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우주가 지닌 가장 큰 매력은 ‘정체를 아무도 모른다’라는 것이다. 오랫동안 우주를 연구해 온 천문학자, 우주물리학자, 우주 비행사조차 알고 있는 것은 극히 일부일 뿐이다. 따라서 우주를 이해하기 위해 필요한 것은 지식이나 수학 실력이 아니라 모르는 것에 주눅 들지 않고 끊임없이 질문하는 지적 호기심뿐이다. 우주물리학은 우주에 관해 궁금했던 사실들은 물론, 아직 밝혀지지 않은 것까지도 직접 생각하고 답할 수 있는 힘을 길러준다. 복잡한 수식과 이론에서 벗어나 우주를 향한 수수께끼를 마음껏 묻고 답해보자. 언젠가 여러분이 아무도 모르는 우주의 비밀을 풀어낼 주인공이 될지도 모른다.

우주와 천체가 간직한 수많은 수수께끼가 풀린다!
우주의 구조가 한눈에 보이는 우주물리학 이야기

‘우주’는 누구에게나 매력적으로 느껴지는 단어다. 누구나 한 번쯤은 우주에 끝이 있는지, 외계인은 정말 존재하는지, 다른 우주에 또 다른 내가 있는지 같은 흥미로운 주제들로 열띤 토론을 벌이거나 이런저런 상상을 하며 두근거린 적이 있었을 것이다.
그러나 우주를 향한 호기심과 우주에 관해 배우는 것은 다른 문제다. 특히 우주를 배우면서 ‘물리학’이 나오는 순간 많은 사람이 우주에 급격히 흥미를 잃어버리고 위축되기까지 한다. 하지만 인식과 달리 우주물리학이라는 학문은 우주를 관찰하면서 생기는 수많은 ‘왜?’라는 의문을 풀기 위해 단순히 끊임없이 파고드는 활동이며, 그 안에는 우주에 관한 수수께끼들을 풀어줄 답이 있다.
아직 우주에는 밝혀지지 않은 것이 너무나 많고, 밝혀진 사실조차 명쾌하게 드러나 있는 경우가 많지 않다. 그러므로 모르는 부분이 있더라도 지극히 당연한 일이다. 그저 재미있는 우주 이야기를 읽듯이 이론과 법칙을 살펴보고, 이해되지 않는 내용에 좌절하지 않고 조금씩 도전하며 알아가는 것이 우주를 이해하는 가장 쉽고 즐거운 방법이다.

태양계·은하·블랙홀·암흑물질·상대성 이론과 양자론까지
우주물리학을 알면 우주를 움직이는 법칙이 보인다!

블랙홀과 웜홀, 정체불명의 암흑물질, 멀티버스, 양자론 등 우주에서는 지구에서의 고전적인 물리법칙이 통하지 않는 상황이 많이 벌어진다. 예를 들어 지구의 물리법칙인 뉴턴 역학에서는 너무나 당연하게도 시간과 공간은 절대적이다. 그래서 우리는 불변하는 시간과 공간을 기준으로 언제, 어디서 무엇을 할지 결정하며 살아간다. 그러나 우주에서 불변하는 것은 ‘빛의 속도’이며, 따라서 빛을 기준으로 보면 시간이 빨라졌다 느려졌다 하고 공간이 일그러지거나 휘어지기도 한다.
우주물리학이나 천문학이 ‘과학의 끝판왕’이라고 불리는 이유는 이처럼 우주의 질서와 법칙이 지구에서의 상식을 아득히 뛰어넘기 때문이다. 이를 반대로 생각하면 우주에는 기존의 고정 관념에서 벗어난 무한한 가능성의 세계가 활짝 열려 있는 셈이다. 우주물리학은 우주가 무엇이고 어떻게 움직이는지 알려주는 것은 물론 상상력과 창의력을 마음껏 발휘하는 장이 되어준다. 이해하고 싶은 부분을 익히는 데서 나아가, 우주를 향한 지적 호기심을 한껏 자극하고 아직 아무도 밝혀내지 못한 수수께끼를 직접 생각해 볼 수 있는 힘을 길러줄 것이다.

복잡한 수식과 이론 뒤에 숨은 우주의 비밀을 밝힌다
물리학의 눈으로 보는 광대한 우주의 구조와 원리

우주에 관심은 있지만 물리학이나 수학 때문에 포기했다는 사람이 많다. 하지만 미술관에서 그림을 볼 때 미술 사조와 기법을 모두 알아야 그림을 감상할 수 있는 것이 아닌 것처럼, 우주물리학 역시 ‘복잡한 이론은 잘 모르겠지만 우주의 구조가 이런 모습으로 나타나는구나!’ 하고 충분히 즐기면서 이해할 수 있다. 물리학이나 수식을 지나치게 의식하다 보면 광대한 우주의 법칙을 감상할 기회를 놓치게 된다.
따라서 이 책에서는 꼭 필요한 수식과 이론을 피하지는 않되, 가능한 한 거부감을 줄이고 우주라는 거대 구조를 이해하는 데 불필요하게 방해가 되지 않도록 신경 썼다. 글에 이해되지 않는 부분이 있더라도 그림으로 이해할 수 있고, 그림조차 이해되지 않으면 넘어가도 뒤에 이어질 내용을 파악하는 데 무리가 없게 구성했다. 우주를 향한 넘치는 지적 호기심만 있다면 우주물리학이 여러분을 신비한 우주의 세계로 안내해 줄 것이다.

