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고대 최고의 천문학자는 히파르쿠스?

그리스의 천문학자 히파르쿠스는 기원전 190년경 니케아에서 태어났지만 대부분의 삶을 로데스에서 보냈다. 그의 저술이 거의 남아있지 않음에도 히파르쿠스는 고대 그리스 최고의 천문학자로 불리고 있다. 히파르쿠스의 이름이 알려진 것은 프톨레마이오스의 책 《알마게스트(Almagest)》 덕이라고 해야 한다. 그는 바빌론 천문가들의 지식에 크게 의존해 바빌론과 그리스의 천문학을 연결시켰는데, 이 과정에서 바빌론인들이 남겨놓은 관측 기록과 방법을 적절히 활용했다.

히파르쿠스의 훌륭한 천체 관측 기술을 보여주는 좋은 예가 그가 만든 별자리표이다. 기원전 4세기에 작성된 중국의 감석성경(甘石星經)에는 별 121개의 위치가 기록되어 있었던 데 비해, 히파르쿠스는 육안으로 볼 수 있는 별 850개의 위치를 기록했을 뿐만 아니라 밝기에 따라 6가지로 나누어 놓기까지 했다. 이처럼 별의 밝기 등급을 기본적으로 6가지로 나누는 것은 지금도 사용되고 있는 방법이다. 또한 이전 800년 동안 있었던 모든 일식과 월식의 목록을 만들었고, 기원전 134년 전갈자리에서 일어났던 신성(新星)의 탄생에 대해서도 언급했다. 삼각법도 그가 만들어낸 것으로 알려져 있으며 공 모양의 하늘을 평면에 표현한 천문 관측기구인 아스트롤라베(astrolabe)도 그의 작품으로 여겨진다.

프톨레마이오스에 따르면 히파르쿠스는 태양과 달이 원궤도 운동을 한다고 분명히 설명했다고 한다. 그러나 그는 스스로 관측한 결과를 근거로 행성의 움직임이 천동설에 부합하지 않는다는 것을 알고 있었음에도 행성의 궤도에 대해서는 특별한 언급을 하지 않았다고 한다. 가장 유명한 그의 업적은 하지/동지와 추분/춘분 때의 태양의 위치가 별을 기준으로 하면 점차 서쪽으로 이동한다는 것을 밝혀낸 것이었다.

1년의 길이를 365일 5시간 55분이라고 처음으로 정확하게 측정한 것도 히파르쿠스였다. 계절의 길이가 같지 않다는 것을 알고 있던 그는 한 달의 길이를 겨우 1초의 오차로 계산해냈다.

프톨레마이오스의 우주

아리스타쿠스가 주장했던 지동설이 받아들여졌다면 좋았겠지만, 현실은 서기 140년경에 프톨레마이오스가 제시한 이론인 천동설에 점령당하고 만다. 사실 천동설이 프톨레마이오스의 작품은 아니었다. 그는 당시 널리 받아들여지던 이론을 정리해 자신의 책 《수학적 집대성(Mathematical Compilation)》(지금은 알마게스트(Almagest)로 더 알려져 있다)에 포함시킨 것뿐이었다. 책에 따르면 지구는 여러 겹으로 이루어진 공 모양 우주의 중심에 있다. 또한 달, 태양, 행성, 별들이 순서대로 지구 주위를 돌고 있었다. 그리스인들은 원이 완벽한 형태이고, 하늘은 신의 영역이라고 굳게 믿었으므로 자연스럽게 천체의 궤도가 원이라고 생각했던 것이지, 관측의 결과로부터 이끌어낸 결론이 전혀 아니었다.

