우주탐사의 물리학 : 현실과 SF를 넘나드는 외계행성 탐사에 관한 모든 것

윤복원

서울대학교물리학과를졸업하고프랑스파리11대학교(현파리-사클레대학교)에서석사와박사를마친물리학자이다.유학전한국에서는핵물리실험실에서연구했고,프랑스유학시절에는나노물리학실험과전자현미경을이용한나노물질분석연구를했다.TOF스펙트럼분석소프트웨어와과학영상분석소프트웨어를이시기에직접개발했다.이후미국조지아공과대학교물리학과전산재료과학센터연구원으로재직하며,나노물리학이론및계산연구를하고있다.
《사이언스》,《네이처》,《피지컬리뷰레터스》,《미국화학회지(JACS)》등세계적으로권위있는과학저널에50여편의논문을발표했고,발표한논문은다른과학자들의논문에7,000여회인용됐다.한겨레가운영하는〈사이언스온〉과〈미래&과학〉에2014년부터대중독자를위한과학및데이터관련글을기고하고있다.페이스북에서도과학및데이터관련포스트로소통하고있다.

프롤로그

1부무중력과인공위성
맨몸으로하늘을나는꿈,실현가능할까?
무중력을만드는방법
무중력의정체
스타십과하이퍼루프를이용한미래의무중력체험
상상의지구에서체험하는무중력
지구의자전주기는24시간이아니다
인공위성과미사일이날아가면서휘는이유는?

2부태양계우주탐사
초기속도란무엇인가?
달그리고다른행성에가기위한초기속도
중력도움항법은보이지않는공짜추진체
수성과태양탐사에도이용하는중력도움항법
우주선비행궤도의모양이의미하는것은?
로켓과이온추진체,그리고미래의광자로켓

3부소행성과혜성,그리고지구방위
소행성과혜성의모양이울퉁불퉁한이유는?
공룡을멸종시킨소행성충돌에너지는어디에서왔나?
혜성이지구와부딪치면?
소행성과혜성충돌로부터의지구방위

4부장기간유인우주탐사에필요한인공중력
시애틀기차탈선사고는어떻게일어났나?
스포츠에서의인공중력
우주에서인공중력을만드는방법
인공중력에서저글링을하면?
평평함과수평의차이
무중력을설명하는있다가도없는관성력
인공중력의정체,그리고관성력으로보는중력

5부외계천체찾기
첫외계행성관측과도플러효과
그림자의과학:외계행성관측과엑스선영상
신기루의과학:블랙홀을가까이에서보면?
거리는어떻게측정할까?
첫중력파관측논문따라잡기

6부특수상대성이론으로풀어보는외계행성유인탐사
우주선의속도가광속에가까우면생기는일
쌍둥이역설:아는것과보이는것의차이
유인우주선은얼마나빨리가속할수있을까?
광속에가깝게가속할때필요한에너지

에필로그
주
그림출처

현실과SF를넘나드는외계행성탐사에관한모든것
우주탐사에대한모든지적호기심을충족한다

세계최초의SF영화로알려진〈달나라여행(LeVoyagedanslaLune)〉(1902)을보면사람이탄우주선을대포를이용해달로쏘아올린다.우주선보다는오히려포탄에더가까운설정으로다소엉뚱해보이는발사방식이지만,그럼에도대포포신을떠나는순간의우주선속도는초기속도를잘표현한다.발사이후추진력을추가로사용하지않고,초기속도의관성만으로날아가는우주선을표현하기때문이다.

영화〈2001:스페이스오디세이(2001:ASpaceOdyssey)〉(1968)에는우주선에인공중력을만드는방법이구체적으로나온다.회전해서인공중력을만드는방법이다.〈마션(Martian)〉(2015)에는지구와화성을오가는헤르메스라는우주선이나오는데,이우주선은아주천천히가속하기때문에특별한장치가없으면우주선안은거의무중력상태이다.이영화에서도우주인들은회전으로인공중력을만드는거주시설에서생활한다.〈돈룩업(Don’tLookUp)〉(2021)에서는혜성이지구와충돌하는가상의위기상황을표현했고,〈아마겟돈(Armageddon)〉(1998)은지구를향해날아오는소행성의이야기를담고있다.

