지구의 자전은 미사일 발사속도에도 영향을 끼친다. 지구에서 발사하는 미사일은 지구가 자전으로 움직이는 속도를 덤으로 얻는다. 달리는 버스 안에서 정확하게 위로 던져 올린 공을 버스 안에 있는 사람이 보면 공은 위로 올라가지만, 버스 밖 길거리에 서 있는 사람이 보면 공은 버스가 달리는 방향으로도 움직이는 것과 같은 이치이다. 지상에서 발사하는 미사일을 지상에서 보면 발사한 속도와 방향으로 움직인다. 하지만 먼 우주에서 보면 지구가 자전으로 움직이는 속도가 더해지기 때문에, 지상에서 보는 방향보다 자전하는 방향으로 치우쳐 날아간다. 자전으로 지구가 움직이는 속도는 위도에 따라 다르다. 같은 해수면 높이라면 적도에 위치한 지점이 지구가 자전하는 축에서 가장 멀리 떨어져 있는 지점이다. 이 때문에, 자전으로 움직이는 속도는 적도에서 가장 빨라서 초속 465미터에 이른다. 위도 30도에서는 초속 402미터이고 위도 60도에서는 초속 233미터로 점점 줄어든다. 북극이나 남극은 자전축에 위치하고 있기 때문에 제자리에서 돌기만 한다. 따라서 적도에 가까운 곳에서 발사할수록 미사일이 지구의 자전으로 인해 덤으로 얻는 속도는 더 커진다.
---「1부 무중력과 인공위성 / 64-65쪽」중에서

태양에 가장 가까운 행성은 수성이다. 지구와 수성 사이의 거리는 짧을 때는 7,700만 킬로미터이고, 멀 때는 2억 2,000만 킬로미터이다. 한편, 지구와 목성 사이의 거리는 가장 짧을 때도 6억 킬로미터에 이른다. 이렇게 수성이 목성보다 지구에 훨씬 더 가까이 있어서 수성 탐사를 훨씬 더 일찍 하지 않았을까 하는 생각을 할 수 있다. 하지만 첫 수성 탐사 시기는 첫 목성 탐사 시기와 비슷하다. 파이오니어 10호는 1972년 3월 3일 발사되어 1973년 12월 4일 처음으로 목성에 가장 가까이 간 반면, 최초의 수성 탐사선인 매리너 10호(Mariner 10)는 1973년 11월 3일 발사되어 1974년 3월 29일 수성에 가장 가까이 다가갔다.

수성 탐사선은 지구보다 더 안쪽을 공전하는 수성을 향해 날아가야 한다. 그런데 지구의 공전 속도를 덤으로 얻은 우주선의 빠른 속도가 문제이다. 우주선을 지구의 공전 방향으로 강하게 떠미는 관성이 방향을 바꾸는 것을 어렵게 만든다. 똑같이 방향을 바꾸려고 해도 우주선이 빠를수록 더 큰 속도 변화가 필요하기 때문이다. 배를 타고 물살이 빠른 강을 건널 때, 아무리 노를 저어도 강가에 서 있는 사람이 보면 배는 빠른 물살에 떠밀려 강물의 흐름과 별 차이 없게 움직이는 것처럼 보이는 것과 비슷하다.
---「2부 태양계 우주탐사 / 109-111쪽」중에서

물이 들어 있는 U자형 유리관의 왼쪽에 물을 더 넣으면 그 순간에 왼쪽의 물이 더 높아진다. 높아진 만큼 중력에 의해 더 많은 물이 누르기 때문에, 왼쪽에서 물이 누르는 압력이 커진다. 연결된 아랫부분을 통해 더 세게 누르는 왼쪽에서, 더 약하게 누르는 오른쪽으로 물이 이동한다. 시간이 지나면 양쪽 끝의 물 높이가 같아지고 누르는 압력도 같아져 더 이상 물이 이동하지 않는다. 양쪽 물높이가 같아졌다는 것은, 지구의 중심에서 양쪽 물 표면까지의 거리가 같아졌다는 것을 의미한다. 마찬가지로 유동체로 만들어진 천체도 천체 중심에서 표면까지의 거리가 모두 같아지는 공 모양으로 변하도록 내부 물질이 이동한다.

