2025. 8. 20. 오전 9:02:48
‘누워 도는 행성’ 천왕성에서 29번째 위성 발견
출처: 한겨레 ( 한국 / 한국어 )
윌리엄 허셜
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목차
1. 개요
윌리엄 허셜은 1738년 하노버에서 태어나 1822년 사망한 독일계 영국인 천문학자이자 작곡가이다. 그는 음악가로 활동하다가 천문학에 관심을 갖게 되어, 반사 망원경 제작에 몰두하며 천왕성을 발견하고, 이중성 연구, 심원천체 목록 작성 등 다양한 업적을 남겼다. 허셜은 적외선을 발견하고, 400개 이상의 망원경을 제작했으며, 여동생 캐롤라인 허셜과 함께 천문학 연구를 진행했다. 그의 발견과 연구는 천문학 발전에 크게 기여했으며, 다양한 유산과 기념물로 그의 업적을 기리고 있다.
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| 윌리엄 허셜 - [인물]에 관한 문서 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
 | |
| 본명 | 프리드리히 빌헬름 허셜 |
| 출생일 | 1738년 11월 15일 |
| 출생지 | 하노버, 하노버 선제후국, 신성 로마 제국 |
| 사망일 | 1822년 8월 25일 |
| 사망지 | 슬라우, 잉글랜드 |
| 안장 장소 | 업턴 앳 체비의 세인트 로렌스 교회 |
| 국적 | 하노버 영국 (1793년 이후) |
| 친척 | 캐롤라인 허셜 (여동생) |
| 배우자 | 메리 볼드윈 허셜 |
| 자녀 | 존 허셜 (아들) |
| 분야 | 천문학 및 음악 |
| |
| 알려진 업적 | 천왕성 발견 적외선 발견 심우주 탐사 왕립천문학회 초대 회장 |
| 수상 | 코플리 메달 (1781년) |
| 발음 | |
| 학력 | |
| 음악 | |
| 음악 분야 | 클래식 음악 |
| 기타 | |
| 로마자 표기 | P'ŭridŭrih Willhŏm Hŏsyŏl |
2. 어린 시절과 음악활동
윌리엄 허셜은 1738년 신성 로마 제국의 일부였던 하노버 선제후국에서 태어났다.[112] 그의 아버지는 하노버 군악단에서 오보에 연주자로 활동했다.[113] 1755년 허셜과 그의 형 제이콥은 오보에 연주자로 하노버 경비 연대에 입대하여 잉글랜드로 파견되었다. 당시 그레이트브리튼 왕국과 하노버는 인적 동군 연합으로 그레이트브리튼의 조지 2세가 통치하고 있었다. 프랑스와의 전쟁 위협 속에서 하노버 경비 연대는 하노버 방어를 위해 소환되었으나 하스텐벡 전투에서 패배했다. 허셜의 아버지 이삭은 두 아들을 잉글랜드로 피신시켰고, 허셜은 탈영 혐의를 받았으나 1782년 조지 3세에 의해 사면받았다.[7][8]
허셜의 음악활동은 그를 수학과 렌즈에 대한 흥미를 가지게 만들었다. 그의 천문학에 대한 관심은 영국 왕립 천문학자인 네빌 마스켈린(Nevil Maskelyne)을 만난 이후부터 커져갔다. 그는 자신만의 반사 망원경을 만들기 시작했고, 하루에 16시간 이상을 청동 주경[112]을 깎고 닦는데 몰두했다. 그는 1773년 3월에 행성들과 별들을 보기 시작했고, 1774년 3월 1일에는 토성고리와 오리온 대성운(M 42)의 관찰한 것을 기록한 것으로 천문학 논문을 쓰기 시작했다.[22]
19세의 허셜은 영어를 빠르게 습득하고 잉글랜드에서 자신의 이름을 프레더릭 윌리엄 허셜(Frederick William Herschel)로 개명했다. 그는 오보에뿐만 아니라 첼로, 하프시코드, 오르간을 연주했으며, 24개의 교향곡과 다수의 협주곡, 교회 음악 등을 작곡했다.[9]
1760년부터 1761년까지 더럼 민병대(Militia and Volunteers of County Durham) 악단의 단장을 지냈고,[11] 1761년에는 찰스 에비슨(Charles Avison)에 의해 뉴캐슬 오케스트라의 제1 바이올린 및 독주자로 고용되었다.[12] 그는 더럼주 선덜랜드에서 1761년 4월 20일에 C단조 8번 교향곡을 작곡하기도 했다. 뉴캐슬 이후 리즈와 할리팩스(Halifax)로 이주하여 할리팩스 대성당(Halifax Minster)의 초대 오르간 연주자를 역임했다.[13]
1766년, 허셜은 옥타곤 예배당(Octagon Chapel, Bath)의 오르간 연주자가 되었고, 1767년 1월 1일에 취임 연주회를 열었다. 당시 오르간이 완성되지 않아 바이올린 협주곡, 오보에 협주곡, 하프시코드 소나타 등 자신의 곡을 연주하며 다재다능함을 선보였다.[14] 1767년 10월 4일 옥타곤 예배당의 공식 개관식에서 오르간을 연주했다.[15] 1772년, 그의 여동생 캐롤라인 허셜(Caroline Herschel)이 영국으로 와 함께 살았으며, 이들이 살던 집은 현재 허셜 천문학 박물관(Herschel Museum of Astronomy)으로 사용되고 있다.[17] 1780년, 허셜은 배스 오케스트라의 지휘자가 되었고, 그의 여동생은 소프라노 독창자로 활동했다.[19][20]
허셜은 다양한 장르의 음악 작품을 남겼는데, 소규모 및 대규모 오케스트라를 위한 교향곡, 오보에, 바이올린, 비올라를 위한 협주곡, 오르간 협주곡, 바이올린과 바소 콘티누오를 위한 독주곡, 하프시코드 소나타, 오르간 푸가, 오르간 소나타 등이 있다.[109]
3. 천문학 연구
