천문학 총론

우주는 이 세상에 존재하는 모든 것으로, 사전적 정의에 따르면 세상에 존재하는 모든 것이 곧 우주이다. 그러나 과학자들은 우주를 시공간과 그 안에 있는 모든 것으로 정의하여 상대적으로 우주를 협소하게 정의한다. 어느쪽 정의를 따르든 우주는 3차원 공간과 4차원 축에 있는 시간이 합쳐진 것으로 정의되는데, 실제로 이 둘은 시공간이라는 하나의 연결체로 서로 떨어질 수 없다. 우주는 보통 만물이란 뜻의 universe라 불리며, 우주의 질서와 조화를 강조하는 경우에는 cosmos라고 부른다.

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태양계 연구

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태양계(solar system)는 태양과 태양의 중력권 내에서 운동하는 수많은 천체들을 이르는 말이다. 태양계에는 수금지화목토천해로 대표되는 8개의 행성이 있으며, 이들 행성 외에도 이들의 위성과 운석, 혜성, 소행성 등 다양한 천체들이 태양계에 존재한다. 우리가 탐사한 우주는 아직 태양계를 벗어나지 않고 있으며, 태양계 만으로도 우리에게는 아주 큰 우주이다.

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우주론

현대 우주론에서 학자들은 우주를 세 부분이 합쳐진 것으로 파악한다. 하나는 시공간으로, 우주에는 물질이 활동할 드넓은 공간과 시간이 하나로 합쳐져 있다. 이 시공간은 크기에 따라 거대한 거시우주(macro cosmos)와 왜소한 미시우주(micro cosmos)로 자의적으로 구분된다. 두번째는 물질과 에너지인데, 우주의 시공간 안에는 끊임없이 움직이며 활동하는 거의 무한한 물질과 에너지가 존재한다. 시간과 공간이 사실 하나이듯이 물질과 에너지도 사실 하나이다. 세번째는 자연법칙으로, 시공간과 그 안의 에너지는 철저히 어느 법칙에 따라 움직인다. 지금까지 이어져온 귀납추리의 성공으로 인해 이제 우주에 어떠한 법칙이 존재한다는 것이 확실시되었고, 우주의 모든 에너지와 시공간이 과학이 밝혀낸(그리고 밝혀낼) 자연법칙에 따라 움직인다는 사실도 확실시되었다.

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우주의 천체를 다룰때는 몇가지 점에 유의해야 한다. 먼저 우주론 학자들은 천체의 특정 정보에 집중한다. 물론 연구에 따라 차이가 날 수 있지만, 기본적으로 어떤 천체를 파악했다는 말은 그 천체의 구조,운동 상태,물리량(길이,질량,나이,온도)을 파악했다는 말과 같다. 그리고 우주론에서 다뤄지는 단위는 일상에서 쓰이는 단위와 차이가 난다. 왜냐하면 일상에서 쓰이는 단위로 천체와 우주를 다루기에는 한계가 많기 때문이다. 양성자는 크기가 겨우 10^-15m밖에 되지 않는 반면, 우주는 10^27m에 달한다. 그리고 대부분의 글쓰기 플랫폼이 이를 적절히 표현할 환경을 제공해주지 못하기 때문에(^를 써야 하는 부분에서 알 수 있다), 과학자들은 ^를 쓰지 않아도 되는 다른 거리단위를 개발하였다. 소립자의 수명(1억분의 1초)과 우리은하의 기대수명(100조년)도 거리만큼 차이가 나지만, 아직 시간을 대체하는 측정표현은 본 적 없다.

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AU(천문단위, Astronomic Unit)는 새로이 개발된 거리단위로, 지구와 태양의 평균거리를 1AU라 한다. 지구와 태양은 보통 1억 5000만km 정도 떨어져있기 때문에, 1AU=1억 5000만km이다. 광년(LY)은 가장 널리 쓰이는 단위로, 빛이 1년동안 주행하는 거리를 말한다. 빛은 초속 30만km로 달리는데, 이는 음속(340m/s)과 지구탈출속도(11.2km/s)를 뛰어넘기 때문에 천둥이 번개보다 나중에 울리고 우주에서 지구 표면을 볼 수 있다. 이러한 빛이 1년동안 달리면 그 크기는 자그마치 9조 4600억km로, 63270AU에 해당한다. 마지막으로 파섹(pc)은 광년만큼은 아니지만 잘 쓰이는 단위인데, 연주시차 1초 정도의 거리를 말한다. 지구 축이 기울어졌기 때문에 지구가 공전하면서 별의 위치도 회전하는데, 그래서 천문관측을 할때 별의 위치가 조금씩 차이난다. 연주시차는 별의 위치차이를 말하는 것으로, 1초는 각도에서 쓰이는 그 1초이다. 파섹은 연주시차 1초 정도 차이나는 천체간 거리를 말하는 것으로, 3.26광년에 해당한다.

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그렇다면 이 단위들을 한번 적용해보자. 현재까지 발견된 별 중 가장 큰 별은 UY Scutti로, 지구에서 9300광년 떨어져있으며 적색 초거성에 해당한다. 이 별의 반지름은 8AU에 해당하며, 둘레는 8광시(연도를 시간으로 바꿈)에 달한다. 이 별은 가장 큰 별로 부피가 태양의 1708배에 달하는데, 그러나 이 별이 가장 무거운 별은 아니다. 가장 큰 천제는 블랙홀 TON618인데, 질량이 태양의 660억배에 달한다. 아마 여기서 통상적인 거리단위를 썼다면 아마 숫자 하나마다 이미지로 바꾸느라 매우 고생했을 것이다. 동시에 UY Scutti는 우주가 얼마나 큰지 우리에게 알려주는데, 이것이 '지금까지 발견한 것' 중 가장 큰 별임을 주의하라.