태양과 목성류 행성들은 내부가 대부분 기체나 액체인 유동체로 채워져 있다. 이 때문에 천체 내부에서 물질이 이동하기 쉬워 천체가 안정적인 공 모양이 되는 데 유리하다. 그런데 모양을 바꾸기 어려운 고체로 만들어진 천체도 많다. 지구나 화성 같은 경우는 내부를 구성하는 물질 대부분이 매우 단단한 암석이지만, 전체적으로는 둥근 공 모양을 하고 있다. 이런 공 모양의 암석 행성을 설명하려면 행성 자체의 무게로 인해 생기는 천체 내부의 압력에 대한 이해가 필요하다.
---「3부 소행성과 혜성, 그리고 지구 방위/ 156-157쪽」중에서

영화 〈마션(Martian)〉(2015)에는 지구와 화성을 오가는 헤르메스(Hermes)라는 우주선이 나온다. 이온 추진체로 가속하면서 행성 사이를 이동하는 헤르메스 우주선은 아주 천천히 가속하기 때문에 특별한 장치가 없으면 우주선 안에서는 거의 무중력상태이다. 이 영화에서도 우주인들은 회전으로 인공중력을 만드는 거주 시설에서 생활한다. 헤르메스 우주선에서 회전하는 거주 공간의 반지름은 15미터 정도이다. 이 경우에는 7.77초에 한 바퀴를 돌아야 지구 표면의 중력과 같은 크기의 인공중력이 만들어진다. 거주시설이 도는 속도는 초속 12.1미터이다. 이곳에서 회전하는 방향으로 초속 2미터로 뛰면, 거주 시설이 회전하는 속도에 초속 2미터가 더해지면서 뛰는 사람의 회전속도가 초속 14.1미터가 된다. 이 경우 뛰는 사람이 느끼는 인공중력의 크기는 지표면 중력의 1.35배가 된다. 가만히 서 있을 때보다 35% 더 큰 중력이다. 만약에 회전하는 방향과 반대로 초속 2미터로 뛰면, 뛰는 사람은 초속 10.1미터로 회전하는 상황이 되면서 인공중력의 크기는 지표면 중력의 0.69배가 된다. 가만히 서 있을 때보다 31% 더 작은 중력이다.
---「4부 장기간 유인 우주탐사에 필요한 인공중력 / 229-230쪽」중에서

1995년 마요르 교수와 당시 그의 제자였던 켈로 교수는 페가수스자리에 위치한 ‘51 페가수스’라는 별의 별빛을 관측했다. 별빛을 여러 진동수의 빛으로 분리하는 스펙트럼에서 청색편이와 적색편이가 나타남을 확인했다. 별빛 스펙트럼에서 청색편이가 일어나면 그 별이 지구를 향해 다가온다는 것을 의미하고, 적색편이가 일어나면 지구에서부터 멀어진다는 것을 의미한다. 얼마나 더 청색편이가 일어나는지, 또는 얼마나 더 적색편이가 일어나는지로 별이 다가오고 멀어지는 속도를 계산할 수 있다. 관측한 도플러 효과를 이용해 계산한 결과, 51 페가수스는 초속 50미터 정도의 속도로 다가오고 멀어지는 것을 반복했다. 다가왔다 멀어짐을 반복하는 시간을 측정해서 별이 구체적으로 어떻게 움직이는지도 알 수 있었고, 이러한 별의 움직임으로부터 51 페가수스 별 주위를 공전하는 행성이 존재한다는 사실을 밝혔다. 태양계 밖에 있는 별 주위를 도는 행성을 확인한 최초의 관측이었다.
---「5부 외계천체 찾기 / 288쪽」중에서

