우주를 여행하는 인공위성은 어디로 가는 것일까?

여러분은 우리나라 남쪽의 끝에 있는 외나로도에서 우리가 만든 인공위성이 발사되는 모습을 모두 TV를 통해 보았을 것입니다. 발사되면서 날아오르는 인공위성이 우리의 눈에서 사라진 뒤에 아쉽게도 지구 주위를 도는 궤도에 들어서지 못하고 안타깝게도 알지 못할 것으로 떨어졌다는 소식을 들었습니다. 우리 국민 모두가 너무도 마음 아파했습니다. 

인공위성은 발사되면서 제 마음대로 날아가는 것처럼 보이지만 일정한 길을 따라 운행하게 됩니다. 인공위성이 날아가는 길은 어떤 모습일까요? 여러분이 하늘 높이 돌을 던지면 돌은 점점 높이 그리고 멀리 날아갑니다. 돌이 날아가는 길을 연결하면 일정한 모습의 곡선이 됩니다. 이 곡선이 포물선입니다. 우주를 향해 날아가는 인공위성도 일정한 길을 따라 날아갑니다. 이 인공위성이 날아가는 길이나 또는 지구 주위를 돌고 있는 궤도도 모두 일정한 모양을 가진 길을 따라 운동하게 됩니다. 

그림. 원뿔을 이용하여 알아본 원, 타원, 포물선, 그리고 쌍곡선의 모양

이 길의 종류는 크게 네 가지가 있습니다. 좀 어렵게 생각되지만 한번 알아보기로 하겠습니다. 그것은 원 궤도, 타원 궤도, 포물선 궤도, 그리고 쌍곡선 궤도입니다. 우주공간에 돌고 있는 인공위성과 행성들 그리고 모든 별이 돌고 있는 궤도는 이 네 가지 중의 하나입니다. 이렇게 천체들이 돌고 있는 궤도의 종류를 처음 알아내고 이를 증명한 사람이 독일의 천체물리학자인 케플러(1571~1630)입니다.     

케플러가 알아내기 이전에는 하늘에 움직이는 모든 천체는 옛날 2500년 이전부터 모두가 원운동을 한다고 믿었습니다. 하늘에 있는 천체들은 모두가 완전한 모습을 하고 있고 완전한 운동을 한다고 믿었지요. 옛날부터 완전한 모습을 나타내는 도형은 원이라 생각했습니다. 그러므로 태양, 달, 행성, 그리고 별들은 모두가 원의 모습을 하고 있고 운동은 모두가 원운동을 한다고 믿은 것입니다. 

독일의 천문학자 케플러는 당시에 가장 유명한 천문학자 중의 한사람인 튀코 브라헤(1546 ~ 1601)라는 덴마크의 천문학자의 밑에서 조수 겸 학생이었습니다.  튀코 브라헤는 덴마크에서 30년간 천문 관측기기를 만들어 망원경 없이 가장 정밀한 관측을 했습니다. 그 후 지금의 체코 프라하로 이주하여 신성로마제국의 황제인 루돌프 2세의 밑에서 천문학자 역할을 하고 있었습니다. 

케플러는 그의 스승인  튀코 브라헤의 행성 위치 관측 자료를 분석하였습니다. 오랫동안 그의 천재적인 수학적 계산 능력으로 집요하게 스승의 관측 자료를 분석해 보니 태양 주위를 공전하고 있는 모든 행성은 원 궤도가 아니고 원이 약간 찌그러진 타원 궤도로 운동하고 있음을 밝혀냈습니다. 이때 발견한 행성들의 운동 법칙을 케플러 제1법칙이라고 합니다. 이렇게 행성들뿐만 아니라 지구 주위를 공전하고 있는 인공위성들도 케플러 제1법칙에 따라 모두 타원 운동을 하고 있습니다. 

그러면 원 궤도는 무엇일까요? 천문학자들은 찌그러지지 않은 타원 궤도의 일종이라고 봅니다. 원 궤도를 따라 운동하다가 인공위성이 더 큰 에너지를 방출하고 앞으로 나가면 원 궤도가 타원 궤도로 변하게 됩니다. 그래서 인공위성은 연료 가스만 있으면 얼마든지 원 궤도로 돌다가 타원 궤도로 바꿀 수가 있지요. 이렇게 인공위성들이 운동하는 길은 원 궤도, 타원 궤도, 포물선 궤도, 그리고 쌍곡선 궤도 중의 하나라고 할 수 있습니다. 

글 : 이용복(서울교육대학교 교수)

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