이런 구조에 맞추다 보니, 행성의 궤도는 조금씩 변경되어야 했다. 금성과 수성은 태양 주위를 원형으로 돌고 있는 것이 분명했으므로 지구 주위를 도는 태양의 주위에 두었다. 눈에 보이는 나머지 행성인 화성, 목성, 토성도 원 궤도를 가졌지만 태양이 문제였다. 프톨레마이오스는 행성들이 도는 궤도의 중심이 조금씩 어긋나서 빈 공간이 생긴다는 것을 발견하고 이 점이 지구 주위를 원 궤도로 돈다고 했다. 이처럼 각 행성의 원 궤도를 조금씩 밀어서 만들어진 우주의 모형은 가끔은 거꾸로 움직이는 행성의 궤적을 완벽하지는 않아도 그럭저럭 그럴듯하게 설명할 수는 있었다. 별은 지구에서 볼 때 움직이지 않아서 설명하기 쉬운 대상이었으므로 가장 먼 곳에서 지구 주위를 돈다고 하는 것으로 충분했다.

그런데 관측 기술이 발전함에 따라 행성의 움직임을 보다 정확하게 파악할 수 있게 되자 프톨레마이오스의 우주 모형이 정확하지 못하다는 것이 점점 더 분명해졌다. 그때마다 관측결과와 일치하도록 모형에 조금씩 수정을 가했지만, 결국 천동설로 천체의 움직임을 설명하는 것은 한계에 다다르게 된다. 여기에 이르기까지 무려 천 년이 넘게 걸린 것이다.

천문학의 쇠퇴와 부활

그리스 문명이 쇠퇴하자 천문학도 암흑기를 맞이하게 된다. 로마제국에는 뛰어난 천문학자가 없었을 뿐더러, 아랍에서 점차 과학이 발전해 813년 알-마뭄이 바그다드 천문학교를 세울 때까지는 천문학 분야에서 별다른 진보가 이루어지지 않았다.

천문학 분야에서 유럽과 북아프리카^각주1) 에서는 특기할 만한 일이 일어나지 않았지만 인도에서는 후일 아랍 천문학계가 유용하게 사용하게 될 관측 결과를 열심히 기록하고 있었다. 별에 관한 인도 최초의 책은 기원전 1200년경의 《베당가 죠티사(Vedanga Jyotisa)》인데 이 책은 천문학책이라기 보다는 사실상 점성술책이고 실제로도 종교적인 용도로 사용되었다. 진정한 의미에서 최초의 천문학 서적이라고 할 만한 것은 서기 476~550년경에 쓰인 《아리야바티야(Aryabbatiya)》이다. 이 책은 후일 아랍권에도 큰 영향을 끼쳤으며, 자정을 하루의 시작으로 본 최초의 책이기도 하다. 또한 근거는 알 수 없지만, 지구가 자전하고 이 때문에 별이 움직이는 것처럼 보이며, 달은 태양 빛을 반사하기 때문에 빛나는 것이라는 내용을 정확히 파악하고 있었다.

아랍의 천문학

행성과 별의 움직임을 파악하는 데 지속해서 수학을 활용한 것은 아랍의 천문학자들이었다. 이슬람권의 천문학자들은 일출, 정오, 오후, 일몰, 저녁 시간에 규칙적으로 어느 곳에서든 정확하게 메카 방향으로 기도하는 신도들 때문에 정확한 달력 제작을 요구받고 있었다. 그들은 ‘알라가 별들로 하여금 너희를 위해 땅과 바다의 암흑 속에서 너희를 이끌어주도록 하셨다’라는 쿠란의 말씀에 의지하여 별에서 해답을 찾고자 했다. 게다가 그리스의 학자들이 이성에 의존했던 반면 쿠란은 관찰에 의한 경험적 자료에 확신을 가질 것을 권장하는 경향이 짙었다. 관찰하고, 생각하고, 이성에 의존하라는 쿠란의 지시는 과학적 접근법이라는 형태로 요약되었다.

