허블 우주망원경이 100년 동안 관측할 범위를 한 달만에 관측할 수 있는 최신형 우주망원경이 발사됐다. 미국 항공우주국(NASA)은 30일 오전 7시26분(한국시간 30일 오후 8시 26분) 플로리다주 케네디 우주센터에서 ‘낸시 그레이스 로먼 우주망원경’ 발사에 성공했다고 밝혔다. 로먼 망원경은 허블, 제임스 웹에 이어 미국이 발사한 3번째 우주망원경이다. 개발 기간 10년, 개발비 약 43억 달러(약 5조 9362억원)이 투입됐다. 재미있는 점은 9·11 테러 이후 국가정찰국(NRO)이 만들던 정찰 위성을 나사가 넘겨받아 우주망원경으로 개조했다는 것이다. 그 덕분에 애초 내년 5월 발사 예정이었으나 9개월 가량 앞당길 수 있었다. 로먼 우주망원경은 길이 12.7m, 폭 4m로 허블 우주망원경과 비슷한 크기이고 반사 거울의 지름도 2.4m로 허블과 같다. 그렇지만 허블 망원경보다 1000배 이상 빠른 관측 능력을 갖췄고 시야각은 최소 100배 넓은 300메가픽셀 카메라를 탑재했다. 로먼 우주망원경의 광시야 관측기는 대형 적외선 검출기 18개를 모자이크처럼 배열해 우주를 촬영하게 된다. 로먼 우주망원경이 관측 활동을 하는 최종 목적지는 지구에서 태양 반대쪽으로 약 150만㎞ 떨어진 제2라그랑주점(L2)이다. 라그랑주점은 지구와 태양의 중력이 공전운동을 하는 우주선의 원심력과 균형을 이뤄 안정적 궤도를 유지할 수 있는 위치다. 특히 L2는 지구가 햇빛을 가려주기 때문에 천체 관측이 훨씬 용이하다. 지구와 달 사이 거리인 38만 5000㎞보다 4배 정도 먼 L2에는 제임스 웹 우주망원경(JWST)이 2022년부터 자리 잡고 임무를 수행 중이다. JWST가 멀리 있는 천체 하나하나를 자세히 들여다보는 역할을 하고 로먼 우주망원경은 하늘의 넓은 부분을 한꺼번에 찍는 역할을 하는 것이다. 로먼 우주망원경은 지구 궤도를 돌며 1차 기기점검을 마친 뒤 3개월 정도의 여정을 거쳐 목표 궤도에 안착한 뒤 내년 초 첫 관측 사진을 전송할 예정이다. 과학자들이 로먼 우주망원경에 기대하는 것은 우주 가속 팽창의 원인으로 지목되는 암흑 에너지, 우주에 구조를 제공하지만 눈에는 보이지 않는 암흑 물질과 관련된 새로운 데이터 확보다. 이와 함께 태양계 밖 외계 행성 탐사 과제도 수행하게 된다. 지금까지 발견한 외계 행성은 6000여 개인데 로먼 우주망원경은 3중 추적 기술로 지금보다 40배나 더 많이 찾을 것으로 나사는 기대하고 있다. 로먼 우주망원경은 1960년대 나사 최초 수석 천문학자인 낸시 그레이스 로먼(1925~2018) 박사의 이름을 딴 것이다. 로먼 박사는 망원경의 관측 범위를 넓히기 위해서는 대기층을 벗어나 지구 궤도에서 우주 관측 필요성을 강조해 우주망원경 프로그램을 세우는 데 기여해 ‘허블 우주망원경의 어머니’로 불렸다. 칠레 베라 루빈 천문대가 처음으로 여성 천문학자의 이름을 딴 것처럼 우주망원경에 여성 과학자 이름이 붙은 것은 이번이 처음이다.

우리 은하계는 지름 10만 광년에 달하는 거대한 나선 은하로 우리 은하를 포함한 국부 은하군에서 안드로메다 은하에 이어 두 번째로 큰 은하다. 우리 은하 안에는 태양 같은 별이 적어도 1,000억 개 이상 존재하는 것으로 추산된다. 안드로메다 은하는 1조 개에 달하는 것으로 추정된다. 하지만 우주는 넓고 이보다 더 거대한 초거대 은하 역시 여럿 존재한다. 그러나 은하가 커질수록 경계가 불분명할 뿐 아니라 대부분의 거대 은하가 아주 멀리 떨어져 있어 정확한 크기를 측정하기 쉽지 않다. 지금까지 관측된 가장 큰 은하가 정확히 무엇이냐고 물어보면 과학자들도 쉽게 대답할 수 없는 이유다. 카나리아 제도 천체물리학 연구소의 카를로스 마레로-데 라 로사와 동료들은 가장 거대한 은하의 후보인 IC 1101을 아이작 뉴턴 망원경(INT)의 광시야 카메라로 자세히 관측했다. IC 1101은 Abell 2029 은하단의 중심에 있는 초거대 타원 은하로, 지구로부터 약 10억 광년 떨어져 있다. 과거 관측에서 IC 1101은 수많은 별을 지닌 초거대 은하로 알려져 있었지만, 경계가 불분명해 정확한 지름은 측정하기 힘들었다. IC 1101은 밝은 은하단 은하(BCGs)의 일종으로 주변 은하를 흡수하면서 커졌고 주변에는 여전히 많은 가스와 다른 은하가 있어 경계부를 정확히 측정하기 쉽지 않다. 연구팀은 멀리 떨어진 은하의 정확한 경계를 측정하기 위해 관측을 방해하는 가까운 별의 빛을 차단할 수 있는 방법을 고안했다. 연구팀은 밝기가 다른 수십 개의 기준별을 사용해서 망원경의 점 확산 함수에 대한 상세한 모델을 구축한 후 IC 1101의 최종 이미지에서 250개 이상의 별에서 산란된 빛을 하나씩 제거해 희미한 경계 구조를 확인했다. 그 결과 IC 1101의 지름은 우리 은하의 17배에 달하는 520킬로파섹(170만 광년)으로 확인됐다. 그리고 은하에 포함된 항성의 총 질량은 대략 3조 4000억 태양 질량으로 추정된다. 은하 질량의 대부분이 암흑물질이고 별과 가스는 보통 20% 미만인 점을 생각하면 엄청난 크기다. 더욱 놀라운 점은 이 은하가 성장을 계속하고 있다는 점이다. 중력을 통해 주변 은하와 물질을 계속 흡수하고 있기 때문에 IC 1101은 미래에는 더 거대한 크기로 성장할 것으로 보인다. 하지만 광활한 우주에는 IC 1101처럼 초거대 은하가 여럿 존재한다. 그리고 그중 일부는 이보다 더 클지도 모른다. 연구팀이 개발한 새로운 관측 기술은 앞으로 이런 초거대 은하를 연구하는 데 중요한 정보를 제공할 것으로 기대된다.

138억 년 우주 역사에서 빅뱅 직후 최초의 6억 7000만 년은 여전히 베일에 싸여 있다. 우주를 여든 살 노인에 비유하면 네 살 정도일 때다. 그런데 이 무렵에 이미 태양 1조 개에 맞먹는 빛을 내뿜는 괴물 천체들이 존재했다는 사실이 확인됐다. 유럽우주국(ESA), 미국 캘리포니아 산타바바라대(UCSB), 네덜란드 레이던대 공동 연구팀은 유클리드 우주망원경이 지금까지 발견된 것 중 가장 오래된 퀘이사 31개를 무더기로 찾아냈다고 7일 밝혔다. 이 중 거대 블랙홀이 동력원인 은하핵 2개는 우주의 나이가 현재의 5%에 불과한 6억 7000만 년이었을 때 태양 1조 개에 맞먹는 빛을 내뿜고 있었다. 이 연구 결과는 천문학 분야 국제 학술지 ‘천문학과 천체물리학’ 7월 6일 자에 실렸다. 퀘이사는 우주에서 가장 밝고 에너지가 넘치는 천체로 은하 중심의 초대질량 블랙홀이 주변 물질을 대량으로 집어삼키는 과정에서 만들어진다. 퀘이사는 은하의 일생에서 짧게 지나가는 한 단계지만 초대질량 블랙홀로 대량의 물질이 소용돌이치며 빨려 들어가면서 막대한 에너지가 방출돼 극단적으로 밝은 빛을 낸다. 이에 엄청난 우주적 거리에서도 관측이 가능하다. 자기가 속한 은하 전체보다 수백 배에서 수천 배 밝게 빛나는 경우도 흔히 볼 수 있다. 퀘이사는 초대질량 블랙홀이 어떻게 형성되는지 이해하는 데 가장 좋은 단서를 제공하기 때문에 천체물리학자들의 관심 대상이다. 그러나 태양 질량의 수십억 배에 달하는 괴물 천체들은 우주가 유아기였을 때도 존재하고 있었는데 어떻게 그토록 빨리, 그리고 거대하게 자라는지는 명확히 알지 못한다. 더군다나 빅뱅 후 약 7억 7000만 년 이전에는 퀘이사를 만들 만큼 크게 자란 은하 자체가 거의 없어 이 시기 퀘이사는 극히 드물다. 설령 존재하더라도 원시 퀘이사의 빛은 희미한 데다 우리와 가까이 있는 별들의 신호와 혼동되기 쉬워 탐지가 어려웠다. 2023년 ESA는 암흑물질과 암흑에너지의 비밀을 풀기 위해 유클리드 우주망원경을 발사했다. 유클리드는 지구 대기의 적외선 방해가 없는 우주에서 넓은 하늘을 깊게 훑을 수 있어 초기 우주 천체 탐색에서 최적의 도구다. 유클리드의 광역 탐사 데이터를 분석한 결과 우주 나이가 현재 5%에 불과했던 초기 우주에서 31개의 새로운 퀘이사를 발견했다. 그중 가장 오래된 두 천체인 ‘EUCL J172902.75+641018.1’과 ‘EUCL J125308.55+705432.3’의 적색이동은 각각 7.77과 7.69로 역대 가장 오래된 퀘이사로 확인됐다. 적색이동(redshift)은 우주 팽창으로 천체의 빛 파장이 붉은 쪽으로 늘어나는 정도를 의미하는데 값이 클수록 더 멀고 오래된 천체다. 적색이동 7은 우주 나이가 현재의 6%도 안 되던 시점에 해당한다. 둘 다 130억 광년이 조금 넘는 거리에 있으며 우주 최초 6억 7000만 년 사이에 모습을 드러낸 것으로 밝혀졌다. 이 가운데 두 번째로 오래된 퀘이사를 정밀 관측한 결과 먼지와 가스로 가득 차 맹렬하게 새 별을 만들고 있는 은하 속에 파묻혀 있는 것으로 확인됐다. 초기 초대질량 블랙홀을 품은 모(母)은하가 어떤 모습일지 짐작게 하는 부분이다. 이번 발견으로 인류가 아는 적색이동 7 이상의 퀘이사 수는 단숨에 두 배 이상으로 늘었다. 지금까지는 적색이동 7 이상, 즉 우주 최초 7억 7000만 년에 해당하는 시기의 퀘이사를 10개 정도 찾는 데 10년 넘게 걸렸지만 유클리드는 1년 만에 그보다 더 많은 수의 퀘이사를 발견했다는 점도 이번 연구에서 눈길을 끄는 부분이다. 연구팀은 수천만 개 광원 속에서 퀘이사와 거의 똑같아 보이는 별들을 걸러내는 기계학습 알고리즘을 수년에 걸쳐 개발했으며 새 퀘이사의 3분의 2는 미국 하와이 켁(Keck) 망원경 후속 관측으로 확인됐다. 이 퀘이사들은 ‘재이온화 시기’로 불리는 우주사의 전환기에 존재했다. 최초의 별과 은하들이 내뿜은 빛이 초기 우주를 채우고 있던 차갑고 어두운 중성 수소 안개를 걷어내던, 오늘날 우주의 무대가 마련된 결정적 시기다. 연구를 이끈 조지프 헤너위 미국 UCSB 물리학과 교수는 “우주가 이제 막 시작됐을 무렵에 태양 질량의 수억 배에 달하는 블랙홀들이 발견되고 있는 등 시간을 거슬러 올라갈수록 퍼즐은 더 난해해진다”며 “적색이동 8, 즉 우주 최초 6억 3000만 년 이내의 퀘이사를 찾는 것이 다음 목표”라고 밝혔다.

