오늘 이 시간에는 천체물리학의 다양한 이론에 대한 소개를 해 드리려고 합니다. 그 중에서도 중력파, 항성풍, 전자기복사, 슈테판-볼츠만의 법칙에 대해 아래에서 자세히 설명드리겠습니다.
중력파란?
중력파란 쉽게 말해 질량을 가진 물체가 가속운동을 할 때 발생하는 시공간의 물결입니다. 즉, 우리가 일상생활에서 경험하는 모든 힘 중에서도 가장 강력한 힘인 중력이 공간과 시간을 일그러뜨리는 파동 형태로 전달되는 것입니다. 이러한 중력파는 태양 질량의 36배 이상인 별이 폭발하거나 블랙홀이 생성될 때 만들어집니다. 중력파 검출방법은 크게 두가지로 나뉩니다. 먼저 첫번째로는 라이고(LIGO)라고 불리는 미국 국립연구소에서 진행중인 LIGO 프로젝트가 있습니다. 이것은 지구로부터 약 1억2500만km 떨어진 곳에 위치한 쌍둥이 거울을 이용해서 중력파를 검출하는 방식입니다. 하지만 아직까지는 신호가 미약하게 감지되어 정확한 결과를 얻는데 어려움이 있다고 합니다. 또한 다른 한가지 방법으로는 유럽입자물리연구소(CERN)에서 진행중인 CMS프로젝트가 있습니다. 이것은 지하 100m 깊이에 설치된 거대강입자가속기 안에 들어있는 양성자 빔을 충돌시켜 생긴 에너지 차이를 분석함으로써 중력파를 검출하는 방식입니다. 현재로서는 CMS방식이 좀 더 유력합니다. 먼저 천체물리학 분야에서는 빅뱅이론 이후 우주의 탄생과정을 연구하는데 큰 도움이 될 것으로 기대됩니다. 그리고 천문학분야에서는 은하형성 과정 및 초신성폭발 등 다양한 천문현상을 이해하는데 기여할 것으로 예상됩니다. 더불어 물리학분야에서는 물질의 근원및 입자간 상호작용등 현대물리학의 근본원리를 규명하는데 많은 도움이 될 것으로 보입니다.
항성풍이란?
항성풍이란 별 주위를 도는 행성들이 내뿜는 가스나 먼지 등의 입자들을 말합니다. 이 입자는 태양계 내에서는 주로 목성과 토성 사이의 공간에서 많이 발견됩니다. 하지만 최근 지구에서도 관측되고 있다고 합니다. 그렇다면 왜 우리 은하 안에서만 이렇게 많은 항성풍이 발생하고 어떻게 생기는건지 알아보겠습니다. 우주는 너무 넓고 멀리 떨어져 있어서 직접 관찰하기 어렵기 때문입니다. 대신 간접적으로 연구하는데 이를 `우주배경복사`라고 합니다. 우주배경복사는 빅뱅 이후 38만년 동안 우주 전체에 퍼져있는 복사에너지로서 모든 방향에서 같은 세기로 방출되기 때문에 현재까지도 매우 안정하게 존재한다고 알려져 있습니다. 또한 우주배경복사로부터 온도 분포를 계산하면 초기 우주의 모습을 알 수 있고, 암흑물질과 암흑에너지의 양을 추정할 수 있으며, 미래의 우주모습 예측도 가능합니다. 항성풍이 앞으로의 인류에게 미치는 영향은 크게 두 가지로 예상됩니다. 첫 번째는 달 탐사 및 화성 탐사 시 위험요소라는 점입니다. 만약 사람이 탄 우주선이 항성풍에 휩쓸린다면 큰 피해를 입을 수 있습니다. 실제로 지난 2011년 9월 NASA의 무인탐사선 ‘딥 임팩트’ 호가 혜성 템펠 1과의 충돌 실험을 하던 중 엄청난 크기의 충격파가 발생했는데 이때 생긴 충격파가 대기권 바깥으로까지 전달되면서 지상에까지 진동이 전해졌다고 합니다. 게다가 딥 임팩트 호는 지름이 약 4m밖에 되지 않는 작은 물체였기 때문에 더욱더 심각한 문제였습니다.
두 번째는 인공위성 운용시 장애물이라는 점입니다. 예를 들어 통신위성이 고장 난 경우 전파 수신이 불가능해지면서 국제통신망이 마비될 수 있죠. 뿐만 아니라 GPS 신호 교란 역시 일어날 수 있습니다. 따라서 향후 이러한 문제점을 해결하기 위해 다양한 방법이 논의되고 있지만 아직까지는 뚜렷한 대안이 없는 상태입니다.
