2022 중력파, 수치상대론 여름학교 - 2. 다파장 천문학과 다중신호 천문학 (손정주)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

다파장 천문학과 다중신호 천문학 _ 한국교원대학교 손정주

 

 

 

1.     천체 관측

- 경주 첨성대 (남산에 방해받지 않을 9m 높이, 내진 설계)

- 관찰 활동에 대한 꾸준한 기록, 기록 자료에 대한 분석, 계획과 목적 -> 천체 관측

- 점으로 보이는 천체 vs 퍼져 있는 모양의 천체 (점 광원과 퍼진 광원, 별 vs 은하, 성운, 행성상 성운: 초신성 잔해 -> 우리 은하 규모의 또다른 성운들을 알게 된 것은 불과 백 년의 역사)

- 임마누엘 칸트: 하늘에는 공간이 많은데, 왜 행성들은 황도로만 지나다닐까? -> 성운설

- 천체 관측에 대한 오차 요인들 (천문학은 수동적인 학문이기도 하다. 빛이 전해주는 정보에 한해서)

- 인공위성이 본 지구의 밤 모습 -> 우리 스스로 우주 안의 천체이다. 

 

 

 

2.     천체 관측 기기의 역사

- 사람의 눈 (소지가 용이하고, 특별한 관리가 필요 없고, 쉽고 넓게 볼 수 있음)

- 객관적인 자료와 근거 -> 망원경의 개발과 깊은 관련이 있다. 

- 망원경으로 첫 천체 관측은 갈릴레오 갈릴레이 -> 눈의 6배 이상 면적의 관측

: 이전에 볼 수 없었던 현상에 대한 설명이 가능했다. 

: 태양 흑점 스케치, 달 표면 스케치, 목성의 갈릴레오 위성들 관측 (이오, 유로파, 가니메데, 칼리스토) 목성을 중심으로 공전하는 4개의 위성들, 금성의 위상 변화 -> 지동설의 근거

- 뉴턴: 갈릴레오 굴절식 망원경을 개선 -> 뉴턴식 반사 망원경 -> 케플러식 망원경 -> 거대 반사 망원경, 분광학의 아버지(다양한 파장대의 태양 빛)

 

- 윌리엄 허셜: 눈으로 발견할 수 없었던 천왕성 발견, 일생동안 400개의 망원경을 만들었다.

: 윌리엄 허셜의 여동생 -> 관측 조수, 스스로 혜성 연구를 했다.

: 허셜은 망원경을 갖고 별을 세기 시작했다. 별들이 일정한 간격으로 떨어졌다는 가정 하에, 우리 은하의 은하수 부분, 공간을 설명하게 된다.

- 윌리엄 허셜은 적외선을 발견한 사람이다. 보이지 않는 빛을 찾는다는 것은 어려운 일

-> 붉은색 파장 저 너머의 온도계의 온도가 더 높은 상태 -> 내가 보이지 않는 파장대에도 보이지 않는 빛의 파장 (적외선)이 있구나 발견

- 윌리엄 허셜의 아들: NGC 새로운 체계를 만들었다. 

 

- 베셀: 가까이 있는 천체 -> 연주시차 (삼각 시차)로 천체의 거리를 측정하기 시작했다.

: 우주에 있는 천체들의 거리를 측정하기 시작했다. (거리 사다리)

- > 거리 사다리를 통해 ‘우주의 크기가 최소한 이것보다는 커야 한다’를 정의하기 시작

- 프라운 호퍼: 태양 흡수선 -> 패턴 -> 천체의 원소 분석

 

- 에드윈 허블: 천체들이 어떤 원리로 저렇게 보여지는 것일까?

: 우주는 우리 은하가 전부인가? 논쟁 (셰플리: 허블의 상관, 구상성단, 우리 은하의 규모를 굉장히 크게 봄)

- 헨리 에타 리비트: 스펙트럼을 분석하여 천체 분류 -> OBAFGKM 하버드 항성 분류 체계

: 분류하기가 어려운 변광하는 천체를 관측함 -> 첫 변광성이 세페이드에 있었음: 셰페이드 변광성 -> 주기와 광도의 평균 광도에 대한 관계식을 찾게 된다. -> 주기만 알면 이 주기에 의한 별의 대략적인 질량을 추정할 수 있다. -> 절대 광도 추정 -> 실시 광도와의 비교를 통해 거리를 추정할 수 있다.

- 허블: 안드로메다 은하 내부의 세페이드 변광성 주기를 활용하여 거리를 추정하였다. 

: 논쟁 밖의 거리 -> 외부 은하임을 밝혔다.

- 외부 은하들의 후퇴 속도를 통해 우주 팽창을 밝힘

 

 

 

3.     전파 천문학, 망원경 연구

- 가시광선을 너머, 전파 관측이 이루어지기 시작함 (망원경의 모습은 관측 파장대에 영향)

- 펜지어스와 윌슨: 우주배경복사 관측 (TV 잡음 신호), 주변 오차를 모두 제외해도 늘 보이는 잡음, 배경 복사를 발견했다.