1770년대 허셜의 자연철학 독서는 그의 개인적인 관심사를 보여줄 뿐만 아니라 사회적, 직업적으로 상승하려는 의지를 시사한다. 그는 폭넓은 논리적이고 실용적인 취향을 가진 18세기의 "철학적 신사" 또는 필로매스(philomaths)들과 교류할 수 있는 좋은 위치에 있었다.[20]
허셜의 지적 호기심과 음악에 대한 관심은 결국 그를 천문학으로 이끌었다. 로버트 스미스(Robert Smith)의 "조화론, 또는 음악 소리의 철학"(1749)을 읽은 후, 그는 스미스의 "완벽한 광학 시스템"(1738)을 접했는데, 이 책은 망원경 제작 기술을 설명하고 있었다.[21] 그는 또한 제임스 퍼거슨(James Ferguson)의 "아이작 뉴턴 경의 원리에 따라 설명된 천문학, 수학을 공부하지 않은 사람들에게 쉽게 만들어짐"(1756)과 윌리엄 에머슨(William Emerson)의 "삼각법의 요소"(1749), "광학의 요소"(1768), "역학의 원리"(1754)를 읽었다.[20]
허셜은 지역 거울 제작자에게서 수업을 받았고, 도구와 전문성을 갖추게 된 후, 자신의 반사 망원경을 만들기 시작했다. 그는 하루에 최대 16시간 동안 금속경 주경을 갈고 닦는 데 시간을 보냈다. 그는 특히 그의 여동생 캐롤라인 허셜과 숙련된 기계 기술자인 그의 형 알렉산더를 포함한 다른 가족 구성원들의 도움을 받았다.[20]
그는 1773년 5월에 "행성과 별을 보기 시작했고"[22] 1774년 3월 1일 토성의 고리와 오리온 대성운(M42)에 대한 관측 내용을 적어 천문학 일지를 시작했다.[20]
영국의 천문학자 네빌 마스켈린(Nevil Maskelyne)은 허셜 가족이 월콧(Walcot)(1777년 9월 29일 떠남)에 있는 동안 그들을 방문했다.[23]
1779년까지 허셜은 윌리엄 왓슨(Sir William Watson) 경과도 친분을 맺었는데, 그는 허셜을 배스 철학 협회에 초대했다.[20] 허셜은 적극적인 회원이 되었고, 왓슨을 통해 그의 인맥을 크게 넓혔다.[21][24] 몇 년 후인 1785년, 허셜은 필라델피아의 미국 철학 협회의 국제 회원으로 선출되었다.[25]
허셜은 달을 관측하여 달 표면 산의 높이를 측정하거나, 이중성(二重星)의 항성 목록(catalogue)을 편찬하는 등의 작업을 수행했다.
허셜의 인생의 전환점은 1781년 3월 13일에 찾아왔다. 이 날, 그는 바스 뉴 킹 스트리트 19번지에 있는 자택에서 천왕성(Uranus)을 발견했다. 이 발견으로 그는 일약 유명인사가 되었고, 이후 천문학 연구에 전념하게 되었다. 당시 영국 국왕 조지 3세(George III.)를 기념하여 이 새로운 행성에 "조지의 별"(Georgium Sidus)이라고 명명한 것이 그의 명성을 더욱 높였다(실제로는 이 이름은 정착하지 못했고, 특히 프랑스에서는 이 행성을 영국 국왕의 이름으로 부르는 것을 꺼렸기 때문에, "Uranus"라는 명칭이 정착되기 전에는 주로 "Herschel"이라고 불렸다). 이 해, 허셜은 코플리 메달(Copley Medal)을 수상하고, 왕립협회(Royal Society) 회원으로 추천되었다.[111] 1782년, 허셜은 조지 3세로부터 국왕 측 천문관("The King's Astronomer")으로 임명되었고, 그와 여동생은 1782년 8월 1일에 버킹엄셔(Buckinghamshire)(현 버크셔(Berkshire))의 데쳇(Datchet)으로 이주했다. 이곳에서도 그는 망원경 제작자로서의 일을 계속하여 수많은 망원경을 천문학자들에게 판매했다.
1781년 3월, 윌리엄 허셜은 쌍성 연구 중 원반 모양의 천체를 발견했다.[118] 허셜은 처음에는 혜성이나 항성으로 생각했으나, 추가 관측과 러시아 학술위원 안데르스 요한 렉셀(Anders Johan Lexell)의 궤도 계산을 통해 행성일 가능성이 제기되었다.[119][39][40] 허셜은 이 천체가 토성 궤도 너머의 행성임을 확인했다.[120][41] 그는 자신이 발견한 행성에 조지 3세의 이름을 따서 "조지 별(Georgium sidus)"이라 명명했으나,[66] 프랑스에서는 영국 왕에 대한 언급을 피하기 위해 "허셜"로 불렀다.[42] 이후 "천왕성"이라는 국제적인 이름이 통용되었다. 같은 해, 허셜은 코플리 메달을 수상하고 왕립 학회 회원으로 선출되었으며,[40][121] 1782년에는 "왕의 직속 천문학자(The King’s Astronomer)" 칭호를 받았다.[43] 1782년 8월 1일, 허셜과 그의 여동생 캐롤라인 허셜은 데쳇(당시 버킹엄셔, 현재 버크셔)으로 이주하여 망원경 제작과 천문학 연구를 계속했다.[44][121] 허셜은 망원경 제작으로 국제적인 명성을 얻어 영국과 유럽 대륙의 천문학자들에게 60개 이상의 반사 망원경을 판매했다.[45][121]
허셜의 초기 관측은 눈으로 보기에 매우 가까이 있는 쌍성을 찾는 데에 집중했다. 그 시대의 천문학자들은 쌍성에 대하여, 그 외견상의 이격 거리와 상대적 위치 변화의 시간에 따른 변화를 이용하면, 쌍성의 고유 이동에 대한 증거와, 이격 거리에 대한 시차 이동에 의하여 지구로부터의 거리에 대한 증거가 모두 제시될 수 있을 것으로 기대했다. 후자는 갈릴레오 갈릴레이에 의하여 최초로 제안된 방법이다.[115] 뉴 킹스가에 있는 그의 집 뒤뜰에서 허셜은 6.2인치(160mm)의 구경(口徑)과 7피트(2.1m)의 초점거리를 가진 뉴턴식 망원경으로 1779년 10월에[116] 그때까지 알려진 "천상의 모든 별" 중에 이러한 별이 있는지 체계적으로 찾기 시작하였으며 새롭게 발견된 쌍성들을 1792년까지 정리하였다. 그는 곧 예상했던 것보다 많은 쌍성과 다중성(multiple stars)들을 발견했고, 이들의 상대적인 위치를 정밀하게 측정하면서 2개의 카탈로그로 편집하여 1782년(269개 시스템)과 1784년(434개 시스템)에 런던 왕립 학회에 제출하였다.[28][29] 1783년 이후 새롭게 발견된 것들로 이루어진 세 번째 카탈로그(145개 시스템)는 1821년에 출판되었다.[30][31]