이렇게수많은SF영화에서도표현되었듯이,우리는20세기를지나21세기현재에이르기까지끊임없이‘우주탐사’대한꿈을꾸며그것을실현하기위해과학기술을발전시키며노력하고있다.2022년6월21일우리나라에서는자체기술로개발한추진체인누리호로인공위성을쏘아올리는데성공했고,2022년8월5일에는달궤도선다누리호도개발해탄도형달전이방식을거쳐달주위를도는궤도에안착시켰다.더이상우주탐사,혹은외계천체찾기는SF에만존재하는가상의이야기에머물지않는다.과학이발달할수록우리는지구를벗어나광활한미지의우주를탐험할희망을꿈꾼다.

그런데먼우주를넘나드는영화를보다보면그런설정이과학적으로말이되는지가궁금할때가있다.이야기를만드는작가가우주여행과관련된기본적인과학법칙이나이론을잘모른다면과학적으로타당성이부족한이야기가만들어질수도있다.반대로관객이나독자가과학법칙과이론을잘알지못하는경우에는오히려잘만든이야기도과학적타당성이부족하다고오해를받을수있다.우주여행과관련된직접적인경험이거의없고정보도제한적이어서,이야기를만들거나즐기는데어느정도는상상에의존할수밖에없다는점도무시할수없다.과학적으로타당성이부족하거나의문이드는부분이있다면한번쯤따져보는것이좋다.과학을더잘이해할수있고,때로는몰랐던과학적사실을알게될수도있다.

이러한취지에서출간된신간『우주탐사의물리학』은우주에대한전반적인이야기와기초지식을소개하고,거주가능한외계행성을향한우주선발사및그와관련한많은과학지식을살펴보고있다.즉,우주를향한우리의희망과모험에반드시필요한과학지식,특히어려울것이라여겨지는물리학공부에대한기초를제공한다.책에서물리학의비중이상대적으로많기는하지만,물리학외에도천문학,지구과학,항공우주공학이차지하는비중도적지않다.따라서우주탐사에대한다양하고전반적인과학분야를다루고있다고말할수있다.다양하고풍부한사진자료들을매페이지가득실었고,과학적인내용을설명하는대부분의그림들을저자가직접그리며내용을쉽게설명하고있어독자의충분한이해를돕는다.

지구와비슷한환경의‘생명체거주가능행성’을찾아!
물리학,항공우주공학,천문학,지구과학을한권에담아냈다

1950년대후반에본격적으로실행에옮겨지기시작한우주기술은1961년에사람을대기권밖우주로보냈고,1969년에는지구밖천체인달표면에사람을보냈다.무인우주탐사도계속되어1980년대까지태양계의모든행성에탐사선을보냈다.21세기에는왜행성으로강등된명왕성,소행성대의왜행성인세레스,추류모프-게라시멘코혜성등다양한천체를탐사해오고있다.꾸준히항공우주과학기술에투자한한국도누리호로인공위성을쏘아올리는데성공했고,달궤도선다누리호도개발했다.

천문관측에도발전이있었다.1990년대에시작된외계행성관측은2022년까지5,000개가넘는외계행성을찾는성과를내고있다.별에서의거리가적절해생명체가살수있는환경을가지고있을가능성이있는이른바‘생명체거주가능행성’에대한연구결과가꾸준히발표되고있다.가장가까운별은지구에서4.25광년떨어진프록시마센타우리라는적색왜성(붉은색난쟁이별)이다.2016년에과학잡지《네이처》에발표된논문에의하면,이별주위에지구의환경과비슷할가능성이있는행성이돌고있는사실이밝혀졌다.가장가까운별에도목적지로삼을만한행성이있다는이야기이다.아직은달이외의어떤천체에도사람을보낸적이없지만,외계행성발견뉴스를접하면서우리는생명이살수있는외계행성에발을디디고이주지를개발하는상상을한다.과학기술이엄청나게발달한먼미래에는가능할것이라는기대속의상상이다.

『우주탐사의물리학』은과거,현재,가까운미래,그리고아주먼미래를잇는우주탐사의긴여정에서생각해봐야할과학지식을담고있다.특히유인우주탐사에관련된과학지식을비중있게다룬다.우리가중력이라고느끼는것은중력이아니라는사실,자유낙하로만드는무중력,하이퍼루프를이용한미래의무중력체험,우주선의초기속도와중력탈출속도,공전과자전이우주선발사나비행에끼치는영향,로켓추진없이도우주선속도를높일수있는중력도움항법,소행성또는혜성충돌로부터의지구방위,장시간유인우주비행에필요한인공중력을만드는방법,그리고인공중력에서벌어지는특별한현상등을과학지식에기반해꼼꼼히설명한다.

