천문학과 천문학의 종류 (관측 천문학과 이론 천문학)

천문학과에 천문학의 종류인 관측 천문학과 이론 천문학에 대해 알아보도록 하겠습니다.

천문학이란

천문학이란 천체와 그들의 현상을 연구하는 자연과학분야입니다. 이를 이해하기 위해 수학, 물리학, 화학등 다양한 학문을 활용합니다. 주요 연구대상으로는 행성, 달, 별, 성운, 은하, 운석, 소행성, 혜성 등이 포합 됩니다. 또한 초신성 폭발, 감마선 폭발, 퀘이사, 블레이저, 펄서, 우주 마이크로파 배경복사와 같은 천문학적 현상에도 관심을 쏟고 있습니다.

천문학은 지구를 벗어난 우주 현상을 탐구하는 과학 중 가장 오래된 분야 중 하나입니다. 역사적으로 초기 문명에서 밤하늘을 체계적으로 관측하고 기록하였으며, 이 중에는 이집트, 바빌로니아, 그리스, 인도, 중국, 마야 및 아메리카 원주민들이 포함됩니다. 과거에는 천문학, 천체항법, 관측 천문학, 달력 작성등 다양한 분야가 천문학에 속해 있었습니다.

천문학은 과학에 관심을 가진 비전문가들이 활발하게 참여하는 분야로 이들은 일시적인 천문학적 이벤트를 관측하고 기록하는데 크게 기여하고 있습니다. 이들은 새로운 혜성 발견 등 중요한 발견에 큰 도움을 주었습니다.

 

천문학이란 천체와 그 현상을 연구하는 학문입니다.

 

천문학의 종류

현대 천문학은 주로 관측 천문학과 이론 천문학 두 가지 주요 분야로 나뉩니다. 이 두 분야는 상호 보완적이며, 관측 결과를 기반으로 이론을 검증하고, 반대로 이론적 예측을 관측으로 확인합니다.

관측 천문학

관측천문학은 천체를 직접 관측하고 테이터를 수집하는 과정에 중점을 두며, 이 데이터는 물리학과 수학의 원리를 활용하여 분석됩니다. 천문학에서의 정보획득은 주로 천체로부터의 가시광 영역의 및 및 다른 파장대의 전자기파를 감지하고 분석하는 과정을 통해 이루어집니다. 관측 천문학은 이러한 전자기파를 파장대 별로 나누어 다룹니다.

일부 파장대는 지상에서 관측이 가능하며, 빛의 스펙트럼을 통해 천체의 측정을 분석합니다. 그러나 다른 파장대는 고도가 높은 지역 혹은 우주에서만 감지할 수 있는 전자기파를 다루고 있습니다. 이러한 다양한 파장대를 통해 천체의 성질과 동작을 연구하고, 우주의 다양한 현상을 해석하는데 도움을 줍니다.

전파 천문학 

전파 천문학은 가시광 범위를 넘어 약 1밀리미터보다 큰 파장의 방사선을 활용합니다. 이 분야는 관찰된 전파를 개별광자가 아닌 파동으로 다루는 특징을 가지고 있어, 다른 관측 천문학과 차별화됩니다. 이로 인해 전파의 진폭과 위상을 측정하는 것은 비교적 쉽지만 짧은 파장의 전파는 측정이 어려운 과제 중 하나입니다.

일부 전파는 천체에서 직접 방출되지만, 관찰되는 대부분의 전파 방출은 전자가 자기장 궤도를 따라 움직이면서 생성되는 싱크로트론 방사선의 결과입니다. 또한 성간 가스에서 발생하는 다양한 스펙트럼 선, 특히 수소의 21cm 스펙트럼선을 무선 파장으로 관찰할 수 있습니다.

전파 천문학은 초신성, 성간 가스, 펄서, 활성 은하핵 등 다양한 천체 물체를 무선파장으로 관찰하여 우주의 다양한 현상과 물질을 연구합니다. 파장의 마법을 통해 우주의 비밀을 풀어가는 중요한 분야 중 하나입니다.

