천문학

천문학, 또는 천체학은 우주에 존재하는 별, 행성, 혜성, 은하 등 천체와, 지구 대기 바깥에서 발생하는 현상을 연구하는 자연과학의 한 분야입니다. 천문학은 우주의 기원과 진화, 천체의 운동, 그리고 이들의 물리적, 화학적 특성, 기상, 진화 과정 등을 연구 대상으로 삼습니다.

역사적으로 천문학은 역법, 항법, 그리고 점성술과 같은 다양한 분야와 밀접하게 관련되어 있었습니다. 천체의 운동을 이해하는 데 중요한 역할을 하는 힘은 중력이므로, 현대 천문학에서는 일반상대성이론을 자주 활용합니다.

20세기 들어, 천문학은 관측 천문학과 이론 천문학으로 나뉘어 발전했습니다. 관측 천문학은 천체로부터 데이터를 수집하고 이를 물리적으로 분석하는 데 중점을 두는 반면, 이론 천문학은 컴퓨터 시뮬레이션이나 해석적 모델을 통해 천체와 우주 현상을 설명하는 이론을 개발하는 데 초점을 맞추고 있습니다.

천문학의 영어 단어 astronomy는 그리스어 astron(별)과 nomos(법칙, 문화)에서 유래하였으며, 문자 그대로 "별의 법칙" 또는 "별의 문화"를 의미합니다. 천문학은 종종 점성술(천체의 위치가 인간의 사건과 관련이 있다는 믿음 체계)과 혼동되기도 하지만, 두 학문은 공통된 기원을 가지고 있음에도 불구하고 이제는 완전히 구별된 분야입니다.

천문학과 천체물리학
일반적으로 천문학(astronomy)과 천체물리학(astrophysics)은 같은 의미로 사용됩니다. 천문학은 지구 대기 밖의 물체들의 물리적, 화학적 성질을 연구하는 학문으로 정의되며, 천체물리학은 천문현상의 물리적, 운동학적 특성을 연구하는 천문학의 한 분야입니다. 

일부 교과서에서는 천문학을 우주와 천체, 천문현상을 정성적으로 기술하는 학문으로, 천체물리학은 이를 물리적으로 이해하는 데 중점을 둔 학문으로 구분하기도 합니다. 그러나 현대 천문학 연구의 대부분이 물리학과 관련된 주제를 다루고 있어, 천문학은 실제로 천체물리학으로 불리기도 합니다.

대학이나 연구소에서는 역사적 이유나 연구 구성원의 학위 배경에 따라 천문학과 또는 천체물리학과라는 명칭을 사용하기도 합니다. 예를 들어, 천문학과가 물리학과와 연관이 있는 경우 천체물리학이라는 용어가 더 자주 사용됩니다. 

저명한 천문학 저널로는 유럽의 Astronomy and Astrophysics, 미국의 The Astrophysical Journal 및 The Astronomical Journal 등이 있습니다.

천문학은 인간이 하늘에 대한 관심을 가지면서 동서양에서 가장 이른 시기에 발달한 학문 중 하나입니다. 주로 농사와 날씨 예측, 해양 및 지리 관측과 측량이 천문학 발달의 주요 동기였으며, 스톤헨지와 같은 거대한 유적도 천문학적 목적으로 건설된 것으로 추정됩니다. 이러한 천문대들은 종교적 제사뿐만 아니라, 1년의 길이를 측정하거나 농사의 적기를 찾는 데 사용되었을 것으로 보입니다.

망원경이 발명되기 전까지는 맨눈으로 높은 곳에서 하늘을 관측하였으며, 문명이 발전하면서 메소포타미아, 중국, 이집트, 그리스, 인도, 마야 문명 등에서 천문대가 만들어졌습니다. 초기 천문학은 별과 행성의 위치를 측정하는 데 주력했으며, 이 과정에서 행성의 운동과 태양, 달, 지구의 본질에 대한 연구가 시작되었습니다. 당시에는 지구가 우주의 중심이며, 태양과 달이 지구 주위를 공전한다는 천동설(지구중심설)이 주류였는데, 이는 프톨레마이오스의 모델이었습니다.

바빌로니아에서는 수학과 과학을 활용한 천문학이 발달하여, 월식이 사로스 주기에 따라 반복된다는 사실을 발견하였습니다. 이들의 연구는 이후 다른 문명에서도 천문학적 전통의 기초가 되었습니다. 고대 그리스 천문학도 큰 발전을 이루었으며, 그리스 천문학자들은 천문 현상에 대해 물리적이고 이성적인 답을 구하려 했습니다. 예를 들어, 아리스타르코스는 지구의 크기를 계산하고, 달과 태양까지의 상대적 거리를 측정하였으며, 최초로 지동설(태양중심설)을 제안한 인물로 알려져 있습니다.

히파르쿠스는 세차 운동을 발견하고 달의 크기와 거리를 계산하였으며, 아스트롤라베라는 천문 기구를 발명하였습니다. 그의 연구는 방대한 별의 목록을 작성하는 데 기여하였으며, 많은 별자리의 이름이 그리스 천문학에서 유래했습니다. 그러나 프톨레마이오스는 여전히 천동설을 주장하며, 그의 저서 알마게스트는 중세 시기 동안 권위 있는 천문학 서적이 되었습니다.