1797년에 허셜은 그 많은 시스템들을 다시 측정했고, 지구의 궤도로 인한 시차로부터 기인하지 않을 수 있는 상대적 위치의 변화들을 발견했다. 그는 그 두 개의 별들이 상호적인 중력 인력하에서 공전하는 '쌍성계'라는 가정을 발표하기 위해서 1802년까지 기다렸고,[26] 1803년에 《상호 연관에 기인하는 쌍성계에 대한 최근 25년의 변화 개수》(Account of the Changes that have happened, during the last Twenty-five Years, in the relative Situation of Double-stars; with an Investigation of the Cause to which they are owing)를 출간하였다. 그는 총 800개 이상의 확인된[117] 쌍성, 다중성 계를 발견했고, 그것들 중 거의 모두는 시각적인 쌍성들이 아니라 물리적인 쌍성들이었다. 그의 이론적, 관측적 업적들은 현대 이중성 천문학의 기초를 마련했다.[16]
1782년부터 1802년까지, 특히 1783년부터 1790년까지 윌리엄 허셜은 초점거리 610cm, 구경 30cm와 47cm의 망원경으로 심원천체와 비항성 천체에 관한 체계적인 조사를 수행했다.[13] 복제됐거나 '잃어버린' 항목을 제외하고, 허셜은 2400개가 넘는 천체를 발견했는데, 그는 이들을 성운으로 규정했다. 당시 성운은 에드윈 허블이 은하를 은하계 밖의 천체라고 정의하기 전까지, 우리 은하 너머의 천체들을 포함하여 시각적으로 널리 퍼지거나 분산되어 있는 천체를 가리키는 일반적인 용어였다.[46][13]
허셜은 자신이 발견한 것들을 아래의 3개의 목록으로 나누어 출판했다.
그는 자신이 발견한 것들을 (I) ''bright nebulae'', (II) ''faint nebulae'', (III) ''very faint nebulae'', (IV) ''planetary nebulae'', (V) ''very large nebulae'', (VI) ''very compressed and rich clusters of stars'', (VII) ''compressed clusters of small and large [faint and bright] stars'', 및 (VIII) ''coarsely scattered clusters of stars''와 같은 여덟 개의 항목으로 분류했다.
허셜이 발견한 것들은 캐롤라인 허셜과 그의 아들 존 허셜에 의해 더 보충되었고, 그것은 그의 아들에 의해 《General Catalogue of Nebulae and Clusters》로 출판되었다. 이 항목은 나중에 존 드레이어에 의해 편집되었는데, 많은 다른 19세기의 천문학자들이 발견한 사실들까지 보충되어 1888년에 7,840개의 심원천체를 담은 《신 일반 목록》(New General Catalogue, '''NGC'''로 약칭)으로 출판되었다. NGC 방식은 아직까지도 천체의 주요 지형지물을 분류하는데 가장 많이 쓰이는 방식이다.[13] 신 일반 목록에 수록된 허셜의 발견에는 NGC 12, NGC 13, NGC 14, NGC 16, NGC 23, NGC 24, NGC 1357, 그리고 NGC 7457이 포함된다.
1783년에 윌리엄 허셜은 그의 여동생 캐롤라인에게 망원경을 주었고, 그녀는 주로 혜성을 중심으로 독자적인 천문학적 발견을 하기 시작했다.[53][47][66] 그녀는 8개의 혜성, 11개의 성운을 발견했고, 오빠의 제안에 의해 항성의 위치를 구체화하고 있는 플램스티드의 업적을 수정, 보완했다.[51][52] 이 작업은 《Catalogue of Stars taken from Mr Flamsteed's observations》로 출판되었고, 560개가 넘는 별들의 색인이 포함되어 있었다.[50] 그녀는 이 작업 덕분에 왕립 천문학 학회로부터 명예 훈장을 받았다.[50][52] 또, 그녀는 그녀의 오빠의 옆에서 오빠가 망원경을 통해 관찰하고 있을 때 필기를 하며 계속 오빠의 조수 역할을 하였다.[54] 캐롤라인은 윌리엄의 조수 역할로 조지 3세로부터 연봉 50파운드를 받았으며, 이는 영국에서 정부 직책을 맡은 최초의 여성이자 천문학자로서 봉급을 받은 최초의 여성이었다.[55][56]
캐롤라인은 윌리엄을 위해 천문 목록과 다른 간행물을 복사했고, 고성능 망원경의 거울을 연마하여 포착되는 빛의 양을 극대화했다.[48] 1783년 10월부터 윌리엄은 새로운 20피트 망원경을 사용하기 시작했는데, 이 망원경으로 관측하는 동안 캐롤라인은 윌리엄의 기록자 역할을 했다.[49] 윌리엄이 자신의 관측 결과를 외치면 캐롤라인은 참고 서적에서 필요한 정보와 함께 그것을 기록했다.[49] 1783년부터 1787년 사이에 캐롤라인은 M110(NGC 205)를 독자적으로 발견했고, 1786년부터 1797년까지 8개의 혜성을 발견하거나 관측했다.[103] 또한 1795년에 엥케 혜성을 재발견했다.[103] 캐롤라인의 혜성 중 5개는 ''왕립학회 철학회보''에 발표되었으며, 윌리엄은 캐롤라인의 혜성을 왕실에 시연하기 위해 윈저 성으로 소환되기도 했다.[53]
