우주탐사의 물리학

물리학, 항공우주공학, 천문학, 지구과학, SF…

외계행성을 향한, 그리고 우주탐사에 필요한

모든 지적 호기심을 충족하는 친절한 과학특강

현실과 SF를 넘나드는 외계행성 탐사에 관한 모든 것

우주탐사에 대한 모든 지적 호기심을 충족한다

세계 최초의 SF 영화로 알려진 〈달나라 여행(Le Voyage dans la Lune)〉(1902)을 보면 사람이 탄 우주선을 대포를 이용해 달로 쏘아 올린다. 우주선보다는 오히려 포탄에 더 가까운 설정으로 다소 엉뚱해 보이는 발사 방식이지만, 그럼에도 대포 포신을 떠나는 순간의 우주선 속도는 초기속도를 잘 표현한다. 발사 이후 추진력을 추가로 사용하지 않고, 초기속도의 관성만으로 날아가는 우주선을 표현하기 때문이다.

영화 〈2001: 스페이스 오디세이(2001: A Space Odyssey)〉(1968)에는 우주선에 인공중력을 만드는 방법이 구체적으로 나온다. 회전해서 인공중력을 만드는 방법이다. 〈마션(Martian)〉(2015)에는 지구와 화성을 오가는 헤르메스라는 우주선이 나오는데, 이 우주선은 아주 천천히 가속하기 때문에 특별한 장치가 없으면 우주선 안은 거의 무중력상태이다. 이 영화에서도 우주인들은 회전으로 인공중력을 만드는 거주 시설에서 생활한다. 〈돈 룩 업(Don’t Look Up)〉(2021)에서는 혜성이 지구와 충돌하는 가상의 위기 상황을 표현했고, 〈아마겟돈(Armageddon)〉(1998)은 지구를 향해 날아오는 소행성의 이야기를 담고 있다.

이렇게 수많은 SF 영화에서도 표현되었듯이, 우리는 20세기를 지나 21세기 현재에 이르기까지 끊임없이 ‘우주탐사’ 대한 꿈을 꾸며 그것을 실현하기 위해 과학기술을 발전시키며 노력하고 있다. 2022년 6월 21일 우리나라에서는 자체 기술로 개발한 추진체인 누리호로 인공위성을 쏘아 올리는 데 성공했고, 2022년 8월 5일에는 달 궤도선 다누리호도 개발해 탄도형 달 전이 방식을 거쳐 달 주위를 도는 궤도에 안착시켰다. 더 이상 우주탐사, 혹은 외계천체 찾기는 SF에만 존재하는 가상의 이야기에 머물지 않는다. 과학이 발달할수록 우리는 지구를 벗어나 광활한 미지의 우주를 탐험할 희망을 꿈꾼다.

그런데 먼 우주를 넘나드는 영화를 보다 보면 그런 설정이 과학적으로 말이 되는지가 궁금할 때가 있다. 이야기를 만드는 작가가 우주여행과 관련된 기본적인 과학 법칙이나 이론을 잘 모른다면 과학적으로 타당성이 부족한 이야기가 만들어질 수도 있다. 반대로 관객이나 독자가 과학 법칙과 이론을 잘 알지 못하는 경우에는 오히려 잘 만든 이야기도 과학적 타당성이 부족하다고 오해를 받을 수 있다. 우주여행과 관련된 직접적인 경험이 거의 없고 정보도 제한적이어서, 이야기를 만들거나 즐기는 데 어느 정도는 상상에 의존할 수밖에 없다는 점도 무시할 수 없다. 과학적으로 타당성이 부족하거나 의문이 드는 부분이 있다면 한 번쯤 따져보는 것이 좋다. 과학을 더 잘 이해할 수 있고, 때로는 몰랐던 과학적 사실을 알게 될 수도 있다.

