우주과학

우주과학은 1950년대 인공위성 시대를 맞아 새로이 등장한 용어로서 역사적 배경에 따라 조금씩 의미가 다르게 사용된다. 현재 가장 흔히 사용되는 정의는 지구를 벗어난 외계 공간에서 존재하거나 발생하는 자연 현상을 연구하는 모든 종류의 과학을 의미한다. 좁은 의미의 우주과학은 근지구 외계 공간(지구에 충분히 가까운 공간, 즉, 로켓과 위성을 이용하여 직접 탐사가 가능한 태양과 지구 주변 외계 공간)에서 일어나는 현상을 연구하는 과학이다.

영문 용어 space science는 한국과 일본에서는 우주과학(宇宙科學)으로 번역하지만 중국에서는 공간과학(空間科學)으로, 대만, 홍콩 등에서는 태공과학(太空科學)으로 번역하고 있다. 이러한 차이는 Space가 원래 지구 대기의 영역을 벗어나 밀도가 희박한 비어 있는 우주 공간을 표현한다는 의미에서 '공간'으로 번역할 수도 있고, 지구 영역과 대조되어 외계 영역에 속한다는 의미에서 '우주'로 번역할 수도 있기 때문이다.

한국에서는 다양한 분야에서 space를 대부분 우주로 표현하고 있다. 항공우주(aerospace), 우주공학(space engineering), 우주여행(space travel) 및 우주탐사(space exploration), 우주환경(space environment) 및 우주기상(space weather), 우주생물학(space biology) 및 우주의학(space medicine) 등이 그 예이다.

역사적으로 우주과학의 탄생은 인류가 직접 로켓과 위성을 이용하여 우주공간에 진입했다는 기술적 성공으로 가능하게 되었다. 따라서 지구에 충분히 가까운 공간, 즉, 로켓과 위성을 이용하여 직접 탐사가 가능했던 태양과 지구 주변 외계 공간(그림 1 참조)은 우주과학의 가장 대표적인 영역이다. 이 영역을 연구하는 것이 좁은 의미의 우주과학이다. 특히 태양, 태양풍 및 지구 자기권, 전리권과 더불어 위성, 행성 등 현대 기술로 직접적인 현장(in situ) 답사가 가능한 근지구 외계 공간은 우주과학에서 초기부터 계속 고유한 영역으로 남아 있다.

그림 1. 태양과 지구 주변 외계공간(출처: )

목차

멀리 떨어진 우주를 포함하는 기존 천문학 분야에 비하여 우주선(spacecraft) 현장 탐사가 가능한 외계 공간은 상대적으로 매우 작은 공간이지만 여전히 지구에 비교하면 매우 크다. 현재까지 가장 멀리 보낸 거리는 보이저(Voyager) 1호 탐사선 도달거리로서 2019년 2월 기준으로 약 145 천문단위(astronomical unit, AU)에 해당되며 지구 크기의 약 170만 배쯤 되는 넓은 공간이다. 지난 60여 년 간 외계 공간에 대한 연구는 우주 기술에 힘입어 괄목한 만한 성장을 거듭하여 그 구조와 성질이 많이 알려지게 되었다.

지구 대기권을 넘어선 외계 공간에서부터 우주과학의 영역이 되는데 그 경계가 전리권(ionosphere, 전리층 또는 이온층)영역이다. 지구 중성 대기가 중력에 의해 높이에 따라 밀도가 줄어들게 되지만 전하 입자들은 주로 전자기력에 의해 영향을 받으며 바깥쪽 외부 우주공간을 주로 채우게 된다. 전리권(약 60 - 1,000km)에서는 중성대기와 전하입자기체(플라스마)가 섞여 있는 상태이며 더 상층 영역에서는 거의 플라스마 상태를 유지하고 있다.  

전리권보다 멀리 있는 외부 영역이지만 지구 자기장에 의해 직접적인 영향을 받고 있는 영역을 자기권(magnetosphere)이라 부른다. 자기권은 태양 표면에서 분출되는 태양풍(solar wind)과 부딛히면서 상호 작용으로 지구 주변에 독특한 형태를 나타내는데 태양풍과 정면 충돌하는 태양방향 지역에서는 대개 10 Re(지구반지름 Re = ~6,400km) 거리에서 태양풍-자기권 경계가 발생하며 반대쪽에서는 수십 ~ 수백 Re의 긴 자기권꼬리 형태를 갖게 되며 태양풍과 자기권의 상태에 따라 그 모양과 움직임이 매우 다양하다.  

지구 자기권 영역을 벗어나서 행성간공간(interplanetary space)에 이르게 되면 태양 표면에서 직접 분출되어 바깥 방향으로 날아가고 있는 태양풍과 행성간자기장(interplanetary magnetic field)으로 채워져 있다. 이러한 다양한 구조들의 존재들은 모두 현장 탐사를 통한 우주선 탐사로 확인되었으며 현재에도 그림 2와 같이 많은 우주선으로 시공간 변화를 관측 감시하고 있다.  