1970년대 은하 회전 속도를 측정하다 암흑물질을 포착한 천체물리학자 베라 루빈. 보이지 않지만 막대한 질량을 지닌 암흑물질이 존재한다는 주장에 학계는 측정 오류라며 냉소했다. 루빈은 묵묵히 60개 이상의 관측치를 더 찾았다. 그의 이론이 정설이 된 뒤 왜 더 세게 맞서지 않았냐고 물었을 때 루빈은 “아이 넷 키우며 연구하느라 틀린 말엔 시간을 못 냈다”고 했다. 장벽과 싸우지 않되 목표를 놓지 않는 것. 루빈 삶의 일관된 방식이었다. 팔로마 천문대가 ‘여자 화장실이 없다’며 임용에 난색을 표하자 화장실 문 한 칸에 치마 입은 사람 그림을 붙인 뒤 출근했다. 여성의 정문 입장을 불허한 ‘코스모스 클럽’에 루빈 자신은 옆문으로 들어갔지만, 이후 차별을 철폐시켜 후배들은 원하는 문으로 다니게 했다. 블랙웰, 호퍼, 파인만 등 과학자 이름을 칩에 붙여 온 엔비디아의 차세대 칩 이름이 베라 루빈이다. 이 인공지능(AI)칩의 여정을 따르다 보면 암흑물질을 뛰어넘을 발견이 이루어질 것 같아 설레면서 두렵다. 그의 당부가 들린다. 막힌 문 앞 당혹감은 잠깐, 목표를 문에 붙이고 들어가 보라고. 홍희경 논설위원

기초과학연구원(IBS·원장 노도영)은 신경과학과 우주 암흑물질 분야의 세계적 석학들이 참여하는 ‘IBS 콘퍼런스’를 개최한다. IBS 콘퍼런스는 국제 연구 협력 네트워크 구축을 위해 2013년부터 열렸다. ‘IBS 신경 및 교세포 기능 콘퍼런스’는 23, 24일 이틀 동안 성균관대 자연과학 캠퍼스(경기 수원) 의과대 대강당에서 열린다. 이 콘퍼런스에서는 신경 파동, 인지·감각 처리의 연계, 스트레스와 전전두엽 기능의 관계, 노화에 따른 전전두엽 신경망의 변화 등 전전두엽 기능 연구의 최신 성과와 핵심 주제를 논의한다. ‘IBS 암흑세계 탐구 콘퍼런스’는 오는 27~30일 대전 IBS 과학문화센터에서 열린다. 이 콘퍼런스에는 알도 이안니 이탈리아 국립 핵물리연구소(INFN) 박사, 앤드루 롱 미국 라이스대 교수, 그레이 리브카 워싱턴대 교수, 다카하시 후미노부 일본 도호쿠대 교수 등이 연사로 나서 암흑물질과 암흑에너지, 중성미자, 우주론, 입자 물리 표준모형을 넘어선 새로운 이론 등 우주를 이루는 물리학적 본질을 주제로 최신 연구 결과를 공유하고 향후 연구 방향도 함께 모색한다.

​만약 101년 전으로 돌아갈 수 있다면 과학자들이 여전히 은하가 우리우주의 전부라고 생각했던 시대를 만날 것이다. 100년 전이라면 대부분 과학자들이 이것이 사실이 아니라는 데 동의할 것이다. 어딘가에서 인간은 우주가 우리은하보다 훨씬 크다는 것을 깨달았다. 망원경으로 볼 수 있는 나선 성운은 사실 그 자체로 다른 은하라는 사실을. 우주의 규모는 하룻밤 사이에 극적으로 확장되었다. 기록으로 보면 우리는 한 사람에게 감사해야 한다. 바로 에드윈 허블(1889~1953)이다. 그의 발견은 이를 위해 길을 닦아준 주변 사람들의 천재성이 있었기에 이뤄낼 수 있었다. “허블과 은하수 너머의 우주를 발견한 것을 낭만적으로 생각하기는 쉽지만, 그의 연구는 실제로 많은 사람들의 어깨 위에 있었다.” 지난 12~16일(현지시간) 미국 메릴랜드에서 열린 제245회 미국 천문학협회(AAS) 회의 기자회견에서 카네기 과학천문대의 천문학자 제프 리치는 이렇게 말했다. 리치의 발언은 상징적이었다. 1세기 전인 1925년 1월 1일, 워싱턴 DC에서 열린 제33회 AAS 회의에서 허블의 연구가 공식 발표됐기 때문이다. 허블이 어깨를 가장 많이 딛고 섰던 두 사람은 헨리에타 스원 리빗과 할로 셰플리였다. 우주의 무한 확장 발견한 허블과 그의 조력자들​리빗은 하버드대학 천문대에서 하버드 망원경으로 촬영한 사진판을 분석하는 임시직 ‘컴퓨터’로 일했다. 특히 소마젤란운과 대마젤란운의 이미지를 면밀히 조사했고, 그 안에서 1800개 변광성(밝기가 변하는 별)을 식별해냈다. ​리빗은 1908년과 1912년에 쓴 두 논문에서 변광성 중 다수가 독특한 주기-광도 관계를 가지고 있다는 것을 증명해냈다. 그녀는 별이 수축하고 확장하면서 규칙적으로 맥동하고 더 밝고 희미하게 보이는 데 걸리는 시간은 별의 광도에 따라 달라진다는 것을 깨달았다. ​이것은 엄청난 발견이었다. 변광 주기와 절대광도 사이에 정확한 관계성을 가진 변광성(후에 세페이드 변광성이라는 이름이 붙었다)들을 연구하면서 별의 거리를 계산할 수 있기 때문이다. 오늘날에도 리빗의 주기-광도 관계는 과학자들이 우주의 거리를 측정할 때 사용하는 핵심 개념이다. 셰플리의 이야기로 넘어가면, ​허블의 발견에서 셰플리의 역할을 감안할 때 그가 은하수 너머에 아무것도 없다고 믿었다는 것은 아이러니하다. 20세기 초에 망원경은 다른 은하의 개별 별을 분해할 만큼 강력하지 않았기 때문에 나선은하는 나선 얼룩처럼 보였고 나선성운이라고 불렸다. 셰플리는 나선성운이 단순히 은하수 가장자리에서 형성되는 별일 것이라고 추정했다. ​셰플리의 목표는 최초의 공식적인 우주 거리 사다리를 만들어 우리은하의 크기(그가 본 우주)를 측정하는 것이었다. 그 첫 단계가 우리은하에서 발견한 세페이드 변광성이었고, 다음은 RR형 변광성이었다. RR형은 세페이드 변광성과 비슷한 주기-광도 관계를 가진 또 다른 종류의 변광성이며, 세페이드 변광성과 비교하여 거리를 교정할 수 있다. 마지막으로 그는 RR형 라이레 변광성을 사용해 은하수 가장자리 근처의 일반 거대하고 밝은 별까지의 거리를 보정했다. ​셰플리는 우리은하의 크기가 30만 광년이고 우리 태양계가 은하 중심에서 5만 광년 떨어져 있다고 결정했다. 오늘날 정확한 크기와 거리가 각각 10만 광년과 2만 6000광년이라는 걸 알고 있지만, 셰플리의 추정치는 우주 거리 사다리를 처음 사용했다는 데 의미가 있다. ​셰플리는 1920년 4월 워싱턴 DC 국립과학아카데미에서 동료 천문학자 히버 커티스와 함께 나선성운의 본질에 대해 논의한 토론에도 참여했다. 커티스는 나선성운이 그 자체로 은하라고 주장한 데 이어, 우리은하는 단지 1만 광년 크기밖에 안된다고 주장했다. 셰플리는 그 반대를 주장했다. 캘리포니아 윌슨에서 이룬 엄청난 발견허블은 1919년 캘리포니아의 마운트 윌슨 천문대 팀에 합류했는데, 당시 세계에서 가장 큰 망원경이었던 후커 망원경이 첫 빛을 본 지 불과 2년 후였다. “허블의 획기적인 발견은 윌슨 산의 100인치 후커 망원경 덕분에 가능했다”고 말하는 리치는 “허블은 이 최첨단장비를 접할 수 있었기 때문에 자신의 발견을 이룰 수 있었다”고 했다. ​후커 망원경은 천문대 책임자인 조지 엘러리 헤일의 아이디어로, 캘리포니아의 자선가 존 후커가 4만 5000달러를 기부한 덕분에 나선성운 퍼즐을 풀기 위해 설계되었다. 이 과정에서 중요하게 등장하는 인물이 밀턴 휴메이슨이다. 휴메이슨은 천문대를 건설할 때 노새를 타고 건축 자재와 장비를 운반했다가 이후 천문대 관리인이 됐고, 이후 천문학자의 조수가 됐다. 휴메이슨은 박사 학위가 없었지만 많은 천문학적 발견을 했고 허블이 받는 공로의 상당 부분을 공유할 만하다. ​허블과 휴메이슨은 후커 망원경으로 나선성운을 관찰하기 시작했고 1923년에 안드로메다 나선성운인 메시에 31의 사진을 찍는 데 성공했다. ​리치는 이 장면을 “허블은 이 사진에 너무 흥분해서 흑백 유리판에 ‘VAR!’라고 썼다. 세페이드 변광성의 증거를 보았기 때문이다”라고 표현했다. “그 세페이드 변광성은 단순히 ‘V1’로 알려졌다. 그는 리빗과 셰플리가 한 작업 덕분에 그가 나선성운까지의 거리를 처음 측정할 수 있다는 것을 알았다”고 강조한다. ​허블은 93만 광년(실제로는 250만 광년)이라고 측정했지만 큰 오차에도 안드로메다 나선은 셰플리가 측정한 우리은하 크기인 30만 광년을 훨씬 초월하는 거리 너머 존재한다는 것을 분명히 보여주었다. 메시에 31은 나선성운이 아니라, 엄연한 나선은하였던 것이다. 허블은 셰플리에게 편지를 써서 자신의 발견 사실을 알렸다. 셰플리는 편지를 읽은 후 그것을 동료들에게 흔들어 보이며 그는 “이 편지가 내 우주를 파괴했다”고 탄식했다. 허블은 1924년 11월에 뉴욕타임스에 자신의 발견 소식을 ‘유출’했다. 그래서 다음해 1월 AAS에서 허블 자신이 아니라 천문학자 헨리 노리스 러셀이 발표한 프레젠테이션이 공식적인 공개가 되었다. 하지만 비공식적으로는 사람들이 이미 알고 있었다. 오늘날 우리는 우주가 은하, 은하수와 안드로메다와 같은 나선은하, 거대한 타원은하, 그리고 작은 왜소은하로 가득 차 있다는 것을 당연하게 여긴다. 마지막 계산으로는 관측 가능 우주에 최대 2조개 은하가 존재하는 것으로 추정된다. 그럼에도 리치는 허블의 획기적인 발견이 실제로 비교적 최근의 일이라는 게 놀랍다 말한다. ​“100년은 그렇게 길지 않다”고 리치는 말한다. 사실 세상에는 그보다 더 오래 산 사람들이 몇 명 있는데, 그들은 우리가 다른 은하가 존재한다는 것을 알기 전에 태어난 셈이다. “이것은 세상이 얼마나 많이 바뀌었는지, 그리고 발견이 얼마나 빨리 우리에게 다가올 수 있는지에 대한 교훈”이라고 리치는 덧붙였다. 허블 발표 이후 100년…인류의 발견은 어디까지​오늘날 허블이 ‘VAR!’이라고 휘갈겨 쓴 세페이드 변광성 V1을 포착한 사진건판은 귀중한 발견의 유물이며, 고고학자 인디아나 존스가 1000년 후에 찾아갈 만한 것이다. 다행히도 그것을 찾기 위해 그렇게 힘든 여정을 떠날 필요는 없다. ​일반적으로 이 판은 비공개로 보관되었지만, 현재 로스앤젤레스 카운티 박물관의 ‘무한을 매핑한다: 문화 간 우주론 전시회’에서 몇 달 동안 전시되고 있다. ​허블은 거기서 멈추지 않았다. 그 후 은하 형태를 분류하는 모양에 대한 허블 소리굽쇠 다이어그램을 창안해냈다. 허블소리굽쇠도에서 은하들은 형태학적으로 크게 타원은하, 나선은하, 불규칙은하로 나뉜다. 이 허블소리굽쇠도는 여전히 천문학자들에게 교육도구로 남아있다. 허블 소리굽쇠가 묘사하는 은하의 진화가 앞뒤로 바뀌었지만 전문 천문학자들은 여전히 ​​소리굽쇠의 초기·후기 은하라는 명명법을 사용한다. ​1929년에 허블은 우주의 다른 거의 모든 은하가 우리에게서 멀어지고 있다고 밝혔는데, 20세기 천문학의 최대 발견이라 일컬어지는 속도-거리에 대한 허블-르메트르 법칙이다. 우리는 은하수가 전부라고 생각하던 것에서 무한하고 확장되는 우주를 풀어내는 것으로, 우주를 바라보는 패러다임을 전환했다. 1915년에 발표된 알베르트 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 이어, 닐스 보어가 이끄는 세계 최고의 물리학자들이 양자 물리학의 영역을 알아내던 거의 같은 시기에, 그것은 우주에 대한 우리의 현재 이해를 형성한 과학의 변혁적 시대의 초석이었다. ​암흑물질, 암흑 에너지, 중력의 양자 이론에 대한 탐구, 허블 텐션, 빅뱅의 원인과 같은 새로운 미스터리가 물리학자들을 당혹스럽게 만들면서 지금은 1세기 전과 유사한 과학의 또 다른 변혁을 위한 좋은 시기가 될 것이다.