적외선 천문학

적외선 천문학은 보통 우리 눈으로 볼 수 없는 파장의 적외선 복사를 탐지하고 분석하는 과학 분야입니다. 이 분야는 파장이 가시광선 스펙트럼을 넘어가는 적외선을 활용하여 다양한 천체물체를 연구합니다. 적외선 스펙트럼은 주로 먼지로 막혀서 가시광선을 방출하지 못하는 행성, 별 주위의 원반 또는 성운과 같은 물체를 연구하는 데 있어서 유용하게 사용됩니다. 적외선 파장이 길면 먼지 구름을 통과할 수 있어 분자 구름과 은하 중심부에 있는 어린 별과 같은 물체를 관찰할 수 있습니다. 와이즈(WISE:Wide-field infrared Survey Explorer)와 같은 관측 장비를 활용한 연구는 수많은 원시 별과 그 모성단을 밝혀내는데 특히 효과적이었습니다. 그러나 가시광선과 유사한 파장의 적외선을 제외한 파장대의 적외선 방사선은 대기에 많이 흡수되거나 가려지므로 적외선 관측소는 지구나 우주의 높고 건조한 장소에 위치해야 합니다. 일부 분자는 강력한 적외선을 방출하며, 이를 통해 우주 화학 및 혜성의 물 탐지와 같은 연구 분야에 적용됩니다.

광학 천문학

광학 천문학 또는 가시광선 천문학은 역사적으로 천문학의 가장 오래된 형태 중의 하나로 관측이미지를 처음에는 수작업으로 그리는 방식으로 시작되었습니다. 19세기 후반부터 20세기 대부분 동안에는 사진 장비를 사용하여 천체 이미지를 기록하게 되었습니다. 최신 기술은 디지털 검출기, 특히 CCD(전하결합소자)를 활용하여 이미지를 생성하고 최신 매체에 기록하는 것입니다.

가시광선 자체는 약 4000Å(앙스트롬)에서 7000Å(앙스트롬)까지의 파장 범위를 포함하고 있으며, 이러한 파장을 활용하여 천체를 관찰합니다. 동일한 장비를 사용하여 근자외선 및 근적외선 복사를 관찰하는 것도 가능합니다. 이러한 광학 천문학의 발전은 천문학 연구에 큰 기여를 하였으며, 다양한 파장대에서 천체를 관찰하고 연구하는 데 사용되고 있습니다.

자외선 천문학

자외선 천문학은 대략 100-3200Å사이의 파장을 사용하여 천체를 연구하는 분야입니다. 이러한 파장의 빛은 지구대기에 흡수되기 때문에 이를 관측하려면 대기의 영향을 피해야 합니다. 이 분야는 주로 매우 뜨거운 푸른 별인 OB별의 열복사와 스펙트럼 방출선을 연구하는데 활용됩니다. 뿐만 아니라 다른 은하계의 푸른 별도 이 파장대에서 관찰 대상 중 하나입니다. 또한 자외선 천문학은 행성상 성운, 초신성 잔해, 활성 은하핵과 같은 다양한 천체 물체를 탐구합니다. 그러나 자외선은 성간 먼지에 의해 쉽게 흡수되기 때문에 관측 데이터의 보정작업이 필요합니다. 이를 통해 우주 공간에서 자외선 파장을 활용하여 우주의 비밀을 조명할 수 있습니다.

엑스레이 천문학

엑스레이 천문학은 주로 X선 파장을 이용하여 천체를 연구하는 분야입니다. X선 방사선은 보통 다음과 같은 과정에서 생성됩니다. 싱크로트론 방출(전자의 자기장에 의한 회전), 10∧7(천만) 켈빈 이상의 얇은 가스에서의 열 방출 그리고 10∧7 켈빈 이상의 두꺼운 가스에서의 열 방출 등이 있습니다. 그러나 X선은 지구 대기에 흡수되므로 X선 관측을 위해서는 고고도 장비, 로켓, 또는 X선 천문학 위성과 같은 특수한 도구와 우주에서 진행되어야 합니다. X선 천문학은 X선 바이너리, 펄서, 초신성 잔해, 타원은하, 은하단  그리고 활성은하 핵과 같은 주목할 만한 X선 원천을 연구합니다. 

감마선 천문학

감마선 천문학은 전자기 스펙트럼에서 가장 짧은 파장의 천체를 관측하는 분야입니다. 감마선은 주로 Compton Gamma Ray Observatory와 같은 위성 또는 대기 Cherenkov 망원경과 같은 특수장비를 사용하여 직접 관찰할 수 있습니다. 감마선 방출원 중 대부분은 감마선 폭발로 몇 밀리 초에서 수천 초 동안만 감마선을 방출하는 물체입니다. 비일시적인 감마선 소스는 모두에서 차지하는 비중이 적으며, 이러한 꾸준한 감마선 방출체에는 펄서, 중성자 별, 활성 은하핵과 같은 블랙홀 후보들이 속합니다.

전자기 스펙트럼을 기반으로 하지 않는 필드

전자기 방사선 외에도 먼 거리에서 발생하는 여러가지 다른 현상이 지구에서 관측될 수 있습니다.

