안녕하세요. 박조훈 전문가입니다.
지구과학·천문우주
Q. 우주 망원경을 반사 망원경만 쓰는 이유가 무엇인가요?
안녕하세요. 박조훈 전문가입니다.우주망원경에서 반사 망원경을 주로 사용하는 이유는 여러 가지 과학적, 기술적 장점들 때문입니다. 과거에는 렌즈 망원경(굴절 망원경)이 사용되었지만, 현재는 반사 망원경이 더 효과적이고 실용적이라는 이유로 대부분의 우주망원경에 사용되고 있습니다. 반사 망원경은 거울을 사용해 빛을 모으기 때문에, 망원경을 크게 만들기가 상대적으로 쉽습니다. 대형 거울을 제작하는 것이 대형 렌즈를 만드는 것보다 기술적으로 용이하고 비용도 절감됩니다. 반면에, 렌즈 망원경(굴절 망원경)은 크기가 커질수록 렌즈를 매우 정교하게 만들어야 하고, 두껍고 무겁기 때문에 제작과 운용이 더 어려워집니다. 대형 렌즈는 자체 중력 때문에 휘어질 수 있어 품질 문제도 발생합니다. 렌즈 망원경에서는 색수차(chromatic aberration)라는 문제가 발생합니다. 렌즈는 빛을 굴절시켜 모으는데, 빛의 파장에 따라 굴절되는 각도가 다릅니다. 이로 인해, 여러 색의 빛이 초점을 약간 다르게 맺어 상이 왜곡되는 현상이 생길 수 있습니다. 반사 망원경은 빛을 반사하는 거울을 사용하기 때문에 색수차가 발생하지 않습니다. 이는 모든 색의 빛을 동일하게 반사시켜 더 선명하고 정확한 이미지를 얻을 수 있게 해줍니다. 우주망원경의 경우, 중량과 크기가 매우 중요합니다. 반사 망원경의 거울은 빛을 반사하는 표면만 필요하기 때문에 뒤쪽은 속이 빈 구조로 경량화가 가능합니다. 이로 인해 우주로 발사하기 위한 무게와 부피를 줄일 수 있습니다. 반대로 렌즈는 투과하는 빛을 전체적으로 관리해야 하므로 두껍고 무겁습니다. 대형 렌즈를 우주로 발사하는 것은 현실적으로 매우 어려운 과제가 됩니다. 렌즈는 크기에 한계가 있습니다. 매우 큰 렌즈를 만들기 위해서는 불순물이 거의 없는 완벽한 유리 재료가 필요하고, 그 유리를 정밀하게 연마해야 합니다. 대형 렌즈를 만들려면 이러한 조건을 충족하는 것이 매우 어렵습니다. 반면에, 거울은 여러 조각으로 나누어 제작한 후 이를 결합해 하나의 대형 반사경을 만들 수 있습니다. 이는 대형 반사 망원경의 설계와 제작을 더 쉽게 하고, 더 큰 구경의 망원경을 만들 수 있게 해줍니다. 예를 들어, 제임스 웹 우주망원경은 18개의 육각형 반사경을 조합해 대형 주반사경을 구성했습니다. 렌즈는 먼지나 흠집에 더 취약합니다. 또한 빛이 렌즈를 통과할 때 에너지를 일부 흡수해 소실될 수 있습니다. 반사 망원경은 이러한 손실이 적고, 빛을 효율적으로 모아 고해상도 이미지를 얻는 데 더 유리합니다. 우주에서는 온도 변화나 우주 환경이 망원경의 성능에 영향을 미칠 수 있는데, 거울은 상대적으로 렌즈보다 이러한 외부 환경 변화에 덜 민감합니다. 반사 망원경은 구조적으로 안정적이고, 다양한 형태로 설계할 수 있습니다. 예를 들어, 거울의 곡률을 자유롭게 조정해 원하는 형태의 빛을 반사시킬 수 있습니다. 이러한 설계 자유도는 우주망원경을 더욱 다양한 과학적 목적으로 사용할 수 있게 해줍니다.
