천문학
은 가장 오래된 자연과학 중 하나 입니다. 기록된 역사의 초기 문명은 밤하늘을 체계적으로 관측했습니다. 여기에는 이집트인, 바빌로니아인, 그리스인, 인디언, 중국인, 마야와 아메리카 대륙의 많은 고대 원주민들이 포함됩니다. 과거 천문학에는 천문학, 천체 항법, 관측 천문학, 달력 작성 등 다양한 분야가 포함되어 있었습니다.
전문 천문학은 관찰과 이론 분야로 나누어져 있습니다. 첫번째로, 관측 천문학은 천체 관측에서 데이터를 취득하는 데 초점을 맞추고 있는데요, 이 데이터는 물리학의 기본 원리를 사용하여 분석됩니다. 이론 천문학은 천문학적인 물체나 현상을 기술하는 컴퓨터나 분석 모델의 개발을 목표로 하고 있습니다. 이 두 필드는 서로 보완하고 있습니다. 이론 천문학은 관측 결과를 설명하고 있으며, 관측은 이론적인 결과를 확인하는 데 사용됩니다.
천문학은 아마추어가 활약하는 몇 안 되는 과학 분야 중 하나입니다. 이것은 특히 일시적인 이벤트의 검출과 관찰에 해당됩니다. 아마추어 천문학자들은 새로운 혜성을 찾는 등 많은 중요한 발견에 협력해 왔습니다.
천문학은 '별의 법칙' 또는 번역에 따르면 '별의 문화’를 의미합니다. 천문학은 인간의 일이 천체의 위치와 관련되어 있다고 주장하는 신념 체계인 점성술과는 전혀 다른 주제이기 때문에 이 2가지 분야가 혼동되어서는 안됩니다. 두 분야는 과거에는 우주 만물을 기원하는 의미로 비슷하게 그려 졌는지 몰라도 현재는 전혀 다른 분야입니다.
천문학'과 '천체물리학'은 동의어로 정의되어 있습니다. 하지만, 엄밀한 사전적 정의에 근거하면, 천문학은 「지구의 대기권 밖의 물체나 물질, 그 물리적·화학적 성질에 관한 연구를 의미하는 반면, 천체물리학은 「천체나 현상의 거동·물리적 성질·동적 과정을 다루는 천문학의 분야를 의미합니다. 프랭크 슈의 입문 교과서 '물리우주' 처럼 '천문학'은 피험자의 정성적 연구를 기술하는 데 사용되기도 하지만 '천체물리학'은 피험자의 물리학적 버전을 기술하는 데 사용되기도 합니다. 그러나 현대 천문학 연구의 대부분은 물리학과 관련된 주제를 다루고 있기 때문에 현대 천문학은 실제로 천체 물리학이라고 불릴 수 있습니다. 천문학과 같은 몇몇 분야는 천체물리학이 아니라 순전히 천문학입니다. 과학자들이 이 문제에 대한 연구를 수행하는 다양한 부문에서는 '천문학'과 '천체물리학'을 사용하기도 하며, 일부는 그 부문이 역사적으로 물리학과에 소속되어 있는지 여부에 따라 다르게 나뉘고 있습니다. 그리고 많은 전문 천문학자들은 천문학 학위가 아닌 물리학을 가지고 있습니다. 이 분야의 주요 과학 저널의 몇 가지 제목으로는 The Astronomical Journal, The Astronomical Journal, Astronomy & Astrophysics 등이 있습니다.
초기 역사시대 천문학은 육안으로 보이는 물체의 움직임을 관측하고 예측하는 것만으로 구성되었습니다. 몇몇 지역에서는 거대한 유적이 건설되기도 했었습니다. 이 관측소들은 의식적인 용도 외에도 계절을 결정하는 데 사용할 수 있었는데요, 이것은 작물을 심는 시기를 아는 데 매우 중요한 역할을 하였으며 농사를 위한 1년의 길이를 이해하는 데 중요한 요소였습니다.