- 더 어둡고, 고도가 높아 대기의 질이 좋은 곳에서 관측하기 시작함 (너무 고립되면 사람이 오가기 힘들다.) 하와이 마우나 케아 망원경

- 망원경도 국가의 영향을 받는다.

- 여전히 대기에 의한 신호의 교란이 크다 -> 적응 광학 (AO) -> 퍼진 광원을 점 광원으로 다시 변환할 수 있다. (노이즈 켄슬링 방식!)

- 적응 광학을 통해 분해능을 향상시킬 수 있다. (대기에 의한 효과를 줄여서)

- 케플러 법칙을 통해 행성들의 운동으로부터 질량을 구할 수 있다.

- 우리 은하 안의 별: 천억 개 -> 이것도 케플러 운동의 결과 -> 우리 은하 중심에 태양 질량 천억배가 있어야, 태양의 공전 운동이 설명된다.

 

 

 

4.     다파장 천문학과 우주 망원경

- 지구의 대기에 의해 볼 수 있는 window가 한정적임

- 가시광선 파장대 -> 별 빛에 맞춰져 있음

-> 별보다 온도가 낮으면 적외선 활용

- 성운들, 우주 배경 복사 -> 전파 활용

- 온도가 더 높아지게 되면 자외선 활용 

- X-ray 관측 (강착 원반, 제트)

- 감마선 관측: 파장이 짧아질수록 산란이 많이 일어나서, 어디서 이게 온 것인지 찾기 어려워 짐

: 천체들도 이렇게 다양한 파장으로 관측했을 때, 더 잘 설명할 수 있다. (다파장 연구의 중요성)

 

 

 

5.     관측 천문학의 미래, 현대 우주론

- 관측 비행기도 있다

- 인공 위성들, 천체 관측의 목적을 가진 망원경들

- 허블 망원경: 에드윈 허블의 업적 (외부은하 발견, 우주가 팽창한다는 사실을 밝힘)

-> 많은 사람들이 연구에 대한 의구심을 제기했다. 어렵게 우주에 대해 연구했다.

- 5번의 수리(그래비티 영화), 30살이 넘게 아직도 역할을 하고 있다. 

- 우리는 태양이 어떻게 만들어졌는지, 재현할 수도 없고 잘 알지도 못한다. 

: 이론적인 설명만 있었는데, 허블의 관측 자료를 통해 별들이 만들어지는 모습을 또렷하게 보여주었다! 밝은 부분에서는 초신성이 터진 것: 성간 물질이 많은 곳에 밀도가 높아져서 중력적 수축 -> 우리가 이론적으로 설명했던 부분들이 보여지는구나

- 원반을 가진 원시 별 생성 과정, 성운 수축, 자전, 항성풍, 제트, 이러한 것들을 실제 관측

-> 밝은 부분을 가려서 어두운 부분을 관측하는 것 (코로나그래피)

 

- 성단에서 별들이 함께 생겨난다 -> 플레이아데스 성단 -> 구상성단

: 다양한 나이의 성단 (우리는 몇 살까지 살죠? 우리 스스로는 알 수 없지만, 우리보다 나이가 많은 사람들을 보고 알 수 있다.)

-> 태양보다 먼저, 나중에 태어난 다양한 별들을 통해 태양을 설명할 수 있다.

- 태양이 앞으로 몇 살 사는가? -> 대략 90억 살 (현재 50억 살)

- 별의 성장을 설명하기 위해서는, 단일 항성만으로는 설명할 수 없다. (다양한 나이대의 항성 연구가 필요하다.)

 

- 많은 별들이 쌍으로 존재한다.

-> 왜 태양은 혼자일까? -> 원래 혼자였니?

: 지구 과학 연구 -> 태양계 무거운 원소들 분석

- 쌍성계, 은하 간의 충돌, 다양한 상호작용

 

- 허블 딥 필드: 엄지 손톱만한 부분을 10시간 정도 누적하여 관측

-> 더욱 멀리 있는, 과거 영역을 관측

-> 울트라 딥 필드: 더욱 길어진 10일간 관측 (모래알 영역) -> 더욱 과거

-> 우리 우주 안의 은하가 몇 개 있는가? 수천억 (관측 가능한 우주 내부에서는 1700억)

(우리 은하 내부의 별의 수를 측정하는 것과는 다르다. 우리 우주에는 중심이 없기 때문)

-> 우리 우주의 등방성과 균질성! -> 면적에 비례 (단순한 곱셈이 가능!) 

 

- 제임스 웹 망원경: 딥 필드 영상 -> 근적외선, 중적외선 파장 

-> 훨씬 더 과거의 모습까지 볼 수 있다. 초기 우주, 최초의 별과 은하를 보여줄 것으로 기대

- X-ray 인공위성: 별의 질량을 통해 항성의 생애 주기가 달라진다. 

