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1. 개요
天體物理學 / Astrophysics[1]천체물리학(또는 우주물리학)은 천체에서 일어나는 각종 현상을 물리학의 이론을 이용하여 설명하고 예측하는 천문학의 하위 학문이다. 이처럼 물리학 이론을 이용하여 특정한 범주의 자연을 연구하는 학문으로는 천체물리학 외에 지구물리학, 물리화학(화학물리학), 생물물리학 등이 있다.
물리학을 단순히 천문학에 응용한다는 측면뿐만 아니라 천체의 여러 현상을 해명하는 과정에서 새로운 물리학이 탄생한 경우도 드물지 않다. 예컨대 태양의 흑점, 자기장과 오로라 현상을 연구하는 과정에서 플라즈마 물리학이 탄생했고, 항성의 에너지원을 규명하는 과정에서 핵융합에 대한 물리학을 바탕으로 핵물리학이 발전했다.
천문학을 연구하기 위해서 본격적으로 물리학을 도입하면서 탄생하였으며, 천문학과 물리학 양쪽에 모두 속한다. 보통 하버드 대학교, 예일 대학교, 프린스턴 대학교, 캘리포니아 공과대학교(Caltech), 시카고 대학교, UC 버클리처럼 천문학과가 있는 대학에서는 천체물리학자들이 천문학과에 소속되고, 옥스퍼드 대학교, 매사추세츠 공과대학교(MIT), 스탠퍼드 대학교, ETH 취리히, UCSB처럼 천문학과가 없는 대학에서는 물리학과에서 천체물리학 관련 분야를 집중해서 연구하게 된다.[2] 국내에는 천문학과가 있는 대학에서 연구하고, 서울대와 KAIST, UNIST, 경북대, 부산대, 서울시립대, 충북대 등의 일부 물리학과에도 소수의 천체물리학자가 있다. 그 밖에도 지구과학교육과에도 천체물리 연구자들이 있다. 아쉽게도 일반적인 국내 대학교의 물리학과에서는 거의 천체물리 연구가 이루어지지 않고 있다. 한편 핵물리학[3], 입자 물리학[4], 중력파 및 블랙홀을 연구하는 물리학자들도 들락날락 거린다. 물리학의 연구를 위한 실험 내지 관찰대상으로 우주만큼 좋은 것이 없기 때문에 사실상 천체물리학과 입자물리학의 경계는 없다고 봐도 되는 수준이다. 중력파, 블랙홀 분야와 같은 고에너지 분야나 우주론 같은 경우에는 사실상 그 전공을 하는 것이지 천체물리학, 물리학의 경계가 거의 존재하지 않는다.[5]
20세기 초부터 시작된 천문학의 물리학 동화 현상과 관련이 깊으며, 본격적인 시작은 영국 케임브리지 대학교 천문학과 학장 아서 스탠리 에딩턴에서 비롯됐다. 그리고 그 제자인 수브라마니안 찬드라세카르[6]와 중성자별로 유명한 동 대학 물리학과의 앤서니 휴이시[7] 등이 관련 분야의 노벨물리학상 수상자이다. 그 이후에는 사실상 모든 천문학자가 천체물리학자와 동일시 된다.
첫 천문학 관련 노벨상 수상 업적인 중성자별 역시 천체물리학에서 다룬다. 두 번째 수상 업적인 백색왜성 역시 천체물리학의 연구 성과다. [8]
천체물리학 중 항성 분야에서는 별의 표면에 대해 연구하거나 별의 내부 구조, 별의 진화 과정 등을 다룬다. 따라서 주계열성은 물론이고, 맥동 변광성이나 밀집성 등에 대한 연구를 한다.