별에서의 거리가 적절해 생명체가 살 수 있는 환경을 가지고 있을 가능성이 있는 ‘생명체 거주 가능 영역’에 위치하는 외계행성, 이른바 ‘생명체 거주 가능 행성’에 대한 연구 결과가 꾸준히 발표되고 있다. 가장 가까운 별은 지구에서 4.25광년 떨어진 프록시마 센타우리라는 적색왜성(붉은색 난쟁이별)이다. 2016년에 과학잡지 《네이처》에 발표된 논문에 의하면, 이 별 주위에 지구의 환경과 비슷할 가능성이 있는 행성이 돌고 있는 사실이 밝혀졌다. 가장 가까운 별에도 목적지로 삼을 만한 행성이 있다는 이야기이다. 적색왜성 트라피스트-1 주위를 도는 행성들은 조금 특이한 경우이다. 7개의 행성 중 3개가 생명체 거주 가능 행성일 가능성이 있는 것으로 알려졌다. 먼 미래에 지구의 환경파괴 등으로 인해 인류가 태양계 밖의 새로운 행성으로 이주해야 하거나 탐사의 목적으로 인간이 직접 외계행성을 찾아가야 하는 상황이 벌어진다면, 트라피스트-1의 행성들이 목적지 후보가 될 가능성이 그만큼 크다.