한국인이 사랑하는 시인 윤동주의 ‘서시’에는 “모든 죽어 가는 것을 사랑해야지”라는 문장이 나온다. 과학자들은 죽어 가는 별들을 분석해 극한 중력의 영향과 암흑 물질을 발견하는 데서 한발 더 나아갔다. 미국 존스홉킨스대, 하버드·스미스소니언 천체물리학 연구센터, 보스턴대, 피츠버그대, 이탈리아 트리에스테대, 영국 워릭대 공동 연구팀은 백색왜성 약 2만 6000개를 분석해 질량이 같더라도 표면 온도에 따라 백색왜성 크기가 다르다는 사실을 발견했다. 이 연구 결과는 천문학 분야 국제 학술지 ‘천체물리학 저널’ 12월 19일자에 실렸다. ‘태양의 먼 미래’로 불리는 백색왜성은 질량은 태양 정도, 크기는 지구 정도로 밀도가 매우 높은 항성(별)이다. 핵융합이 끝나 에너지를 생성할 수 없기 때문에 점점 식어 가고 열 압력이 약해지면서 중력 수축이 진행된다. 이 때문에 크기가 원래 100분의1 정도에 불과하다. 태양과 같은 보통 별이 지름 20㎝의 농구공이라면 그 속에 있는 물질들이 지름 2㎜ 정도의 과일 씨로 압축된 천체가 백색왜성이다. 밀도가 높기 때문에 중력은 지구보다 수백 배 더 강하다. 연구팀은 우주 거대 구조를 실측하는 세계 최대 규모의 천문 관측 프로젝트 ‘슬론 디지털 스카이 서베이’와 우리 은하의 3차원 별 지도 작성을 위한 유럽우주국(ESA)의 가이아 프로젝트 데이터를 활용했다. 연구팀은 지구를 기준으로 백색왜성의 움직임에 따른 광파를 측정하고 이를 중력과 크기에 따라 분류해 온도가 부피에 미치는 영향을 분석했다. 연구팀은 백색왜성의 적색편이 현상에 주목했다. 적색편이는 도플러 효과로 인해 천체에서 배출되는 빛이 멀어질수록 에너지를 잃고 점차 붉은 빛을 띠는 현상이다. 이는 알베르트 아인슈타인이 일반 상대성 이론에서 예측한 대로 극한 중력으로 인한 시공간 뒤틀림의 결과이기도 하다. 적색편이가 강할수록 백색왜성의 크기는 작고 표면 온도는 낮으며 지구에서 더 멀리 떨어져 있다는 의미다. 분석 결과 태양과 같은 별은 핵융합이 끝난 뒤에도 밀도 높은 핵을 안정적으로 유지하는 양자역학적 과정인 ‘전자 퇴화 압력’으로 인해 별의 질량이 증가함에 따라 수축하는 것으로 파악됐다. 또 질량이 같은 백색왜성이라도 온도가 높을수록 부피가 더 큰 것으로 나타났다. 이번 연구는 암흑 물질을 발견하는 데도 도움이 될 것으로 전망된다. 암흑 물질은 중력은 있지만 빛이나 에너지를 방출하지 않기 때문에 망원경으로 관측할 수 없다. 태양이 지구 궤도에 영향을 미치는 것처럼 중력은 별, 은하, 기타 천체에 영향을 주기 때문에 백색왜성을 관측해 간섭 패턴을 분석함으로써 암흑 물질의 존재를 간접적으로 밝혀 낼 수 있다. 그런가 하면 미국 캘리포니아 산타크루즈대(UCSC), 독일 막스 플랑크 태양계 연구소, 프랑스 소르본대와 코트다쥐르대 공동 연구팀은 달 암석 표본을 재분석해 43억 5000만년으로 알려진 달의 나이가 그보다 더 오래된 약 45억 1000만년이라는 분석 결과를 과학 저널 ‘네이처’ 12월 19일자에 발표했다.

“만약 우리가 그것들을 발견한다면 이론물리학 분야를 뒤흔드는 대사건이 될 것이다.” ​블랙홀 주간이 본격화되고 있으며, 이를 축하하기 위해 미 항공우주국(NASA)은 차세대 주요 천문 장비인 낸시 그레이스 로먼 우주망원경이 빅뱅으로 거슬러 올라가는 작은 블랙홀을 어떻게 찾아낼 것인지에 대해 설명했다. ​낸시 그레이스 로먼 우주망원경은 2026년 발사 예정인 우주망원경으로, 관측 파장은 가시광선과 적외선이다. 약 2.4m의 주경을 장착하고 있으며, 288 메가 픽셀의 사진을 찍을 수 있는데, 이는 허블 망원경 뛰어넘는 수준이다. 초점도 허블 망원경보다 더 잘 맞추어진다. 하지만 구경 크기는 2.4m으로 똑같다. ​블랙홀에 대해 생각할 때 우리는 태양 질량의 수십에서 수백 배에 달하는 항성 질량 블랙홀과 같은 거대한 우주 괴물을 상상하는 경향이 있다. 우리는 태양 질량의 수백만 배(심지어 수십억 배)에 달하는 초대질량 블랙홀이 은하 중심부에 자리잡고 그 주변을 지배하는 모습을 상상해볼 수도 있다. ​그러나 과학자들은 우주에는 지구 정도의 질량을 가진 깃털처럼 가벼운 블랙홀이 존재할 수도 있다는 이론을 내세운다. 이 블랙홀은 잠재적으로 큰 소행성만큼 작은 질량을 가질 수 있다. 과학자들은 또한 그러한 블랙홀이 약 138억 년 전 태초부터 존재했을 것이라고 제안한다. ​‘원시 블랙홀’이라고 명명된 이 블랙홀은 지금까진 순전히 이론상의 존재이긴 하지만, 2026년 말 발사 예정인 로먼 망원경이 이를 극적으로 바꿀 수 있을 것으로 기대되고 있다. ​“지구 질량의 원시 블랙홀 집단을 탐지하는 것은 천문학과 입자물리학 모두에 놀라운 진전이 될 것이다. 왜냐하면 이러한 물체는 알려진 물리적 과정에 의해 형성될 수 없기 때문”이라고 윌리엄 드로코 캘리포니아 대 산타크루즈 박사후 연구원은 설명한다. 팀을 이끌었던 그는 로먼이 이 고대의 작은 블랙홀 사냥에 나선 것에 대해 성명에서 “만약 우리가 그것을 발견한다면 이론물리학 분야를 뒤흔들 것”이라고 강조했다. 사건 지평선에는 질량이 중요하다 지금까지 존재하는 것으로 확인된 가장 작은 블랙홀은 항성질량 블랙홀로, 거대한 별의 핵융합에 필요한 연료가 고갈될 때 생성된다. 이러한 융합이 중단되면 별들은 자체 중력으로 붕괴된다. 일반적으로 별이 항성질량 블랙홀을 남기는 데 필요한 최소 질량은 태양 질량의 8배다. 더 가벼우면 별은 중성자별이나 그을린 백색왜성으로 일생을 마감하게 된다. ​그러나 우주 탄생 당시의 조건은 현재의 조건과 매우 달랐다. 우주가 뜨겁고 밀도가 높으며 격동적인 상태에 있었을 때 훨씬 더 작은 물질 덩어리가 붕괴되어 블랙홀이 탄생했을 수도 있다. ​모든 블랙홀은 ‘사건 지평선’이라고 불리는 외부 경계에서 ‘시작’된다. 이 지점을 넘어서면 빛조차도 중력의 영향을 벗어날 수 없다. 곧, 빛도 탈출할 수 없다는 뜻이다. 사건 지평선이 블랙홀의 중심 특이점, 즉 모든 물리법칙이 무너지는 무한 밀도 지점으로부터의 거리는 블랙홀의 질량에 의해 결정된다. ​즉, 질량이 태양의 약 24억 배에 달하는 초대질량 블랙홀 M87*의 사건 지평선은 지름이 약 248억km인 반면, 태양 30개의 질량인 항성질량 블랙홀은 폭이 약 177km에 불과한 사건 지평선을 갖게 된다. 반면에 지구 질량의 원시 블랙홀은 사건의 지평선이 동전보다 크지 않을 것이다. 소행성 질량을 지닌 원시 블랙홀은 양성자보다 폭이 작은 사건 지평선을 갖게 된다.원시 블랙홀의 개념을 지지하는 과학자들은 우주가 빅뱅이라고 부르는 초기 인플레이션을 겪으면서 원시 블랙홀이 탄생했을 것이라고 생각한다. 우주가 빛보다 빠른 속도로 질주하면서(우주에서는 빛보다 빠른 것은 아무것도 없지만 공간 자체는 그럴 수 있다), 과학자들은 주변보다 밀도가 높은 지역이 붕괴되어 소질량 블랙홀이 탄생했을 수 있다고 제안한다. ​그러나 많은 연구자들이 현재 우주에 존재하는 원시 블랙홀의 개념을 지지하지 않는데, 이는 스티븐 호킹 때문이다. 블랙홀도 죽는가? 스티븐 호킹의 가장 혁명적인 이론 중 하나는 블랙홀도 영원히 지속될 수 없음을 시사했다는 점이다. 이 위대한 물리학자는 블랙홀이 열 복사의 한 형태로 질량을 블랙홀 외부로 ‘누출’한다고 생각했는데, 이 개념은 나중에 그의 이름을 따서 ‘호킹 복사’라고 명명되었다. ​블랙홀은 호킹 복사를 누출하면서 질량을 잃고 결국 폭발한다. 블랙홀의 질량이 작을수록 호킹 복사가 더 빨리 일어난다. 이는 초대질량 블랙홀의 경우 이 과정이 우주의 수명보다 오래 걸릴 것임을 의미한다. 그러나 작은 블랙홀은 훨씬 더 빠르게 누출되므로 훨씬 더 빨리 죽어야 한다. ​따라서 원시 블랙홀이 어떻게 “펑” 하지 않고 138억 년 동안 떠돌 수 있었는지 설명하는 것은 어려운 일이다. 로먼이 만약 이러한 우주 화석을 발견한다면 물리학의 많은 부분이 뒤바뀌게 될 것이다.​이번 연구에 참여하지 않은 볼티모어 우주망원경과학연구소의 천문학자 카일라시 사후는 성명에서 “은하 형성부터 우주의 암흑물질 함량, 우주 역사에 이르기까지 모든 것에 영향을 미칠 것”이라고 전망하면서 “그들의 신원을 확인하는 것은 어려운 작업이 될 것이며, 천문학자들에게는 많은 설득력이 필요하지만 그만한 가치가 있을 것”이라고 덧붙였다. ​원시 블랙홀을 탐지하는 것도 결코 쉬운 일이 아니다. 다른 블랙홀과 마찬가지로 이 구역은 사건 지평선에 둘러싸여 있으며, 빛을 방출하거나 반사하지 않는다. 즉, 이를 탐지하는 유일한 방법은 알베르트 아인슈타인이 1915년에 발표한 일반 상대성 이론으로 알려진 중력이론에서 개발한 원리를 사용하는 길뿐이다. 아인슈타인에게 도움 받기 일반 상대성 이론은 질량을 가진 모든 물체는 ‘시공간’이라고 불리는 하나의 4차원 실체로 통합된 공간과 시간의 구조 자체에 곡률을 일으킨다고 예측한다. 배경 광원의 빛이 왜곡된 시공간을 통과하면 경로가 구부러진다. 빛이 통과하는 렌즈 물체에 가까울수록 경로가 더 많이 구부러진다. 이는 동일한 물체의 빛이 서로 다른 시간에 망원경에 도달할 수 있음을 의미한다. 이러한 현상을 중력렌즈라고 한다. ​중력렌즈의 영향을 받는 물체가 은하처럼 엄청나게 거대할 때 배경 소스는 겉보기 위치로 이동하는 것처럼 보이거나 심지어 동일한 이미지의 여러 위치에 나타날 수도 있다. 렌즈 효과를 받는 물체가 원시 블랙홀처럼 질량이 더 작다면 렌즈 효과는 더 작아지지만, 감지할 수 있는 배경 광원이 밝아지는 원인이 될 수 있다. 이것이 바로 마이크로 렌즈(Microlensing)라는 효과다.​현재 마이크로 렌즈는 떠돌이 행성이나 모항성 없이 은하수를 떠다니는 천체를 탐지하는 데 큰 효과를 거두고 있다. 이것은 이론상보다 더 많은 지구 질량의 떠돌이 천체들의 개수를 파악하고 있다. 모델은 실제로 예측한다. 이 패턴을 통해 과학자들은 로먼이 지구 질량의 떠돌이 행성에 대한 탐지를 10배 증가시킬 것이라고 예측한다. ​이러한 물체가 풍부하게 존재한다는 사실은 지구 질량 천체 중 일부가 실제로 원시 블랙홀일 수도 있다는 추측으로 이어졌다. 드로코는 “사례별로 지구 질량 블랙홀과 악성 행성을 구분할 방법이 없다”라고 말하면서 “로먼은 통계적으로 두 가지를 구별하는 데 매우 강력할 것”이라고 예측한다. ​사후는 “이것은 로먼이 행성을 검색하면서 이미 얻게 될 데이터를 사용하여 추가 과학자들이 할 수 있는 일의 흥미로운 예”라고 설명하면서 “과학자들이 지구 질량 블랙홀이 존재한다는 증거를 찾든 못 찾든 그 결과는 흥미롭다. 두 경우 모두 우주에 대한 우리의 이해를 증진시킬 것”이라고 덧붙였다. ​팀의 연구는 지난 1월 ‘물리학 리뷰 D’에 게재되었다.

