 팽창하는 동안, 우주는 여러 중요한 단계를 거치게 된다. 대폭발 직후 아주 초기에는 우주가 급팽창이라고 불리는 기하급수적인 빠른 팽창을 겪었다고 생각되며, 이 급팽창 때문에 우주가 현재 관측되는 것처럼 균질(homogeneous영어)하고 등방적(isotropic영어)이게 되었을 것으로 여겨진다. 급팽창 이후에는 중수소, 헬륨과 같은 기본적인 원소들이 만들어졌는데, 우주를 구성하는 대부분의 물질(바리온)이 만들어진 이 과정을 대폭발 핵합성 또는 원시 핵합성이라고 부른다.[252]

우주가 팽창하고 식어감에 따라 중성 원자들이 처음으로 만들어지게 되었고, 이 덕분에 빛이 이온화된 전자들에 의해 방해받지 않고 여행할 수 있게 되어 우주가 투명해지게 된다. 이 때 발생한 빛이 현재의 우주 마이크로파 배경으로 관측이 된다. 그러나 아직 빛을 낼 수 있는 별들이 만들어지지 않았기 때문에, 이 후의 시기를 우주의 암흑시대(Dark Age영어)라고 부른다.[253]

우주에 존재하던 작은 밀도 요동으로부터 처음으로 천체들이 만들어지기 시작했다. 물질들이 밀도가 높은 지역으로 뭉치면서, 거대한 가스 덩어리를 만들고, 여기서 처음으로 별들(Population III stars)이 만들어지게 된다. 이 별들은 내부의 핵융합을 통해 무거운 원소들을 만들게 되고, 이 때 발생하는 빛들은 주위의 가스를 이온화시켜서, 소위 재전리라는 과정을 시작하게 만들었다.[254]

별들이 중력에 의해 모이면서 처음으로 은하들을 만들게 되고, 이 은하들이 다시 중력에 의해 분포하면서 은하군이나 은하단 같은 더 큰 구조들을 만들고, 이는 우주의 거대구조를 형성하게 된다.[255]

암흑 물질과 암흑 에너지는 이러한 우주론의 근본적인 구성성분이 되어왔으며, 두 성분을 합쳐서 우주 전체의 96%를 차지한다고 받아들여지고 있다. 그러나 암흑물질과 암흑에너지가 무엇인지는 아직 밝혀지지 않았으며, 현대 우주론과 천문학의 주요 미해결 문제 중의 하나이다.[256]

허블 울트라 딥 필드

8. 학제간 연구

천문학과 천체물리학은 다른 과학 분야와 융합하여 학제간 연구를 활발하게 발전시켜왔다. 고천문학은 고고학과 융합하여 고대 또는 전통적인 천문학을 문화적 측면에서 연구한다.[188] 천문생물학(Astrobiology)은 지구 외 생명체의 존재 가능성과 진화를 연구하는 분야이다.[78][79] 우주에서 발견되는 화학 물질의 생성, 변화, 소멸 등을 연구하는 분야는 천문화학(Astrochemistry)이라고 불린다.[77] 이러한 물질들은 주로 분자운, 온도가 낮은 별들, 갈색왜성, 그리고 행성들에서 주로 발견된다. 우주화학(Cosmochemistry)은 태양계 내에서 발견되는 화학 물질들을 연구하는 분야로서, 원소와 동위원소의 상대적인 비율을 다룬다. 이 두 분야들은 천문학과 화학이 융합된 분야이다.[77]

우주의학은 우주비행사에 의한 장기 체류 실험(소유즈 계획, 스카이랩 계획, 살류트 계획, 미르 계획, 우주왕복선 계획, 국제우주정거장(ISS))을 통해 연구가 진행되고 있으며, 달 영구 기지 건설 및 화성 유인 탐사 계획과 관련이 깊다.[188] 우주공학은 우주 개발과 관련된 공학의 한 분야이다.[188]