1785년 6월, 습한 환경 때문에 윌리엄과 캐롤라인은 올드 윈저의 클레이 홀로 이사했다.[44] 1786년 4월 3일, 허셜 가족은 슬로의 윈저 로드에 있는 새로운 주택으로 이사했고,[44] 윌리엄 허셜은 남은 생애를 이 주택에서 살았다.[57] 이 주택은 천문대 하우스로 알려지게 되었으나, 1963년에 철거되었다.[57][58] 1788년 윌리엄 허셜의 결혼 이후, 캐롤라인은 별도의 숙소로 이사했지만 오빠의 조수로 계속 일했다.[53] 1822년 윌리엄이 사망한 후, 캐롤라인은 그의 발견을 확인하고 성운 목록을 작성했으며, 2,500개가 넘는 성운과 성단을 유사한 극거리의 구역으로 정리하여 ''신 일반 목록''으로 확장되는 기반을 마련했다.[59]
허셜은 생애 동안 400대가 넘는 망원경을 제작했다. 그중에서 가장 크고 가장 유명한 망원경은 초점거리 40피트(12m), 구경 49 1/2인치(126cm)의 반사 망원경(40피트 망원경)이다. 1789년 8월 28일, 이 대형 망원경을 사용한 첫 관측에서 그는 토성(Saturn)의 새로운 위성 엔셀라두스(Enceladus)를 발견했다. 이 발견으로부터 한 달도 지나지 않아 그는 또 다른 새로운 위성 미마스(Mimas)도 발견했다. 그러나 이 40피트 망원경은 매우 다루기 어려웠기 때문에, 허셜의 관측의 대부분은 더 작은 초점거리 20피트(6.1m)의 망원경을 사용하여 이루어졌다. 허셜은 망원경의 구경의 일부를 가리는 것으로 매우 높은 각분해능(分解能)을 얻을 수 있다는 것을 발견했다. 이 원리는 오늘날 천문학에서의 간섭계(干渉法)의 기초를 이룬다. 덧붙여, 40피트 망원경은 노후화로 인해 1839년 아들 존(John)에 의해 해체되었고, 현재는 반사경과 경통의 일부만이 보존되어 있다.
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허셜은 토성의 두 위성인 미마스와 엔셀라두스를 발견하였고,[77][78] 천왕성의 두 위성인 티타니아와 오베론을 발견하였다.[79] 그러나 이 위성들의 이름은 허셜이 아닌 그의 아들 존이 1847년과 1852년에 그의 사후에 명명했다.[77][78] 허셜은 화성의 자전축 기울기를 측정했고,[80] 조반니 도메니코 카시니(1666)와 크리스티안 하위헌스(1672)가 처음 관측한 화성의 극관이 그 행성의 계절에 따라 크기가 변한다는 것을 발견했다.[81] 또한, 허셜이 천왕성 주위의 고리를 발견했다는 주장도 있다.[82]
허셜은 1802년 올베르스가 두 번째 소행성 팔라스를 발견한 직후, "별과 같은"을 의미하는 "asteroid"(소행성)이라는 단어를 소개했다.[83] 이 단어는 그리스어 ''asteroeides''(별과 같은, ''aster'' "별" + ''-eidos'' "형태, 모양")에서 유래했다. 그는 거대 행성의 작은 위성과 소행성의 별과 같은 외관을 묘사하기 위해 이 단어를 사용하였는데, 행성들은 모두 원반 모양을 보였다. 1850년대까지 'asteroid'는 특정 소행성을 설명하는 표준 용어가 되었다.[84]
허셜은 항성의 고유 운동을 연구하면서 태양의 운동의 본질과 범위를 처음으로 증명했고, 태양의 정점 방향을 헤르쿨레스자리 람다로 처음으로 결정했는데, 이는 오늘날 받아들여지는 위치에서 불과 10° 떨어져 있다.[85][86][87] 그는 은하수의 구조를 연구했고, 관측과 측정에 기반한 은하 모델을 처음으로 제안한 사람이었다.[88] 그는 은하수가 원반 모양이라고 결론지었지만, 태양이 그 원반의 중심에 있다고 잘못 가정했다.[92][89][90][91]
허셜은 태양 변화와 태양 주기 그리고 기후의 상관관계를 조사했다.[71] 40년(1779년~1818년) 동안 허셜은 태양 흑점과 그 수, 형태, 크기의 변화를 정기적으로 관측했다. 그의 관측 대부분은 태양 활동이 저조했던 돌턴극소기(Dalton Minimum) 시기에 이루어졌는데, 이 시기에는 태양 흑점의 수가 상대적으로 적었다. 이것이 허셜이 태양 활동의 표준 11년 주기를 확인할 수 없었던 이유 중 하나였다.[72][73] 허셜은 자신의 관측 결과를 애덤 스미스가 "국부론"에서 발표한 밀 가격 자료와 비교했다.[74] 1801년, 허셜은 왕립학회에 자신의 연구 결과를 보고하고, 태양 흑점이 적었던 5개의 장기간이 밀 가격과 상관관계가 있다고 밝혔다.[71]
허셜은 모든 행성과 태양에 생명체가 산다고 믿었다.[124] 그는 태양의 뜨거운 대기로부터 보호받는 고체의 표면이 태양에 있다고 믿었고, 그 위의 생명체들은 괴상한 환경에 적응하여 엄청나게 큰 머리를 가지고 있다고 믿었다. 허셜은 달에 생명체가 존재한다는 충분한 증거를 발견했다고 확신했으며, 영국의 시골 풍경에 비유했다.[70] 그는 다른 행성들에도 생명체가 살고 있다는 이론을 펼치는 것을 주저하지 않았으며,[66] 특히 화성에 대해 많은 관심을 가졌는데, 이는 당시 대부분의 과학자들과 일치하는 견해였다.[70] 허셜은 심지어 태양의 내부에도 생명체가 살고 있을 것이라고 추측하기까지 했다.[70]
3. 1. 망원경 제작