지구과학·천문우주
Q. 케플러의 행성운동법칙은 어떤 법칙인가요?
안녕하세요. 박조훈 전문가입니다.케플러의 행성 운동 법칙은 독일의 천문학자 요하네스 케플러(Johannes Kepler)가 태양 주위를 도는 행성들의 운동을 설명하기 위해 제안한 세 가지 경험적 법칙입니다. 이 법칙들은 당시 정확한 관측 데이터를 기반으로 한 행성의 궤도와 속도를 설명하는 중요한 법칙으로, 이후 뉴턴의 만유인력 법칙으로 이어지며 천문학과 물리학 발전에 중요한 역할을 했습니다. 타원궤도의 법칙인 제 1법칙은 행성은 태양을 중심으로 타원 궤도를 그리며 공전하며, 그 타원의 한 초점에 태양이 위치한다. 는 것이며 과거에는 행성의 궤도가 완벽한 원이라고 생각했지만, 케플러는 행성들이 완벽한 원이 아닌 타원 궤도를 따른다는 사실을 발견했습니다. 이때 타원의 두 초점 중 하나에 태양이 위치하고, 나머지 한 초점은 비어 있습니다. 이 법칙은 행성들이 일정한 속도로 원형 궤도를 돈다는 고대의 생각을 깨고, 행성의 궤도 모양이 타원이라는 사실을 밝혀내는 데 큰 공헌을 했습니다. 2번째 법칙은 면적 속도 일정의 법칙인데 행성이 태양 주위를 공전할 때, 태양과 행성을 잇는 선(=동경)이 같은 시간 동안 휩쓰는 면적은 항상 같다. 이 법칙은 행성의 속도 변화를 설명하는 법칙으로, 행성이 태양에 가까워질수록 속도가 빨라지고, 멀어질수록 속도가 느려지는 현상을 설명합니다. 예를 들어, 행성이 태양에 가까울 때는 빠르게 이동하여 짧은 시간 동안 넓은 면적을 휩씁니다. 반대로 태양에서 멀어질 때는 느리게 이동하여 동일한 시간 동안 좁은 면적을 휩씁니다. 이 법칙은 행성의 궤도 운동이 일정한 속도로 이루어지지 않으며, 태양과의 거리 변화에 따라 속도가 변한다는 중요한 사실을 알려줍니다. 마지막 제 3법칙은 행성의 공전 주기의 제곱은 행성과 태양 사이의 평균 거리(반장축)의 세제곱에 비례한다이며 이 법칙은 행성이 태양에서 멀리 떨어져 있을수록 공전 주기가 길어진다는 것을 설명합니다. 예를 들어, 지구보다 태양에서 멀리 떨어진 목성은 공전 궤도가 크기 때문에 지구보다 훨씬 더 오랜 시간이 걸려 태양을 한 바퀴 돌게 됩니다. 조화의 법칙은 모든 행성의 운동에 적용될 수 있는 일반적인 관계를 제시하며, 태양계 내의 행성들이 어떻게 태양 주위를 도는지에 대한 정량적인 설명을 제공합니다.