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우주의 크기

현재 관측가능한 우주의 크기는 반지름이 465억광년에 해당한다. 이는 우주의 나이가 138억광년임을 생각할때 말이 안되 보이지만, 우주팽창속도가 광속보다 빠르기 때문에 가능하다. 이 우주안에 우리가 눈으로 볼 수 있는 별은 2000-3000개에 달하며, 1등급 별보다 100배 어두운 6등급 별까지 합치면 약 6000개에 달한다. 여기에 안보이는 별까지 합치면 우리은하에는 1000억-1조개 정도의 별이 있으며, 이러한 은하는 우주에 2000-5000억개 정도 존재한다고 추정된다. 이를 합치면 관측가능한 우주에 존재하는 별의 갯수는 10^23개 정도로 추정되며, 이는 지구의 모래알보다 5-7배 정도 많다. 

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1.천문학의 역사

인간이 우주에 관심을 가지고 우주를 기록한 역사는 꽤 오래되었다. 2020년 현재 발견된 가장 오래된 인류의 유적은 기원전 1만년 경에 축조된 괴베클리 테페 유적인데, 이미 3만년전에 크로마뇽인이 뼈다귀에 달의 위상변화를 기록한 흔적이 있다. 이후 문명이 들어서자, 이집트에서는 주기적으로 범람하는 나일강의 범람시기와 농작물의 파종시기를 예측하기 위해 365일 주기의 양력 달력을 만들었고, 동시기 메소포타미아 지역의 유목민들도 계절을 알기 위해 잘 보이는(메소포티마이아에는 산이 귀하다) 별자리를 활용하고자 하였다. 이들은 또한 황도 12궁을 발견했으며, 황도 12궁이 중요하게 사용되는 점성술도 이들에 의해 고안되었다.

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고대인들은 우주를 신적인 힘에 의해 움직이는 세상으로 파악했다. 이들은 지구가 우주의 중심이라고 생각했으며, 태양과 달, 별 이외에 다른 존재가 있으리라고 생각하지 않았다. 또한 모든 천체가 신에 의해 움직인다고 생각했는데, 일례로 이집트인들은 태양이 하늘신 누트의 주관 아래 아침에 굴에서 나왔다가 저녁에 들어간다고 믿었다. 점성술(astrology)은 천상의 별이나 별자리의 움직임이 인간사를 결정한다는 주장에 근거한 학문으로, 고대에 천문 현상을 연구하는 주된 동기가 되었으며 그 믿음은 21세기에도 살아있다. 점성술이 기반하는 믿음은 당시 고대인들의 우주에 대한 믿음과 일치했기 때문에 점성술은 고대에 천문연구의 주류가 되었다.

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고대인들의 우주관은 지금의 시각에서 상당히 특이하며, 창작의 동기가 되곤 한다. 고대 수메르인은 세상이 하나의 원판이며, 그 가장자리에는 절벽과 끝없는 바다가 펼쳐져 있다고 믿었다. 이러한 땅을 거대한 천구가 덮고 있으며, 해와 달, 별은 그 안에서 움직인다. 비슷하게 중국인들도 땅이 평평하다고 믿었는데, 고대 중국인들은 땅은 네모낳고 하늘은 둥글다고 믿었다. 특이한 우주관은 인도의 우주관으로, 인도인은 땅이 반구형이라고 주장하여 땅이 평평하다고 믿는 당대 다른 문명과 차이점을 보였다. 이들은 반구형의 땅을 4마리의 흰 코끼리가 떠받치고 있으며, 이 코끼리는 거대한 거북이, 이 거북이는 거대한 뱀이 받치고 있다고 믿었다. 이 3가지 동물은 모두 인도에서 신성시되는 동물임을 유의하라.

 

인도인의 우주관. 땅을 받치는 동물은 모두 신성한 동물이다. 고대 인도인들은 무거운 것이 모두 내려간다는 믿음 하에서 우주관을 고안했다.

수메르인의 우주관

천체를 연구하려는 움직임은 서양에 국한되지 않았고 수많은 문명에 존재했다. 이중에는 신라도 포함되어 있다. 신라는 천체관측을 위해 현존하는 가장 오래된 동양 천문관측시설인 첨성대를 지었으며, 그러한 증거로 첨성대에는 당대의 우주 지식이 상당부분 반영되어 있다. 첨성대를 이루는 돌의 개수는 362개로 신라의 1년 날수와 같으며, 원주형 석단의 수도 28개로 당대 신라의 별자리 수와 일치한다. 첨성대에 난 창 아래의 석단은 총 12층으로 1년을 이루는 12개월과 일치하며, 창은 정남고도를 향해 나있다. 이러한 수적 일치를 제외하고도 첨성대는 춘분과 추분에는 창을 통해 비친 햇빛이 바닥까지 닿고, 하지와 동지에는 빛이 비치지 않게 설계되었는데, 이를 통해 당시에 중요하게 여겼던 네가지 날짜를 알수 있게 하였다.

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우주에 대한 고대의 믿음은 고대 그리스에 들어서면서 우주에 대한 논리적인 추론으로 서서히 대체되기 시작했다. 최초의 철학자이자 최초의 수학자라 불리는 탈레스는 처음으로 추론에 근거한 우주관을 제시했는데, 그는 만물이 물이라고 주장하는 사람답게 땅이 물 위에 떠있는 원반이라고 주장했다. 다른 철학자 아낙시만드로스는 지구가 원기둥 모양이고 원기둥의 위쪽 면이 땅이라고 주장했다. 특이한 주장은 피타고라스의 주장인데, 그는 지구와 태양이 구형이며 우주의 중심이 불(태양)이고 다른 천체가 태양을 원궤도로 돈다고 주장했다. 이는 지구 구형론 및 지동설과 일치하지만, 이러한 주장에는 수비학적 배경이 있다. 피타고라스는 원이 한 점에서 모두 동일한 거리를 가지기 때문에 가장 완벽한 도형이며, 따라서 우주의 천체도 원형이어야 한다고 주장했다. 또한 그는 세상을 더러운 인간계인 uranos와 신성한 천상계인 cosmos, 그리고 신성의 근원인 올림포스(olympos)로 나눴는데, 그에 따르면 신성한 천상계의 천체들은 모두 완벽한 도형인 원궤도를 돌아야 하며 더러운 uranos의 지구 따위가 우주의 중심이 되는 일은 있을 수 없는 일이었다. 이후 피타고라스의 철학은 여러 반대파의 반대에 부딫혔지만, 지구가 둥글다는 사실은 에라토스테네스에 의해 검증되어 적어도 천문학자 사이에선 상식이 되었다.