윌리엄 허셜은 400개 이상의 망원경을 제작했으며,[61][63] 그중 가장 크고 유명한 반사 망원경은 직경 1.26m, 초점 거리 12m였다. 당시 스페큘럼 메탈(speculum metal)로 만든 반사경은 반사율이 낮았기 때문에, 허셜은 뉴턴식 반사 망원경의 사선으로 놓인 작은 반사경을 제거하고 주경(primary mirror)을 기울여 상을 직접 관찰하는 방식을 고안했다. 이러한 디자인은 허셜식 망원경으로 불리게 되었다.[61][62] 1789년 8월 28일, 그는 이 망원경으로 처음 관측을 시도하여 토성의 새 위성을 발견했고, 한 달 뒤 두 번째 위성도 발견했다.[66][77][78]
허셜은 망원경의 개구부(aperture)가 채워지지 않을수록 더 높은 각도 분해능을 얻는 데 도움이 된다는 사실을 발견했는데, 이는 천문학에서 간섭 측정을 통해 상을 얻는 기술, 특히 개구 차폐 간섭법(Aperture Masking Interferometry)과 초거대망원경(Hypertelescope)과 관련된 중요한 밑바탕이 되었다.[68]
당시 일반적인 망원경은 렌즈를 사용하여 빛을 굴절시키는 굴절 망원경이었는데, 색수차 문제가 있었다. 광학기술자 존 돌론드는 두 개의 렌즈를 결합하여 색수차를 교정하려 했지만, 먼 광원에 대해 좋은 해상도를 얻는 것은 여전히 어려웠다.[66]
1668년 아이작 뉴턴이 발명한 반사 망원경은 단일 오목 거울을 사용하여 색수차를 피했다. 오목 거울은 더 많은 빛을 모아 망원경 끝의 평면 거울에 반사시켰고, 더 작은 거울은 볼록 렌즈보다 더 큰 배율과 넓은 시야를 제공했다. 그러나 뉴턴의 첫 번째 거울은 지름이 1.3인치였고, 3인치가 넘는 거울은 드물었다.[66]
허셜은 큰 거울 제작의 어려움에도 불구하고, 직접 거울을 만들기로 결심하고 여동생 캐롤라인 허셜과 가족 구성원들의 도움을 받았다. 캐롤라인은 30피트 초점 거리 거울 주조 과정을 묘사하며, 주조 중 발생한 사고와 두 번째 시도에서의 성공을 기록했다.[53] 허셜은 지름 6인치에서 48인치까지 다양한 크기의 망원경용 거울 400개 이상을 주조, 연마, 광택을 낸 것으로 알려져 있다.[61][63] 허셜과 조수들은 최소 60대 이상의 완성된 망원경을 제작하고 판매했다.[61] 거울과 망원경 제작 및 판매는 허셜에게 추가적인 수입원이 되었으며, 스페인 국왕은 망원경에 3,150파운드를 지불하기도 했다.[53] 망원경 제작과 유지에는 거울을 갈고 광택을 내는 작업이 필수적이었으며, 거울이 변형되거나 흐려질 때마다 반복해야 했다.[66] 거울의 정확도는 거울을 직접 사용하는 것만이 유일한 검증 방법이였다.[61]
허셜이 제작한 가장 크고 유명한 망원경은 직경 49.5인치(1.26m) 주경과 12m 초점 거리를 가진 반사 망원경이었다. 40피트 망원경은 당시 가장 큰 과학 기구였으며, "인간의 인내와 가장 고귀한 과학에 대한 열정"의 승리로 칭송받았다.[66][12] 1785년 허셜은 조지 3세에게 망원경 건설 자금 4,000파운드를 지원받았다.[64] 왕실 후원 없이는 망원경 제작이 불가능했을 것이며, 실제로 5년이 걸렸고 예산을 초과했다.[66]
40피트 망원경의 경통은 철로 주조되었고, 거울 원형은 스페큘럼 금속으로 주조되었다. 첫 번째 원반은 무게 때문에 변형되어, 구리 함량이 더 높은 두 번째 두꺼운 원반이 만들어졌다. 거울은 수작업으로 연마해야 했고, 제대로 형성되었는지 확인하기 위해 반복적으로 망원경에 넣었다 뺐다 해야 했다. 거대한 회전 플랫폼이 망원경을 지지하여 조수가 관측 중 망원경 위치를 조정할 수 있었고, 관측자는 경통 상단 근처 플랫폼에서 경통 아래를 내려다보며 이미지를 관찰했다.[66][64]
1789년, 이 장비 가동 직후 허셜은 토성의 새로운 위성 미마스를 발견했고, 관측 첫 달 안에 두 번째 위성 엔켈라두스를 발견했다.[66][77][78] 40피트 망원경은 다루기 어려웠고, 크기에도 불구하고 선명한 이미지를 보여주는 데 효과적이지 못했다.[66] 허셜의 기술적 혁신은 당시 기술 한계에 도달했으며, 40피트 망원경은 빅토리아 시대에 대형 고품질 거울 정밀 엔지니어링 기술이 개발될 때까지 개선되지 못했다.[65] 윌리엄 허셜은 이 망원경에 실망했다.[66][61][67]
허셜의 대부분의 관측은 더 작은 47cm, 6.1m 초점 거리 반사 망원경으로 이루어졌다. 그럼에도 불구하고 40피트 망원경은 대중의 상상력을 사로잡아 과학자와 작가들에게 영감을 주었고, 외국 관광객과 프랑스 고위 인사들에게 깊은 인상을 주었다. 조지 3세도 만족했다.[66]
2012년, BBC 텔레비전 프로그램 ''스타게이징 라이브(Stargazing Live)''에서 허셜의 설계도와 현대식 자재를 사용하여 20피트 망원경 복제품을 제작했다. 현대식 유리 거울, 금속 비계 프레임, 하수관 튜브를 사용했으며, 2013년 1월 프로그램에서 공개되어 더비대학교의 예술, 디자인 및 기술 캠퍼스에 설치되었다.[69]
3. 2. 천왕성 발견
1781년 3월, 윌리엄 허셜은 쌍성 연구 중 원반 모양의 천체를 발견했다.[118] 허셜은 처음에는 혜성이나 항성으로 생각했으나, 추가 관측과 러시아 학술위원 안데르스 요한 렉셀(Anders Johan Lexell)의 궤도 계산을 통해 행성일 가능성이 제기되었다.[119][39][40] 허셜은 이 천체가 토성 궤도 너머의 행성임을 확인했다.[120][41] 그는 자신이 발견한 행성에 조지 3세의 이름을 따서 "조지 별(Georgium sidus)"이라 명명했으나,[66] 프랑스에서는 영국 왕에 대한 언급을 피하기 위해 "허셜"로 불렀다.[42] 이후 "천왕성"이라는 국제적인 이름이 통용되었다. 같은 해, 허셜은 코플리 메달을 수상하고 왕립 학회 회원으로 선출되었으며,[40][121] 1782년에는 "왕의 직속 천문학자(The King’s Astronomer)" 칭호를 받았다.[43] 1782년 8월 1일, 허셜과 그의 여동생 캐롤라인 허셜은 데쳇(당시 버킹엄셔, 현재 버크셔)으로 이주하여 망원경 제작과 천문학 연구를 계속했다.[44][121] 허셜은 망원경 제작으로 국제적인 명성을 얻어 영국과 유럽 대륙의 천문학자들에게 60개 이상의 반사 망원경을 판매했다.[45][121]
