[Astronomy] Ancestors' Star-Gazing

In June 2022, Korea successfully launched a satellite (Korea Space Launch Vehicle-II: KSLV-II), named Nuri, into orbit to open the path to space.

Was it a just luck for a limited group of aerpspace scientists? Absolutely NOT.

We Koreans are also surprised to see our ancestors had ample resources of star gazing records.

Here is a piece of vivid evidence about our ancestors' interest in astronomy

 

It’s an explosive detective story introduced by Mary Beth Griggs in her article, "A star that last dazzled astronomers in 1437", Popular Science, August 30, 2017.

 

In the hours before dawn on March 11, 1437, the constellation Scorpio rose over the horizon near Seoul, Korea. Astronomers tasked with scanning the sky and noting nightly changes—aurorae, comets, shooting stars and the like—noticed something odd about the group of stars they called the tail of the dragon, one of the lunar mansions of the night sky.

There was a star there that they’d never seen before. The bright light persisted in the sky for 14 nights before vanishing, it’s position diligently recorded by researchers all the while.

 

Now, 580 years later, astronomers have found it again.

In a paper published today in Nature, Mike Shara of the American Museum of Natural History and colleagues describe how they hunted down a star whose surface exploded over half a millennium ago.

 

A strange Nova in the 1437 Seoul sky

What the Korean astronomers saw in 1437 was a classical nova. Unlike the more famous supernova, the classical nova is not a destructive process. Supernovae are massive star-destroying explosions. Novae, on the other hand, happen in binary star systems, where a white dwarf and a red dwarf circle each other like two sparring partners.

The white dwarf—a star about the size of our planet, but with the mass of our sun—pulls hydrogen off of its red opponent. When enough hydrogen builds up on the white dwarf’s surface, a massive explosion like a hydrogen bomb goes off, making the star brighter for the astronomical equivalent of an instant. That was what the Korean astronomers saw in March of 1437: a massive explosion of hydrogen off the surface of a white dwarf.

 

Modern astronomers see novae fairly regularly, with around 10 bright enough to be seen with the naked eye occurring every year. But these systems usually take about 10,000 to 100,000 years to build up enough hydrogen to go nova again. In between their big, bright, let-it-go moments they sit nearly invisible in the sky, though researchers have noticed smaller entities called nova-like vairables and others, called dwarf novae, which display much smaller brightening events.

 

Back in 1986, Shara proposed that classical novae, nova-like variables, and dwarf novae were all part of the same kind of system, just in different stages of development. Over the next 30 years, he and colleagues were able to find dwarf novae inside the shell of exploded gas that indicated a classical novae, but there was no direct connection between them—no unbroken chain of evidence that showed that the two celestial phenomena were one and the same.

 

Shara knew about the Korean nova, and he and other astronomers spent years looking through star charts, photographs, and records trying to find evidence of dwarf novae in the same place as that massive brightening 580 years ago. But the area between the two stars that historians believed the text referred to were devoid of the evidence Shara was looking for.

 

Eventually he gave up, putting aside that particular quest. But he came across the file again later, while cleaning his desk. At that point, Harvard had begun to digitize its incredible collection of glass-plated images of the stars, a record of the night sky that stretched back well over 100 years. Shara figured he might as well use the database to check on a larger area than the space he’d spent years scouring.

 

And a mere hour and a half after he started the search, he found what he’d spent years looking for.

“It was the next two stars over. There it was, just staring at me.” Shara says. “I have to say, when I got it it was a few minutes of simultaneously dancing around my office and pounding my forehead in frustration,” he recalls, laughing.

With the precise location and photographic records in hand, he was able to show that what had once been identified as a planetary accretion disk—a planetary system in its infancy—was really one of these binary star systems within a blown-out hydrogen shell that burst off the white dwarf 580 years ago.

 

He and his co-authors also identified three other dwarf novae that occurred within the past century on the same star using the photographic plates.

A dwarf nova occurs when hydrogen from the red dwarf is pulled off and begins to build up in a ring around the white dwarf companion. When enough hydrogen builds up in the ring, the ring collapses and is pulled down to the surface of the white dwarf, building up a layer of hydrogen that will eventually contribute to its big show—a classical nova—in thousands of years.

“That happens in dwarf novae every few months or decades. The systems brighten from a tenth the luminosity of the sun to ten times the luminosity of the sun for a few days or weeks” Shara says.

 

Though the two stars are companions in the vast reaches of space, it’s far from a healthy relationship. Eventually, after cycling through enough nova cycles, the red dwarf will shrink as the white dwarf devours its hydrogen. It will become a brown dwarf, then a Jupiter-sized planet, then all that remains will be its rocky metal core. Even this the white dwarf will take, smashing it apart into an asteroid belt— and eventually smooshing the rock out across its own surface.