<b>현실과 SF를 넘나드는 외계행성 탐사에 관한 모든 것<br/>우주탐사에 대한 모든 지적 호기심을 충족한다</b><br/><br/>세계 최초의 SF 영화로 알려진 〈달나라 여행(Le Voyage dans la Lune)〉(1902)을 보면 사람이 탄 우주선을 대포를 이용해 달로 쏘아 올린다. 우주선보다는 오히려 포탄에 더 가까운 설정으로 다소 엉뚱해 보이는 발사 방식이지만, 그럼에도 대포 포신을 떠나는 순간의 우주선 속도는 초기속도를 잘 표현한다. 발사 이후 추진력을 추가로 사용하지 않고, 초기속도의 관성만으로 날아가는 우주선을 표현하기 때문이다.<br/><br/>영화 〈2001: 스페이스 오디세이(2001: A Space Odyssey)〉(1968)에는 우주선에 인공중력을 만드는 방법이 구체적으로 나온다. 회전해서 인공중력을 만드는 방법이다. 〈마션(Martian)〉(2015)에는 지구와 화성을 오가는 헤르메스라는 우주선이 나오는데, 이 우주선은 아주 천천히 가속하기 때문에 특별한 장치가 없으면 우주선 안은 거의 무중력상태이다. 이 영화에서도 우주인들은 회전으로 인공중력을 만드는 거주 시설에서 생활한다. 〈돈 룩 업(Don’t Look Up)〉(2021)에서는 혜성이 지구와 충돌하는 가상의 위기 상황을 표현했고, 〈아마겟돈(Armageddon)〉(1998)은 지구를 향해 날아오는 소행성의 이야기를 담고 있다.<br/><br/>이렇게 수많은 SF 영화에서도 표현되었듯이, 우리는 20세기를 지나 21세기 현재에 이르기까지 끊임없이 ‘우주탐사’ 대한 꿈을 꾸며 그것을 실현하기 위해 과학기술을 발전시키며 노력하고 있다. 2022년 6월 21일 우리나라에서는 자체 기술로 개발한 추진체인 누리호로 인공위성을 쏘아 올리는 데 성공했고, 2022년 8월 5일에는 달 궤도선 다누리호도 개발해 탄도형 달 전이 방식을 거쳐 달 주위를 도는 궤도에 안착시켰다. 더 이상 우주탐사, 혹은 외계천체 찾기는 SF에만 존재하는 가상의 이야기에 머물지 않는다. 과학이 발달할수록 우리는 지구를 벗어나 광활한 미지의 우주를 탐험할 희망을 꿈꾼다.<br/><br/>그런데 먼 우주를 넘나드는 영화를 보다 보면 그런 설정이 과학적으로 말이 되는지가 궁금할 때가 있다. 이야기를 만드는 작가가 우주여행과 관련된 기본적인 과학 법칙이나 이론을 잘 모른다면 과학적으로 타당성이 부족한 이야기가 만들어질 수도 있다. 반대로 관객이나 독자가 과학 법칙과 이론을 잘 알지 못하는 경우에는 오히려 잘 만든 이야기도 과학적 타당성이 부족하다고 오해를 받을 수 있다. 우주여행과 관련된 직접적인 경험이 거의 없고 정보도 제한적이어서, 이야기를 만들거나 즐기는 데 어느 정도는 상상에 의존할 수밖에 없다는 점도 무시할 수 없다. 과학적으로 타당성이 부족하거나 의문이 드는 부분이 있다면 한 번쯤 따져보는 것이 좋다. 과학을 더 잘 이해할 수 있고, 때로는 몰랐던 과학적 사실을 알게 될 수도 있다.<br/><br/>이러한 취지에서 출간된 신간 『우주탐사의 물리학』은 우주에 대한 전반적인 이야기와 기초 지식을 소개하고, 거주 가능한 외계행성을 향한 우주선 발사 및 그와 관련한 많은 과학 지식을 살펴보고 있다. 즉, 우주를 향한 우리의 희망과 모험에 반드시 필요한 과학 지식, 특히 어려울 것이라 여겨지는 물리학 공부에 대한 기초를 제공한다. 책에서 물리학의 비중이 상대적으로 많기는 하지만, 물리학 외에도 천문학, 지구과학, 항공우주공학이 차지하는 비중도 적지 않다. 따라서 우주탐사에 대한 다양하고 전반적인 과학 분야를 다루고 있다고 말할 수 있다. 다양하고 풍부한 사진 자료들을 매 페이지 가득 실었고, 과학적인 내용을 설명하는 대부분의 그림들을 저자가 직접 그리며 내용을 쉽게 설명하고 있어 독자의 충분한 이해를 돕는다.<br/><br/><b>지구와 비슷한 환경의 ‘생명체 거주 가능 행성’을 찾아!<br/>물리학, 항공우주공학, 천문학, 지구과학을 한 권에 담아냈다</b><br/><br/>1950년대 후반에 본격적으로 실행에 옮겨지기 시작한 우주기술은 1961년에 사람을 대기권 밖 우주로 보냈고, 1969년에는 지구 밖 천체인 달 표면에 사람을 보냈다. 무인 우주탐사도 계속되어 1980년대까지 태양계의 모든 행성에 탐사선을 보냈다. 21세기에는 왜행성으로 강등된 명왕성, 소행성대의 왜행성인 세레스, 추류모프-게라시멘코 혜성 등 다양한 천체를 탐사해 오고 있다. 꾸준히 항공우주과학기술에 투자한 한국도 누리호로 인공위성을 쏘아 올리는 데 성공했고, 달 궤도선 다누리호도 개발했다.<br/><br/>천문 관측에도 발전이 있었다. 1990년대에 시작된 외계행성 관측은 2022년까지 5,000개가 넘는 외계행성을 찾는 성과를 내고 있다. 별에서의 거리가 적절해 생명체가 살 수 있는 환경을 가지고 있을 가능성이 있는 이른바 ‘생명체 거주 가능 행성’에 대한 연구 결과가 꾸준히 발표되고 있다. 가장 가까운 별은 지구에서 4.25광년 떨어진 프록시마 센타우리라는 적색왜성(붉은색 난쟁이별)이다. 2016년에 과학잡지 《네이처》에 발표된 논문에 의하면, 이 별 주위에 지구의 환경과 비슷할 가능성이 있는 행성이 돌고 있는 사실이 밝혀졌다. 