천체물리학 :: 우주를 구성하는 물질과 구조에 대한 물리적 이론

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천체물리학 & 아이작 뉴턴

 

천체물리학 개요

 

천체물리학은 물리학과 천문학의 한 분야로 은하, 별, 블랙홀, 외계 행성 등의 여러 천체나 성간물질, 우주배경복사 등의 물리적 성질에 대해 연구하며, 넓은 의미로는 천문학 자체를 뜻하기도 합니다. 크게 관측과 이론 연구로 나눌 수 있으며, 관측에서는 주로 다양한 종류의 망원경을 이용하여 데이터를 수집하고 성질을 알아냅니다. 이론 연구에서는 물리학적으로 타당한 이론적 모형을 세워서 관측을 통해 알아낸 여러 성질을 설명합니다.

 

천문학 : 천체의 위치, 광도, 움직임 및 기타 특성을 연구

우주론 : 우주의 큰 구조와 우주 전체를 연구

 

천체물리학에서 NASA의 목표

1. 우주의 작동원리 발견
2. 우주의 시작과 진화 과정 탐구
3. 다른 별 주변의 행성을 연구하고 외계 생명체 탐색

 

2022년 12월 21일 공개된 나선은하 NGC 7469

• 지구로부터 약 2억2천만 광년 떨어진 페가수스 자리에 위치

나선은하 NGC 7469 (NASA)

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아이작 뉴턴

 

천문학은 가장 오래된 과학 중 하나이지만 이론적 천체물리학은 아이작 뉴턴과 함께 시작되었습니다.

 

뉴턴 이전에 천문학자들은 물리적 기반이 없는 복잡한 수학적 모델을 사용하여 천체의 움직임을 설명했습니다. 뉴턴은 우리가 현재 중력으로 알고 있는 것을 설명하는 단일 이론이 우주에서 달과 행성의 궤도, 지구에서 포탄의 궤적을 동시에 설명한다는 것을 보여주었습니다. 이것은 하늘과 지구가 동일한 물리적 법칙을 따른다는 당시 놀라운 결론에 대한 증거가 되었습니다.

그러나 아마도 뉴턴의 모델을 이전 개념과 가장 구분 짓는 것은 그의 이론이 설명적일 뿐만 아니라 예측적이라는 점일 것입니다. 천왕성 궤도의 수차를 기반으로 천문학자들은 새로운 행성의 위치를 ​​예측했으며, 그 후 관측되어 해왕성이라고 명명되었습니다.

 

우리는 멀리 떨어져 있는 우주의 물체와 직접 상호작용 할 수는 없지만 그들이 방출하는 방사선을 관찰할 수 있으며, 천체 물리학의 대부분은 이 방사선을 연구하고 그 배후의 메커니즘을 설명하는 작업입니다.

 

별의 본질에 대한 최초의 생각은 19세기 중반에 만개한 스펙트럼 분석 기술로 시작되었습니다. 이는 특정 물질이 가열될 때 흡수하고 방출하는 빛의 특정 주파수를 관찰하는 것을 의미하는 우주과학의 필수적인 분야입니다.

초기 분광학은 별이 지구에도 존재하는 물질을 포함하고 있다는 최초의 증거를 제공했습니다. 분광학에 따르면 일부 성운은 순수한 기체 상태이며 일부 성운은 별을 포함하고 있음이 밝혀졌습니다. 이것은 나중에 일부 성운이 성운이 아니라 다른 은하라는 생각을 완성하는 데 도움이 되었습니다! 

1920년대 초, 미국의 천문학자이자 천체물리학자인 세실리아 페인(Cecilia Payne)은 분광학을 사용하여 별이 (적어도 나이가 들기 전까지는) 주로 수소라는 사실을 발견했습니다. 천체 물리학자들은 별의 스펙트럼을 연구함으로써 별이 지구를 향해 또는 지구로부터 멀어지는 속도를 분석할 수 있었습니다. 

자동차가 내는 소리는 그것이 우리에게 다가올 때와 멀어질 때 다르며, 별이 우리에게 다가오거나 멀어질 때 별의 스펙트럼이 변하는 도플러 편이라는 것 때문에 빛도 비슷한 효과를 냅니다. 1930년대에 에드윈 허블은 도플러 이동과 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 결합하여 우주가 팽창하고 있다는 증거를 제시했습니다. 이것은 또한 아인슈타인의 이론에 의해 예측되었으며 함께 빅뱅 이론의 기초를 형성합니다.

 

19세기 중반 물리학자 Lord Kelvin(William Thomson)과 Gustav Von Helmholtz는 중력 붕괴가 태양에 동력을 공급할 수 있다고 추측했지만 결국 이런 방식으로 생성된 에너지가 100,000년만 지속된다는 것을 깨달았습니다. 50년 후, 아인슈타인의 유명한 E=mc² 방정식은 천체 물리학자들에게 그 에너지원이 무엇인지에 대한 첫 번째 단서를 제공했습니다.

20세기 전반기에 핵물리학, 양자역학, 입자물리학 분야가 성장함에 따라 핵융합이 어떻게 별에 동력을 공급할 수 있는지에 대한 이론을 공식화하는 것이 가능해졌습니다. 이 이론은 별이 어떻게 형성되고, 살고 죽는지를 설명하고 다양한 유형의 별과 스펙트럼, 광도, 나이 및 기타 특성의 관찰 데이터를 성공적으로 설명하게 되었습니다.

빅뱅 이론에 따르면 최초의 별은 거의 전적으로 수소였습니다. 에너지를 공급하는 핵융합 과정은 수소 원자를 함께 부수어 더 무거운 원소인 헬륨을 형성합니다. 별이 노화됨에 따라 어떻게 더 무거운 원소를 생성하는지 보여주었습니다.

철(32.1%), 산소(30.1%), 규소(15.1%)와 같이 지구를 구성하는 원소가 생성되는 것은 보다 최근의 별들의 생애 마지막 단계에서 입니다. 이러한 원소 중 또 하나는 탄소로, 산소와 함께 우리를 포함한 모든 생명체를 구성합니다.

 

 

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