망원경과 같은 도구가 발명되기 전에는 별의 초기 연구는 육안으로 이루어졌습니다. 문명이 발달하면서 이집트, 메소포타미아, 그리스, 페르시아, 인도, 중국, 중앙아메리카에서 천문대가 조립되면서 우주의 자연에 관한 아이디어가 발전하기 시작했습니다. 대부분의 초기 천문학은 별과 행성의 위치를 매핑하는 것으로 구성되어 있었지만, 이것은 현재 아스트로 메트리라고 불립니다. 이러한 관측으로부터 행성의 움직임에 관한 초기 생각이 형성되어 우주에서 태양, 달, 지구의 성질이 철학적으로 탐구 되었습니다. 지구는 우주의 중심이며 태양, 달, 그리고 별이 그 주위를 회전하고 있다고 믿었습니다. 이것은 우주의 지심 모델 또는 프톨레마이오스 계열로 알려져 있으며 프톨레마이오스의 이름을 따서 지어졌습니다. 특히 초기의 중요한 발전은 수학적 과학적 천문학의 시작이자 바빌로니아인들 사이에서 시작되었으며 바빌로니아인들은 다른 많은 문명에서 발달한 천문학적 전통의 기초를 닦았습니다. 바빌로니아 인들은 월식이 살로스라고로 알려진 반복 주기로 재발하는 것을 발견했습니다.
바빌로니아인에 이어 고대 그리스와 헬레니즘 세계에서 천문학의 중요한 진보가 이루어졌습니다. 그리스 천문학은 처음부터 천체 현상에 대한 합리적이고 물리적인 설명을 요구하는 것의 특징을 가지고 있는데요, 기원전 3세기 사모스의 아리스타르코스는 달과 태양의 크기와 거리를 추정했고, 현재는 태양 중심 모델로 불리는 지구와 행성이 태양 주위를 회전하는 태양계 모델을 제안했습니다. 기원전 2세기 히파르코스는 달의 크기와 거리를 계산하여 아스트로라베와 같은 가장 오래된 천문장치를 발명했습니다. 히파르코스는 또한 1020개의 별에 대한 포괄적인 카탈로그를 작성했으며, 북반구의 대부분 별자리는 그리스 천문학에서 유래했습니다. 항키테라 기구(기원전 150년경-80년경)는 특정 날짜에 태양, 달, 행성의 위치를 계산하기 위해 설계된 초기 아날로그 컴퓨터와 같다고 생각할 수 있습니다. 비슷한 복잡성을 가진 기술적인 발명품은 14세기 유럽에서 기계적인 천문 시계가 출현할 때까지 재등장하지 않았습니다.
중세 유럽에는 많은 중요한 천문학자들이 살고 있었습니다. 월링포드의 리처드(1292년-1336년)는 최초의 천문시계, 행성과 다른 천체 사이의 각도 측정을 가능하게 한 직사각형, 그리고 알비온이라고 불리는 적도를 포함한 천문학과 홀로로지에 크게 기여한 바 있습니다. 달, 태양, 행성의 길이로 일식을 예측할 수 있습니다. 니콜 오렘(1320년-1382년)과 장 브리단(1300년-1361년)은 지구 자전의 증거에 대해 처음 논의했고 브리단은 행성이 자전적으로 운동할 수 있음을 보여주는 추진이론(현대과학적 관성이론의 전신)도 개발했습니다. 게오르크 폰 퓨어바흐(1423년-1461년)와 레지오몬타누스(1436년-1476년)는 수십 년 뒤 코페르니쿠스의 태양 중심 모델 개발에 천문학적 진보를 도왔습니다.
천문학은 이슬람과 세계의 다른 지역에서 번성했습니다. 이로써 9세기 초까지 이슬람 세계 최초의 천문대가 탄생했습니다. 964년 안드로메다 은하는 지역 그룹 최대의 은하이며 페르시아의 무슬림 천문학자 압둘 라흐만 알 수피가 『항성기』에 기술한 것입니다. SN 1006 초신성은 역사상 가장 밝은 규모의 항성으로 1006년 이집트 아라비아 천문학자 알리 이븐 리도완과 중국 천문학자들에 의해 관측되었습니다. 이란 학자 Al-Biruni는 프톨레마이오스와는 대조적으로 태양의 아포지(천상의 최고점)는 고정이 아니라 이동이 가능하다는 것을 관찰했습니다. 과학에 중요한 공헌을 한 저명한 이슬람계(대부분 페르시아계와 아랍계) 천문학자 중에는 알 바타니, 자빗, 아부 알 라흐만 알 수피, 빌니, 아부 이샤크 이브라힘 자르카란디, 말라게하와 사마르칸드 천문학자 등이 있습니다. 그동안 천문학자들은 현재 무수한 별 이름에 많은 천문학자들의 이름을 따서 지었습니다.
