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무중력·인공위성부터 태양계 행성탐사·소행성 충돌
특수상대성이론으로 푸는 미래의 유인 외계행성 탐사
우주탐사는 중력을 거슬러 올라가야하기 때문에 로켓 기술이 필수적이다. 제2차 세계대전 중 독일의 V-2로켓에서부터 비교적 최근까지 주요 국가들은 국가의 전폭적인 지원을 통해 우주기술을 발전시켜 왔다. 2010년대에 접어들면서 민간기업이 우주사업에 참여하면서 우주기술산업은 기술집약적인 차세대 고부가가치산업으로 주목받고 있다. 우주와 관련된 문화 콘텐츠가 증가하면서 비이공계 분야의 우주에 대한 관심도 커지고 있다. 그러나 이러한 관심을 만족시킬 만큼 우주탐사의 기본 원리를 체계적이고 친절하게 설명하는 과학도서는 부족한 실정이다. 『우주탐사의 물리학』은 바로 이 부분을 고려하여 기획된 책이다.
이 책은 과거와 현재의 우주탐사뿐만 아니라 먼 미래의 외계행성 우주탐사에 적용되는 물리학 지식을 다룬다. 총 6부로 나누어져 있는 이 책의 1부에서는 무중력과 인공위성에 대해 다룬다. 우리가 느낀다고 생각하는 중력이 사실은 중력이 아니라는 것에서 시작해서, 무중력은 어떤 상황에서 만들어지는지, 무중력을 경험하는 방법에는 무엇이 있는지, 그리고 미래에는 어떤 방식으로 무중력을 경험할 수 있을 것인지를 설명한다. 지구의 자전이 인공위성과 탄도미사일에 어떤 영향을 끼치는지도 설명한다.
2부에서는 태양계 행성 탐사에 대해 다룬다. 먼저 기초가 되는 초기 속도와 중력탈출 속도에 대한 설명으로 시작해서, 다른 태양계 행성에 도달하거나 태양계를 벗어나려면 우주선이 얼마나 빨라야 하는지, 중력도움 항법을 통해 로켓 추진 없이 공짜로 우주선의 속도를 높이거나 줄이는 원리는 무엇인지를 설명한다. 우주탐사에서 행성의 공전을 이용하는 원리를 설명하는 것이 주요 내용이다.
3부에서는 소행성 충돌과 지구방위에 대해 다룬다. 먼저 행성은 둥근 모양이지만 소행성이나 혜성은 둥근 모양이 아닌 것은 중력의 크기에 달려있다는 것을 설명하는 것으로 시작한다. 공룡을 멸종시킨 소행성의 충돌 속도는 왜 그렇게 큰지, 혜성이 지구와 충돌하면 얼마나 빠른 속도로 부딪치는지, 그리고 소행성이나 혜성의 충돌로부터 어떻게 지구를 방위하는지에 대해 설명한다.
4부에서는 인공중력에 대해 다룬다. 인공중력은 어떻게 만들어지는지, 인공중력에서는 어떤 현상이 벌어지는지, 인공중력의 실체는 무엇이고, 더 나아가 중력의 실체는 무엇인지에 대해 설명한다. 장기간 유인 우주탐사에 필요한 인공중력에 대한 이해, 그리고 중력과 관성력 사이의 관계에 대한 좀 더 깊은 이해에 필요한 내용을 담고 있다.
5부에서는 외계행성을 포함한 다른 천체의 관측에 대해서 다룬다. 노벨 물리학상을 받은 첫 외계행성 관측에 사용한 도플러 효과는 무엇인지, 이후 5천 개 이상의 외계행성을 찾는 데 기여한 외계행성 관측방법은 무엇인지, 지상과 우주에서 어떻게 신기루가 나타나는지, 블랙홀이 합쳐질 때 발생하는 중력파는 어떻게 관측하는지에 대해 설명한다. 특히 첫 중력파 관측 논문을 이해하는 방법에 대해서도 자세히 설명한다.
6부는 먼 미래의 유인 외계행성 탐사에서 일어나는 일을 특수상대성이론으로 풀어나간다. 빛이 날아가는 데도 수백년 이상이 걸리는 곳에 몇 십년만에 갈 수 있는 이유가 무엇인지, 쌍둥이 역설 문제가 무엇이고 어떻게 해결하는지, 우주선을 어떻게 광속에 가까운 속도로 가속하는지, 그리고 가속에 필요한 에너지는 어느 정도인지를 설명한다. 미래의 유인 외계행성 탐사를 풀어가면서 특수상대성이론을 좀 더 잘 이해하는 것이 주요 내용이다.
이 책은 일반 대중은 물론 과학 마니아의 눈높이에도 부족하지 않게 체계적이고 친절하게 설명했다. 많은 그림을 넣어서 좀 더 쉽게 이해할 수 있도록 했다. 관련된 과학의 기본 원리가 어떻게 응용하는지도 설명했다. 현재와 미래의 과학기술뿐만 아니라 상상 속에 존재하는 내용도 과학적으로 다루었다.
우주탐사의 역사는 중력을 극복하는 역사인 것과 더불어 미래의 장기간 우주여행을 위해서는 인공중력을 필요하다는 점 때문에, 중력은 우주탐사의 기본 원리를 이해하는 핵심 키워드이다. 이 책은 중력에 대해 잘못 알고 있는 부분을 바로잡고 중력을 좀 더 깊게 이해하는 데 필요한 책이다. 이공계 대학에 진학하려는 학생들뿐만 아니라 이미 진학한 학생들은 이 책을 통해 탄탄한 물리학 소양을 쌓을 수 있다. 앞으로 우주와 관련된 문화 콘텐츠 분야에서 일하거나 관심 있는 사람들도 꼭 읽어야 할 책이다.
윤복원
미국 조지아공대 전산재료과학센터 연구원