그 밖에도 은하도 중요하게 다루는 경우가 많다. 그런데 은하 쪽으로 연구를 하다보면 자연스럽게 우주론과 연결되어 본의 아니게 우주론 공부를 하는 천체물리학자들이 굉장히 많다. 이건 결국 천체 현상들의 기원 중 대부분이 우주의 탄생과 관련이 깊기 때문에 자연스러운 현상이다.[9]
2. 우주론과의 관계
우주론은 천체물리학의 한 분야이며 전통적인 입자물리와 같은 물리학의 분야들과 연관성이 깊다. 입자물리이론 및 실험과도 연관이 깊어서 미국물리학회 (APS) 에서는 천체물리학 분과와 입자물리이론, 실험, 중력파 물리 등의 관련 분야가 항상 같이 다닌다.3. 연구 대상
4. 천체물리학자
100년 전에는 천체물리학은 물리학의 하위 분야, 천문학은 단순히 행성 등의 천체를 관측하는 학문으로 여겨졌지만, 이제는 모든 천문학 연구에서 물리학이 중요하게 사용되기 때문에 천체물리학자와 천문학자를 구분하는 것이 불가능하다. # # 모든 천문학자들은 천체물리학자라고 불리는 것에 아무런 거부감이 없다.- 아서 스탠리 에딩턴 - 항성과 관련해서는 단연 1인자로 꼽히며, 현재의 천체물리학의 기틀을 다지는 데 가장 큰 공헌을 한 사람.[10]
- 수브라마니안 찬드라세카르 - 스승인 에딩턴과는 사이가 안 좋았던 것으로 유명하지만 그에 준하거나 혹은 더 뛰어난 천체물리학자.
- 로버트 엠든
- 조너선 호머 레인
- 카를 슈바르츠실트
- 마틴 슈바르츠실트 - 위의 칼 슈바르츠쉴트의 아들이고 엠든의 조카이다.
천체물리학 가문 - 스티븐 호킹
- 칼 세이건 - 칼 세이건은 비주류 학문인 천체물리학을 코스모스등 재미있는 책으로 만들어 천체물리학을 널리 알렸다.
- 킵 손
5. 전공자 중 유명인(학자 제외)
- 우주 비행사: 샐리 라이드, 마이클 폴 등
- 브라이언 메이: 천체물리학을 전공하던 중 밴드 퀸에 가입해 기타리스트로 활약하게 되었다. 연구를 시작한 지 약 30년이 지난 2007년에 박사 학위를 취득했다. 음악을 본업으로 하나, 천문 연구도 활발히 병행하는 중.
- 송유근: 하지만 논문 표절로 ApJ에 게재된 논문이 취소되어 박사 학위를 받지 못했다. 박사 학위를 받지도 못한 사람을 전공자라고 부를 수 있는지는 모르겠지만...
6. 연관된 물리학 이론
간단하게 줄여쓰면 (고체물리학, 생물물리학 같이 특화된 응용분야를 제외하면) 물리학은 다 쓴다. 당연하게도 거기서 쓰는 수학, 프로그래밍, 통계학도 다 쓴다.
7. 트렌드
천체물리학 연구자들 중에는 학부에서 (천문학이 아니라) 물리학을 전공한 후 이 쪽으로 넘어오는 경우가 꽤 많다. 한국을 포함해서 대부분의 나라에서 천문학은 물리학에 비해 학과가 개설된 학교의 숫자도 적고, 따라서 배출되는 인원도 적은데, 이에 따른 천문학 쪽의 인력 부족이 물리학계에서의 인력 유입으로 해결되는 현상으로[13] 최근의 ApJ[14]에는 천체물리학과 큰 연관이 없던 학교 출신 혹은 재직자, 연구원들의 논문 게재가 상당히 늘어났다. 특히 암흑 물질이나 은하 구조, 우주론 등에서 많이 나타나는 현상.21세기 들어서 천문학 연구는 천체물리학이 주도하고 있다고 해도 과언이 아니기 때문에, 사실상 '천문학=천체물리학'의 성향을 띠고 있고, 그 까닭에 두 용어가 동일한 의미로 쓰이기도 하지만, 해양물리학이 해양학의 전부가 아니 듯, 역사적인 의미에서는 천체물리학이 천문학의 전부는 아니다. 천문학이 천체물리학으로 진화했다고 볼 수 있다.
2016년 2월 11일, 중력파의 관측에 성공하면서 새로운 도전의 장이 열리게 되었다.
8. 중등교육과정
고등학교 교육과정상의 천체물리학은 2015 개정 교육과정 기준으로 아래의 두 과목에서 맛보기식으로 등장한다.심화된 내용은 나오지 않는다. 천체물리학에서 쓰는 개념이나 용어가 소개된다고 해서, 천체물리학을 배우는 것이 아니다. '양자나 상대론, 유체역학 같은 끝판대장들도 나오는데 얘가 뭔데 안 나오냐?'라며 의문 부호를 띄울 수 있겠지만 그쪽은 암만 어려워도 일단 개념을 소개할 수 있지만 이쪽은 전적으로 물리학 이론을 천체 현상에 적용시키는 학문이다보니, 단지 개념만 소개하고 만다면 그냥 천문학이나 물리학이 되어버린다.
