미해결 문제로 알아보는 천문학

 

 

외부은하 천문학은 무엇인가?

외부은하 천문학은 주로 우리 은하계 밖의 천체와 현상을 연구하는 분야로 대부분 은하의 형성과 진화, 외부 은하의 형태와 분류, 활동성 은하, 은하단과 은하군, 우주의 큰 구조를 연구하는 분야입니다.
대부분의 은하는 모양에 따라 타원은하, 나선은하, 불규칙 은하로 분류됩니다. 타원 은하는 이름에서 알 수 있듯이 보이는 모습이 타원을 띄고 있는 은하입니다. 타원은하의 별들은 무작위 궤도로 움직이며, 주로 성간 물질은 적고 새로 생성된 별은 적은 오래된 별들로 이루어져 있습니다. 타원은하는 보통 은하단의 중심에 위치하며, 여러 개의 은하를 결합하여 형성된 것으로 여겨지고 있습니다. 나선은하는 원반 모양의 회전하는 모습을 가지며, 중심부의 팽대부(또는 막대)와 나선 모양의 팔들로 구성되어 있습니다. 나선팔에는 성간 먼지가 많이 들어 있으며, 별들이 형성되는 곳에서는 대개 푸른색을 띠고 있습니다. 나선은하는 주로 오래된 별들로 이루어져 있는 헤일로에 둘러싸여 있습니다. 우리 은하와 안드로메다 은하는 대표적인 나선은하입니다. 불규칙한 은하는 나선은하와 타원은하로 분류할 수 없는 일정한 모양이 없는 은하입니다. 이러한 불규칙한 모양은 다른 은하와의 상호 작용으로 만들어진다고 합니다.
활동성 은하는 별, 먼지, 성간 물질이 아닌 은하 중심의 다른 에너지원(블랙홀)에서 많은 에너지를 방출하는 은하입니다. 이러한 활동은하핵은 응축 원반이 있는 매우 무거운 블랙홀로 여겨진다고 합니다. 시퍼트 은하, 퀘이사, 블레이저, 전파 은하 등이 활동 은하에 포함된다고 합니다. 전파 은하는 일반 은하와 달리 전파에서 매우 강한 빛을 발산하며, 퀘이사는 우주에서 가장 밝은 천체 중 하나입니다.
우주의 큰 구조는 이러한 개별 은하들이 함께 모여 있는 구조를 의미한다고 합니다. 우주의 큰 구조는 계층화되어 은하군을 이루고 은하단을 형성하고 다시 초은하단을 만든다고 합니다. 이 큰 군집들은 다시 필라멘트를 형성하고 그들 사이에 공동을 이루며 분포한다고 합니다.

 

우주론에 대해 알아보자.

물리 우주론은 우주가 어떻게 처음 생겨났는지, 어떻게 진화했는지와 같은 근본적인 질문을 다루는 영역입니다. 우주론에 대한 연구에는 우주 마이크로파 배경, 대폭발 핵합성, 우주의 거대한 구조, 암흑물질, 암흑에너지 등이 포함됩니다. 우주론의 근본 이론은 우주가 약 137억년 전에 시공간의 한 지점에서 시작되어 현재까지 확장되었다는 대폭발 이론입니다. 대폭발 이론은 1965년 우주 마이크로파 배경이 발견되면서 널리 받아들여졌습니다.
우주는 팽창하는 동안 많은 중요한 단계를 거치게 됩니다. 대폭발의 초창기에는 우주가 급팽창이라 불리는 기하급수적인 빠른 확장을 겪었다고 여겨진다고 하며, 이로 인해 현재 관측되고 있는 것처럼 우주가 균질하고 등방적으로 만들어졌을 것으로 여겨진다고 합니다.
급속한 팽창 후에 중수소나 헬륨과 같은 기본 원소가 생성되었는데 이를 대폭발 핵합성 또는 원시 핵합성이라 하며, 이 과정에서 우주를 구성하는 물질(바리온)이 대부분 생성되었다고 합니다.
우주가 팽창하고 냉각되면서 중성자가 처음 생겨나 빛이 이온화된 전자에 의해 방해받지 않고 이동할 수 있게 되어 우주는 투명해졌다고 합니다. 이때 생성된 빛은 현재 우주 마이크로파 배경으로 보입니다. 그러나 아직 빛을 발산할 수 있는 별들이 만들어지지 않았기 때문에 이후의 사기를 우주의 암흑시대라고 부릅니다.
최초의 천체는 우주에 존재했던 작은 밀도로부터 생성되기 시작했습니다. 물질들이 밀집된 영역으로 뭉쳐지면서 이 별들은 첫번째 별이 형성되는 거대한 가스 덩어리를 만든다고 합니다. 별들은 내부 융합에 의해 생성되었는데 이로 인해 빛이 주변 가스를 이온화시켜 이른바 재전리 과정이 시작되었다고 합니다.
별들이 중력으로 모이면서 처음에는 은하계를 형성하고 중력으로 다시 분포함에 따라 은하군이나 은하단과 같은 더 큰 구조를 만들어 우주의 거대한 구조를 형성합니다.
소위 암흑 물질과 암흑 에너지는 이 우주론의 근본적인 구성 요소였으며, 이 두 요소가 함께 우주의 96%를 구성하고 있다고 받아들여진다고 합니다. 그러나 암흑 물질과 암흑 에너지는 아직 알려져 있지 않으며, 그것들은 현대 우주론과 천문학의 주요 미해결 문제 중 하나입니다.