이러한 취지에서 출간된 신간 『우주탐사의 물리학』은 우주에 대한 전반적인 이야기와 기초 지식을 소개하고, 거주 가능한 외계행성을 향한 우주선 발사 및 그와 관련한 많은 과학 지식을 살펴보고 있다. 즉, 우주를 향한 우리의 희망과 모험에 반드시 필요한 과학 지식, 특히 어려울 것이라 여겨지는 물리학 공부에 대한 기초를 제공한다. 책에서 물리학의 비중이 상대적으로 많기는 하지만, 물리학 외에도 천문학, 지구과학, 항공우주공학이 차지하는 비중도 적지 않다. 따라서 우주탐사에 대한 다양하고 전반적인 과학 분야를 다루고 있다고 말할 수 있다. 다양하고 풍부한 사진 자료들을 매 페이지 가득 실었고, 과학적인 내용을 설명하는 대부분의 그림들을 저자가 직접 그리며 내용을 쉽게 설명하고 있어 독자의 충분한 이해를 돕는다.

지구와 비슷한 환경의 ‘생명체 거주 가능 행성’을 찾아!

물리학, 항공우주공학, 천문학, 지구과학을 한 권에 담아냈다

1950년대 후반에 본격적으로 실행에 옮겨지기 시작한 우주기술은 1961년에 사람을 대기권 밖 우주로 보냈고, 1969년에는 지구 밖 천체인 달 표면에 사람을 보냈다. 무인 우주탐사도 계속되어 1980년대까지 태양계의 모든 행성에 탐사선을 보냈다. 21세기에는 왜행성으로 강등된 명왕성, 소행성대의 왜행성인 세레스, 추류모프-게라시멘코 혜성 등 다양한 천체를 탐사해 오고 있다. 꾸준히 항공우주과학기술에 투자한 한국도 누리호로 인공위성을 쏘아 올리는 데 성공했고, 달 궤도선 다누리호도 개발했다.

천문 관측에도 발전이 있었다. 1990년대에 시작된 외계행성 관측은 2022년까지 5,000개가 넘는 외계행성을 찾는 성과를 내고 있다. 별에서의 거리가 적절해 생명체가 살 수 있는 환경을 가지고 있을 가능성이 있는 이른바 ‘생명체 거주 가능 행성’에 대한 연구 결과가 꾸준히 발표되고 있다. 가장 가까운 별은 지구에서 4.25광년 떨어진 프록시마 센타우리라는 적색왜성(붉은색 난쟁이별)이다. 2016년에 과학잡지 《네이처》에 발표된 논문에 의하면, 이 별 주위에 지구의 환경과 비슷할 가능성이 있는 행성이 돌고 있는 사실이 밝혀졌다. 가장 가까운 별에도 목적지로 삼을 만한 행성이 있다는 이야기이다. 아직은 달 이외의 어떤 천체에도 사람을 보낸 적이 없지만, 외계행성 발견 뉴스를 접하면서 우리는 생명이 살 수 있는 외계행성에 발을 디디고 이주지를 개발하는 상상을 한다. 과학기술이 엄청나게 발달한 먼 미래에는 가능할 것이라는 기대 속의 상상이다.

『우주탐사의 물리학』은 과거, 현재, 가까운 미래, 그리고 아주 먼 미래를 잇는 우주탐사의 긴 여정에서 생각해 봐야 할 과학 지식을 담고 있다. 특히 유인 우주탐사에 관련된 과학 지식을 비중 있게 다룬다. 우리가 중력이라고 느끼는 것은 중력이 아니라는 사실, 자유낙하로 만드는 무중력, 하이퍼루프를 이용한 미래의 무중력 체험, 우주선의 초기속도와 중력 탈출속도, 공전과 자전이 우주선 발사나 비행에 끼치는 영향, 로켓 추진 없이도 우주선 속도를 높일 수 있는 중력도움 항법, 소행성 또는 혜성 충돌로부터의 지구 방위, 장시간 유인 우주비행에 필요한 인공중력을 만드는 방법, 그리고 인공중력에서 벌어지는 특별한 현상 등을 과학 지식에 기반해 꼼꼼히 설명한다.