가장 가까운 별에도 목적지로 삼을 만한 행성이 있다는 이야기이다. 아직은 달 이외의 어떤 천체에도 사람을 보낸 적이 없지만, 외계행성 발견 뉴스를 접하면서 우리는 생명이 살 수 있는 외계행성에 발을 디디고 이주지를 개발하는 상상을 한다. 과학기술이 엄청나게 발달한 먼 미래에는 가능할 것이라는 기대 속의 상상이다.<br/><br/>『우주탐사의 물리학』은 과거, 현재, 가까운 미래, 그리고 아주 먼 미래를 잇는 우주탐사의 긴 여정에서 생각해 봐야 할 과학 지식을 담고 있다. 특히 유인 우주탐사에 관련된 과학 지식을 비중 있게 다룬다. 우리가 중력이라고 느끼는 것은 중력이 아니라는 사실, 자유낙하로 만드는 무중력, 하이퍼루프를 이용한 미래의 무중력 체험, 우주선의 초기속도와 중력 탈출속도, 공전과 자전이 우주선 발사나 비행에 끼치는 영향, 로켓 추진 없이도 우주선 속도를 높일 수 있는 중력도움 항법, 소행성 또는 혜성 충돌로부터의 지구 방위, 장시간 유인 우주비행에 필요한 인공중력을 만드는 방법, 그리고 인공중력에서 벌어지는 특별한 현상 등을 과학 지식에 기반해 꼼꼼히 설명한다.<br/><br/>책의 후반부에서는 외계행성을 찾는 방법, 지상과 우주에서 나타나는 신기루, 블랙홀이 합쳐질 때 발생하는 중력파 관측과 관련된 과학 지식을 설명한다. 마지막에는 아주 먼 미래의 외계행성을 향한 유인 우주탐사에서 일어나는 일과 결과를 특수상대성이론으로 풀어나간다. 빛이 날아가는 데 수백 년 이상이 걸리는 곳도 몇십 년 만에 갈 수 있는 이유, 쌍둥이 역설, 빛의 속도에 가깝게 우주선을 가속하는 과정, 그리고 이에 필요한 에너지 등을 살펴본다.<br/><br/>책에서는 일반 대중만이 아니라 과학 마니아의 눈높이도 신경을 써서 설명했다. 글만으로는 이해하기 쉽지 않을 수 있는 부분은 다양한 그림을 넣어서 보완했다. 꼭 필요하지 않으면 수식은 가능하면 피했다. 관련 과학기술의 기본 원리를 어떻게 응용하는지도 설명했다. 현재와 미래의 과학기술뿐만 아니라 상상에만 존재하는 내용도 과학적으로 따졌다. 초중고 학생들부터 대학생 이상의 성인들까지 많은 사람들이 이 책을 통해서 우주여행과 관련된 과학 정보를 얻고 지적 호기심도 충족하기를 바라며 집필했다고 저자 윤복원 박사는 밝힌다. 대학수학능력시험 국어 영역의 지문에도 과학을 비롯한 비문학 지문이 나오는 요즘, 수능에 대비한 기본 과학 지식을 쌓는 데 많은 도움 될 것이다. 아울러 우주여행 관련 글을 쓸 때 확인해야 할 세부 과학 지식을 제공하는 동반자로서의 역할을 이 책이 충분히 수행할 것으로 보기에, 특히 SF 작가도 여러모로 참고할 만하다.<br/><br/><b>과학자가 일반 대중과 소통하기 위해서는…<br/>기본적인 물리학에 기반한 지식을 추려 대중 앞에 내놓다</b><br/><br/>과학자와 일반 대중이 과학을 소통하는 것은 쉽지 않다. 내용 자체가 어렵다는 것이 가장 큰 문제이다. 이 문제를 극복하려면 과학자가 과학을 쉽게 설명하려는 노력이 중요하다. 그런 노력에도 불구하고 대중과의 소통이 어렵다면, 과학자와 대중 사이를 연결하는 중간 다리에 있는 사람들의 역할도 중요하다. 과학 관련 기자와 유튜버를 포함한 과학 커뮤니케이터들이 이에 해당한다. 과학자는 이들에게 정확한 과학 정보를 제공하고, 이들이 대중을 상대로 하는 활동에 대한 피드백을 제공하는 것도 필요하다. <br/><br/>‘용어의 장벽’이라는 문제도 있다. 과학자가 자연스럽게 습관적으로 쓰는 용어들이 대중에게는 이해하기 어렵고, 심지어는 무엇을 의미하는지 감을 잡기조차 어려울 수 있다. 이런 용어들을 대중이 어려워하는 것 자체를 과학자가 모를 수도 있다. 가능하면 쉬운 용어로 바꿔 쓰고, 그것이 어려우면 용어에 대한 쉬운 설명을 곁들이는 노력이 필요하다. 과학자의 ‘배려의 문제’도 있다. 대중이 알고 싶어 하는 과학 주제에 대해 ‘알고 싶으면 공부하세요’라든지 ‘이건 전공자가 아니면 공부해도 모릅니다’라고 하는 대응은 피해야 한다. 이런 말들은 일부 대중에게 상처가 될 수 있고, 이후 이들은 과학자와의 소통 경로 자체를 차단할 수도 있다.<br/><br/>저자는 이러한 문제들을 인식하고, 처음으로 대중을 상대로 과학 관련 글을 쓰고 기고했다. 2014년의 첫 글은 특수상대성이론의 ‘쌍둥이 역설’을 설명하는 글이었다. 상대성이론은 물리학자라면 반드시 배우는 기본적인 물리학 지식이었고, 그 이후에도 대부분 기본적인 물리학 지식에 기반하며 그동안 저자 개인적으로 관심 있었던 주제의 내용을 주로 다뤘다. 뉴스에 나오는 내용에도 주목했고, 직접 계산을 해서 확인하는 과정도 잊지 않았다. 떠돌아다니는 이야기를 아무 검증 없이 쓰는 것은 과학자로서의 자세가 아니라고 저자는 생각했다.<br/><br/>이렇게 윤복원 박사는 우주와 우주여행에 관련된 과학 지식을 추려 책으로 만들어 대중 앞에 내놓았다. 책은 총 6부로 구성되어 있다. 1부부터 5부까지는 기존의 우주탐사와 관련된 과학 지식을 담고 있고, 마지막 6부는 아주 먼 미래에 있을 법한 외계행성 우주탐사를 위주로 다뤘다. 6부 이후에 연결될 내용은 독자의 상상과 먼 미래의 발전된 과학기술의 몫으로 남겨둔다고 저자는 말한다.