또한 그레이트 짐바브웨와 팀북 유적에는 천문대가 있었을 가능성도 있습니다. 포스트 클래식 서아프리카에서 천문학자들은 복잡한 수학적 계산을 바탕으로 항성의 움직임과 계절 간의 관계를 연구하고 하늘 차트를 작성하여 다른 행성의 궤도를 정확하게 도시했습니다. 송하이의 역사가 마흐무드 카티는 1583년 8월에 유성우를 기록했습니다. 유럽인들은 이전에 식민지 이전 중세에 사하라 이남 아프리카에서는 천문학적인 관측이 없었다고 믿었지만, 현대 과학의 시점으로 본 천문학은 그렇지 않다는 것을 보여줍니다.
초기의 과학은 가히 혁명이라고 할 수 있었는데요,
갈릴레오의 달 스케치와 관측은 표면이 산악지대임을 밝혀냈습니다.
초기의 과학적인 원고로부터의 천문도 c.1000입니다.
르네상스기에 니콜라스 코페르니쿠스는 태양계의 태양 중심의 모델을 제안했습니다. 그의 작품은 갈릴레오 갈릴레이에 의해 옹호되고 요하네스 케플러에 의해 확대되었습니다. 케플러는 태양 주위 행성의 움직임을 정확하게 기술하는 시스템을 처음 고안했습니다. 그러나 케플러는 그가 쓴 법칙의 배후에 있는 이론을 세우는데 성공하지 못했습니다. 아이작 뉴턴이 천동학과 중력의 법칙을 발명하여 마침내 행성의 움직임을 설명했습니다. 뉴턴은 반사 망원경도 개발한 이력이 있습니다.
망원경의 크기와 품질 개선은 추가 발견으로 이어졌습니다. 영국 천문학자 존 풀럼스티드는 3000개 이상의 항성을 카탈로그화했습니다. Nicolas Louis de Lacaille에 의해 보다 광범위한 항성 카탈로그가 제작되었습니다. 천문학자 윌리엄 허셜은 성운과 성단에 대한 상세한 카탈로그를 작성하여 1781년에 최초로 발견된 행성 천왕성을 발견했습니다.
18~19세기 동안 레온하르트 오일러, 알렉시스 클로드 클레어 오토, 장 르 론도 달랑베르에 의한 삼체 문제 연구는 달과 행성의 움직임에 대해 보다 정확한 예측을 가능하게 했습니다. 이 연구는 조셉 루이스 라그랑주와 피에르 사이먼 라플라스에 의해 더욱 정제되어 행성과 달의 질량을 그 섭동으로부터 추정할 수 있었습니다.
천문학의 큰 진보는 분광기와 사진을 포함한 새로운 기술의 도입에 의해 이루어졌습니다. 조셉 폰 프라운호퍼는 1814-15년 태양 스펙트럼에서 약 600개의 밴드를 발견했고, 1859년에는 구스타프 키르호프가 다른 원소의 존재를 인정했습니다. 항성은 지구의 태양과 비슷하다는 것이 증명되었지만 온도, 질량, 크기의 범위는 광범위합니다.
지구의 은하인 은하수가 항성군으로 존재한다는 것은 '외부' 은하의 존재와 함께 20세기에야 증명되었습니다. 이 은하들의 관측된 쇠퇴는 우주 팽창의 발견으로 이어졌습니다. 이론 천문학은 블랙홀이나 중성자별과 같은 물체의 존재에 대한 추측을 이끌고 퀘이사, 펄서, 블레이저, 전파은하 등의 관측된 현상을 설명하기 위해 사용되어 왔습니다. 물리 우주론은 20세기에 큰 진보를 이루었습니다. 1900년대 초 빅뱅 이론의 모델은 우주 마이크로파 배경 복사, 허블의 법칙, 원소의 우주론적 풍부함에 의해 크게 증명되었습니다. 우주 망원경은 대기에 의해 일반적으로 차단되거나 흐릿 해지는 전자 스펙트럼의 일부 측정을 가능하게 했습니다.2016년 2월 LIGO 프로젝트는 9월에 중력파 증거를 검출한 것으로 밝혀졌습니다.