우주에서 가장 신비한 ‘물질’인 암흑물질을 찾기 위해 고안된 새로운 실험이 첫 번째 결과를 발표했다. ​ 시카고 대학과 미국 에너지부의 페르미 연구소가 개발한 BREAD(악시온 검출을 위한 광대역 반사판 실험)에서는 아직 암흑물질 입자를 발견하지 못했지만, 과학자들이 기대할 수 있는 특성 유형에 더 엄격한 제약을 가한 새로운 실험결과는 그런 입자의 존재 가능성을 보여주었다. ​ BREAD 실험은 암흑물질을 찾는 데 사용할 수 있는 흥미롭고 새로운 방법을 제공했다. 이는 엄청난 공간을 차지할 필요가 없는 비교적 저렴한 방법이다.​ BREAD는 ‘광대역’ 접근 방식을 사용하여 ‘악시온(axion)’이라고 불리는 가상의 암흑물질 입자와 관련된 ‘암흑 광자’를 다른 실험에 비해 보다 더 큰 가능성에 걸쳐 검색하지만 그 정밀도는 약간 낮다.​ BREAD 프로젝트를 이끈 시카고 대학의 데이비드 밀러 박사는 “암흑물질 검색은 확인해야 할 주파수가 백만 개라는 점을 제외하면 특정 라디오 방송국을 검색하기 위해 다이얼을 조정하는 것과 같다”며 “우리의 방법은 몇 개의 라디오 방송국을 아주 철저하게 스캔하는 것이 아니라 10만 개의 라디오 방송국을 스캔하는 것과 같다”라고 설명했다. 큰 문제를 해결하기 위한 작은 실험 ​암흑물질은 우주 물질의 약 85%를 구성하며, 그 영향으로 은하계가 회전할 때 흩어지는 것을 방지하는 중력을 행사한다. 그럼에도 불구하고 암흑물질이 무엇으로 구성되어 있는지 거의 알지 못하기 때문에 과학자들에게 최대의 화두가 되고 있는 존재다.​ 암흑물질의 정체가 말 그대로 암흑에 싸여 있는 큰 이유 중 하나는 표준 광자를 방출하거나 반사하지도 않으며, 우리 눈에 전혀 보이지 않는다는 사실이다. 곧 빛과 상호작용을 하지 않는다는 뜻이다. 이러한 전자기적 상호작용의 결여는 암흑물질이 별, 행성, 달, 우리 몸, 옆집 고양이와 같은 ‘정상 물질’ 물체를 구성하는 양성자, 중성자 및 전자로 구성되지 않음을 시사한다.​ 우리 망원경은 암흑물질을 직접적으로 감지할 수는 없지만, 암흑물질은 중력과의 상호작용을 통해 별, 은하, 심지어 빛에도 영향을 미친다. 그래서 천문학자들은 암흑물질의 존재를 말할 수 있는 것이다. 하지만 그것이 무엇인지는 전혀 모른다.​ 밀러는 “무언가가 존재한다고 확신하지만, 그것이 취할 수 있는 형태는 매우 다양하다”고 말한다. 이러한 혼란으로 인해 과학자들은 암흑물질을 구성할 수 있는 이상한 특성을 지닌 다양한 입자를 찾아나서게 되었다. 그러한 후보 중 하나는 극도로 작은 질량을 가진 가상의 입자인 악시온이다. 만약 악시온이 존재한다면 일상적인 물질이 ‘보통’ 광자와 상호작용하는 것처럼 이른바 암흑광자와 상호작용할 수도 있다. 이 상호작용은 때때로 특정 상황에서 눈에 보이는 광자의 생성을 촉발할 수 있다.​BREAD는 테이블 상판에 장착할 수 있는 곡선형 금속 튜브 모양의 동축 접시형 안테나다. 이 실험은 광자를 포착하여 한쪽 끝에 있는 센서로 보내 가능한 악시온의 하위 집합을 검색하도록 설계되었다. 본격적인 BREAD 실험에서는 장비가 강한 자기장 내에 위치하는 것을 볼 수 있으며, 이를 통해 축삭이 광자로 전환될 가능성이 높아질 것이라고 팀은 설명한다. 원리 증명으로 팀은 이 자기장을 생성하는 데 필요한 자석을 제외한 BREAD 실험을 수행했다.​ BREAD 실험은 시카고 대학에서 한 달 동안 진행되었으며, 몇 가지 흥미로운 데이터를 제공하여 본격적인 실험에 대한 팀의 욕구를 불러일으켰다. 테스트 결과에 따르면, BREAD는 팀이 조사하도록 설계한 주파수 범위에서 매우 민감한 것으로 나타났다.​ BREAD의 공동 리더이자 페르미 연구소 연구원인 앤드류 존네샤인은 “이것은 우리가 계획하고 있는 일련의 흥미로운 실험 중 첫 번째 단계에 불과하다”면서 “우리는 악시온 검색의 민감도를 향상시키기 위한 많은 아이디어를 가지고 있다”고 덧붙였다.​ 또한 이 테스트는 프랑스와 스위스 국경 지하에 건설된 27km 길이의 대형 강입자 충돌기(LHC)와 같은 거대한 입자 가속기뿐만 아니라 테이블 위에서도 입자 물리학을 수행할 수 있음을 보여주었다.​ BREAD의 개발과 구축을 이끈 페라미 연구소 박사후 연구원 스테판 크니르크는 “이 결과는 우리 개념의 이정표이며 처음으로 우리가 수행한 접근방식의 힘을 보여준다”라고 밝히며 “소규모 팀이 실험 구축부터 데이터 분석까지 모든 것을 할 수 있으면서도 현대 입자 물리학에 큰 영향을 미칠 수 있는 이런 종류의 창의적인 작은 실험 과학을 수행하는 것은 대단히 의미있는 일”이라고 평가한다.​ BREAD 실험의 다음 단계에서는 장치가 아르곤 국립연구소의 자석 시설로 운반되는 것을 볼 수 있다. 또한 SLAC 국립가속기연구소, MIT, 칼텍 및 NASA의 제트추진연구소와 같은 시설에서는 BREAD 실험의 향후 레시피를 위해 시카고 대학 및 페르미 연구소와 함께 연구개발을 진행하고 있다.​ 밀러는 “과학에는 여전히 공개된 질문이 너무 많고 이러한 질문을 해결하기 위한 창의적이고 새로운 아이디어를 위한 엄청난 공간이 있다”면서 “나는 이것이 그러한 창의적인 아이디어의 진정한 특징적인 예라고 생각한다. 이 경우에는 대학의 소규모 과학과 국립 연구소의 대규모 과학 간의 영향력 있고 협력적인 파트너십”이라고 덧붙였다. 자세한 연구결과는 지난달 말 ‘피지컬 리뷰 레터스’ 저널에 게재됐다.​