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천동설

천동설은 천체 현상을 설명하는 최초의 이론이다. 각 문명마다 다른 형태를 가진 천동설은 헬레니즘 세계에서 처음 체계적인 형태로 이론화되었는데, 천동설(지구중심설)의 핵심은 천체가 지구를 중심으로 공전한다는 것이다. 이러한 주장은 지구가 움직이지 않는다는 상식적인 관찰과 일치하고, 실제로 달과 태양도 지구를 중심으로 움직이는 것처럼 보이기 때문에 수많은 문명권에서 주류를 차지했다.

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비록 천동설이 가지는 위치가 절대적이었지만, 헬레니즘 세계의 천문학자들은 천동설을 좀더 보완해야 할 필요성을 느꼈다. 왜냐하면 그들의 천문관측 데이터가 늘어나면서 천동설과 일치하지 않는 부분이 생겼기 때문이다. 한가지 반례는 천체들이 도는 원의 중심이 지구와 약간 떨어져 있다는 것이다. 가장 중요한 반례는 행성이 지구를 원궤도로 도는게 아니라는 사실이다. 본래 행성은 한자로 '떠돌이 행성'이라는 뜻으로, 이는 행성이 다른 별과 달리 특정한 궤도를 돌지 않고 어디에 있는지 예측할 수 없기 때문이었다. 헬레니즘 세계에서는 천문관측 데이터가 증가하면서 행성의 궤도가 파악되었지만, 그 모양은 도저히 기하학적으로 아름답다고 할 수 없었다.

 

행성의 겉보기 운동. 갑자기 유턴하는데 뭐지?

이처럼 행성이 보이는 이상한 운동 패턴을 역행 운동이라 하는데, 이 역행 운동을 설명하기 위해 헬레니즘 세계의 천문학자들은 다양한 가설을 동원하였다. 수학자 에우독소스는 동심천구론을 주장했는데, 동심천구론은 지구를 중심에 둔 여러 천구가 움직이면서 천체가 움직이는 듯이 보인다는 주장이다. 에우독소스에 따르면 모든 천체는 천구에 붙박혀 있으며, 이런 천구는 별이 붙어있는 항성구와 태양이 붙어있는 태양구, 그리고 각 행성이 붙어있는 수많은 행성구로 나뉜다. 여기에 따라 에우독소스는 행성의 역행 운동을 각 행성구가 가지는 고유한 운동 패턴에 비추어 설명하려고 노력했다.

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역행 운동에 대한 더 수학적으로 정교한 설명은 수학자 아폴로니오스와 천문학자 히파르코스에 의해 제기되었다. 아폴로니오스는 주전원설을 주장했는데, 주전원설은 행성이 지구가 아니라 주전원이라는 특정한 궤도를 돌고 있으며, 이 주전원이 지구를 중심으로 돌고 있다는 주장이다. 위의 역행 운동 사진을 보면 마치 행성이 보이지 않는 무언가를 중심으로 회전한 듯이 보이는데, 아폴로니오스는 행성이 주전원을 따라 돌기 때문에 그렇다고 설명했다. 또한 모든 천체가 도는 중심점을 지구보다 약간 떨어진 곳에 잡아 이심원 문제를 해결하였다. 이러한 해결책은 천동설이 역행 운동을 설명하게 해주었고, 마침내 당대 최고의 천문학자 프톨레마이오스가 이를 받아들여 천체의 움직임을 종합한 책 '알마게스트'를 출간하게 된다.

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그러나 그럼에도 불구하고 천동설에는 문제점이 남아있었다. 먼저 금성과 수성은 태양과 함께 공전했다. 무슨 소리냐면 수성과 금성의 주전원 중심은 항상 태양과 일직선상에 놓여 있다. 이러한 일치가 왜 일어나는지 천동설은 설명할 수 없었고, 우연의 일치라는 주장은 하늘을 cosmos로 보던 당대의 시각과 양립할 수 없었다. 또한 외행성의 움직임과 내행성의 최대이각도 완벽하게 설명하진 못했다. 더구나 천문학이 발전하면서 이러한 의문이 점증되었는데, 금성이 스스로 빛을 내지 못한다는 사실이 밝혀지자 금성의 보름달 문제를 설명할 수 없다는 반론이 제기되었다. 당시의 천문학자들은 금성이 달처럼 주기적으로 모양이 변한다는 사실을 알고 있었는데, 천동설에 따르면 금성은 항상 초승달 모양이어야 했다.

 

천동설 모형에 따른 금성의 움직임. 금성이 태양보다 가깝기 때문에 금성의 밝은 면은 지구에 보일 수가 없다. 하지만 금성의 보름달은 당시부터 관찰된 현상이다.

또한 연주시차도 천동설에 의해 설명될 수 없었으며, 연주시차의 존재가 천동설을 침몰시키는 결정적인 근거가 되었다. 연주시차는 지구가 태양 주위를 공전하면서 발생하는데, 즉 지동설이 성립해야만 연주시차의 존재가 가능하다. 천동설에 따른다면 지구는 고정되어 있기 때문에, 별의 위치가 제각각으로 달라져서는 안되며 적어도 같은 정도로 달라져야 한다. 헬레니즘 시대에는 연주시차를 측정할 방법이 없었기 때문에 이것이 문제가 되진 않았지만, 근세에 망원경이 발명되면서 연주시차의 측정이 가능해졌고, 결국 연주시차의 발견이 학계에 인정되면서 천동설은 종말을 고하게 되었다.

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지동설의 탄생

앞서 말했듯이 지구가 태양을 돈다는 아이디어는 피타고라스 대부터 존재했다. 피타고라스 학파의 구성원이었던 필룰라오스는 기원전 5세기에 지동설의 아이디어를 제창한 바 있으며, 기원전 3세기의 아리스타르코스도 지구가 태양을 돈다는 지동설을 주장하였다. 그러나 이들의 주장은 근거가 없었기 때문에 정설로 받아들여지지 못했고, 천동설이 정설이 된 채 2000년이 흘렀다.