관측 천문학
천체 및 기타 물체에 대한 정보의 주요 원천은 가시광 또는 더 일반적으로 전자 방사입니다. 관측 천문학은 관측이 이루어지는 전자 스펙트럼의 해당 영역에 따라 분류할 수 있습니다. 스펙트럼의 일부는 지구 표면에서 관측할 수 있지만, 그 외 부분은 고고도나 지구 대기권 밖에서만 관측 가능합니다. 이러한 서브필드에 대한 구체적인 정보는 다음과 같습니다.
전파 천문학
전파 천문학에서는 가시권 밖에서 약 1밀리미터 이상의 파장을 가진 방사선을 사용합니다. 전파 천문학은 관측된 전파를 이산 광자가 아닌 파도로 취급할 수 있다는 점에서 다른 관측천문학의 대부분 형태와는 다릅니다. 따라서 전파의 진폭과 위상을 모두 측정하는 것은 비교적 쉽지만, 이는 짧은 파장에서는 그리 쉽지 않습니다.
일부 전파는 열 방출의 산물인 천문학적 물체에 의해 직접 방출되지만 관측되는 전파 방출의 대부분은 전자가 자기장을 주회할 때 발생하는 싱크로트론 방사의 결과입니다. 게다가 성간 가스에 의해 생성되는 많은 스펙트럼 선, 특히 21cm의 수소 스펙트럼 선은 무선 파장에서 관측이 가능합니다.
초신성, 성간 가스, 펄서, 활성 은하핵을 포함한 다른 다양한 물체를 무선 파장으로 관측할 수 있습니다.
적외선 천문학
적외선 천문학은 적외선 방사의 검출과 분석을 기반으로 합니다. 적색광보다 파장이 길고 시야의 범위를 벗어납니다. 적외선 스펙트럼은 먼지로 빛이 가려지는 행성이나 항성 원반, 성운처럼 너무 추워서 가시광을 방사할 수 없는 물체를 연구하는 데 유용합니다. 적외선 파장이 길수록 가시광을 차단하는 먼지구름을 관통해 분자구름에 박힌 젊은 별과 은하중심부 관측이 가능해집니다. 와이드필드 Infraw Survey Explorer(WISE)의 관측은 특히 많은 은하계 프로토스타와 그 숙주 성단을 밝히는 데 효과적입니다. 가시광에 가까운 적외선 파장을 제외하고 그러한 방사선은 대기 자체가 상당한 적외선 방출을 발생하기 때문에 대기에 의해 크게 흡수되거나 마스크 됩니다. 따라서 적외선 관측소는 지구상의 높고 건조한 장소나 우주에 위치해야 합니다. 일부 분자는 적외선을 강하게 방사합니다. 이것은 우주의 화학을 연구하는 것을 가능하게 하며, 보다 구체적으로는 혜성의 물을 검출할 수 있습니다.
광학 천문학
마우나케아에 있는 스바루 망원경(왼쪽)과 케크 천문대(가운데)는 모두 근적외선과 가시파장으로 동작하는 관측소의 예입니다. NASA 적외선 망원경 시설은 근적외선 파장만으로 동작하는 망원경의 한 예입니다.
역사적으로 가시광 천문학이라고도 불리는 광학 천문학은 가장 오래된 형태의 천문학인데요, 관찰 이미지는 원래 손으로 그려졌습니다. 19세기 후반부터 20세기 대부분에 걸쳐 이미지는 사진 기자재를 사용하여 작성되었습니다. 현대에 들어와서는, 이미지는 디지털 검출기, 특히 전하 결합 디바이스(CCD)를 사용하여 작성되어 현대 미디어에 기록됩니다. 가시광 자체는 약 4000to에서 7000å(400nm에서 700nm)까지 확대되는데, 같은 장치를 사용하여 근자외선과 근적외선 방사를 관찰할 수 있습니다.