3. 3. 쌍성 연구
허셜의 초기 관측은 눈으로 보기에 매우 가까이 있는 쌍성을 찾는 데에 집중했다. 그 시대의 천문학자들은 쌍성에 대하여, 그 외견상의 이격 거리와 상대적 위치 변화의 시간에 따른 변화를 이용하면, 쌍성의 고유 이동에 대한 증거와, 이격 거리에 대한 시차 이동에 의하여 지구로부터의 거리에 대한 증거가 모두 제시될 수 있을 것으로 기대했다. 후자는 갈릴레오 갈릴레이에 의하여 최초로 제안된 방법이다.[115] 뉴 킹스가에 있는 그의 집 뒤뜰에서 허셜은 6.2인치(160mm)의 구경(口徑)과 7피트(2.1m)의 초점거리를 가진 뉴턴식 망원경으로 1779년 10월에[116] 그때까지 알려진 "천상의 모든 별" 중에 이러한 별이 있는지 체계적으로 찾기 시작하였으며 새롭게 발견된 쌍성들을 1792년까지 정리하였다. 그는 곧 예상했던 것보다 많은 쌍성과 다중성(multiple stars)들을 발견했고, 이들의 상대적인 위치를 정밀하게 측정하면서 2개의 카탈로그로 편집하여 1782년(269개 시스템)과 1784년(434개 시스템)에 런던 왕립 학회에 제출하였다.[28][29] 1783년 이후 새롭게 발견된 것들로 이루어진 세 번째 카탈로그(145개 시스템)는 1821년에 출판되었다.[30][31]
1797년에 허셜은 그 많은 시스템들을 다시 측정했고, 지구의 궤도로 인한 시차로부터 기인하지 않을 수 있는 상대적 위치의 변화들을 발견했다. 그는 그 두 개의 별들이 상호적인 중력 인력하에서 공전하는 '쌍성계'라는 가정을 발표하기 위해서 1802년까지 기다렸고,[26] 1803년에 《상호 연관에 기인하는 쌍성계에 대한 최근 25년의 변화 개수》(Account of the Changes that have happened, during the last Twenty-five Years, in the relative Situation of Double-stars; with an Investigation of the Cause to which they are owing)를 출간하였다. 그는 총 800개 이상의 확인된[117] 쌍성, 다중성 계를 발견했고, 그것들 중 거의 모두는 시각적인 쌍성들이 아니라 물리적인 쌍성들이었다. 그의 이론적, 관측적 업적들은 현대 이중성 천문학의 기초를 마련했다.[16]
허셜은 성운의 대규모 목록을 편찬하는 작업에도 착수했다. 또한, 이중성 연구도 계속하여, 많은 이중성이 그때까지 생각했던 것처럼 겉보기 이중성이 아니라 실제로 쌍성임을 처음으로 발견했다. 이것은 천체의 케플러 운동이 태양계 밖에서도 성립하고 있음을 시사하는 선구적인 발견이었다.
3. 4. 심원천체 목록
1782년부터 1802년까지, 특히 1783년부터 1790년까지 윌리엄 허셜은 초점거리 610cm, 구경 30cm와 47cm의 망원경으로 심원천체와 비항성 천체에 관한 체계적인 조사를 수행했다.[13] 복제됐거나 '잃어버린' 항목을 제외하고, 허셜은 2400개가 넘는 천체를 발견했는데, 그는 이들을 성운으로 규정했다. 당시 성운은 에드윈 허블이 은하를 은하계 밖의 천체라고 정의하기 전까지, 우리 은하 너머의 천체들을 포함하여 시각적으로 널리 퍼지거나 분산되어 있는 천체를 가리키는 일반적인 용어였다.[46][13]
허셜은 자신이 발견한 것들을 아래의 3개의 목록으로 나누어 출판했다.
그는 자신이 발견한 것들을 (I) ''bright nebulae'', (II) ''faint nebulae'', (III) ''very faint nebulae'', (IV) ''planetary nebulae'', (V) ''very large nebulae'', (VI) ''very compressed and rich clusters of stars'', (VII) ''compressed clusters of small and large [faint and bright] stars'', 및 (VIII) ''coarsely scattered clusters of stars''와 같은 여덟 개의 항목으로 분류했다.
허셜이 발견한 것들은 캐롤라인 허셜과 그의 아들 존 허셜에 의해 더 보충되었고, 그것은 그의 아들에 의해 《General Catalogue of Nebulae and Clusters》로 출판되었다. 이 항목은 나중에 존 드레이어에 의해 편집되었는데, 많은 다른 19세기의 천문학자들이 발견한 사실들까지 보충되어 1888년에 7,840개의 심원천체를 담은 《신 일반 목록》(New General Catalogue, '''NGC'''로 약칭)으로 출판되었다. NGC 방식은 아직까지도 천체의 주요 지형지물을 분류하는데 가장 많이 쓰이는 방식이다.[13] 신 일반 목록에 수록된 허셜의 발견에는 NGC 12, NGC 13, NGC 14, NGC 16, NGC 23, NGC 24, NGC 1357, 그리고 NGC 7457이 포함된다.