학제 간 연구는 어떻게 되었나?

천문학과 천체물리학은 다른 과학 분야와 관련된 "학제 간 연구"를 적극적으로 발전시켰습니다. 예를 들어 고천문학은 고고학과 융합하면서 고대 또는 전통 천문학을 문화적 관점에서 연구하는 분야입니다. 한편 천문 생물학은 지구 밖에 생명체가 존재할 수 있다는 전제하에 우주 생물의 출현과 진화에 관해 연구하는 분야입니다. 우주에서 발견되는 화학 물질의 생성, 변화, 소멸 등을 연구하는 분야를 천문 화학이라고 합니다. 이 물질들은 주로 분자운, 저온 항성, 갈색왜성, 행성들에서 발견됩니다. 우주화학은 태양계에서 발견되는 화학물질을 연구하는 분야로서 원소와 동위원소의 상대적인 비율을 다루고 있습니다. 이 두 분야는 천문학과 화학의 융합 분야입니다.


아마추어 천문학은 무엇인가?

천문학은 비전문가(아마추어)가 가장 많이 기여하는 과학 분야 중 하나입니다. 아마추어 천문학자들은 다양한 천체와 천문 현상을 관찰합니다. 일반적인 관측으로는 달, 행성, 별, 혜성, 유성우, 심원 천체(별, 은하, 성운)등이 있습니다. 때론 이러한 관찰은 스스로 만든 장비가 사용되기도 한다고 합니다. 일부 아마추어 천문학자들은 밤하늘이나 특정 천체의 사진을 찍는데 이를 천문 사진이라고 부른다고 합니다.
이러한 취미와 더불어 아마추어천문학자들은 꾸준히 천문학 연구에 기여해 왔다고 합니다. 실제로 천문학은 여전히 비전문가가 상당한 기여를 할 수 있는 몇 안 되는 분야 중 하나입니다. 예를 들어 아마추어 천문학자들은 처음으로 혜성을 발견하고 끊임없이 변광성을 관찰한다고 합니다. 디지털 관측기기의 발달로 아마추어 천문학자들은 천문학 사진 분야에서 큰 발전을 이루었습니다.


천문학상의 미해결 문제는 무엇인가?

천문학은 우주와 그 구성원의 본질을 이해하는데 엄청난 진전을 이루었지만 아직 해결되지 않은 중요한 문제들이 남아 있습니다. 이러한 질문에 답하기 위해서는 새로운 지상과 우주 망원경, 그리고 획기적인 이론과 실험 물리학이 개발되어야 할 것입니다.

• 질량에 따른 별들의 분포는 어떻게 되는가? 즉 별이 생성되었을 때 질량 분포(초기질량함수)가 일정하게 보이는 이유는 무엇인가? 이에 답하기 위해서는 별과 행성의 형성 과정에 대한 보다 깊은 이해가 필요합니다.
• 우주에는 우리 말고 다른 생명체가 있을까? 더구나 지성을 가진 외계인이 존재하는가? 외계 생명체의 존재는 과학뿐만 아니라 철학이나 종교에서도 큰 의미를 내포하고 있습니다. 우리의 태양계는 보편적인 행성계 인가 아니면 특별한 것인가?
• 우주는 왜 생겨났는가? 우리 우주를 균일하게 만든 급속한 팽창이 왜 일어났을까? 왜 바리온 비대칭성이 존재하는가?
• 암흑 물질과 암흑 에너지의 본질은 무엇인가? 이것들은 우주의 진화와 운명을 결정하는 중요한 성분들이지만 그 성질은 알 수 없습니다. 우주의 궁극적인 운명은 무엇인가?
• 은하는 어떻게 처음 형성되었는가? 거대한 블랙홀은 어떻게 만들어졌을까?
• 초고에너지 입자들은 어디에서 만들어지는가?