빅뱅이 일어나고 약 40만 년 후 우주를 균일하게 채워온 태초의 우주 빛이 과학자들에게 암흑물질의 비밀로 안내하는 보물지도 역할을 할 수 있을 것으로 예측된다. 우주 마이크로파 배경(CMB)은 우주를 자유롭게 여행하기 시작한 최초의 빛을 말한다. 그 빛의 여행은 전자와 양성자가 첫 번째 원자를 형성할 수 있을 만큼 우주공간이 팽창하고 냉각된 후에 비로소 시작되었다. 즉, 전자가 더 이상 광자를 산란시키지 않음에 따라 우주는 비로소 흐릿한 상태에서 투명한 우주로 바뀌었다. 흔히 ‘마지막 산란 표면’으로 알려진 CMB는 새로이 업그레이드된 SPT-3G 카메라에 의해 포착되었다. SPT-3G는 남극망원경에 연동되어 있는데, 이 카메라를 5년 동안 작동하여 초기 우주의 데이터에서 이 같은 현상을 포착할 수 있었다. 이는 앞으로 우주 암흑물질을 비밀을 푸는 흥미로운 과학적 사실을 예고해주는 것이다. 아르곤 국립연구소 과학자 자오디 판은 “CMB는 우주론자들을 위한 보물지도”라면서 “온도와 양극화의 미세한 변화는 우주의 초기 단계를 엿볼 수 있는 독특한 창을 제공한다”고 밝혔다. 그러나 보통 해적의 보물지도가 그렇듯 이 암흑물질의 보물지도도 읽을 수 있는 열쇠가 필요하다. 이 우주 보물지도의 경우, 암흑물질의 분포는 알베르트 아인슈타인이 1915년에 발표한 중력이론인 일반 상대성 이론을 통해서만 드러난다.아인슈타인과 함께 우주 비밀지도 읽기 천문학자들은 모든 은하계가 거대한 암흑물질 헤일로(halo)로 둘러싸여 있다고 믿고 있다. 사실, 이 신비한 형태의 물질은 놀랍게도 우주 전체 물질의 68%를 차지한다. 그러나 암흑물질은 전자, 양성자, 중성자로 구성된 원자(baryon, 중입자)로 구성되지 않기 때문에 빛과 상호작용하지 않는다. 그러나 암흑물질은 질량이 있으며 중력과 상호작용한다. 여기가 바로 일반 상대성 이론이 등장하는 지점이다. 아인슈타인의 중력이론은 질량을 가진 모든 물체는 3차원 공간과 1차원 시간으로 구성된 4차원 시공간 곡률을 만든다고 말한다.배경 광원의 빛이 이 시공간의 곡률을 통과하면 경로가 휘어진다. 은하와 같이 질량이 큰 물체의 경우 빛의 경로를 크게 왜곡시킴으로써 배경의 대상을 다른 위치로 이동한 것처럼 보이게 한다. 극단적인 경우, 이 중간 물체를 통과하는 빛은 물체 주위에서 다양한 각도로 구부러진 경로를 취할 수 있다. 즉, 하나의 대상이 때로는 여러 지점에 동일한 이미지로 나타날 수 있다는 뜻이다. 이 효과를 중력렌즈라고 하며, 제임스웹 우주망원경과 같은 장비는 초기 우주의 희미한 은하계를 보는 데 중력렌즈 효과를 잘 잡아낸다. 이 효과의 보다 미묘한 버전인 중력 마이크로 렌즈를 사용하면, 암흑물질에 대해 더 많은 정보를 확인할 수 있다. 그러나 우주 전역에 걸쳐 거미줄처럼 뻗어 있는 암흑물질의 분포 그림을 얻으려면 과학자들은 우주 전체에 똑같이 널리 분포한 광원이 필요하다. 따라서 CMB는 암흑물질 렌즈 조사에 이상적인 조명이 될 수 있다.특히 SPT-3G는 건조하고 안정된 대기를 가진 먼 남극에 위치한 남극망원경을 이용하는만큼 이미지 데이터를 수집하는 데 최적의 조건을 자랑한다. 이 같은 이점을 이용한 조사과정에서 아인슈타인의 일반 상대성이론에 대한 증거를 추가적으로 확보할 수 있었다. “암흑물질의 분포에 대해 더 많이 알수록 암흑물질의 본질과 오늘날 우리가 살고 있는 우주를 형성하는 역할을 더 잘 이해할 수 있게 된다”라고 자오디 판은 설명한다. 새로운 분석은 2018년 단 몇 달간의 작업 결과임에도 불구하고 CMB 렌즈 측정이 이 분야에서 경쟁력이 있음을 증명해 보였다. 이번 연구 결과는 과학자들이 또 다른 오랜 우주 미스터리, 즉 우주의 가속 팽창을 주도하는 알려지지 않은 힘인 암흑 에너지의 본질을 해결하는 데 도움이 될 수 있을 것으로 기대된다.

2023GLP-1, 식욕 억제 효과에 주목해양의 탄소 흡수력 감소 발견슈퍼컴 없이 1분 만에 날씨 예측‘초당 100경번 연산’ 컴퓨터 등장2024GPT-5·알파폴드 등 AI 가속美 아르테미스 2호 발사 예정감염병 차단할 모기 생산 시작암흑물질·중성자 질량도 관심 2023년 계묘년도 불과 나흘 정도밖에 남지 않았다. 세밑이 되면 가는 해를 아쉬워하고 오는 해에 대해 새로운 희망을 품는다. 그래서 매년 연말이 되면 한 해 동안 많은 사람의 이목을 끌었던 사건·사고를 정리해 올해를 돌아보고 반성하며 내년을 대비하는 일을 한다. 과학계도 마찬가지다. 전 세계의 크고 작은 분쟁과 우울한 뉴스로 가득한 2023년이었지만 과학자들은 놀라운 연구성과를 내고 인류에게 희망을 줄 수 있는 성과를 내기 위해 끊임없이 도전하고 있다. 연말을 맞아 과학 저널 ‘사이언스’는 ‘2023년 올해의 중요 연구성과’ 10선을, ‘네이처’는 ‘2024년 주목해야 할 연구’ 9개를 선정해 발표했다. 네이처와 사이언스는 중요 연구 발표 순서가 순위를 매기는 것은 절대 아니며 과학계에서 주목받고 있는 연구를 되새기고 대중에게 이해시키기 위한 것이라고 이야기한다. 그렇지만 사람들은 아무래도 첫머리에 올라오는 것들에 주목하기 마련이다. 사이언스가 꼽은 올해 중요 연구성과 중 가장 첫 번째로 꼽힌 것은 글루카곤 유사 펩타이드-1(GLP-1) 계열 비만치료제 열풍이다. GLP-1 작용제는 원래 당뇨치료제로 쓰였지만 약물 복용 환자들에게서 위장 운동 저하, 식욕 억제 등 현상이 발견되면서 비만치료제로 승인됐다. 더군다나 최근에는 심장질환 예방에 효과가 있다는 연구 결과가 나왔으며 약물중독, 알츠하이머, 파킨슨병 치료에 관해서도 연구가 진행되고 있어 올해 가장 주목받았다. 또 해수면의 탄소가 심해로 이동하는 ‘생물학적 탄소 펌프’에 문제가 생겼다는 연구 결과도 올해 주목받았다. 생물학적 탄소 펌프가 제대로 작동해야 대기 중 탄소를 포획해 심해로 가두게 되는데, 온난화로 표층수가 따뜻해지면서 탄소 흡수능력이 떨어지고 그에 따라 기상이변을 비롯한 기후 위기가 가속화되는 원인이 된다. 2016년 ‘알파고’로 전 세계에 AI 혁명을 가져온 구글 딥마인드가 날씨 예측 인공지능 ‘그래프캐스트’(GraphCast)를 개발한 것도 주목받았다. 그래프캐스트는 슈퍼컴퓨터 없이 인공지능으로 1분 만에 날씨 예측을 할 수 있다는 점에서 기상예보 분야의 게임체인저가 될 것으로 전망된다. 이 밖에 알츠하이머 치매 치료제 개발, 천연 수소 공급원 발견, 뉴멕시코 호수에서 2만년 전 인간 발자국 발견, 거대 블랙홀 병합 중력파 관측, 유럽 국가를 중심으로 신진 연구자 처우 개선, 말라리아 백신 개발, 초당 100경번 연산이 가능한 엑사스케일 컴퓨터 시대 도래가 올해 주목할 연구로 꼽혔다. 그런가 하면 네이처는 ‘인공지능 연구의 질주’를 내년에 가장 주목해야 할 연구로 가장 앞에 내세웠다. 올해 전 세계를 휩쓸었던 챗GPT는 내년에 한층 진보된 GPT-5로 선보일 예정이다. 텍스트, 컴퓨터 코드, 이미지, 오디오, 비디오 등 여러 유형을 처리할 수 있는 또 다른 생성형 AI인 구글의 ‘제미니’도 관심을 끈다. 이와 함께 단백질 3D 구조를 정밀하게 예측할 수 있는 구글 딥마인드의 AI ‘알파폴드’의 새 버전도 내년에 공개될 예정이다. 알파폴드의 발전은 신약 개발이나 새로운 물질 발견에 획기적인 변화를 가져다 줄 것으로 전망된다. 유엔 고위급 자문기구는 내년 중순에 대형 언어모델과 AI에 대한 국제 규제 지침이 될 최종 보고서를 발표할 예정이다.또 ‘모기 잡는 모기’ 개발도 내년에 주목되는 연구다. 비영리단체 ‘세계모기프로그램’(WMP)은 내년에 브라질에서 질병과 싸우는 모기, 일명 ‘전투 모기’를 생산한다. 병원균을 전파하지 못하도록 차단하는 세균에 감염된 전투 모기들은 모기로 전파되는 뎅기열, 지카 바이러스, 말라리아 같은 감염병으로부터 최대 7000만명을 보호할 것으로 기대된다. WMP 측은 앞으로 10년 동안 매년 50억 마리의 전투 모기를 생산하겠다는 계획이다. 이와 함께 다양한 코로나19 바이러스 변종에 대항할 수 있는 차세대 백신 임상 시험, 내년 11월 미국항공우주국의 달 탐사선 아르테미스 2호 발사 예정, 우주의 대부분을 차지하고 있는 암흑물질 탐지 실험 결과 발표, 중성자 질량 측정 결과 발표, 인간의 의식 연구 결과, 엑사스케일의 초고속 컴퓨터 개발 가속화 등도 2024년에 주목해야 할 연구로 꼽혔다.