지구과학·천문우주
Q. 타원 은하는 은하끼리 충돌 후에 만들어지는 은하인가요?
안녕하세요. 박조훈 전문가입니다.타원 은하는 대체로 은하끼리의 충돌이나 병합에 의해 형성되는 것으로 추정됩니다. 특히, 두 개 이상의 은하가 충돌하고 합쳐지면서 그 원래 구조가 파괴되어 타원형으로 변형되면서 타원 은하가 형성되는 경우가 많습니다. 그렇기 때문에 먼 미래에 우리 은하와 안드로메다 은하가 충돌하면, 두 은하가 합쳐져 타원 은하처럼 보일 가능성이 높습니다. 나선 은하는 중심부의 팽대부와 나선 모양의 팔을 가지고 있는데, 이 구조는 비교적 안정적인 환경에서 유지됩니다. 나선 은하들은 충돌 경험이 적은 은하들로, 중력적 간섭이 상대적으로 적었던 곳에서 형성되고 유지되었기 때문에 그 아름다운 나선 구조가 남아 있을 수 있습니다. 나선 은하가 대규모 충돌을 겪지 않은 것은 이 구조를 유지하는 데 중요한 역할을 합니다. 충돌이나 병합이 발생하면 은하의 나선 구조가 파괴될 수 있기 때문입니다. 타원 은하는 주로 구형 또는 타원형으로 보이며, 나선 은하보다 별의 밀도가 높고, 별의 형성 활동이 거의 일어나지 않는 경우가 많습니다. 타원 은하는 주로 두 개 이상의 은하가 충돌할 때 생기는 경우가 많습니다. 충돌 과정에서 기존 은하들의 구조는 붕괴되거나 복잡하게 변형되며, 그 결과로 형성된 은하는 불규칙한 타원형 모양을 갖게 됩니다. 두 은하가 충돌하면 별끼리 직접 충돌하는 것은 드물지만, 은하 내 가스와 먼지가 충돌하거나 합쳐지면서 별 형성이 폭발적으로 일어나기도 합니다. 그러나 시간이 지나면 은하 내 가스가 모두 소모되거나 흩어지면서 더 이상 별이 생성되지 않고, 타원 은하와 같은 안정된 형태로 남게 됩니다.
지구과학·천문우주
Q. 올해가 작년보다 더웠는데 왜 올해 12월이 작년보다 추울 수 있나요?
안녕하세요. 박조훈 전문가입니다.여름과 겨울 기온은 다른 메커니즘에 의해 좌우되기 때문에, 여름이 매우 더웠다고 해서 겨울이 반드시 따뜻해지지 않습니다~ 대표적으로 제트기류에 영향을 받게 되는데 이는 고도 9~16km에서 매우 빠르게 부는 강한 바람으로, 북반구의 기후 패턴을 크게 좌우합니다. 여름에 더운 날씨가 이어지더라도 겨울이 되면 제트기류가 더 북쪽이나 남쪽으로 이동하면서 북극의 찬 공기가 내려올 수 있습니다. 이 현상이 발생하면, 북극 한기가 남하하면서 평년보다 추운 겨울이 될 수 있습니다. 제트기류가 강하게 남쪽으로 내려올 때는 한파가 발생할 수 있고, 그에 따라 특정 지역의 기온이 급격히 떨어질 수 있습니다. 북극진동은 북극 주변의 기압 패턴을 말하는데, 이 진동이 음의 값을 가지면 북극 상공의 찬 공기가 남쪽으로 확장되는 경향이 있습니다. 이렇게 되면 북반구 중위도 지역, 즉 한국이나 북미, 유럽 등에서 기온이 매우 낮아지게 됩니다. 극소용돌이(Polar Vortex)는 북극 상공에 있는 차가운 공기의 저기압 영역으로, 평소에는 북극에 고정되어 있지만, 이 소용돌이가 약해지면 찬 공기가 남쪽으로 흘러내려와 겨울 기온을 급격히 떨어뜨릴 수 있습니다. 이러한 현상이 발생하면 겨울철에 한파가 자주 찾아올 수 있습니다. 엘니뇨와 라니냐는 전 세계의 기후 패턴에 영향을 미치는 대규모 기후 현상입니다. 현재(2024년)는 엘니뇨 현상이 진행 중인데, 엘니뇨는 보통 한국에 따뜻하고 건조한 겨울을 가져오는 경향이 있지만, 그 영향은 복잡하며, 지역에 따라 다르게 나타날 수 있습니다. 그러나 엘니뇨와 라니냐 외에도 태평양 해수면 온도의 변화가 기후에 미치는 영향이 크기 때문에, 여름에 덥고 겨울에 추운 패턴이 발생할 수 있습니다. 이러한 현상은 복합적인 해양-대기 상호작용에 의해 결정됩니다. 지구온난화는 전 세계적으로 평균 기온을 상승시키지만, 그 결과로 날씨의 변동성이 더 커지게 됩니다. 온난화로 인해 더운 여름과 추운 겨울이 함께 나타나는 극단적 날씨가 발생할 가능성이 높아집니다. 온난화는 기후 시스템에 많은 불균형을 초래하며, 이는 한 해에 폭염과 한파가 동시에 일어나는 현상으로 이어질 수 있습니다. 따라서 더운 여름이 반드시 따뜻한 겨울로 이어지지는 않습니다. 한국은 대륙성 기후의 영향을 많이 받기 때문에, 겨울철에 시베리아에서 내려오는 차가운 한랭 기단의 영향을 크게 받습니다. 이 한랭 기단이 얼마나 강하게, 얼마나 자주 남하하는지에 따라 겨울 기온이 변동됩니다. 시베리아 고기압이 강해지면 차가운 공기가 남쪽으로 내려오고, 그 결과로 추운 겨울이 될 수 있습니다. 특정 해의 겨울 기온은 글로벌 기후 패턴 외에도 국지적인 기상 조건에 따라 달라질 수 있습니다. 예를 들어, 북극권의 해빙 상태나 해양의 온도 분포, 지역적인 고기압과 저기압의 분포에 따라 겨울철 기온은 크게 달라질 수 있습니다.