책의 후반부에서는 외계행성을 찾는 방법, 지상과 우주에서 나타나는 신기루, 블랙홀이 합쳐질 때 발생하는 중력파 관측과 관련된 과학 지식을 설명한다. 마지막에는 아주 먼 미래의 외계행성을 향한 유인 우주탐사에서 일어나는 일과 결과를 특수상대성이론으로 풀어나간다. 빛이 날아가는 데 수백 년 이상이 걸리는 곳도 몇십 년 만에 갈 수 있는 이유, 쌍둥이 역설, 빛의 속도에 가깝게 우주선을 가속하는 과정, 그리고 이에 필요한 에너지 등을 살펴본다.

책에서는 일반 대중만이 아니라 과학 마니아의 눈높이도 신경을 써서 설명했다. 글만으로는 이해하기 쉽지 않을 수 있는 부분은 다양한 그림을 넣어서 보완했다. 꼭 필요하지 않으면 수식은 가능하면 피했다. 관련 과학기술의 기본 원리를 어떻게 응용하는지도 설명했다. 현재와 미래의 과학기술뿐만 아니라 상상에만 존재하는 내용도 과학적으로 따졌다.

초중고 학생들부터 대학생 이상의 성인들까지 많은 사람들이 이 책을 통해서 우주여행과 관련된 과학 정보를 얻고 지적 호기심도 충족하기를 바라며 집필했다고 저자 윤복원 박사는 밝힌다. 대학수학능력시험 국어 영역의 지문에도 과학을 비롯한 비문학 지문이 나오는 요즘, 수능에 대비한 기본 과학 지식을 쌓는 데 많은 도움 될 것이다. 아울러 우주여행 관련 글을 쓸 때 확인해야 할 세부 과학 지식을 제공하는 동반자로서의 역할을 이 책이 충분히 수행할 것으로 보기에, 특히 SF 작가도 여러모로 참고할 만하다.

과학자가 일반 대중과 소통하기 위해서는…

기본적인 물리학에 기반한 지식을 추려 대중 앞에 내놓다

과학자와 일반 대중이 과학을 소통하는 것은 쉽지 않다. 내용 자체가 어렵다는 것이 가장 큰 문제이다. 이 문제를 극복하려면 과학자가 과학을 쉽게 설명하려는 노력이 중요하다. 그런 노력에도 불구하고 대중과의 소통이 어렵다면, 과학자와 대중 사이를 연결하는 중간 다리에 있는 사람들의 역할도 중요하다. 과학 관련 기자와 유튜버를 포함한 과학 커뮤니케이터들이 이에 해당한다. 과학자는 이들에게 정확한 과학 정보를 제공하고, 이들이 대중을 상대로 하는 활동에 대한 피드백을 제공하는 것도 필요하다.

‘용어의 장벽’이라는 문제도 있다. 과학자가 자연스럽게 습관적으로 쓰는 용어들이 대중에게는 이해하기 어렵고, 심지어는 무엇을 의미하는지 감을 잡기조차 어려울 수 있다. 이런 용어들을 대중이 어려워하는 것 자체를 과학자가 모를 수도 있다. 가능하면 쉬운 용어로 바꿔 쓰고, 그것이 어려우면 용어에 대한 쉬운 설명을 곁들이는 노력이 필요하다.

과학자의 ‘배려의 문제’도 있다. 대중이 알고 싶어 하는 과학 주제에 대해 ‘알고 싶으면 공부하세요’라든지 ‘이건 전공자가 아니면 공부해도 모릅니다’라고 하는 대응은 피해야 한다. 이런 말들은 일부 대중에게 상처가 될 수 있고, 이후 이들은 과학자와의 소통 경로 자체를 차단할 수도 있다.

저자는 이러한 문제들을 인식하고, 처음으로 대중을 상대로 과학 관련 글을 쓰고 기고했다. 2014년의 첫 글은 특수상대성이론의 ‘쌍둥이 역설’을 설명하는 글이었다. 상대성이론은 물리학자라면 반드시 배우는 기본적인 물리학 지식이었고, 그 이후에도 대부분 기본적인 물리학 지식에 기반하며 그동안 저자 개인적으로 관심 있었던 주제의 내용을 주로 다뤘다. 뉴스에 나오는 내용에도 주목했고, 직접 계산을 해서 확인하는 과정도 잊지 않았다. 떠돌아다니는 이야기를 아무 검증 없이 쓰는 것은 과학자로서의 자세가 아니라고 저자는 생각했다.

