세상에서 가장 쉬운 과학 수업 (2024) - 별의 물리학 고대 천문학부터 찬드라세카르의 별의 죽음 이론까지

책소개

고대 천문학부터 찬드라세카르의 별의 죽음 이론까지
별의 일생을 물리학적으로 밝힌 위대한 논문 속으로

우주의 아름다움과 물리학의 만남, 그 신비를 파헤쳐 보자!

별의 죽음은 질량에 따라 달라진다. 태양 정도의 가벼운 별은 백색 왜성, 그보다 무거운 별은 중성자별, 상대적으로 가장 무거운 별은 블랙홀이 된다. 인도 출신 천체물리학자 찬드라세카르는 이 중에서 주로 백색 왜성을 연구했다. 그는 별의 구조와 진화를 물리학적으로 밝혀내 1983년 노벨 물리학상을 수상했다. 〈노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학〉 시리즈 9번째인 이 책은 별의 죽음, 특히 백색 왜성의 평형 조건을 발견한 찬드라세카르의 1931년 논문을 중심으로 20세기의 별에 관한 연구를 다루었다.

쉽게 이해할 수 있도록 고대 사람들이 생각했던 별 이야기부터 시작했다. 뉴턴의 만유인력, 광행차 현상, 별까지의 거리, 별의 절대등급에 관한 내용도 살펴보았다. 또한 별이 어떻게 안정된 형태를 유지하는가를 알려주는 레인-엠덴 방정식을 자세히 설명했다. 이를 위해 간단하게 열역학도 다루면서 폴리트로픽 과정을 소개했다. 별의 등급과 분류 연구의 역사를 가지고 별의 일생도 알아보았다. 이와 관련해 별 이론에 대한 레인과 에딩턴의 논문, 별 탄생을 다룬 베테의 논문, 별이 죽음의 한 형태인 백색 왜성의 물리학을 논한 찬드라세카르의 논문을 다루었다. 부록에는 이 논문들의 영어 원문과 노벨 물리학상 수상자 목록을 실어 더 깊은 탐구와 이해를 도왔다.

목차

추천사
천재 과학자들의 오리지널 논문을 이해하게 되길 바라며
별의 죽음 과정을 물리학적으로 밝히다 _겐첼 박사 깜짝 인터뷰

첫 번째 만남 | 고대의 별 이론

고대 이집트의 태양력 _고정된 별과 방황하는 별
별자리 _사물, 동물, 신화 속 영웅의 이름을 붙이다
황도 12궁과 점성술 _태양이 지나가는 12개의 별자리
태양신 라 이야기 _신성한 존재로 여겨진 태양
탈레스와 아낙시만드로스의 별에 대한 생각 _태양, 달, 별은 무엇으로 이루어져 있을까?
천구 모형의 등장 _별이 있는 곳
아리스타르코스의 관측 _지구와 달, 지구와 태양 사이의 거리
지구의 반지름을 계산한 에라토스테네스 _태양 광선과 그림자를 이용해
별의 밝기를 연구한 히파르코스 _별의 밝기에 등급을 매기다

두 번째 만남 | 만유인력과 별의 거리

만유인력의 발견 _질량을 가진 두 물체가 서로 끌어당기는 힘
중력가속도의 계산 _중력 때문에 생긴 가속도
중력에 대한 퍼텐셜 에너지 _미분과 적분을 이용하여
비리얼 정리 _클라우지우스의 증명
광행차의 발견 _지구 공전의 증거
별까지의 거리 _베셀과 연주시차
별의 절대등급 _별의 실제 밝기 비교하기

세 번째 만남 | 폴리트로픽 과정과 별의 구조 방정식

폴리트로픽 과정 _별 속의 기체의 열역학
레인과 엠덴의 폴리트로픽 별 모형 _별이 평형을 이루기 위한 방정식
에딩턴의 별 모형 _복사 압력을 추가하다

네 번째 만남 | 별의 탄생과 진화

하버드 대학의 여성 천문학자들과 별의 분광형 _별 연구의 역사
H-R도의 발견 _별의 밝기와 온도의 관계
원시별 이론 _별은 어떻게 탄생하는가
별이 빛나는 이유 _별에서 일어나는 핵융합 반응
별의 일생 _별의 탄생부터 죽음까지
펄서 _중성자별이 내는 규칙적인 신호
블랙홀 _빛조차 빠져나올 수 없는 천체

