천문학은 인간이 하늘을 바라보며 호기심을 가지면서 가장 먼저 시작한 학문 중의 하나이다. 고대 시대의 여러 문명은 스톤헨지, 피라미드와 같은 천문학과 관련된 유물들을 남겼고, 이란, 마야, 중국, 고려 문명 같은 동서양의 초기 문명들은 어두운 밤하늘에 관하여 수많은 기록을 남겼다. 그러나 망원경이 발명된 이후에는 천문학은 현대 과학으로 발전하며 진보되기 시작하였다. 20세기에 들어와서는 천문학은 이론과 관측 분야로 크게 나눠지게 되었다. 이론 천문학은 천체와 천문학적 현상과 관련된 것들을 해석적이거나 컴퓨터와 관련된 방법으로 설명하는 모형을 세우는 것을 추구한다. 관측 천문학은, 천체와 관련된 자료를 먼저 얻고, 이를 물리적으로 분석하는 데 중점을 둔다.
천문학은 별 이나 혜성, 행성, 은하와 같은 지구 대기의 바깥쪽으로부터 발생하는 현상을 연구하는 자연과학에 속한 분야이다. 현재는 민간에서 유래되어 오는 몇 개의 별자리 이름이나 거기에서 유래된 전설, 또는 몇 개의 별의 이름이나 미리내라고 하는 은하수에 대한 고유명들을 볼 수 있다. 이것은 아시아의 천문 사상과는 관련이 없는 특유한 천문학적 지식이 발달하였다는 사실을 말해준다고 볼 수 있다. 빅뱅 및 진화, 천체의 운동, 화학, 기상, 진화 등을 연구 대상으로 한다.
천문학은 여러 자연과학 분야 중 프로가 아닌 아마추어들의 역할이 큰 분야 중의 하나이다. 아마추어 천문학자들이 주로 공헌하는 분야는 혜성과 소행성같이 시간에 따라 변하는 현상들이다.
점성술과 천문학을 혼동해서는 안 된다. 비록 점성술은 천문학과 같은 뿌리에서 나왔지만, 현재는 전혀 다른 분야이다. 점성술은 천체들의 하늘에서의 위치가 인간 영역에 영향을 미친다는 신념 체계로서, 자연과학 범주에 들지 않는다고 볼 수 있다.
망원경이 발명되기 전에는 천문 관측은 높은 곳에서 그저 사람의 눈으로 이루어졌다. 문명이 발전하면서, 특히 아시아, 이집트, 그리스, 마야 문명 등에서 관측소가 만들어졌고, 우주의 본질에 대한 탐구가 시작되었다.
이러한 관측으로부터, 행성의 운동, 태양, 달, 지구의 본질에 대한 연구가 시작되었다.
제사 같은 종교적 목적 외에도 이러한 관측소들은 1년의 길이를 측정하거나, 매해 일정한 시기에 농사를 짓고, 수확하기 위해 하늘을 연구하는 데 쓰였을 것으로 추정된다.
르네상스 기간에 코페르니쿠스가 태양중심설에 관련된 책을 썼으며, 이는 케플러와 갈릴레이에 의해 좀 더 발전되고 확장되었다.
17세기를 전후하여 발명된 망원경으로 천문학은 더 멀리 불 수 있게 되었고, 20세기에 이르는 시기에 발전된 전자기학 및 상대성 이론 등과 같은 현대 물리학의 업적은 천문학과 서로 도움을 주고받으면서 새로운 장을 열었다. 20세기가 오면서 인간은 지구를 벗어나 우주를 관찰·탐험하는 경지에 이르렀다.
망원경의 크기와 성능이 발전하면서 많은 천문학적 발견들이 이루어졌다. 18세기에는 베셀이 백조자리 61 별의 연주시차를 측정함으로써 처음으로 별까지의 거리를 측정하였다. 프랑스 천문학자에 의해 수많은 별의 목록이 만들어졌으며, 다른 과학자는 방대한 성운과 성단 목록을 제작했고, 17세기에는 처음으로 새로운 행성인 천왕성을 발견하게 된다.
라플라스와 라그랑주는 이러한 노력을 더욱 발전시켜서, 달과 행성의 운동으로부터 질량을 추정하기도 했다.
20세기에 들어 하늘에 보이는 별들의 집합인 우리은하라는 사실이 확립되었고, 우주의 팽창과 외부 은하가 발견되었다.
20세기에 들어와 큰 성공을 거두었다. 우주 망원경의 발전으로 지구 대기에 방해받지 않고 그동안 관측할 수 없었던 전자기파의 영역을 통한 관측이 가능하게 되었다. 빅뱅 이론을 말하기 전에 천동설과 지동설의 뜻을 확실히 알아두어야 한다.
천동설은 프톨레마이오스가 주장한 지구가 중심이고, 그 주의로 행성, 소행성 그리고 태양이 돌고 있다는 주장이다.
분광학과 사진술 같은 새로운 기술의 발전으로 획기적으로 발전되었다. 프라운호퍼는 18세기 태양의 스펙트럼에서 약 650여개의 어두운 띠를 발견하였는데, 이는 18세기 키르히호프에 의해 각기 다른 원소들 때문에 발생한다는 것이 밝혀졌다.
분광학을 다른 별들에 적용함으로써, 다만 온도, 질량, 크기가 다른 별들이 태양과 같은 천체라는 것이 정립되었다.
지상에서 관측이 가능한 파장대의 빛도 있지만 어떤 영역 대는 높은 고도의 지역에서나 또는 우주에서만 가능하다.
천문학에서의 모든 정보는 주로 천체로부터의 가시광 영역의 빛, 또는 다른 파장대의 전자기파를 감지하고 분석함으로써 얻어진다.
전파천문학은 관측천문학의 다른 분야와는 달리 관측된 전파를 각각의 광자로 다루기보다는 파동으로 다루려 한다. 어떤 전파는 열적 발산의 형태로 천체에 의해 생성되기도 하지만, 지구상에서 관측할 수 있는 대부분의 전파는 싱크로트론 복사의 형태다.
자외선 천문학은 나노미터 영역 대의 자외선 파장을 관측하는 천문학이다. 자외선 영역의 또 다른 관측 대상으로는 행성상 성운, 활동은하핵 등이 있다. 그러나 자외선은 성간 먼지에 쉽게 흡수되기 때문에 자외선 관측은 소광을 확실히 보정해 주어야 한다. 주요 관측 대상은 우리은하 밖의 다른 은하에 위치한 푸른 별들이 되어 왔다.
자외선 파장은 지구대기에 거의 흡수되기 때문에 자외선천문대는 지구대기층의 얇고 높은 고도, 또는 지구 밖에 세워져야 한다.
적외선천문학은 가시광의 붉은색 빛보다는 파장의 긴 대역의 영역 대의 빛을 분석하고 감지하는 분야이다. 적외선을 이용하면 행성이나 원시 행성 같은 온도가 매우 낮아서 적외선을 거의 내지 않는 별들을 관측할 수 있다. 적외선 영역의 빛은 대기에 의해 거의 흡수되고, 지구대기에 많은 양의 적외선을 방출한다. 적외선 관측은 높은 고도에 위치한 천문대, 또는 지구 밖에서 이루어지고 있다. 어떤 분자들은 자외선에서 특히 강한 방출선을 내는데, 이를 이용하여 별들을 연구할 수 있다.
적외선 분광학으로 혜성에 존재하는 물 분자를 검출하고 연구하기도 한다.
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