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지동설이 다시 돌아오게 된 계기는 신부였던 코페르니쿠스였다. 당시 천문학계는 60개의 주전원을 동원해도 깔끔하게 행성의 움직임이 설명되지 않는다는 점에 괴로워하고 있었는데, 코페르니쿠스는 지구가 태양을 돈다고 가정하면 문제를 훨씬 간단하게 만들 수 있다고 주장했다. 신플라톤주의자였던 코페르니쿠스에게 우주가 지구를 중심으로 돈다는 주장은 받아들이기 힘든 주장이었고, 따라서 그에게는 태양이 우주의 중심이라는 주장이 더 설득력 있었다. 그래서 코페르니쿠스에 의해 지동설이 제안되었는데, 종교계의 탄압이 두려웠는지 자신감이 부족했는지 코페르니쿠스는 자신의 지동설을 그저 계산을 편리하게 하기 위한 가정이라고 주장했으며 교황에게도 그렇게 말했다. 또한 지동설을 주장한 그의 책 <천구의 회전에 관하여>도 그가 죽은 후 출판되었다.

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코페르니쿠스가 지동설을 주장하자 천문학에서는 일대 논쟁이 일어났다. 지동설을 미는 새로운 학자들이 전면에 등장했으며 이들은 천동설을 주장하는 기성 학계에 맞서 싸워야 했다. 이들이 상대해야 할 적은 하나 더 있었는데, 바로 카톨릭이었다. 종교개혁으로 입지가 좁아진 카톨릭은 자체적인 신앙 강화를 통해 위기를 헤쳐나가고자 하였고, 이를 위해서 보수적 성향의 예수회가 발족되기도 하였다. 신앙 강화를 목표로 한 카톨릭 교의 입장에서 기독교리와 부합하는 종래의 천동설을 부정하는 주장은 당연히 이단시되었고, 곧 이는 지동설에 대한 공격으로 이어졌다. 지동설과 무한한 우주의 개념을 주장한 브루노는 카톨릭 교회에 의해 화형에 처해졌고, 코페르니쿠스의 책은 금서목록에 올라갔다. 카톨릭 교회는 1992년에야 갈릴레오의 종교재판에 대해 사과하였으며, 지동설을 합리적인 과학이론으로 인정하였다.

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카톨릭의 탄압 속에서도 천문학적 논쟁은 지속되었다. 지동설 지지자들은 밑에서 다룰 갈릴레오의 최신 증거들을 인용했고, 천동설자들은 연주시차가 관측되지 않았다는 점을 들어 지동설을 비판했다. 당시에는 연주시차를 관측할 기술이 없었기 때문에 연주시차는 천동설 측에서 근거로 사용되었다. 한편 티코 브라헤는 여기에 절충안을 내놓았다. 브라헤는 관찰을 통해 그 누구보다 방대한 데이터를 모았던 천문학자로, 초신성과 혜성을 처음 천문학상에 기록하였다. 그는 자신의 데이터를 토대로 태양과 별이 지구 주위를 돌며, 다만 행성은 태양의 주위를 돈다는 절충안을 대안으로 내놓았다.

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이때 코페르니쿠스 이후 큰 지지를 받지 못하였던 지동설은 파도바 대학의 수학 교수였던 갈릴레오가 나타나자 다시금 힘을 얻었다. 갈릴레오는 당대 최신 기술이었던 망원경을 천문학에 도입했는데, 그 자신이 계량한 30배율 광학 망원경을 천문 관측에 사용하였다. 이를 통해 그는 달의 표면과 흑점을 최초로 관찰하였고(은하를 관찰했다는 가설도 있다), 목성의 4개 위성과 토성의 고리도 관측하였다. 이러한 관찰은 천동설은 물론이고, 달의 울퉁불퉁한 표면을 통해 하늘의 것은 신성하다는 종래의 우주 관념을 파괴하였으며, 천상과 지상이 동일한 물리법칙에 따라 움직인다는 개념을 제기하여 물리학의 탄생을 촉진하였다. 비록 신기술에 대한 기성 학자들의 외면과 종교적 탄압에 의해 그는 지동설을 자기 입으로 부정해야 했으나, 그가 제시한 자료들은 지동설에 강력한 증거들을 제공하였다.

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지동설에 대한 최종적인 증명은 브라헤의 제자 요하네스 케플러에 의해 완성되었다. 천문학자이자 점성술사였던 케플러는 코페르니쿠스와 마찬가지로 신플라톤주의자였는데, 마찬가지로 태양이 우주의 중심이어야 한다고 생각했다. 브라헤가 노환으로 사망하자 그는 브라헤가 남긴 데이터로 이를 증명하고자 노력하였다. 당시 지동설은 행성의 움직임을 정확히 예측하지 못해 비판을 받았었는데, 이는 당대 지동설자들이 행성의 궤도를 완전한 원이라고 가정했기 때문이다. 케플러도 처음에는 그렇게 생각했지만, 브라헤의 데이터를 분석한 끝에 그는 행성의 궤도가 타원이라고 하면 모든 예측이 정확해 진다는 사실을 발견하였다. 이를 바탕으로 케플러는 천체의 궤도가 타원이라는 지동설의 개정판과 함께 케플러의 3법칙을 발표하였고, 후에 연주시차가 관측되면서 논쟁은 지동설의 승리로 끝나게 된다.

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뉴턴의 우주

케플러가 지동설을 증명한 이후, 뉴턴은 지동설을 포함하는 새로운 역학 체계를 고안하였다. 역학 최고의 고전이라 일컬어지는 <프린키피아>에서 뉴턴은 뉴턴의 3법칙을 통해 케플러의 3법칙을 모두 유도해냈다. 이는 지상을 설명하는 역학이 천상의 움직임도 완벽하게 예측할 수 있다는 증명이었고, 천상과 지상의 물리학이 다르지 않다는 갈릴레오의 주장이 승리하는 순간이었다. 이러한 성공은 역학과 천문학의 발전을 자극하였고, 이후 라그랑주를 비롯한 유수한 역학자들에 의해 천문학은 어느 학문보다 빠르게 과학화되었다.