2년 전 크리스마스날 천문학자들과 우주 마니아들은 30년을 기다려온 큰 선물을 받았다. 이는 별과 은하를 탐사하기 위한 세계 최대이자 최고가인 제임스웹 우주망원경(JWST)의 발사였다. 무려 10조 원이 투입된 웹은 기대에 어긋나지 않게 올해도 숨막힐 듯 아름답고, 과학적으로 가치 있는 우주 이미지를 전해왔다. 우주에 대한 우리의 이해를 바꿔놓은 JWST이 2023년 발견한 '12장면'을 정리했다.  1. 제임스웹이 잡아낸 태양계의 새로운 모습들 JWST는 우주 최초의 별과 은하를 보는 것이지만 태양계의 새로운 이미지들도 선사했다. JWST는 지난 10월 폭이 4800㎞가 넘는 목성의 거대한 고속 제트기류가 시속 515㎞로 이동하는 모습을 보여줬다. 지난 6월에는 목성의 얼음 위성 유로파의 염분 액체 바다에서 처음으로 이산화탄소를 확인했다. 또한 가스 행성인 토성의 섬세한 고리 시스템을 비롯해 146개의 달 중 3개를 포착한 이 이미지는 토성에 대한 새로운 시각을 제공했다. NASA에 따르면 JWST의 적외선 눈을 통해 본 토성은 섬뜩할 정도로 어둡다. 이 파장에서 메탄가스가 대기에 떨어지는 햇빛을 거의 모두 흡수하기 때문이다.  또 천왕성의 가장 밝은 위성과 13개의 먼지 고리 중 11개의 이미지도 포착했다.    2.  생명체에 필요한 분자가 풍부한 가까운 외계행성 가설 뒷받침  JWST는 지난 9월 지구에서 120광년 떨어진 차가운 별을 돌고 있는 'K2-18 b'라는 외계행성의 대기에서 메탄과 이산화탄소를 발견했다. 태양계에서 꽤 가까운 이 외계행성은 지구보다 크지만 태양계의 거대 행성보다는 작다.  과거 허블 우주망원경으로 관측할 당시에 K2-18 b는 지각 아래 액체 물로 이루어진 바다가 있으며, 수소가 풍부한 대기가 있는 미니 해왕성급 외계행성인 '하이션(Hycean) 행성'일 수 있는 것으로 나타났다. JWST의 최근 관찰 결과는 풍부한 메탄과 이산화탄소에 대한 증거를 증명했고, 암모니아는 거의 없다는 가설을 뒷받침했다.  캠브리지 대학 천문학자 사바스 콘스탄티노는 "이는 K2-18 b에 대한 단 두 차례의 관측에서 나온 것이며, 앞으로 더 많은 관찰이 진행될 예정"이라면서 "우리의 연구가 웹이 생명체 서식 가능 외계행성에 대한 초기 시연에 불과하다는 것을 의미한다"고 덧붙였다.    3.  지금까지 관측된 최소 천체를 발견 JWST는 지난 2월  화성과 목성 사이의 소행성대에 묻혀 있는 작은 소행성을 예상치 못하게 발견했다.  그 지역에 있는 대부분 천체들은 미국 워싱턴 기념비(높이 169.29m)만 한 우주 암석들로 태양계 형성의 잔재로 추정된다. 이는 태양계 진화에 관한 흥미로운 역사를 간직하고 있다.    4.  원시 우주에서 거대하고 신비한 은하 발견 지난 2월 과학자들은 빅뱅 이후 불과 5억~7억년 후 우주 풍경을 담은 JWST의 우주 이미지에서 우리 은하만큼 거대한 새로운 은하를 발견했다. 기존 이론과 모델에 따르면 JWST가 발견한 은하는 과학자들의 예상치보다 크며, 그 안에 있는 성숙한 붉은 별은 나이가 무척 오래된 항성들이다.  펜 스테이트 대학의 천문학자 조엘 레자는 "이것은 초기 은하 형성의 전체 그림에 의문을 제기한다"고 말했다. 5.  우주의 팽창 속도에 대한 격렬한 논쟁 우주가 점점 더 빠른 속도로 팽창하고 있다는 것을 알려져 있지만 얼마나 빠른지는 정확히 알려지지 않았다. 이는 우주의 팽창률을 추정하는 데 중요한 값인 허블 상수의 정확한 값을 결정하는 것을 뜻하는데, 아직까지 논쟁이 계속되고 있다. 올해 JWST는 세페이드 변광성으로 알려진 종류의 별을 관찰했다. 이 별은 일반적으로 태양보다 약 10만배 더 밝은 별로 우주 거리를 측정하고, 우주의 팽창 속도를 알아내는 데 있어 매우 신뢰할 수 있는 자료다. 그러나 JWST의 새로운 데이터는 논쟁을 해결하기 보다는 허블 상수에 대한 논쟁을 더욱 격화시켰다.  존스홉킨스 대학의 천문학자이자 노벨상 수상자인 아담 리스는 “허블 상수의 값이 어떻게 나오든 상관하지 않는다”면서 "나는 우리가 가진 최고의 도구, 즉 표준 도구가 서로 일치하지 않는 이유를 이해하고 싶다"고 밝혔다.    6. 최초의 초거대 블랙홀 관측 올해 JWST는 천문학자들이 최초의 초거대 블랙홀 중 하나가 출현했다고 생각하는 두 개의 초기 은하에서 별빛을 볼 수 있도록 도왔다. JWST는 우주의 나이가 10억년 미만이었을 때의 은하계를 관찰해 시간이 지남에 따라 블랙홀이 어떻게 태양의 수백만 또는 수십억 배에 달하는 아마무시한 질량을 갖게 되는지를 보여주었다. 7. 원시 은하의 복잡한 유기분자 발견  지난 6월 천문학자들은 JWST가 우주 나이가 현재 나이의 10%에 불과했던 120억년 전 우주에서 지구상의 석유나 석탄 매장지에서 발견된 것과 유사한 탄소 기반 분자를 발견했다고 밝혔다. 우주에서는 이런 분자가 아주 작은 먼지 알갱이와 결합하는데, 지금껏 망원경의 한계로 인해 이를 발견하기 어려웠다. 그러나 텍사스 A&M 대학의 천문학자 저스틴 스필커는 "웹을 사용하면 유기분자를 쉽게 찾을 수 있을 것으로 보인다"고 말했다.    8. 우주 탄생 후 가장 초기의 '메이지 은하' 발견 지난해 여름 JWST는 메이지 은하로 알려진 흐릿한 주황색 덩어리를 촬영했다. 천문학자들은 이것이 지금까지 발견된 가장 초기의 은하 중 하나라고 발표했다. 이 은하는 우주의 나이가 고작 3억 9000만년이었을 때 존재했던 것으로 보이며, 이는 지금까지 발견된 4개 은하 가운데 가장 초기 은하로 추정하고 있다.  지난해 발견된 메이지 은하계는 높은 별 형성률을 가지고 있다. 그것을 발견한 사람의 9살짜리 딸의 이름을 따서 '메이지 은하'라는 이름이 붙었다. 오스틴에 있는 텍사스 대학의 천문학자인 스티븐 핀켈스타인은 "이것은 우리가 JWST로 은하계를 찾아보기 전까지 은하계가 어떻게 형성되었는지, 어떻게 생겼는지 전혀 알 수 없었던 미지의 개척지였다"고 밝혔다. 9. 가장 먼 거리의 초대질량 블랙홀 발견 천문학자들은 지난 7월 JWST가 지금까지 본 것 중 가장 멀리 떨어져 있는 활동성 초대질량 블랙홀을 발견했다고 발표했다. 이 블랙홀의 모은하는 빅뱅 이후 불과 5억 7000만년 후에 형성됐다. 그러나 이 고대 블랙홀은 질량이 태양의 900만 배에 불과할 정도로 매우 작다. 일반적으로 대부분의 블랙홀은 태양 질량의 10억 개가 넘는 무게를 가지고 있다. 연구진은 “우주가 시작된 직후에 그것이 어떻게 형성되었는지 설명하는 것은 여전히 쉽지 않다”고 말했다.    10. 원시 우주의 유령 은하 발견 먼지 구름 깊숙한 곳에 묻혀 있는 흐릿한 은하를 잡은 JWST 이미지는 최근 천문학자들의 관심을 끌었다. 부분적으로는 최초의 별이 나타난 빅뱅 이후 불과 9억 년 후에 나타난 것으로 보이기 때문이다.  텍사스 대학 오스틴 캠퍼스의 천문학자인 제드 맥키니는 "이는 아직 우리가 발견하지 못하고 있는 은하계가 엄청나게 많을 것이라는 사실을 말해주는 것"이라고 말했다.11. 전설적인 3개의 '다크 스타' 발견 천문학자들은 지난 7월 JWST가 그레이트풀 데드의 노래 '다크 스타'에 나온 '어두운 별'로 추정되는 세 개의 밝은 천체를 발견했다고 보고했다. 그 '별들'은 원래 지난해 JWST에 의해 은하로 지정된 것이었다.  텍사스 대학교 오스틴 캠퍼스의 물리학 교수인 캐서린 프리스는 “제임스 웹 데이터를 보면 이러한 천체에 대해 두 가지 경쟁 가능성이 있다는 것을 알 수 있다”면서 "하나는 수백만 개의 평범한 종족 III 별을 포함하는 은하계라는 것이고, 다른 하나는 그들이 어두운 별이라는 것이다. 그리고 믿기 어렵지만, 어두운 별 하나가 은하계 전체와 맞먹을 만한 밝기의 빛을 가지고 있다"고 말했다.  천문학자들은 이러한 유형의 별들이 우리 우주 물질의 85%를 구성하지만, 우리 눈에는 보이지 않는 암흑물질에 의해 구동된다고 생각한다. 만약 '어두운 별'이 정말로 존재한다면 그들의 존재는 JWST가 관찰한 것처럼 아주 어린 우주가 어떻게 그렇게 많은 큰 은하들을 생성하도록 성장했는지에 대한 수수께끼를 푸는 데 도움이 될 것이라고 연구자들은 말한다. 12.  우리 은하와 비슷하게 보이는 놀라운 초기 은하들 은하 진화 이론은 우리 우주에서 가장 초기의 은하가 너무 어려서 나선 팔이나 막대 또는 고리와 같은 특징을 만들어내지 못했을 것으로 예측됐다. 천문학자들은 이러한 복잡한 구조가 빅뱅 이후 약 60억년 후에 나타나기 시작했을 것으로 생각해왔다. 그러나 올해 JWST는 이처럼 섬세한 특징을 가진 은하가 빅뱅 이후 37억 년 만에 존재할 수 있다는 사실을 발견했다. 영국 맨체스터 대학 천문학 교수인 크리스토퍼 콘셀리스는 "우리의 관측 결과를 바탕으로 천문학자들은 최초의 은하 형성과 지난 100억 년 동안 은하의 진화가 어떻게 일어났는지에 대한 우리의 이론을 재고해야 할 것"이라고 말했다.

우주의 수많은 미지영역 중 하나로 꼽히는 ‘암흑 물질 및 에너지’를 전문적으로 탐구할 망원경 ‘유클리드’(Euclid)가 우주로 발사됐다.  유럽우주국(ESA)의 우주망원경인 유클리드는 1일(이하 현지시간) 오전 11시 12분, 미국 플로리다주(州) 케이프 커내버럴 우주군 기지에서 스페이스X의 팰컨9 로켓에 실려 성공적으로 발사됐다. 유클리드는 향후 약 4주간 비행해 지구와 태양이 중력의 균형을 이루는 약 150만㎞ 밖에 있는 ‘제2라그랑주점’(L2) 궤도에 진입한다. 이후 약 7개월간 시험 가동에 들어갈 예정이다.  규모는 미국 항공우주국(NASA)의 차세대우주망원경 제임스웹 우주망원경(JWST)보다 작은 편에 속한다. 보조 장비와 망원경을 합한 전체 선체의 높이는 약 4.7m, 폭은 3.5ｍ이고, 망원경의 지름은 1.2ｍ다.  유클리드의 미션은? 유클리드의 미션은 우주에서 대부분을 차지하는 암흑 물질과 암흑 에너지를 관찰하고, 우주가 어떻게 팽창해 왔으며 우주 구조가 어떻게 형성됐는지 밝히는 데 필요한 정보를 제공하는 것이다. 우주는 130억 년 전 빅뱅으로 탄생한 뒤 계속 팽창하고 있는데, 과학자들은 연구 과정에서 우주에 일반적인 물질이 5% 정도밖에 없으며, 나머지 25% 정도는 보이지 않는 암흑물질, 70%는 암흑에너지로 구성된 것으로 보고 있다.  암흑물질과 암흑 에너지를 포착하거나 분석해야 우주 팽창 배경을 확인할 수 있는데, 현재까지 개발된 관측장비로는 암흑 에너지와 암흑 물질을 직접 포착하는 게 불가능하다. 유클리드가 이 불가능을 현실로 만들어 줄 것이라는 기대감이 나오고 있다.  유클리드 망원경은 중력렌즈 효과를 통해 수십억 개의 은하가 왜곡된 모양을 측정한다. 중력렌즈 효과는 물질이 집중된 곳이 돋보기 역할을 하면서, 그 위의 은하와 성단의 빛이 굴절될 때 렌즈를 들여다본 것처럼 확대돼 보이는 현상을 일컫는다.  유클리드는 이를 통해 우주의 암흑물질 분포에 대한 입체적인 모습을 보여줄 계획이다. 유클리드가 포착한 우주 암흑물질과 암흑에너지의 모습은 오는 10월에 첫 공개된다.  한편, 유클리드 프로젝트는 유럽우주국 및 영국, 프랑스 등 15개국이 넘는 지역의 과학자와 엔지니어 약 2500명으로 구성된 컨소시엄이 함께 진행한다. 이 프로젝트에는 14억 유로(한화 약 2조원)이 투입된다.