들어가며

CHAPTER 1 우주에 관해 알고 싶다면 이것부터 시작하자!
1 물리학으로 자연이 낸 수수께끼를 풀어내다
2 ‘우주’라는 단어의 진짜 의미는 무엇일까?
3 고대 종교와 신화에 기록된 우주의 모습
4 천 년 동안 우주의 중심은 지구였다
5 우주의 중심이 지구에서 태양으로
6 수식은 우주를 이야기하는 언어
7 우주 연구자는 의외로 허술하다
8 우주에서 자주 쓰는 엄청나게 큰 단위
9 사람이 볼 수 없는 빛의 정체
10 별의 밝기를 나타내는 두 가지 방법
11 우주에서는 거리를 어떻게 잴까?
12 우리가 보는 우주는 먼 과거의 우주다
13 우주의 거리를 측정하는 방법은 여러 가지!
14 온도의 한계는 영하 273.15℃
15 물질을 구성하는 가장 작은 입자
16 우주를 움직이는 네 가지 힘
17 빛은 입자일까, 아니면 파동일까?
18 하늘과 우주의 경계는 정확히 어디일까?
COLUMN) 우주물리학자의 생활

CHAPTER 2 우주물리학의 핵심, 중력
19 뉴턴의 사과
20 상대성 이론은 어떻게 만들어졌을까?
21 상대성 이론에서 우주는 3차원이 아니라 4차원이다
22 어느 쪽이 멈춰 있는지는 알 수 없다
23 빛은 누가 봐도 똑같은 속도다
24 4차원 시공간을 그림으로 그려보자
25 빠르게 움직이면 시간은 느려진다
26 빠르게 움직이면 길이도 짧아진다
27 산소가 없는 우주공간에서 태양이 연소하는 이유
28 중력을 없앨 수 있을까?
29 중력은 빛을 휘어지게 할 수 있다
30 중력의 정체는 시공간의 일그러짐
31 중력이 센 곳에서는 시간이 느리게 흐른다
32 시공간의 일그러짐은 파동이 된다?
33 중력파를 관측하는 데 걸린 시간은 100년
34 블랙홀이 새까만 이유는?
35 블랙홀에는 털 세 가닥이 자란다
36 천체는 자체 중력으로 붕괴한다
37 블랙홀에 떨어지면 어떻게 될까?
38 블랙홀 주위에서 밝게 빛나는 원반의 정체는?
39 은하 중심에는 초거대 블랙홀이 있다
40 일반상대성 이론이 바뀔 수도 있다?
COLUMN) 수학을 싫어하는 사람이 수학을 즐기는 방법

CHAPTER 3 차근차근 풀어가는 우주의 수수께끼들
41 한순간에 엄청나게 팽창했다! 우주의 진화와 역사
42 우주는 어디서 어디를 보더라도 비슷하다
43 우주의 진화는 방정식으로 표현된다
44 우주의 형태는 시공간이 휘어진 정도로 정해진다
45 아인슈타인은 원래 우주는 팽창하지 않는다고 생각했다
46 우주는 어디서 보더라도 계속 팽창한다
47 태양계 대부분은 수소와 헬륨
48 새까만 우주는 사실 온통 빛나고 있다?
49 우주의 온도는 천 배 내려가고, 크기는 천 배 커졌다
50 정체불명의 암흑물질을 찾아서
51 우주 팽창을 가속하는 수수께끼의 에너지
52 먼 미래에 우주는 아주 작은 점이 된다?
53 우주는 급격하게 팽창하며 시작되었다
54 우주의 온도는 어디든 비슷하다
55 우주의 끝과 그 너머는 어떤 모습일까?
56 현대 물리학이 통하지 않는 옛날의 우주
57 우리 우주 말고도 다른 우주들이 있을까?
58 우주는 무에서 탄생했다?
COLUMN) 우주물리학을 배우고 싶다면