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한편 뉴턴은 우주의 크기가 무한하다는 무한우주의 개념을 주장하였는데, 빛의 입자설이 그렇듯 뉴턴의 성공에 고무된 학자들은 뉴턴의 다른 가설도 큰 저항없이 수용하였다. 그러나 1823년 올베르스의 역설이 제기되면서 우주의 크기에 대한 논쟁이 시작되었다. 독일의 아마추어 천문가였던 올베르스는 1832년에 만약 우주의 크기가 무한하다면 밤하늘이 낮처럼 밝아야 한다고 주장했다. 왜냐하면 우주의 크기가 무한하다면 별도 그만큼 많기 때문에, 사방에서 온 별빛이 밤하늘을 가득 메워야 하기 때문이다. 광속이 유한하기 때문에 멀리 있는 별빛이 아직 도달하지 못해서 그렇다고 설명할 수도 있지만, 우주의 역사가 오래되었다는 주장이 대세가 되자 그런 반론도 무의미해졌다. 올베르스의 역설은 우주가 유한하고 태어난지 얼마 안되었다는 주장을 촉발시켰으며, 후에 빅뱅 우주론으로 이어진다.

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2.별

별(star, 항성)은 우주에서 스스로 빛을 내는 천체를 말한다. 이를 보다 과학적으로 정의하면, 수소핵융합을 통해 빛을 발하는 천체를 별이라고 한다. 이는 수소가 가장 낮은 온도에서 안정적으로 핵융합이 일어날 수 있기 때문이다. 그래서 수소 이외에 다른 원소로 핵융합이 이뤄지는 천체는 별로 분류되지 않는다.

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별은 성간운에서 생성된다. 우주는 엄청난 진공인데, 1세제곱미터당 인공적인 진공에서는 3000개의 원자가 존재하지만(1기압에서는 10^14개) 행성간 공간에는 10개가 존재하고 항성간 공간에는 1개만 존재한다.(은하간 공간에서는 0.0001% 확률로 1개 존재한다) 이렇게 밀도가 희박한 공간에 존재하는 물질을 성간물질(interstellar matter)이라 하는데, 성간물질은 수소, 헬륨, 물, 이산화탄소 등의 성간기체와 탄소, 규소, 산소 등의 성간먼지로 이루어져 있다. 보통 성간기체가 성간먼지보다 99배 많은데, 간혹 모종의 이유로 이러한 성간물질이 모여있는 곳을 우리는 성간운이라고 부른다.

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성간운(성운)은 성간기체와 성간먼지로 이뤄진 대규모 성간물질이다. 일찍이 천문학에서도 그 존재가 알려졌으며, 20세기 초까지는 은하와 성단 및 성운을 구분하지 못해 메시에 목록에 은하나 성단들이 성운 명칭으로 올라갔다. 그런데 이러한 성운들이 어떠한 충격파에 의해 서로 응집이 시작되면, 서로 작은 단위로 쪼개져서 중력적 수축을 시작한다. 이렇게 생긴 덩어리는 수축하면서 회전(자전)이 생기게 되고, 곧 압축되면서 편평회전타원체(회전원반체)를 구성한다. 그리고 질량이 충분하다면 어느 시점에 편평회전타원체의 중앙에서 수소핵융합이 일어나는데, 이 천체를 우리는 원시별(protostar)이라 부르며 남은 편평회전타원체의 물질들이 항성계를 구성한다.

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성단은 수백개에서 수십만개의 별이 은하보다 작은 단위로 모여있는 것을 말한다. 어린별 수십개가 모여있는 경우는 성단이 아니라 성협이라고 부르며, 성단은 규모와 형태에 따라 산개성단과 구상성단으로 나눌 수 있다. 산개성단(open cluster)은 수십-수천개의 별이 수광년에서 수십광년 안에 모여있는 성단으로, 중력으로 느슨하게 이어져 있으며 대부분 젊은 별이다. 오직 새로운 별이 생성될 수 있는 쌩쌩한 은하에서만 가능하기 때문에 나선은하와 불규칙 은하에만 존재한다. 우리은하에는 약 1만개 정도 존재한다.

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3.우주탐사

레오나르도 다빈치의 메모에서 가사를 따온 노래 <Sogno di Volare>에서는 인간이 마침내 하늘에 있는 고향에 도달할 것이라고 말한다. 인간이 처음 하늘을 날게 된 이후 우주를 여행하는 상상은 한시도 그친 적이 없었고, 기술의 발전으로 마침내 인류는 지구를 넘어 우주에 도달하게 되었다. 하늘에서 떨어진 인간이 다시 하늘로 돌아가길 갈망하기라도 하는 듯이, 다양한 분야의 학자들과 기술자들이 우주를 탐구하고 조사하기 위해 노력하고 있다.

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망원경과 천문대

본격적인 천문학의 시작은 망원경의 발명과 함께한다. 1608년 네덜란드의 렌즈기술자 한스 리페르셰이가 볼록렌즈와 오목렌즈를 조합하여 상을 확대하는 법을 개발하자, 이것이 망원경과 현미경의 발명으로 이어졌다. 이후 갈릴레오가 이를 개량한 망원경으로 갈릴레오 위성과 달의 크레이터, 금성의 위상변화를 관측했고, 나중에 케플러가 볼록렌즈 2개를 결합하여 더 발전된 망원경을 개발했다. 이후 뉴턴이 동판을 이용해 기존의 렌즈를 이용한 굴절망원경과 다른 반사망원경을 개발했고, 이러한 망원경들을 통해 기존에 보이지 않았던 별이나 행성, 위성 등 각종 천체들을 관측할 수 있게 되었다.