• 중성미자 천문학: 중성미자를 탐지하기 위해 천문학자들은 SAGE, GALLEX, Kamioka2,3와 같은 완벽하게 보호된 지하시설을 이용합니다. 지구를 통과하는 대부분의 중성미자는 태양에서 유래하지만 초신성 1987A에서도 24개의 중성미자가 검출되었습니다. 이러한 중성미자는 지구대기에 들어갈 때 붕괴되거나 흡수될 수 있는 매우 높은 에너지 입자(원자핵)로 이루어져 있으며, 현재의 관측소에서는 2차 입자의 폭포를 감지합니다. 어떤 미래 중성미자 탐지기는 우주선이 지구 대기에 진입할 때 생성되는 입자에도 민감할 수 있습니다.
• 중력파 천문학: 중력파 천문학은 중력파 검출기를 활용하여 먼 거리에 있는 거대한 물체에 대한 관측 데이터를 수집하는 천문학의 새로운 분야입니다. 몇 개의 관측소가 설치되었으며 그중에는 LIGO(레이저 간섭계 중력 관측소)와 같은 중요한 얘가 있습니다. LIGO는 2015년 9월 14일에 쌍성 블랙홀의 중력파를 처음으로 탐지했습니다. 두 번째 중력파는 2015년 12월 26일에 감지되었으며 중력파는 매우 민감한 장비를 필요로 합니다.
• 다중 메신저 천문학: 이러한 전자기 방사선, 중성미자, 중력파와 같은 다양한 정보를 결합하여 수행되는 관측을 다중 메신저 천문학이라고 합니다. 이 접근 방식은 우주와 우주현상에 대항 더 깊은 이해를 제공합니다.

 

이론 천문학 

이론천문학은 천문학적 현상을 설명하기 위해 컴퓨터 모델링과 분석모델 개발에 주력합니다. 다양한 도구를 활용하여 연구를 수행하며, 이 중에서 분석 모델과 전산 수치 시뮬레이션은 주요 역할을 합니다. 이 두 가지 방법은 각자의 강점을 가지고 있어 천문학 연구를 보다 풍부하게 만듭니다.

분석 모델

분석 모델은 연구과정에서 진행 중인 작업의 핵심을 더 깊이 이해하는데 활용됩니다. 이 모델은 연구 대상의 핵심 특성을 파악하고 현상의 원리와 작용 메커니즘을 분석하는데 유용합니다. 분석 모델은 연구자들에게 넓은 통찰력을 제공하여 현상을 해석하고 설명하는데 도움을 줍니다.

수치 모델

수치 모델은 다른 방법으로는 관찰하기 어려운 복잡한 현상과 효과를 모델링하고 시뮬레이션하는 데 사용됩니다. 이 모델은 실제 실험을 대신하여 현상을 재현하고 예측하는데 활용됩니다. 수치 모델은 관찰과 실험을 통해 얻을 수 없는 정보와 결과를 제공합니다.

천문학 이론가들은 기존 관측 데이터와 알려진 물리학 이론을 기반으로 이론적 모델을 개발하고, 해당 모델을 사용하여 우주 현상을 예측합니다. 모델이 예측한 현상을 관찰하여 현실 세계와 비교함으로써, 여러 가지 대안 모델 중에서 가장 설명력이 뛰어난 모델을 선택하게 됩니다. 이론가들은 또한 해로운 관측 데이터나 실험 결과를 고려하여 모델을 수정하고 발전시킵니다. 때로는 모델과 관측 결과 간의 불일치로 인해 과거의 이론을 수정하거나 새로운 이론을 개발할 수 도 있습니다. 이렇듯 이론 천문학은 천문학 연구의 핵심이며, 우주 현상을  규명하고 이해하는데 중요한 역할을 합니다

이론 천문학자들이 모델링한 현상은 다음과 같습니다.

• 항성 역학과 진화
• 은하 형성
• 우주의 물질의 대규모 분포
• 우주선의 기원
• 끈 우주론과 성체 물리학을 포함한 일반 상대성 이론과 물리 우주론

현대 이론 천문학은 우주와 천체에 대한 이해를 극적으로 발전시키고 있으며 이러한 발전은 다양한 연구와 관측결과를 토대로 이루어지고 있습니다. 특히 1990년대 이후의 관측 데이터와 연구결과가 이를 반영하고 있습니다.

우주마이크로파 배경, 먼 초신성, 은하 적색 편이, 암흑 물질과 암흑 에너지등의 연구를 통해 현대 이론 천문학은 우주의 기원, 진화 및 성질에 대한 이해를 깊이 있게 발전시키고 있으며, 이를 토대로 우주론의 표준 모델을 개발하고 있습니다