서울 이야기(김남일 지음, 학고재) 근대 문학의 흔적을 따라 걸으며 쓴 기행기. 박태원의 소설 속 소설가 구보씨가 다니던 종로와 청계천을 비롯해 교과서 속 수많은 작가의 꿈과 한숨이 빚어낸 우리 문학사의 현장, 일제강점기 시절 ‘경성’의 풍경을 현재의 시선으로 담아냈다. 한 세기 전 서울, 도쿄, 북한 등을 다룬 4부작 중 하나. 428쪽. 2만원.별 너머에 존재하는 것들(아메데오 발비 지음, 김현주 옮김, 북인어박스) ‘밤하늘’이라 하면 반짝이는 별들을 떠올리겠지만, 사실 우주의 95%는 깊고 짙은 어둠으로 구성됐다. 우주배경복사의 비등방성을 세계 최초로 규명한 저자가 ‘밤하늘은 왜 어두운가’에서 시작해 암흑물질을 포함한 우주의 어둠을 설명한다. 380쪽. 1만 9800원.아무도 행복하지 않은 나라(김성회·이광수·최종건·한윤형 지음, 메디치미디어) 정치인, 국제정치학자, 애널리스트, 작가가 모여 윤석열 정부 1년을 진단한다. 국익을 외치며 다른 나라에 퍼 주는 나라, 노조와 노동자를 우습게 알고 국민을 바보로 여기는 나라라는 날 선 비판을 하면서 우이독경, 교언영색, 자가당착을 열쇠말로 미래를 전망한다. 240쪽. 1만 8000원.톱니바퀴와 괴물(다이앤 코일 지음, 김홍옥 옮김, 에코리브르) 학문의 하나, 혹은 사회 현상을 분석하는 도구에서 벗어나 경제학은 무엇이고, 무엇이어야 하는가에 관해 이야기한다. 진보와 생산성에 관해 연구하는 저자가 경제학자는 어떤 유형의 분석과 통찰을 제공해야 하는지에 대해 여러 사례를 들어 주장을 펼친다. 356쪽. 2만 1000원.맡겨진 소녀(클레어 키건 지음, 허진 옮김, 다산책방) 24년 동안 펴낸 4권의 책으로 전 세계 유수 문학상을 휩쓴 저자의 대표작. 애정 없는 부모 탓에 낯선 친척 집에 맡겨진 한 소녀의 이야기를 섬세한 필체로 그렸다. 제95회 아카데미 시상식 국제장편영화상 최종 후보에 오른 ‘말없는 소녀’의 원작 소설로, 2009년 데이비 번스 문학상 수상작. 104쪽. 1만 3000원.나를 찾지 마(김범 지음, 클레이하우스) 재혼을 일주일 앞둔 아내의 환갑날에 10년 전 죽은 남편이 돌아온다. 남편이 죽고 받은 사망 보험금 5억원으로 그동안 잘 살았던 아내는 당혹스럽다. 남편은 멀쩡히 살아 있었으면서도 가족 앞에 나타나지 않다가 왜 이제 와 모습을 드러냈을까. 남편이 숨긴 속사정이 반전에 반전을 거듭한다. 344쪽. 1만 6700원.

세계적인 이론물리학자인 야마구치 마사히데(53) 일본 도쿄공업대 교수가 한국에서 이론 물리 연구를 시작한다. 기초과학연구원(IBS)는 야마구치 마사히데(53) 교수를 IBS 순수물리이론연구단의 새로운 공동 연구단장으로 선임했다고 28일 밝혔다. 야마구치 신임 단장이 이끄는 ‘우주물리 및 중력이론 그룹’은 순수물리이론연구단의 연구그룹 중 하나로 오는 3월 1일에 출범한다. 야마구치 신임 단장은 일본 도쿄대 수학과를 졸업하고 도쿄대 물리학과에서 박사학위를 받았다. 이후 아오야마 가쿠인대를 거쳐 2010년부터는 도쿄공업대 물리학과 교수로 재직했다. 야마구치 단장은 중력, 우주론, 입자물리학 분야의 세계적 석학으로 중력팽창의 배경, 우주론적 섭동 진화에 관한 연구, 중력팽창에서 비롯한 시공간 곡률의 비정상적 가열 현상 연구 등으로 일본학술진흥회의 우수연구논문상, 우수연구자상, 유카와키무라상, 일본 문부과학성 과학기술훈장을 받았다. 최기운 IBS 순수물리이론 연구단장은 “순수물리 분야는 자연의 기본 법칙과 우주 근원을 이해하려는 공동 목표를 갖고 있다”며 “천체물리학 및 우주론 분야 권위자인 야마구치 단장 합류로 더욱 영향력 높은 연구를 할 수 있을 것”이라고 설명했다. 야마구치 단장은 “세계 유수의 연구 인력을 유치하는 동시에 젊은 연구자들을 위한 개방적 연구 환경을 조성해 선구적 주제에 관한 도전적 연구를 수행할 것”이라고 말했다. IBS측은 순수물리이론 연구단이 암흑물질 관련 이론을 제시하면 지하실험실 ‘예미랩’을 운영 중인 지하 실험 연구단이 그 증거를 찾는 식으로 공동연구가 효과적으로 진행될 수 있을 것으로 기대한다. 노도영 IBS 원장은 “탄탄한 이론 연구와 첨단 인프라를 활용한 실험 연구가 병행될 경우 빅 히스토리 완성이 가능할 것”이라고 강조했다.

5만 년 만에 지구를 방문한 혜성(C/2022 E3)을 요즘 맨눈과 쌍안경, 천제망원경으로 각각 관찰하면 어떻게 보일까? 이 흥미로운 주제를 다룬 사진이 미 항공우주국(NASA)가 운영하는 ‘오늘의 천체사진'(APOD) 1일자에 공개되어 눈길을 끌고 있다. 이 혜성은 천문학자들이 지난해 3월 초에 미국 샌디에이고에 있는 팔로마 천문대의 광역하늘 천문조사 장비인 ZTF(Zwicky Transient Facility)의 관측에서 광시야 측량 카메라를 사용하여 발견하여 C/2022 E3(ZTF)라는 정식 명칭을 얻었다. 별명으로는 츠비키 혜성이라 불린다. 참고로 망원경 이름 츠비키는 최초로 암흑물질의 존재를 예견한 스위스 출신의 미국 천문학자 프리츠 츠비키(1898 ~1974)에서 따온 것이다. 현재 내태양계를 방문하고 있는 초록빛 밝은 이 혜성은 일반적인 먼지꼬리, 이온꼬리, 녹색가스 코마(핵)뿐만 아니라, 보기 드물게 독특한 반대꼬리(Antitail)를 보여주고 있다. 이 반대꼬리는 혜성의 핵에서 튀어나온 뾰족한 모양으로 태양 쪽으로 향하고 있는 것처럼 보이며, 따라서 다른 꼬리와 기하학적으로 반대다. 하지만 단지 혜성의 머리 부분이 부채꼴로 펼쳐져 있고 꼬리를 끌고 다니는 먼지 꼬리의 일부에 겹쳐서 보이는 것뿐이다. 거대한 더러운 눈덩이인 이 혜성은 지난 1월 12일에 1.11AU(1억 6600만㎞) 거리에서 태양에 가장 가까운 근일점에 도달했으며, 2월 2일에는 지구에 가장 가까운 근지점에 도달할 것이다. 위에 보이는 세 이미지의 바탕 사진은 지난주 스페인 카세레스 상공의 어둡고 맑은 하늘 아래 혜성이 맨눈으로 어떻게 보이는지를 알려주고 있다. 상단 상자 이미지는 쌍안경을 통해 혜성이 어떻게 보이는지 보여주고, 하단 이미지는 작은 망원경을 통해 혜성이 어떻게 보이는지 보여준다. 이 혜성은 이제 북반구 위도에서 밤새도록 볼 수 있지만, 앞으로 몇 주 후에는 쉽게 관찰하기 어려울 정도로 멀어져갈 것이다. 

강원 정선에 우주 근원을 탐구하는 연구실험시설이 들어섰다. 강원도는 예미랩 준공식이 5일 정선 예미산 현지에서 노도영 기초과학연구원(IBS) 원장과 오태석 과학기술정보통신부 1차관, 김진태 강원지사, 최승준 정선군수 등이 참석한 가운데 열린다고 4일 밝혔다. 예미랩은 IBS가 2017년부터 지난달까지 197억원을 들여 예미산 지하 1000m에 조성한 지하실험실과 지상연구실이다. 2020년 8월 지하터널 공사를 마쳤고, 지난달 차세대 대용량 검출기 인프라 구축 공사를 완료했다. 예미랩 면적은 3000㎡로 세계 6위급이다. 지하실험실은 엘리베이터를 이용해 600m를 내려간 뒤 782m 길이의 지하터널을 지나면 나온다. 지상연구실은 함백중 폐교를 리모델링했다. IBS는 현재 양양양수발전소 지하 700m에서 운영 중인 양양랩의 규모가 작아 예미랩 설립을 추진했다. IBS 지하실험연구단은 내년 1월부터 양양랩 장비를 예미랩으로 이전한 뒤 본격적으로 암흑물질과 중성미자 연구에 돌입한다. 암흑물질은 우주를 구성하는 것으로 추정되는 물질이고, 중성미자는 우주를 이루는 근본입자 가운데 하나로 약력과 중력에만 반응한다. 예미랩은 기상청, 한국지질연구원, 한국원자력연구원, 경북대, 미국 중성미자연구그룹도 공동으로 활용한다. 강원도 관계자는 “지하실험연구단은 국제학술지 네이처에 연구 결과를 싣는 등 그동안 많은 성과를 냈다”며 “예미랩 구축을 통해 과학기술이 한층 발전할 것으로 기대한다”고 말했다.

