행성의 타원 궤도

 안녕하세요! 여러 정보와 지식들을 나누는 난양입니다 :) 오늘은 행성의 타원 궤도에 대하여 포스팅을 해보고자 합니다.

 

 갈릴레오는 망원경 관측으로 프톨레마이오스 우주론이 틀렸다는 것을 발견했습니다. 그리고 1609년 케플러는 행성의 궤도는 원이 아닌 타원이라고 제안했습니다. 태양 주위를 공전하는 지구의 움직임을 제대로 이해하게 됨으로써 이후 무수히 많은 새로운 발견들이 가능했습니다.

  1600년대 초 두 가지 혁명이 이뤄졌는데, 하나는 오래된 지구중심설이 뒤집힌 것이고, 또 하나는 근대 천문학에 가까워지기 시작한 것입니다. 그 후, 1600년대 후반에 만들어진 만유인력의 법칙은 우주 이론의 최고의 자리에 있습니다.

1. 우주 이론의 재구성

 17세기 초에 일어난 천문학의 변신은 이탈리아의 물리학자 갈릴레오 갈릴레이의 망원경 관측과 독일의 천문학자 요하네스 케플러의 이론적 성과로 인한 것이었습니다.

 

 1608년경, 네덜란드의 렌즈 제작자들은 두 렌즈를 긴 관을 따라 정렬시키면 확대된 이미지를 얻을 수 있다는 사실을 발견했고 갈릴레오는 스스로 그 장치를 만들어 1609년 후반 처음으로 하늘을 관측했습니다. 이 관측으로 그는 우주에 대한 당시의 많은 이론들이 잘못됐다고 확신하게 됐습니다. 기존에 알려진 것과는 반대로, 우주에는 지구 주위를 공전하지 않는 천체들이 있었고, 적어도 금성은 태양 주위를 공전하는 것처럼 보였습니다.  갈릴레오는 1610년에 <항성의 메신저(The Starry Messenger)>를 통해 이러한 관찰 내용을 발표했습니다. 그러나 이러한 견해를 이단으로 여기는 가톨릭교회의 영향력 때문에 당분간 침묵할 수밖에 없었습니다.

2. 행성들의 궤도는 타원이다.

 그런데 갈릴레오가 중요한 발견들을 이뤘던 바로 그 해에 요하네스 케플러는 '질서정연한 천구'라는 우주에 대한 오랜 이론을 박살 내버렸습니다. 지동설의 이론적 근거를 확보하는 혁신적인 내용의 책을 출간한 것입니다. 케플러는 화성의 역행 운동 같은 문제들은 행성들의 궤도가 타원일 때 가장 잘 설명된다는 사실을 깨달았습니다.

 

 1609년 출간된 <새로운 천문학(New Astronomy)>에서 케플러는 행성들은 태양을 두 초점 중 하나로 가지는 타원 위를 공전하며, 그 공전 속도는 태양에서의 거리에 따라 달라진다고 주장했습니다. 그리고 1619년 케플러는 세 번째 법칙을 추가했는데, 이 법칙은 행성의 공전주기의 제곱과 그 반장축(태양으로부터의 거리의 평균)의 세제곱이 서로 비례한다는 내용으로, 이 법칙을 통해 행성들의 상대적인 공전주기를 비교할 수 있게 됐습니다.

 

 프로테스탄트에 대해 좀 더 수용적이었던 북유럽에서 연구했던 케플러는 갈릴레오가 경험했던 문제들을 거의 겪지 않았고, 그의 이론들은 학계에 급속히 받아들여졌습니다. 이탈리아에서도 교황이 좀 더 관대한 사람으로 바뀌자 갈릴레오는 자신의 생각을 글로 집필해 1623년 <두 가지 주요 세계 구조에 관한 대화(Dialogue concerning the two chief world systems)>라는 책으로 출간했습니다.

 

 그러나 일부를 제외한 나머지는 여전히 이단적인 것으로 간주됐고, 1632년 그는 종교 재판에 회부됐고 그의 주장을 철회할 것을 강요받았으며 종신 가택연금형에 처해졌습니다. 이는 부당한 조치였고, 교회는 수 세기가 지나서야 그 과오를 인정했습니다.

3. 운동의 세 가지 법칙과 '만유인력' 

 1666년 뉴턴은 중력이 지표면 너머에서는 그 영향력을 상실해야 할 아무런 이유가 없음을 깨달았습니다. 수년 뒤 뉴턴은 <프린키피아>에 대한 작업을 시작하여 1687년에 완성했는데, 여기서 운동의 세 가지 법칙과 '만유인력'의 법칙을 제시했습니다.

만유인력

 중력 법칙은 질량을 가진 물체들 사이에 존재하는 힘을 기술하고 있는데, 이 힘은 물체들의 질량에 비례하고, 물체 간의 거리의 제곱에 반비례합니다. 즉, 두 물체 사이의 거리가 두 배가 되면, 그들 사이에 작용하는 힘의 크기는 4분의 1로 감소합니다.

 

 이 법칙들은 케플러의 궤도를 완벽하게 설명합니다. 물론 뉴턴의 법칙들이 중력을 완벽하게 설명하는 것은 아니라는 점이 밝혀졌으나, 그 원리는 오늘날에도 여전히 사용되는 '과학적 방법'을 확립하는 데 도움을 줬습니다.

 

 

 정확한 이론을 주장하는데도 종교의 영향력으로 인해 받아들여지지 못했던 갈릴레오, 만약 그 시대에 케플러나 뉴턴이 없었다면 천문학의 발전이 더 더뎌졌겠죠? 역사를 돌이켜보면 종교의 영향이 지금에 비하면 정말 컸던 것 같습니다. 다음에 또 새롭고 흥미로운 주제로 찾아오겠습니다 :)