별의 물리학-세상에서 가장 쉬운 과학 수업-

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.

지은이 : 정완상

과학에 대한 호기심으로 서울대학교 무기재료공학과에 다녔고, 물리를 향한 마음이 더욱 커져 한국과학기술원(KAIST)에서 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 수학의 즐거움을 알려주고자 책을 통해 독자를 만나고 있다. 〈과학자가 들려주는 과학 이야기 시리즈〉 중 《아인슈타인이 들려주는 상대성 이론 이야기》를 비롯한 31권과 〈과학공화국 법정 시리즈〉 50권을 집필했다. 최근에는 중학교에서도 통하는 초등수학을 카툰으로 그린 〈개념 잡는 수학툰 시리즈〉를 출간했고, 노벨상 오리지널 논문을 쉽게 풀어낸 〈노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학 시리즈〉를 집필 중이다. 우리나라의 노벨 과학상 수상자가 쏟아져 나오기를 바라는 마음에서 네이버 카페 〈정완상 교수의 노벨상-오리지널 논문 공부하기〉를 운영하기 시작했다.

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

위대한 논문과의 만남을 마무리하며

이 책을 위해 참고한 논문들

수식에 사용하는 그리스 문자

노벨 물리학상 수상자들을 소개합니다