“It doesn’t end well for the red dwarf—cannibalized by its white dwarf companion and then shredded,” Shara says. But at least their violent partnership is helping scientists understand the life cycle of some of the most elusive stars in the sky.

 

세계가 고대하는 한국의 古天文 연구

2017년 8월 31일 세계적 국제학술지 네이처에 ‘고유운동을 이용한 서기 1437년 전갈자리 신성 후예의 나이 결정’이란 제목의 논문이 실렸다. 미국 뉴욕 자연사박물관 천체물리학부의 마이클 섀러 박사가 이끈 국제 공동연구팀이 쓴 이 논문은 15세기 당시 전갈자리 신성의 기록으로 폭발 시점을 정하고, 이런 추정을 바탕으로 신성이 1000년 단위의 기간 연속적으로 폭발하면서 왜소신성으로 진화하는 과정을 밝혀냈다.

 

580년 전 발생한 천문현상을 21세기의 서구 천체물리학자들이 어떻게 분석할 수 있었을까. 그 답은 논문 안에서 찾을 수 있다. 논문은 ‘한국(Korea) 왕실 천문학자들이 기록한 옛 신성 중 하나가 1437년 3월11일 폭발했다’고 적고 있다.[1] 

 

* 조선왕조실록 세종편의 전갈자리 신성 기록(왼쪽)과 고려사 태양흑점 기록. 사진: 한국천문연구원

유성이 하늘 가운데에서 나와서 동북쪽으로 향하여 들어갔는데, 꼬리의 길이가 4, 5척이나 되었다. 햇무리를 하였는데 양쪽에 귀고리를 하였고, 객성(客星)이 처음에 미성(尾星)의 둘째 별과 셋째 별 사이에 나타났는데, 셋째 별에 가깝기가 반 자 간격쯤 되었다. 무릇 14일 동안이나 나타났다.

 

한국의 고천문(古天文)[2]이 세계 천문학의 보고(寶庫)로 등장하고 있다.[3] 전세계에서 유례를 찾아보기 힘들 정도의 상세한 기록문화를 보유하고 있기 때문이다. 삼국사기와 고려사ㆍ조선왕조실록ㆍ승정원일기가 대표적이다. 사서 속에는 일식과 월식은 물론 혜성과 신성, 태양의 흑점 등이 기록돼 있다. 아직 번역 작업이 20% 정도에 불과한 승정원일기는 금맥(金脈)의 존재는 알지만 아직 파보지 못한 노다지 광산과 같다. 다양한 천체의 기록을 보여주고 있는 조선왕조실록이 바로 승정원일기를 바탕으로 하고 있기 때문이다. 동양천문학자 국제회의와 같은 국제천문학계는 승정원일기라는 보물상자가 활짝 열리기를 고대하고 있다.[4] 중국은 한국보다 더 오랜 역사서를 보유하고 있지만, 왕조가 단명하면서 역사기록의 일관성과 신뢰성이 떨어진다는 평가를 받는다. 반면 조선 왕조 519년, 고려도 475년을 존속했다. 조선왕조실록과 고려사는 이런 긴 왕조 역사의 기록이다.[5]

 

세계적 과학사학자인 영국의 조셉 니덤(1900~1995)은 “한국(조선) 천문학은 동아시아 천문학 전통의 독창적인 민족적 변형이었고, 한국 천문학이 만들어낸 각종 천문의기와 기록은 세계 과학사의 귀중한 유산”이라고 평가했다.
이상근 문화유산회복재단 이사장은 “우리 역사에 있어 천문은 중국과 일본의 일식 기록에 비해 고구려ㆍ백제의 기록이 더 정확했다는 것이 역사서에 기록될 정도로 세계 최고의 수준”이라며 “세계적으로 귀중한 기록으로 평가받는 세종실록의 1437년 전갈자리 신성과 선조실록의 1604년 케플러 초신성[3] 등을 남겼을 정도로 정확한 관측 능력을 보유했다”고 말했다.

 

* 조선 태종 4년(1395년) 만들어진 천상열차분야지도. 한반도의 하늘에서 볼 수 있는 별과 행성 등 천체의 모습을 담았다.

2018년 4월 문을 연 고천문연구센터[2]는 옛 천문기기를 복원하고 역사적 관측기록을 수집ㆍ분석하며, 이런 자료가 현대 천문현상에 활용될 수 있도록 정보화하는 등의 연구를 하고 있다. 1년 후인 지난 5월 천문연구원은 ‘고전 속 천문과 기상 기록으로 태양활동과 기후변화를 알아내다’라는 제목의 발표자료를 통해 고천문연구센터의 연구활동을 알렸다. 양홍진 박사가 이끄는 연구진이 고려사와 조선왕조실록에서 흑점에 대한 55군데 기록을 찾아, 태양의 활동주기를 연구한 보고서다. 이 연구를 통해 현재까지 잘 알려진 태양활동의 주기인 11년과 60년 외에 240년의 장주기가 있음이 확인됐다.  또 이런 태양의 장주기 활동이 과거 기후변화와 밀접한 연관성을 가지고 있음을 증명했다.