3. 5. 캐롤라인 허셜과의 공동 연구
1783년에 윌리엄 허셜은 그의 여동생 캐롤라인에게 망원경을 주었고, 그녀는 주로 혜성을 중심으로 독자적인 천문학적 발견을 하기 시작했다.[53][47][66] 그녀는 8개의 혜성, 11개의 성운을 발견했고, 오빠의 제안에 의해 항성의 위치를 구체화하고 있는 플램스티드의 업적을 수정, 보완했다.[51][52] 이 작업은 《Catalogue of Stars taken from Mr Flamsteed's observations》로 출판되었고, 560개가 넘는 별들의 색인이 포함되어 있었다.[50] 그녀는 이 작업 덕분에 왕립 천문학 학회로부터 명예 훈장을 받았다.[50][52] 또, 그녀는 그녀의 오빠의 옆에서 오빠가 망원경을 통해 관찰하고 있을 때 필기를 하며 계속 오빠의 조수 역할을 하였다.[54] 캐롤라인은 윌리엄의 조수 역할로 조지 3세로부터 연봉 50파운드를 받았으며, 이는 영국에서 정부 직책을 맡은 최초의 여성이자 천문학자로서 봉급을 받은 최초의 여성이었다.[55][56]
캐롤라인은 윌리엄을 위해 천문 목록과 다른 간행물을 복사했고, 고성능 망원경의 거울을 연마하여 포착되는 빛의 양을 극대화했다.[48] 1783년 10월부터 윌리엄은 새로운 20피트 망원경을 사용하기 시작했는데, 이 망원경으로 관측하는 동안 캐롤라인은 윌리엄의 기록자 역할을 했다.[49] 윌리엄이 자신의 관측 결과를 외치면 캐롤라인은 참고 서적에서 필요한 정보와 함께 그것을 기록했다.[49] 1783년부터 1787년 사이에 캐롤라인은 M110(NGC 205)를 독자적으로 발견했고, 1786년부터 1797년까지 8개의 혜성을 발견하거나 관측했다.[103] 또한 1795년에 엥케 혜성을 재발견했다.[103] 캐롤라인의 혜성 중 5개는 ''왕립학회 철학회보''에 발표되었으며, 윌리엄은 캐롤라인의 혜성을 왕실에 시연하기 위해 윈저 성으로 소환되기도 했다.[53]
1785년 6월, 습한 환경 때문에 윌리엄과 캐롤라인은 올드 윈저의 클레이 홀로 이사했다.[44] 1786년 4월 3일, 허셜 가족은 슬로의 윈저 로드에 있는 새로운 주택으로 이사했고,[44] 윌리엄 허셜은 남은 생애를 이 주택에서 살았다.[57] 이 주택은 천문대 하우스로 알려지게 되었으나, 1963년에 철거되었다.[57][58] 1788년 윌리엄 허셜의 결혼 이후, 캐롤라인은 별도의 숙소로 이사했지만 오빠의 조수로 계속 일했다.[53] 1822년 윌리엄이 사망한 후, 캐롤라인은 그의 발견을 확인하고 성운 목록을 작성했으며, 2,500개가 넘는 성운과 성단을 유사한 극거리의 구역으로 정리하여 ''신 일반 목록''으로 확장되는 기반을 마련했다.[59]
3. 6. 그 외의 발견
허셜은 토성의 두 위성인 미마스와 엔셀라두스를 발견하였고,[77][78] 천왕성의 두 위성인 티타니아와 오베론을 발견하였다.[79] 그러나 이 위성들의 이름은 허셜이 아닌 그의 아들 존이 1847년과 1852년에 그의 사후에 명명했다.[77][78] 허셜은 화성의 자전축 기울기를 측정했고,[80] 조반니 도메니코 카시니(1666)와 크리스티안 하위헌스(1672)가 처음 관측한 화성의 극관이 그 행성의 계절에 따라 크기가 변한다는 것을 발견했다.[81] 또한, 허셜이 천왕성 주위의 고리를 발견했다는 주장도 있다.[82]
허셜은 1802년 올베르스가 두 번째 소행성 팔라스를 발견한 직후, "별과 같은"을 의미하는 "asteroid"(소행성)이라는 단어를 소개했다.[83] 이 단어는 그리스어 ''asteroeides''(별과 같은, ''aster'' "별" + ''-eidos'' "형태, 모양")에서 유래했다. 그는 거대 행성의 작은 위성과 소행성의 별과 같은 외관을 묘사하기 위해 이 단어를 사용하였는데, 행성들은 모두 원반 모양을 보였다. 1850년대까지 'asteroid'는 특정 소행성을 설명하는 표준 용어가 되었다.[84]
허셜은 항성의 고유 운동을 연구하면서 태양의 운동의 본질과 범위를 처음으로 증명했고, 태양의 정점 방향을 헤르쿨레스자리 람다로 처음으로 결정했는데, 이는 오늘날 받아들여지는 위치에서 불과 10° 떨어져 있다.[85][86][87] 그는 은하수의 구조를 연구했고, 관측과 측정에 기반한 은하 모델을 처음으로 제안한 사람이었다.[88] 그는 은하수가 원반 모양이라고 결론지었지만, 태양이 그 원반의 중심에 있다고 잘못 가정했다.[92][89][90][91]
허셜은 태양 변화와 태양 주기 그리고 기후의 상관관계를 조사했다.[71] 40년(1779년~1818년) 동안 허셜은 태양 흑점과 그 수, 형태, 크기의 변화를 정기적으로 관측했다. 그의 관측 대부분은 태양 활동이 저조했던 돌턴극소기(Dalton Minimum) 시기에 이루어졌는데, 이 시기에는 태양 흑점의 수가 상대적으로 적었다. 이것이 허셜이 태양 활동의 표준 11년 주기를 확인할 수 없었던 이유 중 하나였다.[72][73] 허셜은 자신의 관측 결과를 애덤 스미스가 "국부론"에서 발표한 밀 가격 자료와 비교했다.[74] 1801년, 허셜은 왕립학회에 자신의 연구 결과를 보고하고, 태양 흑점이 적었던 5개의 장기간이 밀 가격과 상관관계가 있다고 밝혔다.[71]