지구과학·천문우주
Q. 화성의 대기가 없는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 박조훈 전문가입니다.화성은 지구에 비해 훨씬 작은 행성입니다. 화성의 질량이 작기 때문에, 화성의 중력도 지구보다 약합니다. 대기를 유지하려면 행성의 중력이 충분히 강해야 하는데, 화성의 중력은 매우 약해서 대기의 가스를 안정적으로 잡아둘 수 없습니다. 특히, 가벼운 기체인 수소, 헬륨, 산소 같은 기체들이 화성의 중력을 벗어나 우주로 탈출하기 쉬웠습니다. 지구는 강력한 자기장을 가지고 있는데, 이는 태양에서 방출되는 고에너지 입자들(태양풍)로부터 대기를 보호하는 역할을 합니다. 그러나 화성은 강력한 자기장이 없습니다. 초기에는 화성에도 지구와 비슷한 자기장이 있었을 가능성이 있지만, 시간이 지나면서 화성의 핵이 식으면서 자기장이 사라진 것으로 추정됩니다. 자기장이 없으면 태양풍이 대기 입자를 직접적으로 때리게 되고, 그 결과 대기가 우주 공간으로 날아가게 됩니다. 실제로 NASA의 MAVEN 탐사선은 태양풍이 화성의 대기를 벗겨내는 과정을 관찰했습니다. 이 과정은 수십억 년에 걸쳐 화성의 대기를 서서히 제거해버린 것으로 보입니다. 화성의 평균 온도는 매우 낮아서 대기가 응축되거나 얼어붙기 쉬운 환경입니다. 특히, 이산화탄소 같은 기체는 추운 화성 표면에 얼어붙어 고체 상태로 변합니다. 이렇게 되면 대기의 압력이 더욱 낮아지게 됩니다. 낮은 온도와 대기의 얇음은 서로를 강화시키는 요인입니다. 대기가 얇으면 온도 조절이 어렵고, 온도가 낮으면 대기 유지가 더욱 어려워지는 악순환이 발생합니다. 과거에는 화성에서 활발한 화산 활동이 있었던 것으로 보이며, 이 화산 활동은 대기의 주요 성분인 이산화탄소를 공급하는 역할을 했습니다. 그러나 화산 활동이 멈추면서 대기를 보충할 수 있는 중요한 공급원이 사라졌습니다. 결과적으로, 새로운 대기를 공급받지 못한 화성의 대기는 점점 더 얇아졌습니다. 앞서 언급한 바와 같이, 화성에는 자기장이 없기 때문에 태양풍이 대기를 지속적으로 벗겨냈습니다. 태양풍은 특히 태양 활동이 활발할 때 대기를 더 빠르게 제거하는데, 화성의 경우 자기장이라는 보호막이 없었기 때문에 대기 입자들이 쉽게 우주로 날아갔습니다. 이러한 과정은 수십억 년 동안 지속되면서 현재처럼 희박한 대기를 남기게 되었습니다.