CHAPTER 4 천체란 무엇일까?
59 많고도 다양한 천체의 세계
60 우주에서 지구의 주소는 어떻게 말해야 할까?
61 스스로 빛나지 않으면 별이 아니다
62 다양한 세기와 주파수를 갖는 별빛
63 별의 죽음은 질량에 따라 달라진다
64 밝기가 변하는 별, 변광성
65 우주를 진화시키는 초신성 폭발
66 작지만 무거운 중성자별
67 무거운 별일수록 죽을 때 방대한 에너지를 방출한다
68 비어 있는 우주공간에는 정말 아무것도 없을까?
69 우주에는 은하가 무려 1조 개나 있다?
70 나선은하에는 팔이 달려 있다
71 태양계가 은하계를 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간은?
72 수많은 은하가 모여 있는 초은하단
73 우주의 텅 빈 영역, 보이드
74 천구는 지상에서 보는 별의 움직임을 나타낸다
75 태양의 남은 수명은 55억 년?
76 태양계 전체 질량의 99.87%는 태양의 질량이다
77 각양각색 태양계 행성의 모습들
78 달뿐만이 아니다! 잇달아 발견된 위성들
79 태양이 가려지는 일식과 달이 가려지는 월식
80 달의 중력은 조수간만의 차를 일으킨다
81 유성이 빛나는 이유는 충격파 때문이다
82 지구 바깥에 다른 생명체는 존재할까?
83 전 세계에 있는 우주 기관

마치며
찾아보기
참고 문헌 및 웹사이트
사진 출처

우주(宇宙)에서 우(宇)는 ‘공간’을, 주(宙)는 ‘시간’을 나타냅니다. 즉 우주란 ‘시간과 공간’을 가리키는 단어인 것이죠. 그럼 “이 우주는 무엇으로부터 만들어졌을까?”라고 묻는다면 어떻게 답해야 할까요?
우주를 장난감 상자처럼 ‘상자’와 ‘내용물’로 이루어져 있다고 생각해 보겠습니다. 시간과 공간을 합쳐 흔히 ‘시공’이라고 부르는데, 이 시공이 바로 상자입니다. 시공 안에 있는 별이나 은하는 내용물입니다. 이들을 ‘천체’라고 부릅니다. 상자에 들어 있는 장난감이라고 할 수 있겠죠.
최신 물리학과 천문학을 배우면 우주의 상자인 시공과 내용물인 천체, 즉 우주 전체를 장난감처럼 가지고 놀 수 있습니다. 아직 밝혀지지 않은 우주의 미스터리에도 더욱 가까이 다가갈 수 있지요.
-14쪽

“우주공간에는 산소가 없는데 태양은 어떻게 불타고 있나요?”라는 질문을 받은 적이 있습니다. 그 말대로 사실 태양은 불타고 있지 않습니다! 태양은 산소와 결합해서 타오르는 것이 아니라 핵융합으로 빛나는 것입니다.
특수상대성 이론에서 에너지와 질량은 같다는 관계를 유도했습니다. 즉 물체가 움직이지 않더라도 질량이 있으면 그만큼 에너지를 가지고 있는 것입니다. 그래서 태양처럼 움직이지 않는 항성 내부의 고온 환경에서는 (열)핵융합 반응이라 불리는 현상이 일어납니다.
태양과 같은 항성을 주계열성이라고 합니다. 주계열성에서는 핵융합을 통해 수소 원자 네 개로부터 양성자 두 개와 중성자 두 개를 갖는 헬륨이 만들어집니다. 핵융합으로 양성자 개수가 달라지므로 원자의 종류가 달라집니다. 만들어진 핵종 질량은 융합하기 전의 원자 질량합보다 작아지며, 작아진 만큼의 질량에 해당하는 에너지가 빛으로 방출되는 것입니다.
-66쪽

현재 인간이 알고 있는 물질은 우주 전체의 불과 5% 정도라고 합니다. 우주 에너지 밀도의 약 5%는 바리온(중입자)이라 불리는 통상적인 물질로 구성된 입자이지만, 그 외의 27%는 정체불명의 물질인 암흑물질이 차지하고 있습니다.
나선은하 중심 부분에는 별들이 모여 있어 밝게 빛납니다. 따라서 별뿐만 아니라 다른 물질도 은하 중심에 모여 있다고 생각하면, 안쪽의 중력이 강해지므로 회전 속도가 빨라질 것입니다. 하지만 나선은하의 회전 속도는 안쪽과 바깥쪽의 차이가 별로 없다는 것이 관측되었습니다. 이것은 은하 중심 외의 곳에도 빛을 내지 않는 정체불명의 물질인 암흑물질이 대량으로 존재한다는 것을 시사합니다.
-114쪽

별이 모여 은하가 되고, 은하가 모여 은하군과 은하단을 구성한다고 설명했습니다. 나아가 우주를 더 크게 내다보면 어떤 구조를 하고 있을까요?
우주에는 1억 광년 크기에 은하가 모여 있는 초은하단이라는 구조가 있는 한편, 1억 광년 이상 은하를 거의 찾아볼 수 없는 텅 빈 영역도 있습니다. 이런 거대한 공간을 보이드(void)라고 합니다.
여러 은하단 사이에는 가늘고 긴 띠 모양의 은하 분포가 이어져 있는데, 이것을 필라멘트 구조라고 합니다. 초은하단은 필라멘트 구조로 보이드를 감싸듯이 분포합니다. 은하단과 그것들을 잇는 필라멘트 구조, 그리고 보이드가 형성하는 구조를 우주의 대규모 구조라고 합니다.
-162쪽