이렇게 윤복원 박사는 우주와 우주여행에 관련된 과학 지식을 추려 책으로 만들어 대중 앞에 내놓았다. 책은 총 6부로 구성되어 있다. 1부부터 5부까지는 기존의 우주탐사와 관련된 과학 지식을 담고 있고, 마지막 6부는 아주 먼 미래에 있을 법한 외계행성 우주탐사를 위주로 다뤘다. 6부 이후에 연결될 내용은 독자의 상상과 먼 미래의 발전된 과학기술의 몫으로 남겨둔다고 저자는 말한다.

윤복원

서울대학교 물리학과를 졸업하고 프랑스 파리 11대학교(현 파리-사클레 대학교)에서 석사와 박사를 마친 물리학자이다. 유학 전 한국에서는 핵물리 실험실에서 연구했고, 프랑스 유학 시절에는 나노물리학 실험과 전자현미경을 이용한 나노 물질 분석 연구를 했다. TOF 스펙트럼 분석 소프트웨어와 과학영상 분석 소프트웨어를 이 시기에 직접 개발했다. 이후 미국 조지아공과대학교 물리학과 전산재료과학센터 연구원으로 재직하며, 나노물리학 이론 및 계산 연구를 하고 있다.

《사이언스》, 《네이처》, 《피지컬 리뷰 레터스》, 《미국화학회지(JACS)》 등 세계적으로 권위 있는 과학저널에 50여 편의 논문을 발표했고, 발표한 논문은 다른 과학자들의 논문에 7,000여 회 인용됐다. 한겨레가 운영하는 〈사이언스온〉과 〈미래&과학〉에 2014년부터 대중 독자를 위한 과학 및 데이터 관련 글을 기고하고 있다. 페이스북에서도 과학 및 데이터 관련 포스트로 소통하고 있다.

프롤로그

1부 무중력과 인공위성

맨몸으로 하늘을 나는 꿈, 실현 가능할까?

무중력을 만드는 방법

무중력의 정체

스타십과 하이퍼루프를 이용한 미래의 무중력 체험

상상의 지구에서 체험하는 무중력

지구의 자전주기는 24시간이 아니다

인공위성과 미사일이 날아가면서 휘는 이유는?

2부 태양계 우주탐사

초기속도란 무엇인가?

달 그리고 다른 행성에 가기 위한 초기속도

중력도움 항법은 보이지 않는 공짜 추진체

수성과 태양 탐사에도 이용하는 중력도움 항법

우주선 비행 궤도의 모양이 의미하는 것은?

로켓과 이온 추진체, 그리고 미래의 광자로켓

3부 소행성과 혜성, 그리고 지구 방위

소행성과 혜성의 모양이 울퉁불퉁한 이유는?

공룡을 멸종시킨 소행성 충돌 에너지는 어디에서 왔나?

혜성이 지구와 부딪치면?

소행성과 혜성 충돌로부터의 지구 방위

4부 장기간 유인 우주탐사에 필요한 인공중력

시애틀 기차탈선사고는 어떻게 일어났나?

스포츠에서의 인공중력

우주에서 인공중력을 만드는 방법

인공중력에서 저글링을 하면?

평평함과 수평의 차이

무중력을 설명하는 있다가도 없는 관성력

인공중력의 정체, 그리고 관성력으로 보는 중력

5부 외계천체 찾기

첫 외계행성 관측과 도플러 효과

그림자의 과학: 외계행성 관측과 엑스선 영상

신기루의 과학: 블랙홀을 가까이에서 보면?

거리는 어떻게 측정할까?

첫 중력파 관측 논문 따라잡기

6부 특수상대성이론으로 풀어보는 외계행성 유인 탐사

우주선의 속도가 광속에 가까우면 생기는 일

쌍둥이 역설: 아는 것과 보이는 것의 차이

유인 우주선은 얼마나 빨리 가속할 수 있을까?

광속에 가깝게 가속할 때 필요한 에너지

에필로그

주

그림 출처