전자기복사란?
전자기복사는 우리 생활과 밀접하게 연관되어있는 현상입니다. 하지만 아직까지도 많은 사람들이 이 현상에 대해 정확하게 알지 못하고 있고, 제대로 이해하기 위해서는 전문적인 지식이 필요합니다. 전자기복사에 대해 자세하게 알아보고자 합니다.전자파는 전기장과 자기장이 주기적으로 변화하면서 공간 속으로 퍼져나가는 파동으로서, 빛과는 다른 성질을 가지고 있습니다. 전자파는 주파수(진동수)에 따라 분류되는데, 1초 동안 진동하는 횟수인 헤르츠(Hz) 단위로 표시됩니다. 예를 들어 300MHz 이상의 고주파 영역에서는 가시광선처럼 직진성이 강한 반면, 100MHz 이하의 저주파 영역에서는 반사되는 특성을 가집니다. 무선통신은 전파나 적외선 등의 신호를 이용하여 먼 거리에서도 정보를 주고받는 통신 방식입니다. 유선통신과의 차이점은 선 없이 송수신한다는 점이며, 이동성 또한 뛰어납니다. 최근에는 스마트폰 및 각종 모바일 기기들을 통한 무선통신 기술이 발달함에 따라 일상생활 곳곳에서 무선통신을 접할 수 있게 되었습니다. 적외선은 파장이 긴 전자기파로서, 열에너지를 많이 함유하고 있어서 열선 또는 열선광이라고도 불립니다. 온도가 높을수록 에너지가 큰 적외선이 많이 발생하는데, 태양으로부터 나오는 복사열 역시 적외선에 해당합니다. 이러한 적외선은 눈에 보이지 않고 피부로도 느낄 수 없지만, 물체에 닿으면 흡수되고 다시 튕겨나오는 특징이 있습니다. 따라서 뜨거운 물체 근처에 가면 따뜻함을 느끼게 됩니다.
슈테판-볼츠만의 법칙이란
슈테판-볼츠만의 법칙이란 19세기 독일의 물리학자 슈테판-볼츠만이 제안한 열역학 제 2법칙입니다. 이 법칙은 에너지 보존과 엔트로피 증가 사이의 관계를 나타내는 법칙입니다. 즉, 어떤 계(system)내에서는 항상 일정한 양의 에너지가 존재하며, 외부로부터 유입되거나 내부에너지가 감소되지 않는 한 모든 에너지는 소멸되지 않고 보존된다는 내용입니다. 19세기 말 오스트리아의 물리학자 슈테판-볼츠만은 기체 분자 운동론이라는 이론을 발표했어요. 그리고 이를 토대로 온도 변화에 따른 기체분자의 충돌 횟수 및 운동량 등을 계산하였는데, 이것이 바로 '슈테판-볼츠만의 법칙'이랍니다. 보통 우리가 알고있는 열역학 제 1법칙은 에너지 보존 법칙이고, 제 2법칙은 엔트로피 증가 법칙입니다. 하지만 당시 과학자들은 아직 자연계 내에서의 물질 상태나 과정들을 이해하기엔 부족했기 때문에 두 가지 법칙 모두 명확하게 정의내릴 수 없었어요. 그래서 많은 과학자들이 열의 출입 여부만을 가지고 판단했는데, 이때 발견된것이 바로 ‘온도’랍니다. 실제로 현대 사회에서도 많이 찾아볼 수 있답니다. 예를 들어 자동차 엔진룸 안에선 연료 탱크 속의 연료가 연소되면서 발생하는 열에너지가 냉각수를 가열시켜 라디에이터를 통과하면서 냉각됩니다. 이렇게 되면 실린더 주변의 온도가 올라가고, 이로 인해 피스톤이 움직이면서 동력을 생산하게 됩니다. 또한 공장 굴뚝에서 나오는 연기 역시 수증기 형태의 뜨거운 공기가 차가운 공기와 만나며 생기는 현상이기 때문에 결국 같은 원리라고 볼 수 있습니다.
오늘은 중력파, 항성풍, 전자기복사, 슈테판-볼츠만의 법칙에 대한 이론 정리를 해 보았습니다. 앞으로는 더욱 다양한 주제로 여러분께 도움이 될만한 글을 쓰도록 하겠습니다. 감사합니다.