천문학사는 천문학의 역사를 연구하는 학문이다. 그 외에 우주론(cosmography), 항성자료학(uranography), 별자리 지도 제작(celestial cartography) 및 별 이름 연구(astronomy)가 있다. 천문민속학은 천문학과 민속학의 학제 간 영역이다.[188] 고고천문학 외에도 고천문학(palaeoastronomy)이 있다.[188]

점성술, 고고천문학, 천문민속학은 수리천문학자 등으로부터 유사과학으로 간주되기도 한다.[189]

9. 아마추어 천문학

천문학은 비전문가들(아마추어들)이 가장 많이 기여를 하는 과학분야 중 하나이다.[257] 아마추어 천문가들은 다양한 천체와 천문 현상들을 관측한다. 일반적인 관측대상으로는 달, 행성, 별, 혜성, 유성우, 심원천체(성단, 은하, 성운)등이 있다.[120][121] 때로는 이러한 관측에 자신들이 직접 제작한 장비가 사용되기도 한다.

이러한 취미활동 뿐만 아니라 아마추어 천문가들은 천문학 연구에 꾸준히 공헌해왔다. 실제로 천문학은 아직까지도 비전문가들이 상당한 기여를 할 수 있는 몇 안되는 분야 중의 하나이다. 예를 들어, 아마추어 천문가들은 혜성을 처음으로 발견해내기도 하고, 변광성을 꾸준히 관측한다.[124][125] 특히 아마추어 천문가가 가장 활약한 분야는 혜성 발견이며, 예전에는 "혜성 사냥꾼"이라고 불리는 열정적인 아마추어 천문가들에 의해 많은 혜성이 발견되었다. 그러나 1995년의 지구 근접 소행성 추적(NEAT)과 1998년 이후의 링컨 지구 근접 소행성 탐사(LINEAR)와 같은 자동 탐색 프로젝트의 시작으로 육안에 의한 혜성 발견은 급감하였고, 대신 인터넷 등에서 공개된 데이터를 바탕으로 혜성을 발견하는 방법이 주류가 되었다. 그 이후에도 아마추어 천문가가 큰 발견을 하는 경우가 많으며, 2012년에는 아마추어 천문가와 천문학자 팀에 의해 4개의 태양을 가진 행성이 발견되었다.[190] 디지털 관측기기의 발전으로 아마추어 천문학자들은 천문 사진 분야에서 큰 발전을 이루어왔다.[126][260][261][262]

아마추어 천문학자들은 직접 장비를 만들고, 스텔라페인과 같은 별 파티와 모임을 개최할 수 있다.

10. 천문학의 미해결 문제

비록 천문학이 우주와 그 구성원들의 본질을 이해하는데 엄청난 발전을 이룩해 왔지만, 아직도 중요한 미해결 문제들이 남아 있다. 이러한 질문에 답하기 위해서는 새로운 지상·우주 망원경, 그리고 획기적인 이론·실험 물리의 발전이 이루어져야 할 것이다.[263]

질량에 따른 별들의 개수 분포, 즉 별들이 생성될 당시의 질량분포(초기질량함수)가 일정해 보이는 이유[263], 우주에 우리 말고 다른 외계 생명체나 지성을 가진 외계인이 존재하는지에 대한 여부와 우리 태양계의 보편성 혹은 특수성[264][265] 등은 여전히 중요한 문제이다. 외계생명의 존재는 과학뿐만 아니라 철학·종교적으로 큰 의미를 함축하고 있다.[264][265]

왜 우주가 생겨났으며, 우리 우주를 균일하게 만든 급팽창(inflation)과 바리온 비대칭성(baryon asymmetry)이 발생한 이유, 암흑물질과 암흑에너지의 본질[266], 우주의 궁극적 운명[267] 역시 밝혀지지 않았다.

어떻게 은하들이 처음 형성되었는지, 거대한 블랙홀들은 어떻게 만들어졌는지, 초고에너지 입자(ultra-high-energy cosmic ray)들은 어디서 만들어지는지에 대한 의문도 남아있다.

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