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망원경은 크게 4종류로 나눌 수 있다. 굴절 망원경은 볼록렌즈를 이용하는 망원경으로, 볼록렌즈 여러개를 조합하여 상을 크게 확대한다. 값이 싸고 성능이 좋아서 아마추어용 망원경의 대부분이 굴절 망원경이지만, 렌즈의 크기가 커지면 커질수록 수차가 커지기 때문에 천문대에서 사용하는 대구경 망원경에는 잘 쓰이지 않는다. 천문대에서 사용하는 망원경은 반사망원경인데, 반사망원경은 별빛을 망원경 내부의 거울에서 반사해서 이 반사광을 렌즈로 관측하는 망원경으로, 망원경이 아무리 크던 렌즈 크기는 변함이 없기 때문에 자주 애용된다. 이러한 망원경들은 모두 가시광선을 관측하는 광학망원경인데, 이말은 즉슨 가시광선말고 다른 것을 관찰하는 망원경도 있다는 뜻이다. 빛은 파장이 길수록 회절이 덜해서 멀리 있는 천체를 관측할때는 파장이 긴 빛을 보는게 유리한데, 그래서 전파망원경이 세계 각지에서 애용된다. 전파망원경은 말 그대로 우주에서 오는 전파를 관측하는 망원경으로, 전파를 관측하기 때문에 광학망원경으로 못보는 것도 볼 수 있다. 우주망원경은 아예 우주에 존재하는 망원경인데, 지상에 있는 망원경은 대기에 의해 걸러진 빛을 보기 때문에 상에 오류가 생긴다. 반면에 우주에는 대기가 없어서 빛을 거의 있는 그대로 볼 수 있기 때문에 우주망원경은 지상의 망원경보다 더 깨끗한 시야를 제공한다.

 

전파망원경. 대부분 사이즈가 매우 크다. 사진은 세계 최대의 망원경인 아레시보 전파망원경.

세계 최초의 우주망원경인 허블 우주망원경.

천문대는 망원경을 이용하여 우주의 천체를 관측하는 시설을 말한다. 일반적인 도시는 빛공해와 대기오염이 심해 천문관측이 힘들기 때문에 천문대를 지으려면 특별한 입지조건이 갖춰져야 한다. 천문대를 짓는 곳은 빛공해나 대기오염이 적어야 하고, 구름이나 비가 적어야 하며, 대기요동과 대기에 의한 빛의 차단이 최소화되어야 한다. 첫번째는 도시 최외곽지대, 두번째는 건조한 지역, 세번째는 산지가 이 기준을 만족한다. 이때문에 천문대는 주로 건조한 지역의 도시외곽 산꼭대기에 지어진다.

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천체관측과 빛

태양은 주로 가시광선을 방사하지만, 모든 천체가 그러진 않는다. 지구나 성운은 적외선을 방사하고, 블랙홀은 X선을 방사하며, 다른 별은 자외선을 방사할 수도 있다. 이처럼 각 천체가 방사하는 빛이 다양하고, 또 빛의 파장에 따라 도달거리에 차이가 나기 때문에 천체관측은 가시광선에 의지하기보다는 다양한 파장의 빛을 관측하여 수행되는게 좋다. 전파는 통상적인 전파망원경을 통해 측정하고, 적외선도 전파 못지않게 투과성이 좋기 때문에 COBE나 적외선 천문위성 IRAS에서 관측한다. 가시광선은 일반적인 광학망원경으로 측정한다. 가시광선보다 파장이 짧은 빛은 멀리까지 잘 가지 못해 잘 쓰이지 않지만, 중성자별, 블랙홀, 퀘이사 등 질량이 큰 천체들은 감마선을 방사하며, 특히 블랙홀이 방사하는 X선은 블랙홀이 방사하는 유일한 빛이기 때문에 고파장의 빛들도 천체관측의 대상이 된다. 관측위성 XMM이 X선을 관측하며, 다른 관측위성 CGRO는 감마선을 관측한다.

 

각기 다른 파장의 빛으로 본 안드로메다 은하. 관측하는 빛의 파장에 따라 다른 모습이 관찰된다.

세계의 망원경

세계에서 가장 큰 광학망원경은 미국 애리조나 주의 그레이엄 산지 해발 3000m 지점에 위치한 LBT(Large Binocular Telescope)이다. 렌즈를 통한 관측에는 한계가 있기 때문에, LBT는 렌즈를 2개 달아서 관측성능을 향상시켰다. 그래서 주경 지름은 8.4m지만, 실제 성능은 11.8m에 달한다. 2002년에 착공하여 2005년부터 임무를 개시하였다. 한편 E-ELT(European Extremely Large Telescope)는 현재 ESA에서 건조중인 광학망원경으로, 2025년에 가동할 예정이다. 798개의 육각형 거울을 이어붙여 지름 39.3m의 거대 망원경인데, 가시광선과 근적외선을 관측한다. 미국도 TMT(Thirty Meter Telescope) 계획이란 이름으로 비슷한 대형 광학망원경을 제작할 예정이다.

 

LBT

허블 우주망원경은 아마 마원경 중에서 가장 유명한 망원경일 것이다. 세계 최초의 우주망원경인 허블 망원경은 지름 2.4m에 무게는 12톤으로, 1990년 우주왕복선 디스커버리 호에 실려 우주로 날아갔다. 대부분의 감마선, X선, 자외선, 그리고 일부 적외선은 대기를 투과하지 못하거나 소량만 지상에 도달하기 때문에 우주에서 천체를 관측할 경우 지상에서의 관측보다 더 좋은 상을 얻을 수 있다. 허블 망원경은 이를 위해 발사된 것으로, 궤도에 올려진 이래 수많은 과학적 발견의 주인공이 되었다. 1993년에 거울에서 2마이크로미토 정도의 구면수차가 발생했으나 곧 수리되었으며, 2021년에 활동을 마치고 은퇴할 계획이다.

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스피처 우주망원경은 허블 망원경을 대체하기 위해 발사된 우주망원경으로 2003년 발사되었다. 주경 지름은 0.85m이며, 3.6-160μm 대역의 적외선을 관측한다. 적외선 망원경이기 때문에 온도에 매우 민감해서 액체헬륨으로 자체온도를 냉각한다. 현재는 2009년부터 액체헬륨이 고갈되어 결국 2020년 1월 30일자로 퇴역하였다. 허셜 우주망원경은 ESA에서 2009년 독자적으로 발사한 우주망원경인데, 주경지름은 3.5m이고 60-670μm 대역의 적외선을 관측한다. 역시 같은 이유로 스피처 망원경처럼 자신을 영하 272도로 냉각하고 있으며, 초기 우주에서 은하의 생성/진화와 별의 생성 및 성간 매질과의 관계, 태양계 천체들의 화학적 구성 및 대기구성, 우주 전체의 분자화학 연구를 위해 임무를 수행하고 있다.