아주 작은 우주선이더라도 지구를 벗어나기 위해서는 엄청난 양의 연료가 필요하다. 지구 밖으로 나갔다고 끝이 아니다. 태양의 중력과의 싸움이 기다리고 있기 때문이다. 결국 지구를 출발할 때 아무리 많은 연료를 싣고 가더라도 태양계 밖으로 나가는 우주여행은 불가능해 보인다. 그런데도 1970년대에 발사된 보이저 1호는 태양계 밖으로 나가 성간 우주를 여행하고 있다. 어떤 마법이 있었던 것일까?

바로 엄청난 속력으로 태양 주위를 돌고 있는 행성을 돌팔매처럼 이용했던 것이다. 이제 인간은 행성의 운동에너지까지 빼앗아 쓸 수 있는 영악한 존재가 되었다. 속도만 계속해서 올릴 수만 있다면 빛으로 가도 250만 년이 걸린다는 안드로메다은하까지 살아생전에 갈 수 있다. 이렇게 신기한 우주여행 속에 담긴 물리학을 쉽게 이해할 수 있을까? 물론 가능하다. 바로 윤복원 박사가 있기 때문이다. 무중력 체험법, 중력도움을 이용한 항법, 인공중력 만들기, 특수상대성이론을 이용한 우주여행 등, 지구를 출발해 안드로메다은하까지 가는 모든 방법이 이 책에 설명되어 있기 때문이다. 한 걸음 한 걸음 저자의 설명을 따라가다 보면 어느새 우주여행이 현실로 다가왔음을 느끼게 된다. 밤하늘을 올려다보자. 반짝이는 별 하나를 찾아 그곳으로의 여행을 꿈꿔보자. 윤복원의 『우주탐사의 물리학』이 길잡이가 되어줄 것이다. 아무리 바쁜 일상이더라도 놓치지 말고 꼭 읽어야 할 책이다.

우주탐사의 물리학 원리를 차근차근 설명한 멋진 책이다. 중력도움의 원리는 테니스 라켓과 자동길로 비유하고, 큰 천체가 왜 동그란지는 커다란 두부에 비유해 쉽게 설명한다. 둥근 유리 공으로 중력렌즈와 블랙홀 이미지를 만들어 낸 저자의 실험도 꼭 살펴보시길. 당신이 은하수를 여행하는 히치하이커라면, 그리고 인공중력 우주선에서 저글링 하는 방법이 궁금하다면, 이 책은 안내서보다 먼저 읽어야 할 필독서다. 우주여행을 꿈꾸는 우주 모든 생명에게 이 책을 권한다.