 

- 베라 루빈: 암흑 물질에 대한 설명도 허블 우주 망원경으로 가능하다.

- 우리 은하가 나선 은하, 나선 은하의 회전 속도로 설명할 때, 우리가 보여지는 것보다 훨씬 더 많은 질량이 필요하다. 

- 아파치 망원경(SDSS): 분해능을 높이지 않고, 은하 하나를 점으로 본다. 각 점에 대한 후퇴속도 -> 은하의 분포 구조를 설명한다. (거리에 따라 재분포)

- 가까이 있는 은하들의 분포에서는 필라멘트가 더 잘 보인다. 멀리 있을수록 더욱 랜덤하게 분포

- 암흑물질의 특성이 cold dark matter 해야만, 이를 설명할 수 있다. 

- 노가다의 끝판왕: 640개의 이미지 -> 금속 판에다가 위치를 표시 -> 금형 -> 광섬유를 꽂음

 

- 제임스 웹 분광 관측: 이미지 정보에는 제한이 있다. 

: 성분에 대한 설명을 훨씬 더 많이 할 수 있다. 

- 관측 기기 관련 발달: 스타 버그 로봇들 (인공지능으로 작은 로봇, 거북이 로봇으로 배치하는 시스템)

- 허블 우주 망원경이 주축 -> 빅뱅 이론 + 급팽창 + cold dark matter + 최초의 별 -> 최초의 은하 -> 우주가 근래에 와서 팽창하고 있다. 

- 현대 천문학 == 관측 천문학

: 이론적인 부분들을 잘 설명, 보완하는 역할

 

- 제임스 웹 우주 망원경

: 잘 접고, 우주에 가서 펼쳤다. 

- 망원경은 항상 태양의 반대쪽

+ 금색 도금 (적외선 망원경이라서)

- 차세대 우주 망원경: 오랫동안 계획되었다가, 이제서야 발사되었다. (빠르게 결과를 내야한다.)

- 다음세대 망원경들이 준비되고 있기 때문!

- 기존 망원경과 오버랩된 + 훨씬 더 원-중적외선 파장대를 관측 

- 라그랑주 포인트: 태양과 지구의 중력이 상쇄되는 점에 위치, 태양을 공전하는 운동

 

- 첫 영상으로 선정된 것: 가까운 별들은 스파이크 형태

: 은하들의 구조 (붉은 활 모양으로 휘어짐: 중력 렌즈 현상)

- 암흑 물질의 후보들 (중력 렌즈 현상의 원인이 되는 중력체)

+ 다양한 나이대의 은하들을 보여준다.

- 두번째 오픈: 스펙트럼 관측

- 외계 행성, 생명체 연구 및 관측: 행성 대기의 화학 조성을 설명하고 있다.

 

- 케플러 위성 (현재는 수명을 다 함)

: 관측 자료를 아직까지도 분석하고 있다. 

- 지구와 같은 행성이 다른 항성계에도 충분히 존재하고 있다. (생명체 존재)

- 허블이 보여준 것 이상의 관측을 보여준다. 

 

- 적외선 관측: 오리온 자리의 별들의 요람 (성운) 관측

: 다양한 망원경들이 함께 관측한 모습들 비교

- 허블 vs 제임스 웹의 관측 (매우 정밀한, 높은 분해능 제공)

- X-ray 망원경: 더욱 파장이 짧아서 정밀해야 할 것 같지만, 사실 파장의 에너지가 높기 때문에 에너지를 얻기만 하면 쉽게 분석할 수 있다. 그러나 산란으로 인해, 검출 자체가 어렵다. 이를 돕기 위한 장치들이 많음 (찬드라 위성), 감마 ray 위성, 중력파 연구 (페르미 검출기)

 

 

 

6.     다중신호 천문학

- 2017년 허블, 킬로노바 확인 (중성자별이 관여한 것으로 추정)

- 중력파가 도달하는 시간, 가시광선 적외선 등 전자기파 파장대에서 도달하는 시간에 대한 차이를 활용하여, 기존의 이론에 대한 관측적 증거를 확보할 수 있다. 

- 100여 개 정도의 중력파 -> 더욱 많은 중력파 검출기, 대상들 증가

- 이 중 다중신호 천문학이 할 수 있는 일: 지상 망원경과 동시 관측

-> 여러 궁금증을 해소할 수 있다! 

- 중력파 신호를 포착한 이후, 다른 파장대의 검출기들이 다양한 시간에 신호를 검출!

 

- 우주의 근원적 질문들에 과학으로 답한다.

: NASA의 Big Questions들, 이 우주에는 우리 밖에 없는가?

- 이러한 답을 찾기 위한 다음 세대의 망원경들 (지상, 우주 망원경들)