다섯 번째 만남 | 별의 죽음에 대한 연구

찬드라세카르의 생애 _멈추지 않은 열정
찬드라세카르의 논문 속으로 _백색 왜성의 평형 조건

만남에 덧붙여
On the Theoretical Temperature of the Sun _레인 논문 영문본
The Internal Constitution of the Stars _에딩턴 논문 영문본
Energy Production in Stars _베테 논문 영문본
The Density of White Dwarf Stars _찬드라세카르 1 논문 영문본
The Maximum Mass of Ideal White Dwarfs _찬드라세카르 2 논문 영문본

 

저자 소개 

저 : 정완상

서 이론물리학을 전공하며 석박사 학위를 받았다. 30세에 경상국립대학교 물리학과 교수가 되어 학생들에게 물리 사랑을 전파하고 있다. 초심을 잃지 않기 위해 꾸준히 연구하며 현재까지 국제 학술지(SCI 저널)에 300여 편의 논문을 게재했다. 직접 만나는 학생뿐만 아니라 더 많은 학생들에게 과학과 수...

책 속으로

고대 천문학자들은 별과 행성을 명확히 구별할 수 없었어. 대신에 그들은 별을 두 종류로 나누었네. 위치가 변하지 않는 ‘고정된 별’과 며칠 또는 몇 주에 걸쳐 고정된 별에 비해 눈에 띄게 움직이는 ‘방황하는 별’이 존재한다고 생각했지.
--- p.22

히파르코스는 로도스섬에 관측소를 만들어 별을 관측했다. 훗날 로마 시대에 사용된 1022개의 별들 중 850개를 그가 발견했다고 전해진다. 그는 별을 밝기에 따라 1등성부터 6등성까지로 구분했는데, 가장 밝은 별을 1등성이라 하고 눈에 겨우 보이는 별을 6등성으로 정의했다.
--- p.46

이와 더불어 만유인력이 태양의 질량과 행성의 질량의 곱에 비례하고, 태양과 행성 사이의 거리의 제곱에 반비례함을 알아냈다. 이 힘은 서로를 잡아당기는 인력인데 여기서 뉴턴은 새로운 고민에 빠졌다. 천체들 사이에 서로를 잡아당기는 힘이 작용하는데 왜 두 천체는 서로 달라붙지 않을까? 뉴턴은 그 이유가 행성이 태양 주위를 공전하기 때문임을 깨달았다.
--- p.48

1814년 프라운호퍼는 자신이 만든 분광기를 이용해 태양에서 오는 빛의 스펙트럼을 조사했다. 그 과정에서 스펙트럼에 검은 선이 존재하는 것을 알아냈다. 이는 태양을 이루는 원자들이 특정한 파장의 빛을 흡수하기 때문에 지구에 그 빛이 오지 않아 생기는 것이다. 이로써 태양이 어떤 원자들로 이루어져 있는지를 알게 되었다.
--- p.142

1844년 독일의 천문학자 베셀은 시리우스 A가 직선이 아니라 구불거리는 운동을 하는 것은 근처에 다른 별이 있어서 이 별의 인력의 영향을 받기 때문이라고 추론했어. 베셀이 생각한 별은 바로 시리우스 A의 동반성이었지.
--- p.158

성간물질이 어느 정도 모이면 서로의 만유인력에 의해 무리를 이루고, 모여든 성간물질이 점점 빨리 회전하며 중심 방향으로 중력에 의한 수축이 일어난다. 이때 중심부는 바깥쪽에 비해 훨씬 더 빨리 수축하며, 바깥쪽은 비교적 천천히 수축한다. 이 시기를 원시별이라고 하는데, 말하자면 갓 태어난 아기별이라고 볼 수 있다. 우주에는 아직도 원시별이 태어나고 있으며, 대표적으로 오리온성운에 원시별이 존재한다고 알려졌다.
--- p.179

적색 거성의 중심부가 계속 수축하고 온도가 1억 도가 되면, 헬륨들이 핵융합을 해서 중심부에 탄소 핵이 만들어진다. 중심부의 헬륨이 모두 탄소로 바뀌면 가벼운 별은 더 이상 무거운 원소를 만들지 못한다. 그리고 바깥쪽에 있던 물질들이 외부로 방출되어 행성상 성운을 만들고, 중심부는 더욱 수축해서 백색 왜성이 된다. 백색 왜성에서는 더 이상 핵융합 반응이 일어나지 않는데, 이러한 별을 밀집성(compact star)이라고 부른다. 즉, 가벼운 별의 밀집성은 백색 왜성이다.
--- p.181