책의후반부에서는외계행성을찾는방법,지상과우주에서나타나는신기루,블랙홀이합쳐질때발생하는중력파관측과관련된과학지식을설명한다.마지막에는아주먼미래의외계행성을향한유인우주탐사에서일어나는일과결과를특수상대성이론으로풀어나간다.빛이날아가는데수백년이상이걸리는곳도몇십년만에갈수있는이유,쌍둥이역설,빛의속도에가깝게우주선을가속하는과정,그리고이에필요한에너지등을살펴본다.

책에서는일반대중만이아니라과학마니아의눈높이도신경을써서설명했다.글만으로는이해하기쉽지않을수있는부분은다양한그림을넣어서보완했다.꼭필요하지않으면수식은가능하면피했다.관련과학기술의기본원리를어떻게응용하는지도설명했다.현재와미래의과학기술뿐만아니라상상에만존재하는내용도과학적으로따졌다.초중고학생들부터대학생이상의성인들까지많은사람들이이책을통해서우주여행과관련된과학정보를얻고지적호기심도충족하기를바라며집필했다고저자윤복원박사는밝힌다.대학수학능력시험국어영역의지문에도과학을비롯한비문학지문이나오는요즘,수능에대비한기본과학지식을쌓는데많은도움될것이다.아울러우주여행관련글을쓸때확인해야할세부과학지식을제공하는동반자로서의역할을이책이충분히수행할것으로보기에,특히SF작가도여러모로참고할만하다.

과학자가일반대중과소통하기위해서는…
기본적인물리학에기반한지식을추려대중앞에내놓다

과학자와일반대중이과학을소통하는것은쉽지않다.내용자체가어렵다는것이가장큰문제이다.이문제를극복하려면과학자가과학을쉽게설명하려는노력이중요하다.그런노력에도불구하고대중과의소통이어렵다면,과학자와대중사이를연결하는중간다리에있는사람들의역할도중요하다.과학관련기자와유튜버를포함한과학커뮤니케이터들이이에해당한다.과학자는이들에게정확한과학정보를제공하고,이들이대중을상대로하는활동에대한피드백을제공하는것도필요하다.

‘용어의장벽’이라는문제도있다.과학자가자연스럽게습관적으로쓰는용어들이대중에게는이해하기어렵고,심지어는무엇을의미하는지감을잡기조차어려울수있다.이런용어들을대중이어려워하는것자체를과학자가모를수도있다.가능하면쉬운용어로바꿔쓰고,그것이어려우면용어에대한쉬운설명을곁들이는노력이필요하다.과학자의‘배려의문제’도있다.대중이알고싶어하는과학주제에대해‘알고싶으면공부하세요’라든지‘이건전공자가아니면공부해도모릅니다’라고하는대응은피해야한다.이런말들은일부대중에게상처가될수있고,이후이들은과학자와의소통경로자체를차단할수도있다.

저자는이러한문제들을인식하고,처음으로대중을상대로과학관련글을쓰고기고했다.2014년의첫글은특수상대성이론의‘쌍둥이역설’을설명하는글이었다.상대성이론은물리학자라면반드시배우는기본적인물리학지식이었고,그이후에도대부분기본적인물리학지식에기반하며그동안저자개인적으로관심있었던주제의내용을주로다뤘다.뉴스에나오는내용에도주목했고,직접계산을해서확인하는과정도잊지않았다.떠돌아다니는이야기를아무검증없이쓰는것은과학자로서의자세가아니라고저자는생각했다.

이렇게윤복원박사는우주와우주여행에관련된과학지식을추려책으로만들어대중앞에내놓았다.책은총6부로구성되어있다.1부부터5부까지는기존의우주탐사와관련된과학지식을담고있고,마지막6부는아주먼미래에있을법한외계행성우주탐사를위주로다뤘다.6부이후에연결될내용은독자의상상과먼미래의발전된과학기술의몫으로남겨둔다고저자는말한다.