9. 기타
물리학을 이용하는 학문이 아니랄까봐 뭐든지 '구형(球形)'으로 가정하고 설명하는 경향이 있다. 그런데 이쪽은 그 경향이 특히 심한 편인데, 그래도 설명하는 대상이 대부분 구형이기 때문에 큰 문제는 없다. 참고로 항성만이 아니라 은하도 구로 놓고 설명하는 경우가 종종 있다. 애리조나 주립대학교(ASU)의 천문학 교수 폴 데이비스의 저서 『코스믹 잭팟』 에서는 젖소에게서 우유가 나오지 않아 여러 사람에게 문제 해결을 의뢰했는데, 의뢰를 받은 물리학자가 "균일 등방한 구형의 젖소를 가정했을 때..." 라는 말로 답을 하기 시작했다고 한다. 천문학이나 물리학 전공자는 마냥 웃기만은 할 수 없는데 웃기는 묘함을 느낄 수 있다.물리학 이론을 이용하여 천체 현상을 설명하는 학문이기 때문에, 순수(?)한 물리학에 비해서는 응용학문적 성격을 지닌다. 따라서 약간은 실용적이라는 식의 언급을 하는 경우도 있으나, 어차피 자연과학이다.
우주망원경 연구 등의 분야에서 항공우주공학과 접점이 있다. 물론 이 경우에는 천체물리학보다는 엔지니어링이 주 분야가 된다.
관련 중고등학생 대상 대회로 국제 천문 및 천체물리 올림피아드(IOAA)를 위시한 천문학 올림피아드들이 있다. 문서 참조.
10. 관련 문서
- 은하
- 물리학
- 천문학
- 한국천문올림피아드 (KAO), 국제천문올림피아드 (IAO), 아시아-태평양 천문올림피아드 (APAO), 국제 천문 및 천체물리 올림피아드 (IOAA), 국제 천문 및 천체물리 e-경시대회 (GeCAA)
11. 둘러보기
[1] astrodynamics이라 불리는 과목도 있다. 이름만 보면 천체물리학의 일부일 것만 같(고 어느 정도는 맞는 말이)지만, 사실상 이는 (인공) 천체의 궤도 연구에 집중하는 궤도역학(orbital mechanics)이라 할 수 있으며, 천체물리학자보다는 항공우주공학자들이 관심을 갖는 분야이다. 우리에게 친숙한 우주인 버즈 올드린이 이 분야 연구자. 따라서 이 분야를 연구하는 사람들은 물리학, 천문학뿐만 아니라 항공우주공학 전공자들도 굉장히 많다.[2] 이 외에 UCLA처럼 물리학과와 천문학과가 통합되어 물리천문학과라는 이름으로 운영되는 경우도 있고, 케임브리지 대학교처럼 천문학과, 물리학과, 수학과가 모두 각자 천체물리학 연구팀을 갖고 있는 경우도 있다.[3] 별의 진화 과정에서는 핵반응이 중요한데 이 때 나타나는 여러 핵반응이나 별의 폭발 현상, 중성자별 등[4] 우주선, 초기 우주, 암흑 물질과 암흑 에너지 등[5] 실제로 같은 것을 하지만, 학부 단위로 출신이 다르다.[6] 하지만 찬드라세카르는 케임브리지에서의 기억이 별로 좋지 않아 졸업 후 미국 시카고 대학교로 떠났다. 자세한 것은 아서 스탠리 에딩턴 문서와 수브라마니안 찬드라세카르 문서 참고.[7] 이쪽은 사실 대학원생이었던 조셀린 벨 버넬이 수상했어야 했지만...[8] 최근엔 우주론이 다수 수상[9] 거리의 사다리 항목을 보면 알겠지만 필연적으로 우주론과 연결될 수밖에 없다.[10] 알베르트 아인슈타인의 일반 상대성이론을 실제로 관측적으로 검증한 것으로도 유명하다.[11] 사실 이쪽은 현대물리학의 많은 부분을 차지하는 양자광학, 응집물질물리학 등의 분야보다 천체물리학이랑 훨씬 친하다.[12] 전자기학과 유체역학을 모두 다룬다. 자기유체역학(magnetohydrodynamics, MHD)과 같은 뜻이다.[13] 그래도 인력은 여전히 부족한 편이다.[14] AstroPhysical Journal, 천체물리학 분과에서 가장 유명한 학술지