허셜은 모든 행성과 태양에 생명체가 산다고 믿었다.[124] 그는 태양의 뜨거운 대기로부터 보호받는 고체의 표면이 태양에 있다고 믿었고, 그 위의 생명체들은 괴상한 환경에 적응하여 엄청나게 큰 머리를 가지고 있다고 믿었다. 허셜은 달에 생명체가 존재한다는 충분한 증거를 발견했다고 확신했으며, 영국의 시골 풍경에 비유했다.[70] 그는 다른 행성들에도 생명체가 살고 있다는 이론을 펼치는 것을 주저하지 않았으며,[66] 특히 화성에 대해 많은 관심을 가졌는데, 이는 당시 대부분의 과학자들과 일치하는 견해였다.[70] 허셜은 심지어 태양의 내부에도 생명체가 살고 있을 것이라고 추측하기까지 했다.[70]
4. 적외선 발견
1800년 2월 11일, 윌리엄 허셜은 여러 가지 필터로 해의 흑점을 관찰하는 실험을 하던 중, 빨간색 필터를 사용할 때 많은 양의 열이 발생한다는 것을 발견했다.[6] 허셜은 햇빛을 프리즘에 통과시켜 가시광선의 빨간색 바로 바깥 부분을 온도계로 측정하여 햇빛에 적외선이 있음을 발견했다. 당시 실험에 사용된 온도계는 원래 방의 기온을 측정하기 위한 것이었으나, 허셜은 이 온도계가 가시광선의 온도보다 1도 더 높은 온도를 나타내는 것에 주목했다.[96] 이후 추가 실험을 통해 허셜은 가시광선 외에 보이지 않는 빛이 존재한다는 결론을 내렸다.[94][95] 그는 1800년 4월 이러한 결과를 발표했다.[96]
5. 생물학 연구
허셜은 현미경을 사용하여, 당시 식물로 알려져 있던 산호에 세포벽이 없다는 것을 밝혀내고, 산호가 식물이 아닌 동물이라는 것을 알아냈다.[125] 사실 산호는 해양 무척추동물이다.[97]
6. 가족과 죽음
윌리엄 허셜은 1788년 5월 8일 슬로의 업튼에 있는 세인트 로렌스 교회에서 메리 피트(née 발드윈) 미망인과 결혼했다.[98] 1792년 3월 7일, 허셜과 메리 사이에는 존이라는 아들이 태어났다.[98] 존은 오브저버토리 하우스에서 태어났으며, 훗날 아버지의 뒤를 이어 저명한 천문학자가 되었다.
1813년, 허셜은 스웨덴 왕립 과학 학회의 외국 회원으로 선출되었다.[102] 1816년에는 섭정왕태자(Prince Regent)가 허셜에게 〈Knight of the Royal Geulphic Order〉이라는 기사작위를 내려, 'Sir'이라는 경칭을 얻게 되었다.[100] 1820년, 허셜은 런던 천문 학회 설립에 기여했으며,[101] 이 학회는 1831년 왕실 칙허장을 받아 왕립 천문 학회가 되었다.[102]
1822년 8월 25일, 허셜은 슬라우 시 윈저로드의 오브저버토리 하우스에서 오랜 투병 끝에 사망했다.[53][103][104] 그는 성 로렌스 교회에 안장되었다. 그의 죽음 이후, 여동생 캐롤라인은 하노버로 돌아갔다.[126]
윌리엄의 형제 알렉산더 허셜은 영국으로 이민을 가서 그의 여동생 캐롤라인과 조카 존과 가까운 곳에 살았다. 윌리엄 허셜의 집은 현재 허셜 천문학 박물관으로 바뀌어 보존되어 있다.
7. 유산 및 기념
허셜은 생애 대부분을 슬라우에서 보냈으며, 세인트 로렌스 교회 탑 밑에 묻혔다.[105] 그의 묘비명은 "코엘로룸 페루피트 클라우스트라(Coelorum perrupit claustra, 그는 천국의 장벽을 뚫었다)"이다.[106] 허셜은 슬라우에서 많은 존경을 받고 있으며, 마을에는 허셜을 기리는 기념물들이 있다. 2011년 슬로 중심부에 건설된 새로운 버스 정류장은 허셜의 적외선 실험에서 디자인을 따왔다.[110]
천왕성을 나타내는 점성술 기호(
라팔마섬에는 윌리엄 허셜 망원경이 있으며, 유럽우주기구는 2009년 5월 14일 허셜 우주 천문대를 발사했다. 허셜 천문학 박물관(Herschel Museum of Astronomy)은 그가 많은 망원경을 만들고 천왕성을 처음 관측했던 바스 뉴 킹 스트리트 19번지에 있는 그의 집에 위치해 있다.[107] 웨스트민스터 사원(Westminster Abbey) 합창단석 근처에도 그의 기념비가 있다.
그 외에도 슬라우의 허셜 공원, 허셜 학교, 바스 칼리지의 허셜 빌딩, 뉴캐슬 대학교의 허셜 빌딩, 브라질 산토스에 있는 우니베르시다드 학교의 허셜 관측소, 독일 하노버의 문법학교인 허셜슐레(Herschelschule), 파리 6구에 있는 뤼 허셜(Rue Herschel) 등이 허셜을 기리기 위해 명명되었다.
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관련 사건 타임라인
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2025. 3. 11. 오전 5:00:00
[이기환의 흔적의 역사] 문화유산, ‘보이지 않는 빛’으로 들춰보니…‘아차 실수!’, ‘인간미’까지 찾아냈다
출처: 경향 신문 ( 한국 / 한국어 )
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