 

천문연구원에 고천문 연구의 싹이 튼지는 더 오래됐다. 2008년 고천문연구그룹이 처음으로 만들어졌다. 현재 센터장을 맡고 있는 김상혁 박사가 옛 천문기기 복원의 임무를 받고 천문연에 들어오면서부터다. 이원철홀 1층 ‘전통천문기기복원실’이라는 조그만 방에 들어섰다. 사진으로만 봤던 혼천의·간의 등의 축소모델과 조선왕조실록, 한창 복원 작업 중인 역사 속의 물시계 등이 복잡하게 놓여 있었다.

 

우리 민족은 어떻게 이런 천문기록을 남길 수 있었을까. 혼천의와 간의 등 조선 세종대왕(1397~1450, 재위 1418~1450) 시절에 쏟아져 나온 천문 관측기기가 결정적 역할을 했다. 서구 천문학을 비약적으로 발전시킨 천체망원경도 아직 발명되지 않던 시절이다. 세종은 1432년부터 1438년까지 조선의 독자적 역법(曆法) 체계를 완성하기 위해 천문의기 제작과 시계 제작 사업을 펼쳤다. ‘천손(天孫)’인 왕의 권위를 지키기 위해 일식과 월식을 정확히 예측해야 했다. 백성의 일상생활과 농사를 위해 시계와 달력도 필요했다. 하지만 매년 한 차례 중국에서 받아오는 역서는 조선의 하늘과 차이가 있었다.

 

민병희 박사는 “천체의 위치를 정밀하게 측정할 수 있는 간의는 원래 중국에서 개발한 것이었는데 조선의 과학자들은 한양의 위도에 맞도록 간의를 개량했다”며 “여기에 더해 실용성과 이동성을 겸비하도록 새로운 형태의 소간의도 제작했다”고 말했다.

해시계 앙부일구(仰釜日晷)와 물시계인 자격루(自擊漏)ㆍ옥루(玉漏) 등은 천체관측 기기를 바탕으로 태양과 별의 운행을 살펴보고 이런 규칙적 움직임을 통해 시간을 파악해 만들어낸 작품이다. 조선의 선비들은 요즘의 스마트폰보다 작은 크기의 시계도 가지고 다녔다. 직육면체의 모양에 나침반과 초소형 앙부일구를 담은 것이다. 나침반으로 방향을 맞추고 앙부일구에 떨어지는 해 그림자를 통해 시간을 읽었다.

그러나 500여 년 전 꽃을 피웠던 우리 민족의 천문학은 현대 학문으로 이어지지 못했다. 일제 강점기와 한국전쟁을 거치면서 천문학 역사의 연결고리가 끊어졌기 때문이다. 김상혁 센터장은 “전통 관측기기와 같은 수많은 천문 유산들이 소실되고 해외로 반출됐다”며 “70여 년 동안 분단국가로 남게 되면서 북한의 실태가 정확히 파악되지 못한 것도 한국 천문학의 아픔”이라고 말했다. 이런 아픔은 고천문연구센터의 동력이기도 하다.

 

The next Assignment to be undertaken

직지심경 (구텐베르크보다 80년 앞선 금속활자로 인쇄한 책) 같이 센세이셔널한 발견을 하려면:

- 고문서를 샅샅이 뒤져서 유의미한 과학적 발견을 하는 것

- AI를 이용한 고전서적의 번역 및 해외 소개를 서두르는 일

- 선조의 과학지식을 현대적으로 계승 발전시켜 실생활에 응용하는 것

 

Note

1] 이 내용의 원전은 조선왕조실록의 세종 19년(1437년) 음력 2월 5일의 기록이다.

流星出自天中, 向東北入, 尾長四五尺。 日暈, 兩珥。 客星始見尾第二三星間, 近第三星, 隔半尺許, 凡十四日。

 

2] 2019년 6월 26일 중앙일보가 찾아간 대전 유성 화암동 한국천문연구원의 고천문연구(古天文硏究)센터는 이 같은 우리 땅 고천문 연구의 산실이다. 연구원 캠퍼스 안쪽 전파천문대가 자리 잡은 야산에 올라서니 ‘이원철 홀’이라는 이름표를 단 3층 건물이 나타났다. 우리나라 최초의 이학박사 겸 천문학자인 이원철(1896~1963) 박사의 이름이다. 출처: 최준호, [최준호의 사이언스&] " 초신성까지 기록, 세계 천문학계 보물 된 조선왕조실록", 중앙일보, 2019.07.31 19:38.