자외선 천문학
자외선 천문학에서는, 약 100~3200(((10~320nm)의 자외선 파장을 사용하고 있습니다. 이러한 파장의 빛은 지구 대기에 흡수되며, 이러한 파장에서의 관측은 상층 대기 또는 우주에서 이루어져야 합니다. 자외선 천문학은 이 파대에서 매우 밝은 뜨거운 파란색 별(OB 별)로부터의 열방사와 스펙트럼 방출선 연구에 가장 적합합니다. 여기에는 여러 자외선 조사의 대상이 되고 있는 다른 은하에 있는 푸른 별도 포함됩니다. 자외선에서 일반적으로 관찰되는 다른 물체로는 행성상 성운, 초신성 잔해, 활성 은하핵 등이 있습니다. 그러나 자외선은 항성 간 먼지에 흡수되기 쉽기 때문에 자외선 측정의 조정이 필요합니다.
X선 천문학
NASA의 찬드라 X선 천문대가 발견한 초대질량 블랙홀에서 만들어진 X선 제트로 초기 우주로부터의 빛에 의해 가시화되었습니다.
X선 천문학은 X선 파장을 사용합니다. 보통 X선 방사는 싱크로트론 방출(전자가 자기장 선을 공전하는 결과), 107켈빈 이상의 희박한 가스로부터의 열 방출, 107켈빈 이상의 두꺼운 가스로부터의 열 방출에 의해 생성됩니다. X선은 지구 대기에 흡수되기 때문에 모든 X선 관측은 고고도 기구, 로켓 또는 X선 천문위성부터 수행해야 합니다. 주목할 만한 X선원에는 X선 이진법, 펄서, 초신성 잔해, 타원 은하, 은하단 및 활동 은하핵이 포함됩니다.
감마선 천문학
감마선 천문학은 전자 스펙트럼의 가장 짧은 파장에서 천체를 관측합니다. 감마선은 콤프턴 감마선 천문대와 같은 위성이나 대기권 체렌코프 망원경이라고 불리는 특수 망원경으로 직접 관측할 수 있습니다. 체렌코프 망원경은 감마선을 직접 검출하는 것이 아니라 감마선이 지구 대기에 흡수됐을 때 발생하는 가시광 섬광을 검출합니다.
대부분의 감마선 방출원은 실제로 감마선 폭발이며 소멸하기 전에 몇 밀리초에서 수천 초 동안만 감마선을 생성합니다. 감마선원의 불과 10%만이 비과도적인 원천입니다. 이러한 안정적인 감마선 방사체에는 펄전자 스펙트럼에 근거하지 않는 필드입니다.
전자방사 외에도 지구에서 멀리 떨어진 곳에서 발생하는 몇 가지 다른 현상이 관측될 수 있습니다.
중성미자 천문학
중성미자 천문학에서는 천문학자들이 중성미자를 검출하기 위해 SAGE, GALLEX, 가미오카II/III 등 고도로 차폐된 지하시설을 사용합니다. 지구를 흐르는 중성미자의 대부분은 태양에서 유래하지만 초신성 1987A에서도 24개의 중성미자가 검출됐습니다. 우주선은 매우 높은 에너지 입자(원자핵)로 구성되며, 그것들이 지구 대기에 들어가면 붕괴되거나 흡수될 수 있으며, 2차 입자의 캐스케이드가 발생하며, 이는 현재 관측소에서 검출할 수 있습니다. 미래의 중성미자 검출기 중에는 우주선이 지구 대기에 충돌했을 때 생성되는 입자에도 민감한 것도 있습니다.
중력파 천문학은 멀리 거대한 물체에 관한 관측 데이터를 수집하기 위해 중력파 검출기를 사용하는 천문학의 새로운 분야입니다. 레이저 간섭계 중력 관측소 LIGO와 같은 몇몇 관측소가 건설되었습니다. LIGO는 2015년 9월 14일에 2치 블랙홀에서 중력파를 관측하여 처음으로 검출했습니다. 2015년 12월 26일에 2차 중력파가 검출되어 추가 관측은 계속되어야 하지만 중력파에는 매우 민감한 기기가 필요합니다.
