행성의 운동

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행성의 운동과 케플러 법칙

독일의 천문학자 케플러는 행성의 운동 법칙을 최초로 발견해낸 천문학자이다. 모두가 행성은 원 궤도를 그리며 운동한다고 생각했던 당시, 케플러가 행성은 원 궤도가 아닌, 타원 궤도를 그리며 움직인다는 사실을 밝혀낸 것이다. 그래서 이를 바로 케플러 법칙이라고 부른다.

요하네스 케플러(Johannes Kepler)는 행성들 중에서도 특히 화성 연구에 집중했었는데, 그 이유는 당시의 천문학적 예측에서 화성의 운동 궤도가 행성들 중 가장 크게 벗어나 있었기 때문이다. 실제로 화성은 다른 행성들보다 훨씬 뚜렷한 타원을 그리며 운동하는데, 이런 남다른 화성의 운동을 발견한 케플러는 만일 화성의 운동에 대해 밝혀낸다면 모든 행성의 운동을 알 수 있다고 생각했다.

케플러가 행성들은 모두 원 궤도를 그리며 운동한다는 전통적인 사고방식을 버린 건 1601년이었다. 케플러는 행성들이 왜 태양 주위를 원 궤도를 그리며 도는가와 더불어 태양계의 행성들은 어떻게 그렇게 균등하게 간격을 벌리고 있는가에 대한 궁금증을 가지고 있었는데, 행성들의 운동을 거듭해서 연구한 끝에 행성의 운동 속도는 일정하지 않으며, 원 궤도를 고집해선 안된다는 결론을 내리기에 이른 것이다.

그렇게 케플러는 1601년, 행성들은 태양과 가까워졌을 때 궤도를 운동하는 속도가 빨라지고 태양과 멀어지면 속도가 다시 줄어든다는 사실과 함께 행성의 궤도는 이심률이 크진 않아도 찌그러진 달걀 모양이라는 사실까지 밝혀내게 된다. 참고로 여기서 이심률이란 행성들이 원 궤도로부터 벗어난 정도를 뜻한다.

그리고 1604년, 케플러는 본인의 광학 연구를 담은 책 <천문학의 광학 부문>를 출간했는데, 이 책에서 케플러는 사람의 눈 기능에 대해 완벽하게 설명해 내며, 대기의 굴절과 렌즈 사용에 대한 가설까지 발표했다. 이 또한 당시까지 어떤 학자도 기술해 내지 못했던, 케플러가 최초로 일궈낸 업적이며, 그 후 1609년에는 케플러의 가장 유명한 저서, <새 천문학>을 출간해 위에 설명한 행성 운동에 대한 '케플러 법칙' 두 가지를 설명했다.

하지만 케플러의 법칙은 총 세 가지로, 제1법칙, 행성의 운동 궤도는 타원이라는 것, 그리고 제2법칙, 행성의 운동 속도는 태양과의 거리에 따라 달라진다는 것 외에 한 가지가 더 있다. 케플러의 제3법칙은 1619년, 케플러의 저서 <우주의 조화>에서 발표되는데, 제3법칙은 어느 두 행성의 궤도 주기의 제곱과 행성과 태양의 평균 반경의 3 제곱은 비례한다는 것이었다.

이렇게 요하네스 케플러는 케플러 법칙을 통해 행성의 운동에 관한 미스터리를 모두 풀어내며, 천문학에 혁명을 만들어내고, 천체역학을 개척했다. 그리고 이런 선구적인 과학자 케플러는 천체역학의 아버지라고도 불리고 있다.