중세 유럽에서는 천문학이 정체되었지만, 이슬람 세계에서는 천문학이 크게 발전하였습니다. 9세기 초에는 이슬람 세계에서 최초의 천문대가 세워졌으며, 알수피는 안드로메다 은하를 발견하고 이를 기술한 책을 남겼습니다. 이슬람 천문학자들은 많은 항성의 이름을 정립하였으며, 오늘날에도 널리 사용되고 있습니다. 

과학 혁명 시기에는 코페르니쿠스가 지동설을 제안하며 천문학에 큰 변화를 일으켰습니다. 갈릴레오는 망원경을 사용하여 천문학에 혁신을 일으켰고, 케플러는 행성들이 태양을 중심으로 타원 궤도를 공전한다는 태양계 모형을 개발하였습니다. 이 문제는 뉴턴이 중력 법칙을 발견하면서 완전히 해결되었습니다.

망원경의 발달과 더불어 프랑스 천문학자 라카유와 허셜은 방대한 성운과 성단을 기록하였고, 허셜은 천왕성을 발견하기도 했습니다. 베셀은 1838년에 별의 연주시차를 측정하여 별까지의 거리를 처음으로 계산하였습니다. 이 외에도 많은 과학자들이 삼체 문제와 같은 복잡한 천문학적 문제를 해결하기 위해 노력하였습니다.

19세기와 20세기에는 분광학과 사진술의 발전이 천문학에 큰 기여를 하였고, 별들이 태양과 같은 성질을 가진 천체임이 밝혀졌습니다. 20세기에는 우리 은하가 별들의 집합임이 확인되었고, 외부 은하와 우주의 팽창 이론도 발전하였습니다. 현대 천문학은 블랙홀, 펄사, 퀘이사 등의 특이한 천체를 발견하며, 대폭발 이론(빅뱅 이론)과 같은 우주론이 큰 성공을 거두었습니다.

천동설과 지동설의 개념도 중요합니다. 천동설은 프톨레마이오스가 주장한 이론으로, 지구를 우주의 중심으로 보았으며, 지동설은 코페르니쿠스가 제안한 이론으로 태양이 중심이라고 주장하였습니다.

천문학은 주로 천체에서 방출되는 다양한 파장의 전자기파를 감지하고 분석함으로써 정보를 얻는 학문이다. 관측천문학은 전자기파의 파장대에 따라 여러 분야로 나뉜다. 일부 파장대의 빛은 지상에서 관측이 가능하지만, 어떤 영역대는 높은 고도나 우주에서만 관측할 수 있다.

 전파천문학
전파천문학은 약 1mm 이상의 긴 파장대의 전자기파를 연구하는 분야로, 관측된 전파는 파동으로 다뤄진다. 전파는 주로 천체에서 열적 발산으로 생성되거나 싱크로트론 복사, 즉 전자가 자기장 주위를 돌면서 생성되는 전파 형태로 방출된다.

 적외선천문학
적외선천문학은 가시광선보다 긴 파장대의 적외선을 연구한다. 지구 대기에 의해 많은 적외선이 흡수되므로, 관측은 주로 높은 고도의 건조한 지역이나 우주에서 이루어진다. 적외선은 성간 먼지를 통과할 수 있어 우리은하의 중심부나 별들이 형성되는 곳을 연구하는 데 유용하다.

 광학천문학
가시광선 천문학은 가장 오래된 분야로, 400~700nm의 가시광선을 관측한다. 과거에는 손으로 그린 이미지나 사진 건판을 사용했으나, 현재는 디지털 CCD 카메라로 관측한다.

 자외선천문학
자외선천문학은 10~320nm의 자외선을 연구하며, 지구 대기에 의해 흡수되므로 높은 고도나 우주에서 관측해야 한다. 주로 뜨거운 별, 초신성 잔해, 은하 중심부 등을 연구하는 데 사용된다.

 X-선 천문학
X-선 천문학은 매우 뜨거운 천체들이 내는 X-선을 연구한다. X-선은 지구 대기에 흡수되므로 우주 망원경을 이용한 관측이 이루어지며, 엑스선 이중성, 초신성 잔해 등 고에너지 천체가 주요 관측 대상이다.

 감마선천문학
감마선 천문학은 가장 짧은 파장의 전자기파를 연구하는 분야로, 주로 감마선 폭발이나 활동은하핵 등을 연구한다. 감마선은 지구 대기에서 흡수되기 때문에 우주망원경이나 특수한 체렌코프 망원경으로 간접 관측된다.

 전자기파 이외의 천문학
전자기파 외에도 중성미자와 중력파를 이용한 천문학이 있다. 중성미자는 태양 내부나 초신성에서 발생하며, 지하의 특수 시설에서 관측된다. 중력파 천문학은 쌍성 블랙홀이나 중성자별의 충돌로 발생하는 중력파를 검출하여 우주의 사건을 연구한다.

 측성학과 천체역학
측성학은 천체의 위치를 측정하는 학문으로, 달력 제작이나 항해에 필수적이었다. 근지구 천체의 움직임을 추적하여 충돌 위험성을 예측하거나, 외계 행성을 찾는 데 중요한 역할을 한다.