천문학

천문학(한문: 天文學, 영어: astronomy)은 물리학이나 수학, 화학의 지식을 바탕으로 천체나 천문 현상을 연구하여 우주의 형성과 진화를 탐구하는 학문으로 자연과학의 한 분야이다. 물리학적인 지식을 활용하여 천문 현상을 해석하는 학문 분야를 따로 천체물리학이라고 부르기도 하는데, 현대에는 두 학문 분야를 특별히 구분하지 않는다. 천문 현상과 지구 상의 사건 사이의 연관성을 찾으려는 시도인 점성술(astrology)과는 차이가 있다.

역사

천문학은 인류의 문명과 함께 시작되었다. 오랜 옛날부터 인류는 밤하늘을 바라보며 천체의 움직임을 주의 깊게 관찰하였다. 그리고 그곳에서 발견한 규칙성을 이용하여 시간이나 방위를 측정하는 법을 터득하였고, 농사나 측량 등의 실용적인 목적으로 활용하였다. 일식이나 월식과 같이 특별한 천문 현상은 종교적인 맥락에서 다루어지기도 했다.

천문학이 자연과학의 영역으로 들어온 것은 고대 그리스 시대(기원전 6세기 ~ 4세기)부터 이다. 플라톤과 같은 고대 그리스의 철학자들은 지구가 우주의 중심에 있고 천체가 그 주위를 돈다는 지구중심모형(천동설)을 주장했다. 당시 관측 가능했던 천문 현상 중 가장 이해하기 힘들었던 것은 행성의 움직임이었다. 특히 행성의 역행운동을 설명하기가 어려웠는데, 히파르코스, 프톨레마이오스 등은 이를 설명할 수 있도록 지구중심모형에 몇 가지 가정을 더 추가하여 체계화하였다.

시간이 흘러 더욱 정밀하게 측정된 천체의 위치 정보가 오랜 시간에 걸쳐 축적되자, 기존의 지구중심모형이 완벽하지 않다는 점이 명백해졌다. 여전히 행성의 역행운동은 가장 큰 난제였다. 프톨레마이오스 이후 2000여 년 동안이나 많은 학자들이 단순하면서도 행성의 움직임을 정확히 묘사할 수 있는 우주 모형을 만들고자 노력하였다. 16세기 초, 코페르니쿠스는 행성들이 태양을 중심으로 공전하고 있다고 가정한다면 기존의 모형이 가진 문제점들이 해결된다는 사실을 발견하였다. 코페르니쿠스의 태양중심모형의 발견은 근대 과학의 토대가 되는 16~17세기 과학 혁명의 첫번째 사건으로 여겨진다.

16~17세기 동안 티코 브라헤, 요하네스 케플러, 갈릴레오 갈릴레이 등은 행성 관측을 통해 태양중심모형을 증명하고 더욱 구체화했다. 행성의 공전에 관한 케플러의 법칙이 발표되었으며, 갈릴레오 갈릴레이는 최초로 천문 관측에 망원경을 사용하여 목성의 위성과 금성의 위상 변화를 관측하였다. 이후, 망원경을 이용한 천체의 관측과 현상의 물리학적인 해석은 천문학 연구의 주류로 떠올랐다. 아이작 뉴턴은 만유인력을 발견하고 케플러의 법칙에 이론적인 근거를 제시하였다. 마침내 1830년대, 프리드리히 베셀 등이 별의 연주시차를 측정하는데 성공함으로써 태양중심모형이 완전히 받아들여지게 되었다.

세부 분야

연구 방법에 따른 분류

천문학은 연구 방법에 따라 크게 관측천문학과 이론천문학으로 분류할 수 있다. 관측천문학에서는 천체를 망원경과 같은 기기를 통해 관측하여 얻은 데이터를 분석한다. 반면 이론천문학에서는 시뮬레이션이나 해석적인 방법을 통해 현상의 원리를 파악한다. 실제 연구에서 두 분야의 경계를 뚜렷이 구분되지 않으며, 관측에서 얻은 결과를 이론을 통해 설명하거나 이론에서 얻은 예측을 관측을 통해 확인하는 일이 빈번하게 일어난다.

관측천문학

연구 대상에 직접 접근할 수 없다는 특징 때문에 천문학에서 관측은 주로 전자기파를 통해 이루어진다. 전자기파의 파장에 따라 서로 다른 형태의 관측 기기를 이용하기 때문에 구체적인 연구 방법에 차이가 발생한다. 대상 파장 영역에 의해 관측천문학은 전파천문학, 서브밀리미터파천문학, 적외선천문학, 광학천문학(가시광선천문학), 자외선천문학, X선천문학, 감마선천문학의 하위 분야로 더 나뉜다. 이외에 전자기파가 아닌 중성미자, 우주선, 중력파 등을 관측하는 경우도 있다.

측성학(astrometry)은 천체의 위치를 정확히 측정하는 것에 관심을 가진다. 천체역학(celestial mechanics)은 연속하여 측정한 천체의 위치를 바탕으로 천체의 움직임을 연구하는 분야이다. 측성학과 천체역학은 천문학에서 가장 오래된 분야이며, 천문학의 가장 기본적인 연구 방법이다. 측광학(photometry)은 천체의 밝기를 측정하는 연구 방법이며, 분광학(spectroscopy)은 천체로부터 온 전자기파를 파장에 따라 분해하여 스펙트럼을 분석하는 연구 방법이다. 일반적으로 분광이 측광보다 많은 정보를 주지만 관측하는 때에 더 제약이 많다.

이론천문학

물리 법칙과 수학적인 지식을 바탕으로 천문 현상을 해석하고 설명한다. 수식을 손으로 풀어 내는 전통적인 방법과 함께, 컴퓨터 성능의 발달로 수치해석학을 이용한 시뮬레이션 역시 활발히 이루어지고 있다. 우주론적 시뮬레이션(cosmological simulation)은 약 137억 년 전 초기 우주의 밀도 요동으로부터 시작해 현재의 우주를 그대로 재현하는 것을 목표로 한다.

연구 대상에 따른 분류

연구 대상이 되는 천체의 규모가 작은 것부터 나열하면 다음과 같다.

• 행성과학(planetary science) : 태양계 행성, 외계 행성, 행성계
• 태양천문학(solar astronomy) : 태양
• 항성천문학(stellar astronomy) : 항성, 성단
• 은하천문학(galactic astronomy) : 우리 은하, 성간 물질
• 외부은하천문학(extragalactic astronomy) : 외부 은하, 은하단
• 우주론(cosmology) : 우주 모형

관련 학문

• 우주과학(space science)
• 우주생물학(astrobiology)
• 천체화학(astrochemistry)
• 천체입자물리학(astroparticle physics)
• 고천문학(archaeoastronomy)
• 아마추어천문학(amateur astronomy)