일반적으로 이슬람교에서는 천문학을 이용해 미래를 예견하는 것을 부정적으로 생각했다. 일례로, 모하메드의 아들이 죽었을 때 일식이 일어나자 모하메드는 ‘일식은 자연 현상일 뿐이고 인간이 태어나고 죽는 것과는 아무런 상관이 없다’고 말하기도 했다. 이런 점에서 아랍의 천문학은 점성술에 적극적으로 이용된 중국이나 인도의 천문학과는 분명하게 구분된다.

서기 700~825년 사이에 대부분의 아랍 천문학자들의 관심은 그리스, 인도, 이슬람 이전의 사산 왕조 시대 페르시아의 천문학을 이해하는 데 집중되었다. 이때는 알-마뭄이 통치하던 시기의 바그다드에 ‘지식의 전당(House of Wisdom)’이 설립된 때이기도 하다. 유럽보다 훨씬 앞선 8세기 중반에 중국에서 이라크로 종이가 전해지자 지식을 축적하고 전파하기가 훨씬 쉬워졌으며, 서기 825~1258년 몽골군이 바그다드를 약탈할 때까지 지식의 전당은 명백히 세계 지성의 중심지였다.

천문학 분야에서 이슬람 독자적인 최초의 저술은 무하메드 이븐 무사 알 콰리즈미가 830년에 쓴 《지즈 알-신드(Zij al-Sindh)》이다. 이 책에는 태양과 달, 다섯 개 행성의 움직임이 표로 정리되어 있다. 알 콰리즈미는 천문학자보다는 수학자로서 더 이름이 알려져 있으며(유럽에서는 그를 알고리트미(Algoritmi)라고 불렀다. ‘알고리즘(algorithm)’이란 용어는 그의 이름에서 따온 것이다), 아랍에서 수학의 발전은 천문학의 발전에 힘입은 바가 크다. 또한 그는 해시계를 개량하고, 앙각(仰角, elevation) 측정기를 만들어 각도 측정에 이용했다. 또한 서기 825~835년경에 하바쉬 알-하십 알-마라지가 펴낸 《천체와 거리(The Book of Bodies and Distances)》에는 천체까지의 거리를 계산하는 방법이 담겨있는데, 이 계산에 따르면 달의 지름은 3,037km(실제로는 3,470km), 지구에서 달까지의 거리는 346,344km(실제로는 384,402km)였다.

서기 964년 페르시아의 압드 알-라만 알-수피는 별의 위치와 밝기, 색깔을 관측하고 이를 그림과 함께 기록했다. 이 책은 안드로메다 은하가 그려진 최초의 책이기도 하다. 1006년에는 이집트의 알리 이븐 리드완이 역사상 가장 밝은 초신성의 기록을 남겼는데, 그에 따르면 초신성의 크기는 금성의 두 배 혹은 세 배에 가까웠으며 밝기가 달의 4분의 1에 이를 정도였다고 한다. 이 초신성은 중국과 이라크, 일본, 스위스에서도 관측된 기록이 있으며 북아메리카 원주민들도 이를 본 것으로 알려져 있다.

아랍 천문학의 발전이 벽에 부딪힌 것은 지구가 우주의 중심이고, 무한(無限, infinity)은 불가능한 개념이라는 확신 때문이었다. 그러나 9세기에 자파 무하마드 이븐 무사 이븐 샤키르는 천체는 지구와 똑같은 물리 법칙에 의해 움직이는 것이라고 주장했으며(고대인들의 믿음과는 배치된다), 11세기에는 이븐 알 하이삼이 처음으로 천문학에 실험적 접근방법을 적용한다. 이븐 알 하이삼은 달이 태양빛을 반사하는 것을 측정하기 위한 장치를 고안해 다양한 방법으로 그 결과들을 기록했다. 그는 우주 공간은 공기가 희박할 것이라고 주장하며 은하수가 공기층 높은 곳에 존재하는 것이라는 아리스토텔레스의 의견에 반박했다. 은하수를 관측할 때의 시차(視差, parallax)가 매우 적다는 것을 근거로 은하수까지의 거리가 매우 멀다는 것도 알아냈고, 한편 같은 시기에 살았던 알 비루니는 은하수가 별들의 집단이라는 것을 밝혀냈다.