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제임스 웹 우주망원경(JWST)은 작은 반사경 18개로 구성된 주경지름 6.5m의 우주망원경으로, 나사와 ESA, 캐나다에서 발사하여 공동으로 운영할 예정이다. 0.6-28μm 대역의 적외선을 관측하며 이를 위해 자신을 영하 233도로 냉각한다. 2021년 3월에 발사될 예정이며, 궤도에 들어서면 암흑시대의 끝과 초기은하, 초기 행성계의 모습을 관측하고 외계생명체의 흔적을 탐색할 예정이다. ATLAST(Advanced Technology Large-Aperture Space Telescope)는 스피처 망원경을 대신해서 이번에 퇴역하는 허블 망원경을 대체할 우주망원경으로, 조절을 통해 자외선과 가시광선, 근적외선을 원하는대로 관측할 수 있다. 구경은 8-16m로 예상되며 2025-2035년에 발사될 예정이다.

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우주로

탈출속도는 어느 천체의 중력권에서 탈출하기 위해 필요한 속도를 말한다. 지구에서 원궤도로 돌기 위한 탈출속도는 7.9km/s이며(제1우주속도), 지구를 탈출하기 위해서는 11.2lm/s의 속도가 필요하다.(제2우주속도) 어떤 천체는 탈출속도가 광속을 능가해서 빛조차도 천체를 탈출하지 못하는데, 이러한 천체를 블랙홀이라 한다. 아래의 표는 태양계 내 각 천체들을 탈출하기 위한 탈출속도이며, 태양계를 탈출하려면 12.4km/s의 속도를 내야 한다.(제3우주속도)

 

태양계 내 천체의 탈출속도

인간이 중력가속도보다 빨리 날 수 있게 된 이후, 우주경쟁에서 초반의 승기는 늘 소련이 차지하였다. 소련은 1957년 10월 세계 최초로 인공위성 스푸트니크 1호를 우주로 발사하였고, 동해 11월에는 스푸트니크 2호에 실어 라이카를 보내 세계 최초로 우주에 생명체를 보냈으며, 1961년에는 우주비행사 유리 가가린을 보스토크 1호에 태워 세계최초로 인간을 우주로 보냈다. 달에 가장 먼저 위성을 보낸 것도 소련이며, 소련은 1959년 루나 1호를 달 궤도로 보냈고 1966년에는 탐사선 루나 9호를 보내 세계 최초로 달에 인간의 흔적을 착륙시켰다. 인류 처음으로 우주로 날아간 가가린은 지구를 보고 이런 말을 남겼다고 한다.

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небо очень и очень темное, а Земля голубоватая. Все хорошо видно.

우주는 매우 어두웠으나, 지구는 푸르렀다. 모든 것이 명확하게 보였다.

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소련이 앞서가는 동안 미국은 상대적으로 뒤쳐졌다. 첫번째 로켓은 실패로 끝났고 두번째가 되서야 겨우 우주로 가는데 성공했다. 우주인도 소련이 우주에 도달한 나중에야 도달했다. 미국은 우주경쟁에서 앞서가고자 달탐사만이라도 앞서려고 노력했으나, 파이오니어 1,2,3호 모두 달 궤도 진입에 실패했고 4호가 되어서야 1959년 진입에 성공했다. 1966년에는 미국도 달에 서베이어 1호를 착륙시켰는데, 이는 소련보다 3개월이나 늦은 것이었다. 그러나 케네디의 유명한 연설 이후 인류를 아폴로 프로젝트로 보내겠다는 일념 하에 전미가 움직였고, 마침내 1969년 7월 21일 11시 56분 20초, 아폴로 11호에 탄 닐 암스트롱과 버즈 올드린이 고요의 바다에 착륙하여, 인류 최초로 달에 상륙하였다. 이후 아폴로 우주선은 17호까지 발사되었으며, 17호가 갔을때는 75시간동안 30.5km를 주행하면서 달을 탐사했다.

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아폴로 11호는 달탐사를 수행하면서 달에 지진계와 레이저반사경을 설치하였고, 그래서 달의 지진에 대한 통래의 학설이 뒤짚어졌으며 현재 우리도 달에 전파를 보내 반사되어 되돌아오는 것을 직접 실험하고 관찰할 수 있다. 또한 아폴로 11호는 돌아오면서 월석과 달의 토양을 샘플로 채취해왔으며, 착륙선 이글도 버려두고 왔다. 그리고 쓸모없는 생명유지장치와 일부 기념품도 달에 두고 왔으며, 공식기록에는 카메라도 두고왔어야 했지만 암스트롱이 몰래 들고왔다고 나중에 암스트롱의 유족이 밝혔다. 미국의 달착륙이 음모라는 개소리가 점점 인터넷에서 힘을 얻고 있는데, 나무위키#에서 이에 대한 통렬하고 논리적인 반박이 아주 세세하고 친절하게 기재되어 있다. 나무위키보다도 공신력이 떨어지는 주장이 인터넷에서 확산되고 있다는 사실은, 과학교육(특히 미국)이 부실하다는 강력한 증거중 하나이며 숙고하지 않는 인간이 얼마나 멍청하고 아둔해 질 수 있는지에 대한 좋은 증거이다.

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달탐사 계획

아폴로 계획이 끝난후 달탐사는 채산성이 맞지 않다는 판단에 의해 거의 무시되었지만, 최근에 헬륨3가 달에 풍부하다는 사실이 알려지고 미국의 가치를 드높이겠다고 선전하는 트럼프가 집권하면서 달탐사에 대한 관심도 다시 높아졌다. 이미 오바마 행정부 초기에 미국은 2020년 달에 기지를 건설한다는 계획을 내놓았는데, 당시 AI가 탑재된 로봇을 이용해 달의 재질로 기지를 짓는다는 계획이 제안되었지만 예산부족으로 취소되었다. 이외에 JAXA가 나사와 협력하여 2025년에 달에 식민지를 짓는다는 계획을 세워놓았으며, 러시아는 2030년, 중국은 2050년에 달 기지를 짓기로 계획하였다.