전자방사, 중성미자 또는 중력파와 기타 보완적인 정보를 사용하여 수행된 관측의 조합은 멀티 메신저 천문학으로 알려져 있습니다.
천문학과 천체역학
성운을 가진 성단 피스미스 24
천문학에서 가장 오래된 분야 중 하나이며, 모든 과학에서 천체의 위치를 측정하는 것입니다. 역사적으로 태양, 달, 행성, 별의 위치에 관한 정확한 지식은 천체의 항행(항행을 안내하기 위한 천체의 사용)과 달력 작성에 필수적이었습니다.
행성의 위치를 신중하게 측정함으로써 중력 섭동에 대한 확실한 이해를 얻을 수 있었고 천체역학으로 알려진 분야인 행성의 과거와 미래 위치를 매우 정확하게 결정하는 능력이 생겼습니다. 보다 최근에는 지구 근방의 물체를 추적함으로써 지구와 그 물체 사이의 밀접한 조우나 충돌 가능성을 예측할 수 있습니다.
근처 항성의 항성 시차를 측정하는 것은 우주 스케일을 측정하는 데 사용되는 우주 거리 사다리의 기본 기준선을 제공합니다. 근방의 항성 시차 측정은 그 특성을 비교할 수 있기 때문에 더 먼 항성 특성에 절대적인 기준을 제공합니다. 항성의 방사 속도와 적절한 운동을 측정함으로써 천문학자들은 은하수 은하를 통해 이러한 시스템의 움직임을 그릴 수 있습니다. 천문학적인 결과는 은하에서 추측된 암흑물질의 분포를 계산하는 데 사용되는 기초단계의 학문입니다.
1990년대 동안 근처에 있는 항성의 항성 흔들림을 측정함으로써 이들 항성을 돌고 있는 큰 태양계 외행성을 검출했습니다.
태양계
태양계는 은하군의 현저한 멤버인 막대 소용돌이 은하인 은하수 내를 공전하고 있습니다. 그것은 기체, 먼지, 별 등의 물체의 회전하는 질량이며 상호 중력에 의해 함께 유지됩니다. 지구는 먼지가 많은 외관 안에 위치하고 있기 때문에 은하수의 대부분이 시야에서 가려져 있습니다.
은하수의 중심에는 막대 모양의 부풀림이 있고 중심에는 초대질량 블랙홀로 여겨집니다. 이것은 코어에서 나선형으로 회전하는 4개의 주요 암에 의해 둘러싸여 있습니다. 이는 활발한 항성 형성 영역으로 젊은 개체군 I별이 많이 포함되어 있습니다. 원반은 구상 성단으로 알려진 비교적 밀도가 높은 행성 뿐만 아니라 오래된 개체군 II 별의 구상 광배에 의해 둘러싸여 있습니다.
별들 사이에는 희박한 물질의 영역인 성간 매질이 있습니다. 가장 밀도가 높은 영역에서는 분자 수소와 같은 분자 구름이 별 형성 영역을 만듭니다. 이것들은 콤팩트한 별의 전핵 또는 다크네브라이로 시작하여 그것들이 집중적으로 붕괴하고(청바지 길이에 의해 결정되는 부피로) 콤팩트한 프로토스타를 형성합니다.
더 거대한 별이 나타나면 구름은 빛나는 가스와 플라즈마의 HII 영역(이온화된 원자 수소)으로 바뀝니다. 항성의 바람과 이 별들 로부터의 초신성 폭발은 결국 구름을 분산시켜 종종 하나 이상의 작은 성단을 남깁니다. 이 클러스터들은 서서히 분산되고 별들은 은하수 인구에 합류합니다.
은하수나 다른 은하에서 물질의 운동학적 연구는 가시 물질로 설명할 수 있는 것보다 더 많은 질량이 있다는 것을 증명합니다. 암흑물질의 헤일로는 질량을 지배하는 것처럼 보이지만, 이 암흑물질의 성질은 아직 결정되지 않았습니다.