안시 관측, 우주를 관측하는 가장 쉬운 방법

1. 우주는 관측하는 방법에 대해 아시나요?

아는 만큼 보인다는 말이 있습니다.

갈릴레오 갈릴레이

 

어떤 대상에 대해서 알고 있으면 그 대상에 대해서 무엇을 보아야 할지 알고 있기 때문에 좀 더 그 대상을 잘 살펴볼 수 있다는 이야기입니다. 하지만 천문학은 아닌 것 같습니다. 천문학은 반대로 보이는 만큼 안다고 할 수 있습니다. 천문 관측 기술이 발달함에 따라 우리가 아는 우주의 모습이 끊임없이 변해왔기 때문입니다. 지금부터 천문 관측 기술의 발달에 따라서 우주에 대한 지식이 어떻게 변해왔는지 살펴보겠습니다. 우주를 관측한다고 할 때 손쉽게 떠올릴 수 있는 건 눈, 망원경을 이용한 관측입니다.

 

2. 안시 관측

먼저 눈으로 우주를 관측하는 것을 '안시 관측'이라고 합니다. 누구나 할 수 있는 일입니다. 밤하늘을 그냥 올려다보기만 하면 되기 때문입니다. 옛날 사람들은 이런 식으로 눈으로 천체를 관측해서 우주를 파악했습니다. 눈으로 관측할 수 있는 것은 천체의 밝기, 천체의 위치 그리고 천체의 위치가 시간에 따라 어떻게 변해 가는지 정도였습니다. 그래서 예전부터 천체의 밝기를 기록해 그 위치를 바탕으로 지도를 만들고, 천체의 위치가 어떻게 변해 가는지를 연구했습니다.

 

우리가 눈으로 볼 수 있는 천체의 밝기는 대략 5등급까지입니다.
천체의 밝기 등급은 숫자가 작을수록 밝은 것을 뜻하며, 5등급이라 고 하면 밤하늘에 있는 수천 개의 천체를 말합니다. 그렇게 안시관측한 천체의 위치를 살펴보니 대부분의 별은 하늘에서의 위치가 변화하지 않는 것을 알 수 있었습니다. 그런데 예외가 있었는데, 마음대로 돌아다니는 것 같은 밝은 천체였습니다. 이런 천체를 '방랑하는 천체 해서 고대 그리스에서는 방랑자, 즉 '풀라넷 planet'으로 불렀습니다. 우리가 흔히 말하는 행성으로 금성, 화성, 목성 같은 것입니다. 시간이 흐르면서 천체 관측 기술 역시 조금씩 발달했습니다. 여전히 안시관측이지만 과학자들은 천체의 위치를 정확하게 잴 수 있는 도구를 고안합니다. 그렇게 천체의 위치 변화를 세밀하게 쟀던 대표적인 사람으로 튀고 브라, 그리고 잠시 그와 함께 연구했던 요하네스 케플러를 들 수 있습니다. 이렇게 해서 인류는 16세기 후반 행성이 어떻게 움직이는지를 굉장히 정밀하게 알게 되었습니다.

 

그리고 그 자료를 바탕으로 케플러는 행성 운동에 관한 3개의 법칙을 발표합니다. 하지만 이는 단순한 법칙으로 여전히 천동설은 유지가 되었습니다. 천동설이 맞는지, 지동설이 맞는지에 대한 마침표는 관측을 통해 사실을 구별한 갈릴레오 갈릴레이 calileo Gal lei가 찍게 됩니다. 그런 사실들을 바탕으로 아이작 뉴턴 Isaac Newton은 역학의 법칙, 중력의 법칙을 사용해서 행성 운동을 깔끔하게 설명했고, 이것이 근대 과학 발전의 원동력이 되었습니다.

