관측 천문학의 정의와 분류

거대 전파 간섭계

관측 천문학은 천체를 관측하며 정보를 수집하고, 이를 물리학을 통해 분석하는 학문을 뜻합니다. 천체를 관측하면서 얻게 되는 모든 정보는 주로 가시광선 영역의 빛, 일반적으로 파장이 다른 전자기파를 측정하고 분석함으로써 얻을 수 있습니다. 파장은 지상에서 측정이 가능한 파장대의 빛도 있지만 높은 고도나 우주에서만 측정이 가능한 파장대가 존재합니다. 관측천문학은 전자기파의 다양한 파장대를 분석하는데 파장대별로 관측천문학의 종류를 나눌 수 있습니다.

1. 전파천문학
약 1mm를 기준으로 그것보다 긴 파장대를 연구하는 학문을 전파천문학이라고 합니다. 전파천문학은 관측된 전파를 광자로 분류하기보다 파동으로 취급한다는 것이 관측천문학의 다른 분야와 다른 점입니다. 관측된 전파를 파동으로 다루기 때문에 전파의 강도(Amplitude)와 위상(phase)을 측정하기가 상대적으로 쉽다는 특징이 있습니다. 특정 전파는 열적 발산의 형태로 천체에 생성되기도 하지만 지상에서 측정 가능한 대다수의 전파는 전자가 자기장 주변에서 진동하며 생성되는 싱크로트론 복사의 형태로 형성됩니다.

2. 적외선 천문학
적외선은 가시광선 중 붉은색 빛이 갖고 있는 파장 대보다 파장이 긴 대역을 적외선 파장 대라고 하고 그 영역대의 빛을 감지하여 분석하는 학문입니다. 붉은색 가시광선의 파장대와 가까운 파장대(1-3μm)를 근적외선이라고 분류하는데 근적외선 파장대를 제외하고는 적외선 파장대의 빛은 대기에 의해 대부분 흡수됩니다. 지구의 대기에서도 많은 양의 적외선을 방출하기 때문에 적외선의 관측은 고도가 높고 건조한 곳에 위치한 천문대나 우주의 영역에서 이루어집니다. 적외선을 사용할 경우 행성, 원시 행성의 원반과 같은 온도가 굉장히 낮아서 가시광선을 거의 내지 않아 관측이 어려운 천체들을 관측할 수 있습니다. 또한 가시광선의 영역대는 성간 먼지를 쉽게 가로막기 때문에 파장이 비교적 긴 적외선으로 성간 먼지를 투과하여 우리 은하의 중심부와 분자구름의 깊은 곳에 존재하는 별들을 연구할 수 있습니다. 적외선에서 특별히 강한 방출선을 내는 물질들을 이용하여 성간물질의 화학을 연구할 수 있는데, 이런 예로는 적외선 분광학을 통해 혜성의 물분자를 측정하는 것입니다.

3. 광학천문학
눈에 보이는 파장대의 광선을 가시광선이라고 하는데 이런 파장대를 분석하는 학문을 광학천문학이라고 하며 이러한 광학천문학은 천문학의 여러 가지 분야 중 가장 오래된 분야입니다. 19세기 후반에서 20세기에 이르러 사진이나 건판을 사용하기 전 오랜 기간 동안 광학 영상은 손으로 그린 그림으로 기록되었습니다. 현재에는 디지털 검출기, 빛을 전하로 전환하여 사진을 얻어내는 CCD 카메라를 이용하고 있습니다. 가시광선의 파장대역은 400nm ~ 700nm이며, 근자외선(가시광선에서 보라색의 파장 대보다 짧은 파장대의 영역으로 400nm와 가까운 자외선의 영역)과 근적외선의 영역에서도 디지털 검출기 또는 CCD 카메라와 같은 장비를 이용하여 연구에 사용하고 있습니다.