미 항공우주국(NASA)에서 운영하는 '오늘의 천체사진'(APOD) 5월 11일자에 보기 드문 우주의 풍경이 올라와 눈길을 끌고 있다. 바로 중력 렌즈가 만들어낸 '우주의 미소'이다.​   100여 년 전에 발표된 알버트 아인슈타인의 일반 상대성 이론은 중력 렌즈 현상을 예측했다. 강력한 중력이 뒤쪽에서 오는 빛을 휘어지게 하여 렌즈처럼 기능할 것이라는 예견이다. 그리고 이것이 바로 이 먼 은하에 X선 망원경과 찬드라 및 허블 우주 망원경의 광학 이미지 데이터를 통해 볼 수 있는 기발한 모습을 주는 이유이다.   체셔 고양이 은하단이라는 별명이 붙은 이 은하단에 있는 두 개의 큰 타원은하는 호처럼 보이는 거대한 빛의 테두리로 둘러싸여 있다(채셔 고양이는 루이스 캐럴의 소설 '이상한 나라의 앨리스에 나오는 가공의 고양이). 호는 시선 방향에서 앞쪽에 있는 천체의 중력이 빛을 휘어지게 하는 중력 렌즈 현상에 의해 만들어진 먼 배경 은하의 광학 이미지이다.  물론 그 중력 질량은 대부분 암흑물질이다. 두 개의 큰 타원 '눈' 은하는 병합이 진행되고 있는 자체 은하군에서 가장 밝은 구성원이다.  이들의 상대적인 충돌속도는 거의 초속 1,350km로, 서로 충돌하면서 가스를 수백만 도까지 가열하여 보라색으로표시된 X선 광선을 방출한다. 이 은하단 합병이 궁금한 사람은 큰곰자리 방향을 잘 살펴보기 바란다. 채셔 고양이 은하단은 지구로부터 약 46억 광년 떨어진 큰곰자리에서 미소를 짓고 있다.​  

은하수는 지구에서 시선방향으로 보이는 우리은하의 가장자리 모습이다. 요즘은 빛 공해가 심해져 은하수를 보기 어렵지만, 캄캄한 밤하늘 지역에서 보면 하늘을 가로질러 뻗어있는 뿌연 띠를 볼 수 있는데, 서양에서는 그리스 신화의 여신 헤라가 흘린 젖이라고 여겨서 ‘밀키 웨이'(Milky Way)라 부른다. 이것이 무수히 많은 별들의 집적이라는 것을 최초로 알아낸 사람은 1610년 자작 망원경으로 은하수를 관측한 갈릴레오 갈릴레이였다. 우리가 맨눈으로 볼 수 있는 전천의 별 수는 대략 5~6000개 정도다. 이들은 육안으로 볼 수 있는 한계인 6등성 이상 밝기의 별들인데, 물론 망원경을 사용하면 더 많은 별들을 볼 수 있다. 그렇다면 우리 은하수 은하에는 대체 몇 개의 별들이 있을까? 뉴욕 이타카 칼리지의 조교수 데이비드 콘라이히는 “끔찍할 정도로 대답하기 어려운 질문”이라고 전제하면서 “일반적으로 은하의 별들은 정확히 셀 수가 없을 만큼 엄청 많기 때문”이라고 덧붙였다. 우리은하와 비교적 가까운 230만 광년 거리의 대형 은하 안드로메다 은하의 경우, 우리는 가장 크고 밝은 별만 구별할 수 있다. 태양 크기의 별은 우리가 보기 어려울 것이다. 따라서 천문학자들은 아래 기술 중 일부를 사용하여 은하의 별 개수를 추정한다. 우리은하의 구조 우리은하는 지름이 약 10만 광년인 막대 나선은하이다. 은하 바깥쪽을 보면 4개의 나선팔(2개는 메이저, 2개는 마이너)로 둘러싸인 중앙 팽대부가 드러날 것이다. 은하수의 주요 팔은 페르세우스자리 나선팔과 궁수자리 나선팔로 알려져 있다. 지구의 태양은 오리온 팔이라고 불리는 두 개의 작은 나선팔 중 하나에 있는 별이다.우리은하는 수십만 광년 지름의 거대한 가스 헤일로(halo)로 둘러싸여 있다. 천문학자들은 헤일로의 질량이 우리은하에 있는 모든 별들의 질량과 거의 같을 것으로 추정한다. 그러나 우리은하의 별들 중 많은 부분은 보기 힘들다. 은하 중심에 별, 가스, 먼지로 가득 찬 은하 팽대부와 초거대질량 블랙홀이 우리의 시야를 가리고 있기 때문이다. 이 지역의 물질 밀도는 너무 높아서 가장 강력한 망원경을 들이대도 관측 불가다. 20세기 초까지만 해도 천문학자들은 우리은하가 곧 전체 우주라고 생각하고, 우주의 모든 별들이 우리은하의 일부라고 생각했지만, 이런 상식은 미국의 신출내기 천문학자 에드윈 허블에 의해 여지없이 깨어졌다. 그는 당시 최대였던 윌슨산 천문대의 강력한 망원경으로 관측한 결과, 그때까지 우리은하 내의 ‘성운’으로 알고 있었던 안드로메다 은하가 실은 우리은하 밖에 존재하는 수많은 섬우주인 외부은하임을 증명해냈던 것이다. 별의 개수를 알려면 은하의 무게를 재라 천문학자들이 은하에 있는 별의 수를 추정하는 주된 방법은 은하의 질량을 결정하는 것이다. 이것은 은하의 회전과 방출하는 빛의 스펙트럼을 분석하여 알아낼 수 있다. 같은 질량의 은하라 하더라도 별의 유형과 전체 질량에 차이가 있을 수 있다. 콘라이히는 이에 대해 일반론을 말하기는 매우 어렵다고 경고하는 한편, 한 가지 차이점은 우리은하와 같은 나선은하와 타원은하 사이에서 볼 수 있다고 말한다. 타원은하는 나선은하에 비해 K형과 M형 적색왜성을 더 많이 가지는 경향이 있다. 타원은하는 나선은하보다 오래되었기 때문에 진화하는 동안 많은 가스를 방출하는 바람에 성간 가스가 더 적다. 일단 은하의 질량이 결정되면, 또 다른 까다로운 일은 그 질량의 얼마가 별들로 이루어져 있는지 알아내는 것이다. 은하를 이루는 질량의 대부분은 빛을 방출하지 않는 암흑물질로 구성되어 있기 때문이다. “은하를 모델링하고 별의 질량이 몇 퍼센트를 차지하는지 확인해야 한다”고 말하는 콘라이히는 “일반적인 은하에서 회전 곡률로 질량을 측정하면 그 중 약 90%가 암흑물질”이라고 설명한다. 은하계에 남아 있는 대부분의 물질이 확산 가스와 먼지로 구성되어 있기 때문에 콘라이히는 별의 비중은 전체 은하계 질량의 약 3%를 차지할 것으로 추정하지만 이는 다를 수도 있다. 또한 별 자체의 크기는 우리 태양보다 수십 배 작거나 클 수도 있다. 우리은하에는 대략 몇 개의 별이 있을까?그렇다면 은하수에 몇 개의 별이 있는지 확실히 알 수 있는 방법은 없을까? 우리은하를 맵핑하는 가이아 임무를 수행하는 유럽우주국(ESA)의 과학자 조스 더 브라우너에 따르면, 현재 우리은하 별의 추정치는 1000억에서 4000억 개 사이다. 더 브라우니는 명확한 수치를 알기는 어려울 것이라고 한다. 2013년부터 궤도를 돌고 있는 가이아 탐사선은 326광년 거리까지 태양 주변에 있는 17억 개의 별 위치를 매핑하는 데 성공했다. 천문학자들은 이 수치를 근거로 전체 은하계를 모델링할 수 있지만, 가이아조차도 가장 희미하고 작은 별을 보는 데 어려움을 겪고 있는 만큼 완벽한 수치를 결정하기는 어렵다. 브라우너는 “근본적인 문제는 매우 희미한 적색왜성의 광도(분포)를 측정한 다음, 갈색왜성까지 얼마나 되는지 그 숫자를 추정하는 것”이라고 설명한다. 적색왜성은 우주에서 가장 흔한 별이며 가장 오래 사는 별이기도 하다. 그러나 너무나 어둡기 때문에 식별하기가 어렵다. 갈색왜성은 더 어둡다. 이들은 기본적으로 핵융합을 시작하기에 충분한 물질을 축적하지 못한 실패한 별이다. 따라서 그것들은 별과 행성 사이의 위치하는 중간적인 천체로, 희미한 적색왜성보다 발견하기가 훨씬 더 어렵다. 브라우너는 “전체 이야기에서 두 번째 난관은 이중성인데, 그 빈도가 아직 완벽하게 밝혀지지 않았다”면서 “2025년 가이아의 임무가 끝날 때까지 과학자들이 우리은하의 별 수를 보다 근접하게 알게 되겠지만 상당한 불확실성이 남아 있을 것”이라고 예상했다. 참고로 '코스모스'를 쓴 유명 천문학자 칼 세이건은 4000억 개라는 데 손을 들었다.　　

지난해 12월 블랙홀 탐사를 위해 발사된 차세대 X-선 우주망원경이 첫 천체 이미지를 지구로 보내왔다. 미 항공우주국(NASA)은 14일(현지시간) 블랙홀 탐사용 X선 위성(IXPE, Imaging X-ray Polarimetry Explore)이 촬영해 전송한 첫번째 천체사진을 공개했다. 지구로부터 1만 1000광년 떨어져 있는 카시오페이아A 초신성의 자기장이 빛나는 놀라운 장면이다. NASA의 차세대 X선 트리플 카메라 관측 위성인 IXPE는 세 개의 독립된 망원경을 이용해서 편광 X선을 관측할 수 있는 최초의 우주망원경으로, 중성자 별, 블랙홀, 암흑 에너지, 암흑물질 등과 같은 우주 현상을 포착하기 위해 지난해 12월 9일 발사됐다. 탐사선은 첫 번째 이미지를 캡처할 준비를 하기 위해 다양한 시스템을 확인하면서 우주에서 첫 달을 보낸 후 최초의 과학 이미지를 보내온 것이다. 사진은 17세기 초신성으로 폭발한 별의 잔해인 카시오페아 A를 보여준다. NASA의 성명에 따르면, 그 폭발은 충격파를 바깥쪽으로 보내 주변 가스를 가열하고 우주선 입자(고속 전자와 원자핵)를 가속시켜 다양한 물질 구름을 생성했다. IXPE의 인상적인 이미지에서 볼 수 있듯이 이 구름은 X선 빛에서 놀라울 정도로 밝게 빛난다. "카시오페아A의 IXPE 이미지는 참으로 아름다우며, 우리는 이 초신성 잔해에 대해 더 많은 것을 알기 위해 편광 측정 데이터를 분석할 예정"이라고 로마에 있는 국립 천체물리학연구소(INAF)의 IXPE 이탈리아 수석 연구원 파올라 소피타가 NASA 성명에서 말했다. NASA가 공개한 사진은 IXPE와 또 다른 X선 우주망원경인 찬드라가 찍은 사진을 합성 가공한 이미지의 가장 눈에 띄는 특징은 거의 네온에 가까운 마젠타 색상이지만, 가시광선에서는 실제로 그렇게 보이지 않는다. 그러나 X선 방사선을 나타내는 이 색상은 과학자들에게 유용한 가이드이다. 색상이 진할수록 X선 빛이 더 강렬해진다. 또한 이미지에서 푸른 번개처럼 보이는 것은 NASA의 찬드라 X선 우주망원경으로 본 고에너지 X선을 나타낸다. 두 망원경은 모두 X선을 관찰하지만 서로 다른 종류의 감지기를 가지고 있기 때문에 함께 작동하면 더 완전하고 상세한 데이터를 생성할 수 있다.​ 찬드라는 1999년 발사 후 첫 이미지로 동일한 카시오페이아A 초신성을 촬영해 전송한 바 있다. 성간물질에 초신성 폭발 빛이 반사돼 군데군데 빛나고 있는 모습이다. 당시 찬드라가 보낸 사진은 초신성 폭발 후 중심부에 블랙홀이나 중성자별로 추정되는 잔해가 남아 있음을 보여줬으며, 반사된 해당 사진들을 분석하면 초신성의 빛이 성간물질에 부딪혀 어디까지 확산됐는지를 알 수 있다.  IXPE 수석 연구원 마틴 C. 바이스코프는 NASA 성명에서 "이번 IXPE가 찍은 카시오페이아A 초신성 모습은 찬드라가 보내왔던 사진만큼 역사적 결과물로 평가된다"며 "이는 현재 분석 중인 카시오페이아A에 대해 이전에 볼 수 없었던 새로운 정보를 얻을 수 있는 IXPE의 잠재력을 보여준다"라고 밝혔다. NASA는 이번에 전송된 카시오페이아A 초신성의 X선 편광 데이터를 통해 직경이 10광년에 이르는 초신성 잔해의 편광 데이터를 처음으로 확인할 수 있을 것으로 보고 있다. 현재 NASA는 해당 이미지의 데이터를 통해 최초로 카시오페이아A 초신성의 X선 편광 분포도 작성을 시도 중이다.