백과

초기생애

윌리엄 허셜의 아버지는 군악대원이었다.

아버지의 직업을 이어받은 소년 윌리엄 허셜은 하노버 수비대의 음악대에서 연주했다. 1757년 프랑스가 하노버를 점령하자 영국으로 탈출한 후 처음에는 악곡을 베껴쓰면서 생계를 유지했으나 점점 지위가 상승되어 음악교사·연주자·작곡가, 그리고 1766년에는 유명한 온천인 배스에 있는 한 상류사회 예배당의 오르간 연주자로 임명되었다.

이 무렵 아버지로부터 영향을 받은 지적 호기심 때문에 윌리엄 허셜의 관심은 연주활동에서 음악이론으로 바뀌었다.

처음에는 로버트 스미스의 〈화성학 Harmonics〉을 연구했으며, 이 책을 공부한 다음에는 스미스의 〈광학의 완전한 체계 A Compleat System of Opticks〉로 관심을 돌려 망원경 제작기술에 대해 알게 되어 밤하늘을 관측하고자 하는 생각이 자리잡게 되었다.

집요함과 끝없는 정열로 당시의 거의 모든 천문학자들이 그러했듯이 가까운 곳의 해·달·행성(行星)을 관측하는 것에 만족하지 못하고, 멀리 있는 천체까지 연구하기로 결심했다. 윌리엄 허셜은 곧 적당한 비용으로 제작할 수 있는 반사거울보다 훨씬 더 크고 충분한 빛을 모을 수 있는 대형거울을 가진 망원경이 필요하다는 것을 깨닫고 자신이 직접 거울을 만들게 되었다.

이 거울들은 다양한 비율의 구리, 주석, 안티몬으로 합금된 금속원판을 갈아서 만들어야 했는데, 1781년 그 지방의 주조공장의 능력으로는 윌리엄 허셜의 야심을 충족시키기에는 부족했다. 그래서 자신의 집 지하실에 금속을 녹여 금속원판을 주조하는 시설을 갖추었다. 그러나 처음 만든 거울은 냉각할 때 부서졌으며, 2번째 만든 거울은 판석(板石)으로 주조되어 일시적으로 좌절감에 빠지기도 했다.

하지만 그후에 만든 거울은 보다 성공적이어서 이전의 그 어느 것보다도 더 크고 뛰어난 것이었으며, 윌리엄 허셜의 망원경은 그리니치 천문대에서 쓰는 망원경보다도 훨씬 뛰어나다는 것이 입증되었다. 또한 허셜은 배율이 6,450배나 되는 강력한 접안 렌즈를 직접 만들었다.

배스에 머무는 동안 하노버에서 온 동생 알렉산더와 윌리엄 허셜의 연구생활 전반에 걸쳐 충실한 보조자였던 누이 캐롤라인이 그의 연구를 도와주었다.

윌리엄 허셜은 망원경으로 2번에 걸쳐 전천(全天)의 예비적인 관측을 수행한 후 1781년 3번째이자 가장 완전했던 전천관측을 하는 동안 일반적인 별이 아니라고 생각되는 천체를 발견하게 되었다.

이것은 선사시대 이래로 발견된 행성으로서는 첫번째 것인 천왕성이었다. 윌리엄 허셜은 하룻밤 사이에 갑자기 유명해졌다. 허셜이 친구인 W. 웟슨2세에 의해 런던의 왕립학회에 소개되자, 영국학회는 그에게 천왕성 발견에 대한 업적으로 코플리 메달을 수여했으며, 그를 명예회원으로 선출했다.

또한 1782년 웟슨은 윌링머 허셜이 조지 3세로부터 매년 200파운드의 연금을 받을 수 있도록 도와주었다. 이렇게 되자 허셜은 음악을 그만두고 천문학에만 몰두할 수 있게 되었으며 조지 3세를 위한 궁정 천문학자로 임명되었고 그의 가족은 윈저 궁 근처의 다쳇으로 이사했다.

직업적인 천문학자가 되었을 때 43세나 되었음에도 불구하고 하늘의 자연사를 발전시키기 위해 밤낮으로 연구했다.