4. 자외선 천문학
자외선은 가시광선에서 보라색의 파장 대보다 짧은 파장대의 영역으로 10nm~320nm의 영역대의 자외선 파장을 관측하는 천문학을 자외선 천문학이라고 합니다. 10nm~320nm의 자외선 파장대의 빛은 지구의 대기에 의해 쉽게 흡수되기 때문에 지구의 대기층이 옅은 높은 고도나 우주에 자외선 천문대를 만듭니다. 자외선 천문학은 온도가 높고 파란색 빛을 내는 별들로부터 방출되는 열복사와 방출선을 측정하고 연구하는데 가장 적합한 분야입니다. 자외선 관측의 주요 대상은 우리 은하 밖의 다른 은하에 존재하는 푸른 별들과 행성상 성운, 초신성의 잔해, 활동 은하핵 등이 주요 관측대상이 되어왔습니다. 적외선 천문학과는 달리 자외선은 짧은 파장대를 갖고 있어 성간 먼지에 의해 흡수될 수 있기 때문에 자외선 관측은 소광(extenction)을 보정해주어야만 합니다.

5. X-선 천문학
X-선 천문학은 X-Ray 파장대의 빛을 발산하는 천체를 연구하는 학문입니다. 일반적으로 X-선은 초고온을 발산하는 천체에서부터 싱크로트론 복사, 제동 복사(bremsstrahlung radiation), 그리고 흑체복사(blackbody radiation)의 형태로 방출됩니다. X-선은 지구의 대기에 의해 흡수되기 때문에 X-선 천문학을 위한 천체의 관측은 높은 고도로 올린 풍선, 로켓, 비행선을 이용하거나 우주망원경을 사용하는 형태로 관측이 이루어지고 있다. 사람들에게 많이 알려진 X-선 천체로는 활동 은하핵, 펄사, 초신성의 잔해, 타원은하, 엑스선 이중성, 은하단 등이 있습니다.

6. 감마선 천문학
감마선 천문학은 파장이 가장 짧은 파장대의 천체를 연구하는 학문입니다. 감마선은 Compton Gamma Ray Observatory와 같이 인공위성, 대기 체렌코프 망원경이라 불리는 특수한 망원경을 사용하여 관측합니다. 대기 체렌코프 망원경을 사용할 경우 감마선을 직접적으로 검출할 수 없지만, 감마선이 지구의 대기에 흡수될 때의 방출되는 가시광 영역대의 반응을 관측합니다. 대부분 관측되는 감마선의 특징은 감마선 폭발에 의해 감마선을 방출하는 천체입니다. 감마선 폭발은 단시간 동안 강력한 감마선을 방출하고 순식간에 어두워지는 천체이며 그 외의 감마선을 방출하는 천체는 펄사, 활동 은하핵, 중성자별 등이 있습니다.

7. 전자기파 이외의 천문학
전자기파 이외에도 중성미자, 중력파 등을 사용해서 천체에서 발생하는 현상들을 관측할 수 있습니다. 또한 탐사선을 사용하여 달이나 혜성과 같은 지구 밖의 천체에서 직접적으로 시료를 얻기도 합니다. 탐사선이 행성을 경유해서 지나갈 때 사진을 찍거나 행성 표면에 직접 착륙해서 실험을 진행하기도 하며 표면에 탐사선을 충돌시켜 이때 발생하는 물질을 획득하는 방식 등으로 시료를 채취하기도 합니다.
중력파 천문학은 블랙홀, 중성자별 등에서 발생하는 중력파를 검출하는 것을 목적으로 하는 천문학의 분야로 현재까지 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO) 같은 관측소에서 관측하며 2016년에 중력파의 검출에 성공하여 아인슈타인의 상대성 이론을 뒷받침하는 근거가 되었습니다.

8. 측성학과 천체역학
측성학은 역사적으로 해, 달, 행성, 별들의 위치를 파악하여 항해나 농사에 이용하고 달력을 만드는 데 필수적이었기에 천문학뿐만 아니라 자연과학에서 가장 오래 연구한 분야 중 하나입니다. 측성학은 행성들의 위치를 측정함으로써 중력의 섭동의 근거가 되었으며 행성들의 위치를 예측하는 천체역학의 발전으로 이어졌습니다. 최근에는 지구 가까이에 존재하는 천체를 추적하여 혜성이나 소행성이 지구와 충돌을 예측하는 중요한 역할을 하고 있습니다.