 

3. 망원경

하지만 드넓은 우주를 맨눈으로 보는 데는 한계가 있었습니다. 그렇기 때문에 도구를 사용해서 천체를 관측하게 되었는데, 그것이 망원경입니다. 망원경은 큰 렌즈나 반사경으로 빛을 모아서 관측하는 도구여서 희미한 천체까지 볼 수 있게 합니다. 망원경을 사용해서 처음 천체를 관측한 인물이 갈릴레오입니다. 갈릴레오는 작은 망원경을 사용해 목성과 그 주변의 작은 점들이 계속 위치를 바꿔가면서 움직이는 모습을 관찰합니다. 갈릴레오는 이것을 보면서 지구 역시 태양 주변을 돌 수 있겠다는 생각에 지동설을 주장하게 됩니다. 즉 작은 망원경으로 한 관측이 인류의 우주에 대한 인식의 패러다임을 바꾸는 계기가 된 것입니다. 작은 망원경으로 대단한 일을 이루고 사람들은 더 큰 망원경을 만들기 시작했습니다.

 

윌리엄 허셜 William Herschel은 1785년부터 시작해 1789년까지 구경 1.2m 망원경을 건설해 희미한 천체를 관측하게 시작합니다. 그렇게 찾아낸 천체들을 성운이라고 기록합니다. 그 다음에 구경이 1.8m나 되는 거대 망원경이 만들어졌습니다.
1845년 건립된 이 망원경은 당시 세계 최대 규모로, 로스 백작이라고 알려진 윌리엄 파슨스 Wiliam Parsons 백작이 자기 영지 안에 만든 것입니다. 이 망원경을 이용해서 드레스라는 학자가 성운을 많이 관측했습니다. 그전에는 희미해서 볼 수 없었던 많은 수의 성운을 관측해, 그 목록을 만들어 NGC 카탈로그'라고 이름 붙였습니다.
그 카탈로그에 수록된 성운의 숫자는 약 7,860개에 달합니다. 그 당시 그려진 은하의 모습은 대부분 나선 팔을 가지고 있어 '나선 성운 불리기도 했습니다.

 

4. 나성 성운의 난제

이때 발견된 '나선 성운'은 20세기 초 천문학의 난제였습니다. 이런 난제를 풀기 위해서 여러 논쟁이 있었는데, 그중 대표적인 것이 할로 섀플리 Harlow Shapley와 허비 커티스 Heber Curtis 사이에 벌어졌던 대토론 Great Debate'입니다. 섀플리는 나선 성운이라는 것이 우리은하 안에 있는 어떤 천체라고 주장했고, 커티스는 원방형으로 되어 있는 우리은하 바깥 먼 곳에 있는 것이 나선 성운이라고 주장했습니다. 즉 우리은하를 우주로 간주하고 우리은하 같은 또 다른 은하를 섬 우주'라고 주장한 것입니다.

1920년 미국 스미소니언 박물관에서 있었던 두 사람의 논쟁에 마침표를 찍으려면 관측에 기반한 사실 확인이 필요했습니다. 그래서 존 후 커가 당시 돈으로는 대단히 많은 돈인 4만5천 달러를 기부해서 로스앤젤레스 북쪽에 있는 윌슨산에 당시 세계 최대 규모인 구경 2.5m 망원경을 건설하게 됩니다. 이 후커 망원경을 나선 성운 관측에 사용한 사람이 에드윈 허블 Edwin Powell Hubble과 밀턴 휴 메이슨 Mito L. Humason입니다. 그들은 나선 성운 안에 있는 셰페이도 변과 성을 사용하여 나선 성운이 얼마나 멀리 있는지를 알아냈습니다. 셰 페이드 변광성은 변광주기로부터 그들의 절대적인 밝기를 알 수 있는 특수한 별로, 그러한 별의 겉보기 밝기와 변광주기로부터 그 별이 속한 나성성운의 거리를 쟀던 것입니다. 그 결과 나선 성운들이 빛의 속도로 수천만 년을 가야 하는, 수천만 광년씩 떨어져 있는 아주 멀리 있는 천체라는 사실을 알게 되면서, 나선 성운 논쟁에서 커티스의 손을 들어주게 됩니다.