윌리엄 허셜의 대형 망원경으로 연구하기에 가장 적절한 기본적인 문제의 하나는 밤하늘에 반점처럼 빛나고 있는 성운의 근원에 관한 것이었다. 몇몇 천문학자들은 이것이 무수히 많은 별들의 무리이며 별빛이 어우러져 하나의 '젖빛 덩어리'로 보이는 것이라고 생각했다. 또다른 천문학자들은 일부 성운이 빛나는 유동체(流動體)로 이루어져 있을 것이라고 생각했다. 1781~82년 겨울, 성운에 대한 관심이 고조되었을 때, 허셜은 좋은 망원경을 갖지 못한 관찰자들에게는 '젖빛 덩어리'로 보이는 몇몇 성운이 그가 가진 가장 강력한 망원경으로 보면 개개의 별로 분리될 수 있음을 알았다.

윌리엄 허셜은 보다 강력한 망원경으로 보면 다른 성운도 결국 개개의 별로 분리되어 보일 것이라고 확신했다.

이러한 생각에 자신을 얻어 1784, 1785년 윌리엄 허셜은 모든 성운은 별들로 구성되어 있으며, 관측된 사실을 설명하기 위해 신비하게 빛나는 유동체의 존재를 가정할 필요가 없다고 주장하게 되었다. 아직 분리되어 보이지 않는 성운들은 매우 멀리 떨어져 있는 것들임에 틀림없으며, 관측자에게 크게 보이기 때문에 성운의 실제 크기는 거대할 것이고, 어쩌면 태양이 속해 있는 별의 집단보다 더 클지도 모른다고 주장했다.

이러한 논리에 의거해 윌리엄 허셜은 나중에 소위 별들의 '섬우주'라고 불리게 되는 존재를 가정했다.

별의 진화이론

윌리엄 허셜이 이런 별무리들 사이의 차이를 설명하기 위해 별들이 넓게 흩어져 있는 집단과 빽빽이 모여 있는 집단들을 비교하여 별집단들 사이의 상대적인 밀도를 강조한 것은 당연한 일이었다.

이러한 형상을 하고 있다는 것은 인력이 작용하고 있다는 것을 보여주는 것이었다. 윌리엄 허셜은 넓게 흩어져 있던 별들은 시간이 지남에 따라 1개 이상의 밀집된 별무리들로 뭉쳐질 것이 틀림없다고 주장했다. 다시 말하면, 넓게 흩어져 있는 별무리가 밀집해 있는 별무리보다는 진화의 초기 단계에 있다는 것이었다. 그리하여 허셜은 시간에 따른 변화, 즉 진화를 천문학에 있어서 기본적인 설명의 개념으로 자리잡게 했다.

1785년 윌리엄 허셜은 별들이 원래 무한한 공간에 있었지만, 별들 사이의 인력으로 점점 밀집된 무리가 되었다는 내용의 우주기원론을 전개했다(우주진화론). 그후 태양이 속해 있는 별무리로 관심을 돌려, 다음과 같은 2가지 가정을 기초로 이 별무리의 형태를 결정하려고 했다. 첫째로 허셜의 망원경으로는 이 별무리(우리은하)에 있는 모든 별들을 볼 수 있으며, 둘째로 우리은하의 별들은 규칙적으로 흩어져 있다는 것이었다.

실제로 나중에 윌리엄 허셜은 이 2가지 가정을 모두 포기해야만 했다. 그러나 이 연구에서 허셜은 별들을 셀 수 있다는 것과 이 자료를 우리은하라는 항성집단의 공간적 범위를 논의하는 데 이용할 수 있다는 점에서 항성통계학의 유용성에 대한 중요한 예를 처음으로 보여주었다. 소규모의 망원경으로는 이러한 관측사실을 증명할 수 없거나, 이렇게 대담한 이론을 전개하는 허셜을 따르려 하지 않던 다른 천문학자들은 가지각색의 공감과 회의를 가지고 지켜볼 뿐이었다.

1787년 윌리엄 허셜의 가족은 올드윈저로 이사했으며 이듬해에는 근처의 슬라우로 이사하여 허셜의 남은 생애를 보냈다.