그림 2. 태양활동 관측 위성들과 지구 자기권 과학위성들(출처: )

태양계의 여러 행성은 각각 고유한 자기장 형태를 갖고 있으며 다양한 모습의 자기권을 보여 준다. 자기권의 구조는 자기장 세기 뿐만 아니라 각 행성의 자전축과 자전속도, 대기성분과 밀도 그리고 주변 태양풍의 성질에 따라 변화되기 때문이다. 따라서 오로라(aurora)와 같이 태양풍과 자기권의 상호작용으로 발생하는 현상은 지구 뿐 아니라 여러 행성 자기권들에서 발견된다.

우주과학은 60여년의 짧은 역사에도 불구하고 공간적으로 방대한 영역에서 매우 다양한 주제를 대상으로 하기 때문에 수많은 학문 분야와 밀접한 관계가 있다. 특히 이러한 관련 분야들 역시 우주과학과 같이 비교적 새로운 초기 단계임에 따라 상호 독립적이지 않고 중복되는 부분이 상당수 존재한다. 향후 각 분야의 성장에 따라서 해당 분야의 대표적인 명칭과 정의도 중장기적으로 자리잡힐 것으로 판단된다.

대표적인 관련 분야들은 자연과학 분야에서 우주공간물리학(space physics), 태양권물리학(heliophysics), 태양물리학(solar physics), 태양계 천문학(solar system astronomy), 우주천문학(space astronomy) 등이 있다. 또 기술적 측면에서 항공우주(aerospace), 우주공학(space engineering)등을 포함하고 있으며, 특정 주제와 관련된 우주 분야를 강조하기 위하여 우주여행(space travel) 및 우주탐사(space exploration), 우주환경(space environment) 및 우주기상(space weather), 우주생물학(space biology) 및 우주의학(space medicine) 등의 명칭을 사용하기도 한다.

우주공간물리학은 지구 고층대기부터 자기권, 태양풍과 태양대기, 그리고 오로라와 우주방사선(cosmic ray)까지 전체 구성 성분을 대상으로 하며 천체물리학(astrophysics)과 대비되는 전통적인 용어로서 태양권물리학과 거의 유사한 대상을 공유한다. 태양물리학과 태양계 천문학에서도 기존 천문학 영역과 구별되는 태양표면 활동과 행성들의 고층대기 및 자기권 현상은 우주과학 분야에서 각광을 받고 있는 우주탐사의 현장 관측으로 잘 알려지게 되었다.

인류의 우주 활동이 증가하면서 지상에서 거대 규모의 통신 및 송전 네트워크 등 각종 전기 및 통신 시설과 더불어 우주에서는 2018년12월 기준 약 1950 여개의 다양한 종류의 위성들이 운영되고 있다. 이들이 모두 태양활동과 우주환경 변화에 민감하며 운영에 막대한 피해가 발생한다는 사실이 알려지면서 이에 대한 예경보 시스템을 구축하기 위하여 이른바 우주기상 분야가 급속히 발전하고 있다. 그림 3과 같이 우주기상은 태양에서 분출된 입자와 방사선이 지구 자기장과 충돌하면서 여러 지역에서 에너지 충격을 발생시킨다. 그 영향은 전지구적인 규모이며 대부분 전자기적 충격이므로 현대 여러 종류의 첨단 기기와 위성 들에 피해를 주고 있으며 점점 늘어가고 있다.

그림 3. 우주기상: 태양 폭발이 지구에 미치는 영향(출처: )

그림 4. 태양계 및 행성 탐사 위성들(출처: )

그림 4에서는 행성 및 위성, 소행성과 혜성에 우주선을 직접 보내는 다양한 우주탐사 관측을 보여 준다. 또한 우주에 다양한 망원경들을 보내어 기존 관측 수준을 대폭 신장시킨 우주천문학이 최근 크게 주목받고 있다. 따라서 우주론에서 행성과학에 이르기까지 전 천문학 분야에 걸쳐서 우주과학의 역할은 매우 중요하다. 향후 항공우주기술의 발전에 따라 각 분야마다 이러한 우주과학의 기여가 확대될 것이다. 또한 우주생물학 및 우주의학과 같이 새로운 분야들의 성장과 확대 발전이 계속될 것으로 예상된다.

현재 국가과학기술표준분류체계 기준에 따르면 자연/지구과학(지구/대기/해양/천문) 산하 15개 항목에서 각각 12) 천문학 및 13) 우주과학 분야로 독립되어 분류한다. 참고로 우주과학은 다음 7가지 세부항목으로 구성되어 있다.

2.1.4.13. ND13. 우주과학