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챌린저 호 폭발사고 이후 우주선의 안전성에 대한 기준이 강해지면서 다음 달탐사 미션에는 일회용 우주선을 쓰게 되는데, 기존 계획에 따르면 오리온 우주선을 다단식 일회용 로켓(CEV, Crew Exploration Vehicle이라고 불림)인 아레스 로켓 실어 발사해 우주정거장과 도킹 후, 2020년 이후에 오리온 우주선을 달에 보낼 계획이었다. 실제로 미국은 2009년에 달궤도 탐사선인 LRO(Lunar Reconnaissance Orbiter)와 LCROSS(Lunar CrateR Observation and Sensing Satellite)를 발사했다. 그러나 오바마 행정부의 예산부족으로 인해 취소되었다가 트럼프가 집권하면서 컨스털레이션 프로젝트(project constellation)라는 새로운 프로젝트가 발족되었으며, 이것이 아르테미스 계획으로 개편된 후 우주탐사 분야의 다크호스 엘론 머스크가 참가하면서 대중의 인지도가 높아졌다.

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한국의 우주탐사

한국은 세계적인 기술역량을 갖춘 선진국이지만, 각종 규제와 정치권의 무관심에 의해 우주기술의 발전은 매우 더디다. 한국의 최초의 인공위성인 우리별 1호는 외국산 기술로 만들어져 1992년 우주로 나갔으며, 2008년에는 국내 최초의 우주비행사 이소연이 남의 나라 우주선에 실려 우주에 나갔는데 그마저도 내부 권력다툼으로 인해 명단에서 지워졌다. 한국은 현재 인공위성과 달 탐사선을 만들 기술력은 충분히 갖추고 있지만, 2020년까지 한국은 스스로 우주로 나갈 로켓 하나 갖추지 못하고 있다. 다행히 문재인 정부에 들어서 누리호 로켓이 개발되고 있으며, 개발이 완료되면 한국도 우주로 나갈 독자적인 기술력을 갖출 것으로 예상된다.

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아르테미스 계획에는 러시아, 유럽, 일본 등 다양한 나라가 참여하고 있지만, 한국은 기술력이 턱없이 모자라 달 탐사선 보태주겠다는 제안도 거절당했다. 그러나 한국도 나름대로 달탐사 계획을(실현가능성은 논외로 두고) 준비하고 있다. 한국 정부는 2021년까지 앞에서 말한 누리호를 완성하고, 이를 기반으로 2030년에 달 탐사선을 누리호에 실어 달로 보낼 계획이다. 필자는 그냥 미국의 팰컨 헤비를 사서 거기에 달아 쏘면 안되는지 의문이다.

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로슈 한계​

로슈 한계(roche limit)는 1848년 프랑스 천문학자 로슈가 발견한 개념으로, 위성이 모행성의 기조력에 의해 무너지지 않고 버틸수 있는 한계거리이다. 행성을 도는 위성은 행성에 의해 끊임없이 기조력을 받는데, 기조력이 너무 크면 행성에 가까운 면과 먼 면이 분리되어 천체가 파괴된다. 이를 방지하려면 위성이 가지는 자체 중력이 모행성의 기조력보다 커야 하는데, 행성의 기조력과 위성의 중력이 동일해지는 거리가 로슈 한계이다. 

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모든 위성은 로슈 한계 외부에 위치하며, 로슈 한계 내부에 위치한 위성은 행성의 기조력을 이기지 못하고 작은 천체로 분할된다. 가스행성이 가지는 고리들이 바로 기조력에 의해 부서진 위성의 잔해이다. 지구의 로슈 한계는 9500-18300km로, 달은 이 밖에 위치해 있다. 이 안에 위치한 저궤도 위성들은 왜 붕괴하지 않냐고 질문할 수 있는데, 이는 인공위성이 너무 작기 때문이다. 인공위성은 중력이 아니라 금속을 유지하는 전자기력으로 결합된 물체인데, 전자기력은 중력보다 매우 크다. 특히 작은 물체일수록 중력보다는 전자기력(반데르발스 힘)을 통해 하나의 물체로 존재하기 때문에 작은 물체들(이거나 강도가 튼튼한 물체)은 로슈 한계 안에 있어도 붕괴하지 않는다.

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성운설

성운설은 별의 탄생을 설명하는 학계의 정설로, 프랑스의 역학자 라플라스가 먼저 제안했으며 철학자 칸트도 그러한 개념을 제안한 바 있다. 별의 탄생을 설명하는 학설에는 소행성설, 조석설 등이 있는데, 성운설은 이들과 달리 성운이 뭉치면서 별이 탄생한다고 본다. 

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성운은 은하에 존재하는 수광년 크기의 먼지와 가스 덩어리로, 수소,헬륨 등의 가벼운 기체가 99%를 차지하고 나머지 1%는 먼지로 되어 있다. 별의 폭발로 인해 탄생한 성운은 중력에 의해 다시 뭉치게 되는데, 이때 무거운 먼지들이 먼저 천체를 형성하여 중심핵이 되고 여기에 다른 가스들이 붙으면서 항성이 형성된다. 한편 가스들이 점점 뭉쳐지고 운동량이 보존되면서 더 조밀하고 빠르게 자전하는 회전원반체가 형성되는데, 회전원반체의 자전이 너무 빠르게 이뤄지면서 안에 있는 성운이 항성에 흡수되기 전에 스스로 뭉쳐 천체를 형성하는 경우가 발생한다. 이렇게 형성된 천체를 행성이라 부르며, 상대적으로 항성이 가스를 다 흡수해버린 항성 근처에서는 먼지로 된 암석행성(지구형 행성)이 탄생하는 반면 가스가 아직 많이 남아있는 바깥쪽에는 목성형 행성이 형성된다.

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성운설에 따르면 성운은 한 방향으로 자전하기 때문에 성운에서 형성되는 항성의 자전방향과 다른 행성의 공전방향이 일치하게 된다. 실제로도 태양계의 행성은 모두 공전방향이 같기 때문에, 성운설은 예측의 성공에 힘입어 학계의 정설이 되었다. 게다가 우주관측 기술이 발전하면서 태양계 외부에 대한 조사도 진행되었는데, 그 결과 성운 안쪽에서 원시항성으로 보이는 천체가 발견되면서 성운설은 다시금 힘을 얻었다.