1987년 초신성 1987A(SN 1987A)가 대마젤란성운에 출현했다. 태양의 100배인 거성이 급격히 중력수축 하면서 발생한 이 폭발은 12등급의 어두운 별이 2개월 동안 2.9등성으로 밝아진 사실로부터 초신성 폭발로 입증되었다. 이 별은 15만 광년 떨어져 있으므로 이 초신성 폭발은 15만 년 전에 일어난 과거의 사건이다. 초신성 폭발은 1054년, 1572년, 1604년, 1987년에 관측되었을 만큼 희귀한 사건이고, 그 웅장한 광경 때문에 우주 쇼로 여겨진다.
--- p.183

벨 버넬은 퀘이사를 연구하고자 전파망원경들을 설치했다. 조사 중 희한하게 1.33초마다 규칙적인 신호가 오는 것을 발견했다. 그녀는 이 사실을 지도 교수인 휴이시에게 알렸고, 두 사람은 이 신호가 외계인이 보낸 것일지도 모른다고 생각했다. (...) 한 달쯤 후 다른 곳에서 비슷한 천체를 또 하나 발견하면서 이 신호가 외계인이 아닌 중성자별이 내는 것임을 깨달았다.
--- p.190

블랙홀은 무거운 별의 종말로 엄청난 질량이 거의 한 점에 모여 있는 상황이야. 그러니까 중력이 무지무지 커지지. 블랙(검정)은 모든 빛을 흡수하는 성질을 가진다네. 엄청나게 큰 중력으로 인해 빛조차도 한번 들어가면 빠져나올 수 없는 천체이기 때문에 블랙홀이라고 부르는 걸세.

--- p.193

출판사 리뷰

★ 전국 과학교사모임 추천 ★ 일대일 친절한 과학 수업
★ 이공계 진학 예정자 필독서 ★ 노벨상 수상 논문 영문본 수록

천문학과 물리학의 만남으로
우주의 모든 것은 물리학의 연구 대상이 되었다

천문학의 역사는 인류의 역사라고 봐도 과언이 아니다. 주기적으로 뜨고 지는 태양과 달, 캄캄한 밤하늘 저 멀리 반짝이는 별은 숭배 대상인 동시에 인간사를 점치는 용도가 되기도 했다. 태양을 성스럽게 여기던 고대 이집트인들은 태양력을 만들었고, 동쪽 하늘 일정한 위치에 떠오르는 별 시리우스로 나일강 범람을 예측했다. 고대 바빌로니아인들은 하늘의 별들을 모아 별자리로 구분하기 시작했고, 그리스 로마 사람들은 여기에 신화의 주인공이나 동물 이름을 붙였다.
지구 모양이 낭떠러지라고 상상하거나 지구를 중심으로 별들이 도는 천구가 있다고 생각한 적도 있지만, 관측 기술이 발달함에 따라 지구의 반지름을 계산하고 지구와 달, 지구와 태양의 거리를 측정할 수 있었다.

관측 중심이던 천문학이 20세기에 들어서 새로운 모습으로 도약한다. 바로 물리학과의 만남이다. 이로써 천문학은 천체물리학으로 거듭난다. 우주를 관측한 결과를 물리학은 이론적으로 설명할 수 있었으며, 물리학이 미지의 세계를 예측하면 관측으로 그것을 확인하게 되었다. 우주선을 쏘아 올리고 천문학의 범위가 더욱 넓어지면서 물리학은 이제 천문학에서 빼놓을 수 없는 요소가 되었다. 『세상에서 가장 쉬운 과학 수업 별의 물리학』은 고대 천문학에서 시작하여 천문학과 물리학의 만남이 전개된 역사를 풀어간다. 관측 기술과 천체물리학의 발달에 따라 우주의 태동, 즉 별의 탄생과 진화 그리고 죽음에 이르는 과정을 천체물리학자들이 어떻게 밝혀냈는지 그들의 논문과 함께 소개한다. 우주의 모든 것은 이제 물리학의 연구 대상이 되었다. 이 책을 통해 무한한 물리학의 세계를 맛보자!

