중력, 중력파, 항성풍 그리고 오로라..
중력이란 지구 위의 물체가 지구로부터 받는 힘, 지구와 물체가 서로 당기는 힘을 말한다. 모든 물체가 서로 잡아당기는 힘이다. 지구상에서는 어떠한 물체를 놓으면 아래로 떨어지는데, 이는 지구와 물체가 서로 당기는 힘이 작용하기 때문이다. 중력은 지구 중심을 향해 작용한다.
뉴턴은 태양 주위를 도는 행성에 대해 연구하던 중 중력의 법칙을 발견하게 되었고, 아인슈타인은 현대 물리학에서의 중력을 일반 상대론으로 기술했다. 일정 중력이 작용한다고 가정하고, 뉴턴은 만유인력의 법칙을 통해 F=mg라고 정의했다. (m: 질량, g:벡터) 이 식을 통해 물체의 무게를 구할 수 있다. 뉴턴의 중력의 법칙은 우리은하 행성에 대해 더 구체적인 정보를 습득하는 데에 도움을 주었다. 이를테면, 행성의 질량이나 암흑물질의 존재에 대해서도 뉴턴의 중력 법칙을 통해서 추론할 수 있었다. 직접 그 행성을 가보지 않아도 그 질량을 알 수 있게 되었고, 이는 측정된 궤도의 특징에 따른 뉴턴의 중력 법칙에 의한 것이다. 우주에서 어떠한 물체는 중력에 의해 자기의 궤도를 유지하고 있으며, 행성은 항성을 공전하고, 항성은 은하계의 중심을 공전하고, 은하는 성단의 질량중심을 공전하고, 성단은 초은하단을 공전한다.
중력파는 질량을 가진 물체가 가속운동을 하게 되면서 생기는 중력의 변화가 시공간을 전파해 가는 시공간의 잔물결이다. 중력파의 속도는 빛의 속도와 같으며, 공간을 수축시키거나 팽창시키는 것으로 알려져 있다. 1916년 아인슈타인의 일반상대성이론을 통해 파동방정식을 유도하여 중력파의 존재를 예측했으나, 측정하기에는 너무나도 약한 중력파를 발견해내기는 매우 힘들었으며 100년이 지난 2015년에 레이저를 이용한 중력파 검출기인 라이고(LIGO, Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory)를 통해 중력파의 신호를 발견하는 데 성공하였다. 이를 통해 인류가 전자기파로 우주를 보는 새로운 수단이 되면서 중력파 천문학이 시작되었다. 이들은 2017년 노벨물리학상을 수상하기도 했다.
중력파를 방출하는 대표적인 예는 백색왜성, 중성자별, 블랙홀을 포함한 이중성계이다. 블랙홀과 중성자별은 밀도가 높고 크기는 작아서 고밀도 천체라 불리며 무거운 별의 최종 진화단계에서 만들어지는 천체이다. 태양보다 몇 배 수십 배 무거운 별들이 초신성 과정에서 폭발하고 난 이후 블랙홀, 중성자별과 같은 잔해물을 남기는 것이다.
쌍성(두 별이 서로 공전하는 천체)은 두 개가 공전을 할 때 중력파가 방출되는데, 이에 따라 쌍성의 에너지와 각운동량이 줄어든다. 두 별은 점차 가까워지다가 충돌하게 되면서 두 개의 중성자별 혹은 두 개의 블랙홀이 병합되어 하나의 블랙홀이 형성되면서 시공간에 발생한 변화는 사라지고 중력파 방출도 멈춘다. 중력파 검출기는 불과 수초에서 수분 정도의 짧은 신호로 포착할 수 있다. 빠르게 회전하는 중성자별에서 연속적인 중력파 원이 방출되기도 한다.
항성풍은 항성(별)의 상층부에 있는 대기에서 방출되는 현상이다. 태양이 방출하는 항성풍은 태양풍이라고 부른다. 태양의 대기에서 이온 입자들이 빠른 속도로 방출되는 것이 마치 지구의 바람과 같다는 것에서 비롯된 것이다. 태양풍의 뜨거운 열과 압력에 의해 녹아 벗겨지고 없어지면 혜성의 꼬리가 만들어지기도 하는데, 혜성의 꼬리는 태양의 반대 방향으로 생기게 된다. 항성풍의 양은 많지는 않지만 적색거성은 다량의 항성풍이 방출된다고 추정한다. 항성풍은 그 형태가 분광형에 따라서 분류되며, 태양풍은 고온의 자기화된 코로나에 의해서 항성풍을 방출한다. 태양보다 무겁고 뜨거운 별은 짧은 시간 내에 다량의 물질을 방출하지 않지만, 그 속도는 매우 빠르다. 태양풍은 450km/s로 지구에 충돌하고 있으며, 지구는 이러한 태양풍을 분해하여 약한 바람처럼 만들어 우리 행성의 대기로 흘러들어오게 한다. 이 과정에서 오로라가 생기게 된다. 오로라는 태양풍을 따라 지구 부근에 왔다가 지구의 자기장으로 인해 지구의 대기로 진입하는 것이다. 극지방 쪽에 가까울수록 관측하기가 수월하기 때문에 위치에 따라 북극광, 남극광 등으로 불리기도 한다. 새벽이라는 뜻의 라틴어 '아우로라'에서 유래되었으며, 그리스신화의 에오스, 로마신화에서 여명의 여신이기도 하다. 하얗고 로즈 향의 피부와 금발의 여신으로 매우 아름답다. 한번 보면 잊히기 어려울 만큼 아름답고 경이로운 광경의 하늘의 커튼이 사람들의 마음을 설레게 한다. 90km 상공이 오로라의 하단부이며, 대기가 청정해야 제대로 볼 수 있다. 주로 오로라 관광지는 일반인이 접근하기 용이한 북반구에 집중돼 있다. 북반구의 9월~3월 밤이 가장 마주하기에 좋은 시기이다. 오로라는 지구뿐만 아니라 지구처럼 자기장을 가진 행성은 모두 오로라를 볼 수 있다. 우리은하에서는 목성, 토성, 천왕성, 해왕성에서도 오로라 현상이 일어난다. 또한, 행성의 대기 상태가 어떤 성분인지에 따라 오로라의 색깔도 다르게 나타난다.
영국 왕립천문학회에서 발표된 연구 중 앞으로 50억년 동안의 태양풍의 변화 예측이 있었다. 이 연구에 따르면 태양이 수소 연료를 거의 잃었을 때 태양의 부피가 커져 적색거성으로 진화하고 그 과정에서 태양풍이 매우 강해지면서 지구의 방패막이 깨질 것이며, 그렇게 되면 지구의 대기는 강한 태양풍에 노출되어 생명체의 존재는 사라질 것이라는 예측이다. 이러한 예측에도 불구하고 지구가 살아남게 된다면 현재와는 완전히 다른 환경의 태양계에 남게 된다는 것이다.