 

3] 1604년 10월 지구의 밤하늘에는 전혀 못 보던 새로운 별이 하나 반짝였다. 이 별은 밤하늘의 어떤 항성보다도 밝았으며, 금성을 제외한 나머지 행성들보다 밝았다. 그 별의 정체는 뱀주인자리에서 폭발한 초신성(태양보다 큰 별이 마지막 죽는 순간에 폭발하면서 엄청나게 밝은 빛을 내는 별)이었다. 이 별에 대해 최초로 관측 기록을 남긴 이는 10월 9일 이탈리아의 의사였다. 그리고 당시 천문학의 거장 요하네스 케플러는 10월 17일 프라하에서 관측에 착수했다. 그는 ‘뱀주인자리의 발 부분에 있는 신성’이라는 책을 통해 약 1년간 이 천체를 연구했으며, 그 결과 이 별은 ‘케플러 초신성’이라는 이름으로 알려지게 되었다.

그런데 놀라운 것은 케플러보다 더 상세히 이 별을 관측한 게 조선왕조실록의 기록이라는 점이다. 선조실록 1604년 10월 13일부터 1605년 4월 23일까지 7개월간 약 130회에 걸쳐 거의 매일 밝기와 크기 등을 목성이나 금성 등과 비교해 자세히 묘사해 놓았다. 특히 이 기록은 폭발 초기 가장 밝았던 50일 동안의 변화를 거의 하루도 빠짐없이 구체적으로 서술하고 있다. 1604년 당시 유럽은 날씨가 흐려 이탈리아 의사가 처음 관측한 이후 케플러가 다시 관측하기까지 약 1주일 동안의 관측기록이 공백으로 남아 있다. 하지만 조선왕조실록의 기록은 그 공백을 메워주고 있을 뿐 아니라 전체적인 기록의 정밀도 면에서도 뛰어나 케플러의 관측기록보다 현대 과학자들에게 더 자주 인용되는 실정이다. 다만, 부끄러운 일은 조선왕조실록에 케플러 초신성의 관측 기록이 있다는 사실을 처음 발견한 이는 1966년 서울대 규장각에서 이 기록을 열람한 중국의 천문학자들이었고, 정작 국내에서는 이 사실조차 모르고 있었다는 점이다. 미국 존스홉킨스대 재직 중 1997년 고등과학원 원장으로 부임해 귀국한 김정욱 박사에 의해 비로소 알려지게 되었다. 이성규, "케플러보다 정확한 초신성 관측 - 과학으로 만나는 세계유산(9) 조선왕조실록", The Science Times, 2016. 5.16.

 

4] 이와 같은 국제적인 요청에 따라 고천문연구센터에서도 번역 및 조사연구 활동에 박차를 가하고 있다. 지금까지 파악된 천문기록만 해도 조선왕조실록 305,070건, 승정원일기 369,950건, 동궁일기 389,815건에 달하기 때문이다. 고려사에도 77,908건이나 등장한다. 

김상혁 고천문연구센터장은 “최근에는 AI(인공지능)을 이용해 승정원일기 등의 고천문 기록을 번역하는 사업을 벌이고 있다”고 말했다. 사람의 힘으로 승정원일기를 번역하려면 앞으로도 35년 이상 걸릴 일이지만 인공지능을 이용하면 번역 시간이 획기적으로 줄어들 것으로 기대된다. 김 센터장은 “승정원일기 중 아직 번역되지 않은 80%에서 어떤 천문기록 쏟아져 나올지 헤아리기 어렵다”며 “아마도 조선왕조실록보다 최소 4배 이상의 천문기록이 있을 것으로 예상한다”고 덧붙였다. 위의 중앙일보 기사.

 

5] 조선왕조실록은 태조부터 철종까지 25대 472년간의 1707권 6400만자에 달하는 다방면의 방대한 기록을 담고 있다. 사초 작성과 실록 편찬에는 임금도 간섭할 수 없었다. 임진왜란 병자호란으로 일부 소실 훼손되기도 했으나 4곳의 사고에 보관되어 거의 온전한 채로 남았다. 오대산 본은 일제가 반출했다가 간토대지진 때 손실되고 남은 것을 돌려받았으며, 창경궁에 보관되어 있던 적상산 본은 북한이 빼앗아 갔다. 조선왕조실록은 정족산본과 태백산본, 오대산본 모두 일괄적으로 국보 제151호로 지정되어 있으며, 1997년 10월에 UNESCO 세계기록유산으로 등재되었다.