천체역학

Celestial mechanics
Orbital mechanics/Astrodynamics[1]
天體力學

천체의 운행을 분석하는 학문. 이름과는 다르게 천문학의 하위분야이다.[2]

그 기원은 요하네스 케플러로부터 시작되며, 그가 발견한 케플러의 세가지 법칙이 천체역학의 A to Z라고 볼 수 있다. 이후 아이작 뉴턴에 의해 수학적, 물리학적 요소가 가미 되어 현재에 이른다.

현대에는 천체역학이라는 이름 탓에 역학으로부터 떨어져나온 분야라고 생각하기 쉽지만 이 학문이 바로 역학의 직접적인 부모로, 천체역학이 역학으로부터 태어난 것이 아니라 천체역학으로부터 역학이 태어난 특이한 경우이다.[3] 실제로 역학을 배울때 케플러의 법칙이 커리큘럼에 들어가 있으며, 뉴턴 역학도 사실 천체의 운행을 설명하기 위해 태어나게 된 것으로 유명하다. 흔히들 뉴턴이 물리학자, 수학자 등등 이라고 알고 있지만 이 수학, 물리학 업적이 전부 천문학을 위해 이루어졌다는 놀라운 사실. 예를 들자면 제빵사가 빵을 만들기 위해서 오븐을 만드는 수준. 그리고 제빵사는 공학자로 전직[4] 물리학과의 관계가 미묘한 이유는 바로 위의 이유 때문.

천체물리학의 하위 분야로 인식되기도 쉬운데 천체물리학은 천체를 물리적으로 해석하는 학문이고 천체역학은 천체의 운행을 다루는 학문으로 서로 연관성이 있긴 하지만 별개이다. 애초에 탄생 시기가 300년 정도 차이가 나는데, 천체역학이 먼저 태어났다. 때문에 "천체물리학의 시작이 케플러이다!"[5] 혹은 "천체역학은 천체물리학의 일부다!" 라고 하면 다소 묘하다.

천문학에서는 천체의 움직임을 바탕으로 천체의 질량을 구해내는 용도로 사용되는데, 그 오차 범위는 굉장히 정교하다. 경우에 따라서는 kg이 아닌 g단위까지 숫자가 내려가는 경우도 흔하다.

옛날(...)에 NASA와 미 해군 우주사령부에서 만든 천체역학(궤도역학) 개론 영상. 무려 챌린저 터져나가기 전의 구닥다리 자료화면과 영어로 된 수학/물리학 용어 뿐만 아니라 미국 단위계의 압박마저 느껴지지만 몇번 사전을 뒤적이면서 보다보면 고딩 물리 수준으로도 꽤 이해할 수 있는 고퀄리티 영상이다. 유툽 들어가보면 왠지 영상 보라는 대딩들은 안보고 KSP 게이머들만 보는 것 같다

항공우주공학 분야에서도 절찬리에 사용되며, 발사체의 궤도나 발사시기, 발사에 적합한 위치 등을 계산한다. 로켓덕후들이 일단 우주로 물건을 쏘고 나면 마주하는 2단계 보스(?)라고나 할까. 우주선 발사 시기, 귀환 일정, 스윙바이, 외부천체 도달 등의 여러 까다로운 스케줄은 이것으로 계산한다. 원리가 원리이니만큼 우주공학 전공자들 사이에 천문학 전공자들도 심심찮게 보이는 매우 드문 분야지만, 어쨌든 인공 물체의 궤도 연구는 로켓, 이온 엔진 등 추진기관의 문제로 인해 천문학 전공자들이 공학을 끌어오는 것이 아니라 우주공학 전공자들이 천문학을 끌어와서 쓰는 경우가 많다.

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주요 전공서적으로는 미국공군사관학교에서 우주공학부를 창설한 로저 베이트 교수(준장 예편)가 1970년대(즉 우주왕복선보다 오래된 책이다!)에 저술한 Fundamentals of Astrodynamics(도버 출판사)가 있다. 이 책은 공학 전공자들이 인공위성 배우면서 많이 보는듯. 베이트 교수는 지금은 작고하셨는데, 교과서 표지가 폭풍간지다. 아폴로 11호 미션 중 마이클 콜린스가 지구를 배경으로 컬럼비아에서 달로 향하는 이글을 촬영한 유명한 사진이다. 2015년에는 우주왕복선 미션의 사진으로 바뀐 개정판이 출간될 예정이었다가 어영부영 미뤄지더니 출간이 취소되어 전세계 학습자들에게 욕을 쳐먹었다. 하지만 원체 오래된 책이다보니 아폴로 버전은 지금은 어둠의 경로로도 손쉽게 구할 수 있다.(...)

관련 인물

  1. ↑ Astrodynamics에 대해 첨언하자면, 천체역학의 하위 분야지만 천문학이 아니라 항공우주공학의 분야다. 즉, 인공위성, 탐사선 등의 궤도를 계산하는 학문이다. 쉽게 말하자면 명왕성의 원쑤 마이클 브라운 박사는 Celestial Mechanics 전문이고, 마션에 나오는 산만한 공돌이 리치 퍼넬은 Astrodynamics 전문이다. 어쨌든 원리는 같다 볼 수 있으나, 추진기관이라던지 기본적인 질량의 단위가 다르다던지 여러모로 차이점이 많다.
  2. ↑ 물리학과는 관계가 다소 미묘하다.
  3. ↑ 물론 특수한 경우로부터 일반적인 법칙을 도출해내는 과정 자체는 학문적으론 당연한 것으로, 아무런 하자가 없다.
  4. ↑ 이상하게도 이 내용을 물리학 문서 쪽에 쓰면 삭제당한다......
  5. ↑ 이 당시엔 물리학이란 학문 자체가 없었다. 이렇게 되면 물리학의 아버지는 케플러가 되어버린다.
  6. ↑ 우주비행사 교육에 있어 빠질 수 없는 필수요소이며, 이는 유인 외행성 탐사가 가시권에 들어오며 중요성이 높아지고 있다. 아폴로 11호로 유명한 버즈 올드린이 이 분야에서 활발한 연구를 하고 있으며 자기 이름 딴 화성-지구 순환 궤도도 있다.