알 비루니는 중력을 ‘모든 것을 지구의 중심으로 끌어들이는 힘’이라고 설명하며 중력은 모든 천체에 동일하게 작용한다고 주장했는데, 이때도 프톨레마이오스의 지구 중심설은 확고하게 받아들여지고 있었다. 알 하이삼은 이미 인도의 브라마굽타가 주장했던 것처럼 지구가 자전한다고 했으며, 알 비루니는 1030년 브라마굽타의 저술을 살펴보면 수학적으로 아무런 문제를 찾을 수 없다는 의견을 남겼다.

이슬람 과학에서 전반적으로 발견되는 특징인 엄격한 검증은 천문학에서도 예외가 아니었지만, 신의 의도를 알아내려는 시도는 철저하게 억압되었다. 8세기에서 12세기에 이르는 동안 아랍 과학이 이루어낸 가장 중요한 기여는 천문 관측 장비의 개량과 수학의 발전이라 할 수 있다. 이를 바탕으로 르네상스 시대 유럽의 과학자들은 천문학을 새롭게 다듬을 수 있었다.

고대의 천문 장비

알려진 것 중 가장 오래된 천문 관측 장비는 바빌론의 점토판에 그려진 것으로 12등분된 원 세 개로 이루어져 있다. 이를 이용해 만들어지는 36개의 조합은 별자리의 이름과 숫자를 보여주는데, 아마 숫자는 바빌론 달력에서의 달을 가리키는 것 같다.

아스트롤라베(astrolabe)는 지구가 우주의 중심이라는 가정을 바탕으로 행성과 별의 위치를 표시하는 장치였다. 남아있는 것들 중 가장 오래된 것은 아랍에서 서기 927~928년에 만들어진 것이지만, 최초로 만들어진 것은 서기 1세기 이전일 것으로 짐작된다. 이슬람 전설에는 당나귀 등에 앉아 천구의(天球儀, celestial globe)를 보던 프톨레마이오스가 천구의를 떨어뜨렸을 때 당나귀가 이것을 밟아서 납작하게 만든 것이 아스트롤라베의 기원이라는 이야기가 있다.

혼천의(渾天儀, armillary sphere)는 아스트롤라베를 입체적으로 만든 것이고, 행성과 별의 위치가 지구를 중심으로 동심원 위에 표시된다.

천체를 관측할 때 올려다보는 각도인 앙각(仰角, elevation)을 측정할 때는 사분의(四分儀, quadrant)가 사용되었다.

최초의 사분의는 프톨레마이오스가 언급한 서기 150년의 것이다. 이슬람 천문학자들은 훨씬 크고 정밀한 사분의를 만들었지만, 가장 유명한 사분의는 티코 브라헤가 덴마크의 흐벤 섬에 있던 자신의 연구소에 설치한 것이다.

하늘을 밝힌 초신성의 출현

1054년 7월의 어느 날부터 23일 동안 낮에도 볼 수 있을 정도로 밝은 별이 빛났다. 황소자리에서 빛나던 이 별을 중국에서는 ‘손님 별’이라고 했으며 금성보다 네 배나 밝게 노란 빛으로 빛났다는 기록이 있다. 이 별은 무려 653일 동안이나 볼 수 있었고, 일본의 시인 후지와라 사다이에와 아나사지 족이나 밈버스 족 같은 아메리카 원주민들 역시 이것을 소재로 시를 남기기도 했다. 이 별은 게자리 성운을 탄생시킨 초신성이었는데, 밤하늘에서 이 별이 사라진 후 700년 동안 초신성은 한 번도 관측되지 않았다. 이후에 발견된 최초의 초신성은 1731년 영국의 의사이자 천문학자였던 존 베비스가 망원경을 이용해 찾아낸 것이었다.