가장 오래된 학문이자 최첨단을 달리는 천체물리학
대한민국 우주 시대를 살아갈 우리에게 꼭 필요한 책

2023년 5월 한국형 발사체 누리호 3차 발사 성공에 이어, 2024년 5월 우주 개발을 담당하는 정부기관 우주항공청이 출범했다. 우리나라에도 본격적인 우주 시대가 열린 것이다. 우주를 탐사하는 천문학은 인류 역사상 가장 오래된 학문이자 최첨단을 달리는 학문이다. 이는 물리학이 더해져 천체물리학(별의 물리학)으로 거듭났기 때문이라고 볼 수 있다. 천체의 생성과 진화에 관련된 물리적 성질을 연구하는 천체물리학은 미래의 성장 동력이 될 우주 산업의 가장 기초 학문이다. 20세기 천체물리학은 별의 탄생, 진화, 죽음의 비밀을 밝혀냈다. 이를 바탕으로 지금도 우주의 신비를 파헤치는 연구가 계속되고 있다. 이 책은 천체물리학의 획을 그은 학자들의 논문을 역사와 사진, 수식을 가지고 흥미롭게 탐구한다. 논문에 등장하는 별의 물리학에 관한 수식들을 차근차근 설명하며, 이론으로 증명하고 관측으로 발견된 천체 사진도 함께 제공하여 독자의 이해를 돕는다. 『세상에서 가장 쉬운 과학 수업 별의 물리학』과 함께 우주를 탐험하는 신비로운 여행을 시작하자!

별의 탄생, 진화 그리고 죽음에 대하여
물리학으로 들여다보는 우주 이야기

이 책은 천문학 중에서도 특히 천체물리학, 즉 물리학 이론으로 천체의 현상을 설명하고 예측하는 분야를 다루고 있다. 이 분야에서 뛰어난 업적을 남긴 인도 출신 천체물리학자 찬드라세카르의 논문을 소개하고자 한다. 찬드라세카르는 1910년 영국령 인도에서 태어난 인물로, 그의 삼촌 또한 1930년 노벨 물리학상을 수상한 벵카타 라만이다. 찬드라세카르의 대표적인 업적은 백색 왜성 연구이다. 그는 질량이 작은 별의 후기 형태인 백색 왜성이 평형을 이루는 조건을 발견했다. 그의 연구로 별의 탄생, 진화, 죽음에 이르는 별의 물리학이 완성되었다.
자기의 이론이 스승 에딩턴에게 인정받지 못하던 때에는 좌절을 겪기도 했으나, 결국 찬드라세카르는 1983년 노벨 물리학상을 수상하는 쾌거를 이루었다. 그가 세운 천체물리학의 많은 업적이 인정되어 그의 이름을 딴 찬드라 X선 관측선이 우주로 쏘아 올려졌다. 교수로서 가르치는 일에도 매우 열성적이었던 그는 노벨상 수상자들을 비롯한 뛰어난 제자들을 많이 배출했다. 이 책을 통해 굴하지 않는 열정의 과학자 찬드라세카르의 위대한 논문을 탐구해 보자!

추천평

저자는 이번에 아주 새로운 시도를 하고 있고 이는 어쩌면 우리에게 꼭 필요했던 것일 수 있습니다. 대화체로 과학의 역사와 배경을 매우 재미있게 설명하고, 그 배경 뒤에 나왔던 과학의 영웅들의 오리지널 논문들을 풀어간 것입니다. 과학사를 들려주는 책들은 많이 있으나 이처럼 일반인과 과학도의 입장에서 질문하고 이해하는 생각의 흐름을 따라 설명한 책은 없습니다. 게다가 이런 준비를 마친 후에 아인슈타인 등의 영웅들의 논문을 원래의 방식과 표기를 통해 설명하는 부분은 오랫동안 과학을 연구해온 과학자에게도 도움을 줍니다.
이 책을 읽는 독자들은 복 받은 분들일 것이 분명합니다. 제가 과학을 처음 공부할 때 이런 책이 있었다면 얼마나 좋았을까 하는 생각이 듭니다. 정완상 교수는 이제 새로운 형태의 시리즈를 시작하고 있습니다. 독보적인 필력과 독자에게 다가가는 그의 친밀성이 이 시리즈를 통해 재미있고 유익한 과학으로 전해지길 바랍니다. 그리하여 과학을 멀리하는 21세기의 한국인들에게 과학에 대한 붐이 일기를 기대합니다. 22세기를 준비해야 하는 우리에게는 이런 붐이 꼭 있어야 하기 때문입니다.
- 남순건 (경희대학교 이과대학 물리학과 교수 및 전 부총장)

정완상 교수님의 〈노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학〉 시리즈는 학생들에게 적극 추천하고 싶은 책입니다. 수식과 증명 과정을 학생들이 이해하기 쉽게 기술하였고, 특히 고교생 중 물리학에 관심이 많은 학생이 읽으면 관련 배경지식뿐만 아니라 과학사에서 유명한(이야기로만 전해 들은) 논문들의 원문을 직접 접할 수 있습니다. 또한 그 과정에서 과학자들의 연구 열정과 노력도 알게 됩니다. 이 책이 우리나라 기초과학의 미래가 될 학생들로 하여금 진로 선택을 하는 데 있어서 매우 긍정적인 역할을 할 것이라고 확신합니다.
- 김현주 (한민고등학교 물리 교사)