윌리엄 허셜은 달이 없고 날씨가 좋은 밤이면 언제나 캐롤라인과 함께 밤하늘을 관측했다. 캐롤라인은 허셜의 관측내용을 기록했다. 흐린 밤에는 파수꾼을 세워 구름이 걷히면 그를 부르도록 했다. 종종 낮시간에 허셜이 망원경 제작을 지휘하는 동안 캐롤라인은 그들의 연구결과를 요약하곤 했으며, 제작한 망원경 중 많은 것을 그들의 수입을 보충하기 위해 팔았다. 허셜이 제작한 가장 큰 망원경은 반지름 122㎝, 초점거리 12m인 금속반사경으로 만들어진 거울이 달려 있어 일상적으로 사용하기에는 부담스러울 정도로 큰 것이었다.

1789년 완성된 이것은 18세기 기술의 경이적인 것 중의 하나였다.

윌리엄 허셜이 이룩한 업적은, 그가 천문학 분야에 직업적으로 뛰어들었던 것이 중년이 되었을 때였다는 것을 고려한다면, 자신의 모든 것을 바침으로써 그리고 캐롤라인의 헌신적인 도움에 의해 가능했던 것이다. 1786년 친구이자 이웃인 존 피트가 죽기 전까지는 결혼하려는 생각이 없었는데, 존 피트의 미망인인 메리가 매우 매력적이고 상냥한 여성이었기에 얼마 되지 않아 허셜은 그녀에게 청혼했다.

1788년 5월 8일에 결혼한 후 그들의 보금자리를 하우스 천문대로 정한 뒤 천문학에 관한 일을 계속했다.

성운구조론

윌리엄 허셜이 생각한 항성으로 이루어진 구조에 대한 착상은 1790년 11월 13일 중심의 별이 '빛나는 유동체'의 구름에 의해 둘러싸여 있는 것이라고 해석할 수밖에 없는 놀라운 성운을 관측하자 흔들리게 되었다.

이 발견은 윌리엄 허셜의 초기 견해와 상반되는 것이었다. 지금까지 허셜이 가진 가장 좋은 망원경으로도 개개의 별로 분리되지 않는 많은 성운들은 멀리 떨어져 있는 '섬우주'(현재 그런 천체들은 은하들로 알려져 있음)일 것이라고 판단했다. 그러나 허셜은 관측된 중심별이 중력의 영향으로 주위를 둘러싸고 있는 구름이 응축된 것이라고 결론을 내림으로써 이 새로운 증거를 자신의 초기이론에 적용시킬 수 있었다.

1811년 아직 유동체로부터 별들이 생겨나기 전 단계의 시간까지 거슬러 올라간 우주진화론을 만들었다.

이런 식으로 이론을 만드는 것은 전형적인 윌리엄 허셜의 사고방식이기도 했다. 비할 데 없는 많은 관측결과는 대담한 가정을 통해서 해석되었다. 예를 들어 천체들의 구조적 형태를 다룰 때는 모든 별들의 밝기를 같다고 여기고 겉보기등급의 차이는 거리의 차이를 나타내는 것이라고 가정했다.

이런 식의 가정에 모순되는 증거가 계속 쌓여갔지만 윌리엄 허셜은 일생 동안 그것을 인정하기를 완강히 거부했다. 허셜은 20년간(1783~1802) 체계적으로 성운을 조사하여 예전부터 젖빛 덩어리로 알려졌던 100여 개의 천체가 2,500개의 성운과 성단이라는 사실을 기록한 목록을 3개 만들었다. 또한 공간적으로 서로 가까이 있는 것으로 보이는 별의 쌍인 848개의 쌍성(雙星)과 별들의 상대적인 밝기를 측정한 목록을 작성했다. 허셜은 쌍성이 공간에 제멋대로 흩어진 별들에 의해 우연히 생긴 것이 아니며 이러한 별들은 실제로 서로 상대방의 주위를 공전한다는 것을 관측했다.

윌리엄 허셜이 출판한 70개의 논문에는 우주공간에서의 태양계의 운동에 대한 연구와 1800년 적외선발견을 발표한 것뿐만 아니라 태양계의 행성과 다른 구성요소들에 대한 일련의 상세한 연구결과도 들어 있다.