천체물리학의 발흥

19세기 초에 천문학에서는 주로 항성과 행성을 위치별로 분류하고 행성운동을 이해하며 예측하는 문제를 다뤘다. 그런와중에 새로운 혜성들이 계속 발견되면서 변광성, 쌍성, 성운형 천체 같은 먼 곳의 갖가지 현상에 대한 관심이 커졌다. 

하지만 그런 먼 천체의 속성, 이를 테면 화학 조성이나 온도 등에 대해 더 알아낼 여지는 거의 없는 듯했다. 그런 수수께끼를 푸는 열쇠는 분광학으로 빛을 분석하는데 있었다. 

 

별빛 해석하기

 빛나는 물체는 다양한 파장으 빛을 발하는데, 그런 빛을 우리는 파장이 가장 긴 것에서 가장 짧은 것에 이르는 온갖 색깔로 인지한다. 스펙트럼을 자세히 살펴보면, 광원에 따라 갖가지 미세한를 발견할 수 있다. 항성 스펙트럼에는 보통 어두운 암선이 여러 개 나타나는데, 어떤 선은 가늘고 희미한 반면 , 어떤 선은 굵고 새까맣다.

 

"빛은 우리에게 먼 천체들이 존재한다는 유일한 증거이다." 제임스 클러크 

 

사람들이 태양의 스펙트럼에서 선에 주목한 것은 일찍이 1802년부터였으나, 특정 스펙트럼의 물리적 특성을 연구한 최초의 물리학자는 구스타프 크르히호프와 로베르트 분젠이었다. 무엇보다 1860년경 키르히호프는 스펙트럼의 암선 패턴이 원소의 지문에 해당함을 입증했다. 이로써 태양을 비롯한 각종 항성의 조성을 조사할 방법이 생겼다. 그리고 이는 전에 알려지지 않았던 헬륨이라는 원소의 발견으로도 이어졌다.

 

천문학의 그 새로운 분야를 의욕적으로 연구하기 시작한 영국의 천문학자 월리엄 허긴스와 그의 아내 마거릿은 관측결과를 기록하는 방법으로 사진술을 개척하기도 했다. 그들은 항성뿐만 아니라 성운의 스펙트럼도 연구했다.

19세기 말에는 항성의 본성을 충분히 이해하려면 항성의 스펙트럼을 체계적으로 기록하고 여러 유형으로 분류해야 할 거 같았다.

 

항성분류

 그런 엄청난 과제에 저극적으로 착수한 기관은 하버드 대학교 천문대 였는대, 그곳의 천문대장 에드워드 피커링은 여성을 대거 고용해 까다로운 수작업을 수행하게 했다. 그곳에서 애니 점프 캐넌이 고안한 온도순의 항성 분류법은 오늘날까지도 쓰이고 있다. 캐넌은 약 50만 개의 항성 스페트럼을 직접 분류했다. 그 항성 목록에는 항성들의 위치뿐 아니라 광도(겉보기 밝기)와 스펙트럼에 대한 정밀한 정보도 기록됐다.천문학자들이 새로운 자료를 분석한에 따라 그런 정보는 곧 큰 이익을 가져왔다. 하버드 대학교 천문대에서 키년과 함께 일한 안토니아 모리니는 그 단순한 온도 순서가 항성들의 미묘한 유형별 차이를 반영하지 않는사실을 깨달았다. 아이나르 헤르츠스프룽과 헨리 노리스 러셀은 이에 대한 후속 연구를 각자 따로 수행하여, 같은색의 항성이 거성일 수도 있고 왜성일 수도 있음을 알아내고 최초로 백색 외성을 식별하기에 이르렀다.

 

항성의 물리적 특성

약 50년 사이에 최첨단 천무학은 초점이 변화했다. 20세기 초에는 물리학(물질과 힘과 에너지의 특성 및 관계를 탐구하는 학문)이 항성 문제에 적용 가능해 지면서 천문학의 향후 연구 방향에 지대한 영향을 미치게 됐다. 기초 물리할자가 중대한 갖자기 진전 또한 천문학에 큰 영향을 주었다. 예를 들어, 영국의 제임스 클러크 맥스웰은 1873년에 전자기 이론을 반표하며, 빛과 같은 전자기파를 파동성과 관련해 설명했다. 1895년에는 엑스선이, 1896년에는 방사능이 발견됐다.

1900년에 독일의 물리학자 막스 플랑크는 번뜩이는 영감으로 전자기 에너지가 '양자'라는 특정 크그의 '다발' 형태로 존재한다고 상정하고서 양자 물리학의 토대를 마련했다. 그런 발견 덕분에 학자들은 하늘을 새로운 방식으로 바라보며, 항성 내부에서 진행 중인 과정을 새롭게 조명하게 됐다. 이때부터 물리학과 천문학은 서로 떼어놓을 수 없는 관계에 있어 왔다.

 

1845년 : 독일의 구스타프 크르히오프와 로베르트 분젠이 스펙트럼의 물리적 특성을 연구한다.

1862년 : 스코틀랜드의 물리학자 제인스 클러크 맥스워이 및의 파동성을 설명하는 방정식을 세운다.

1863년 : 이탈리아 신부 알제로 세키가 항성을 스펙트럼에 따라 분류하는 작업을 시작한다.

1868년 : 영국의 천문학자 조지프노먼 로키어가 태양을 구성하는 새 원소를 발견하고 헬륨이라 일컫는다.

1880년 : 미국의 선구적인 천체사진 전문가 헨리 드레이퍼가 최초가 오리온 성운의 사진을 찍는다.

1888년 : 영국의 아마추어 천문가 아이작 로버츠가 장시간 노출 사진술로 안드로메다대성운의 구조를 밝힌다. 

1890년 : 하버드 대학교 천문대에서 "드레이퍼 분광형 항성 목록' 제1권을 발행한다. 

1895년 : 독일 물리학자 블헬름 뢴트겐이 음극선관으로 실험을 하다. 엑스선을 발견한다.

1896년 : 프랑스 물리학자 앙리 베크렐이 엑스선을 연구하다 우라늄의 방사성 붕괴현상을 입증한다.

1900년 : 막스 플랑크가 에너지가 '양자'라는 특정 크기의 단위로만 존재할 수 있다고 주장하여 양자 역학의 기틀을

            마련한다.

1907년 : 하버드대학교 천문대의 계산수 헨리에타 스완 리비트가 세페이드 변광성이라는 항성들을 이용하면

            우주의 거리를 측정할 수 있음을 보여준다.

1921년 : 오스트라의 물리학자 빅토르 헤스가 지금 우주선이라고 불리는 고에너지 입자선이 우주에서 지구로

           들어온다는 사실을 입증한다.