올 초 국내 내로라하는 과학자들이 강원도 산골의 광산을 다시 찾았다. 우주입자 연구실 터를 결정하기 위해서다. 지하 1100m 광산을 둘러본 과학자들은 크게 흡족해하며 고개를 끄덕였다. 기초과학연구원(IBS) 지하실험연구단은 강원도 정선군 및 광산 소유주인 한덕철광과 17일 업무협정(MOU)을 맺는다고 16일 밝혔다. 정선군 예미산 일대 철광석 광산 지하에 2000㎡ 규모의 연구 시설을 짓는 프로젝트다. 연구단은 2019년까지 공사를 끝내고 2020년부터는 본격적인 실험에 들어갈 계획이다. 땅속에 연구실을 만드는 데만 210억원이 투입된다.우주 입자는 우주 생성의 비밀을 품고 있는 암흑물질과 사람의 눈에 보이지 않아 ‘유령입자’라고 불리는 중성미자를 말한다. 우주의 기원과 물질의 존재를 이해하는 핵심요소다. 하지만 그 어떤 물리학자도 지금까지 암흑물질 검출과 중성미자 질량 측정에 성공하지 못했다. 그만큼 현대 물리학의 최대 과제로 꼽힌다. 성공하면 ‘노벨상 0순위’라는 말이 공공연히 회자될 정도다. 그런데 왜 하필 땅속 깊숙한 광산일까. 김영덕 IBS 지하실험연구단장은 “암흑물질과 중성미자가 내는 신호는 포착하기 매우 어렵기 때문에 전 세계 과학자들이 미세한 소리나 잡음이 거의 없는 지하 깊은 곳에 검출장비를 경쟁적으로 설치하고 있다”고 설명했다. 중성미자 진동현상을 측정해 2015년 노벨물리학상을 받은 가지타 다카아키 일본 도쿄대 교수의 거대 실험장치 슈퍼 가미오칸데도 폐광 지하 1000m에 있다. 우리나라도 한국수력원자력에서 운영하는 강원도 양양 양수발전소 지하 700m에 300㎡ 규모의 실험실을 만들어 천체입자 물리학 실험을 하고 있다. 하지만 실험실 깊이와 규모 때문에 심도 있는 연구가 한계에 부딪친 상태라고 김 단장은 전했다. 국내 과학계는 정선 폐광 연구시설이 완공되면 국내 천체 입자물리학이 한 단계 도약할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

한국 출신 최고의 과학자는 과연 누구일까. 필자는 한 명의 이름을 가장 먼저 떠올린다. 이휘소. 2015년 우리나라 첫 과학자 우표에 실린 그는 1935년생으로 여전히 우리 곁에 있었을 수도 있지만, 불행하게도 1977년 6월 16일 교통사고로 42세에 생을 마쳤다. 그의 연구기간은 20년도 안 되지만 그는 입자물리학 분야에서 세계 최고의 업적을 남겼다. 우주 기원 이해에 필수인 표준모형을 완성하는 데 없어선 안 될 게이지 이론 발전에 지대한 공헌을 했다. 그의 영향을 받은 사람들 중 노벨상을 수상한 이들도 많다. 2013년 힉스와 앙글레는 한 입자를 발견한 공로로 노벨 물리학상을 받았다. 이 입자를 힉스 입자라 이름 붙인 주인공이 이들과 입자물리학계에서 함께 활동했던 이 박사다. 이 박사는 1979년 노벨 물리학상을 수상한 와인버그와 함께 1977년에는 암흑물질의 질량 최소값을 추정하는 계산을 했다. 이 방법은 아직도 사용되고 있다.이 박사는 한국 태생이지만 미국 국적을 취득하고 중국계 부인과 결혼했기 때문인지 국내에서 그의 흔적을 찾아보기는 쉽지 않다. 그의 제자였던 고(故) 강주상 고려대 교수가 쓴 ‘이휘소 평전’을 통해 그의 삶을 들여다볼 수 있다. 그는 어린 시절 부모가 모두 의사인 집안에서 유복하게 자랐다. 대학에서 의욕적인 젊은 교수를 만났고, 한국을 돕던 미국의 유학프로그램 덕에 미국에서 대학 공부를 다시 할 수 있었다. 가장 훌륭한 수리물리학 교과서 저자인 아프켄이 그가 다니던 오하이오 마이애미대 교수로 부임해 좋은 강의도 들을 수 있었다. 피츠버그대학원에서도 출중한 능력을 드러낸 그가 펜실베이니아대로 옮기려 하자 일부 교수들이 그를 붙잡았다. 펜실베이니아대 출신의 젊은 교수가 그의 전학을 적극적으로 도왔다. 펜실베이니아대 물리학과에서도 매우 유연하게 전학하도록 해 주었다. 필자도 대학원장이라는 직책을 수행해 봤지만 국내에서는 여전히 제도들이 매우 경직돼 있어 좋은 학생이 시의적절하게 교육을 받기 어렵다. 그에게 최대의 행운은 그가 박사학위를 받았을 때가 입자물리학 분야의 전성기였다는 것이다. 하루가 다르게 새로운 입자들이 발견되고 이론적 발전이 비약적으로 일어났다. 소련의 인공위성 발사로 놀란 미국이 과학 전반을 개혁하고 대학마다 좋은 물리학 교수진을 확보하기 위해 경쟁했다. 물론 이런 환경이 제공된다고 저절로 이 박사 같은 업적을 낼 수 있는 것은 아니다. 그는 가장 어려운 문제에 도전해 남보다 먼저 해결하는, 이런 일을 감당할 능력이 있었다. 사실 이 정도의 물리학자가 있는 다른 나라는 그를 기리는 사업과 이름을 딴 연구소를 만드는 것을 당연시한다. 그런데 국내에서는 일부 물리학자들의 노력으로 그의 생과 업적을 살피는 일이 간간이 이어지고 있을 뿐이다. 특히 그와 같이 입자물리학에 뜻을 둔 젊은이들에게 도움을 주는 활동은 매우 적다. 필자의 생각으로는 출중한 인물들이 마음껏 기회를 잡고 더욱 발전할 수 있도록 하는 사회적 기반을 마련한다는 차원에서 그의 이름을 딴 물리학연구소 하나쯤은 만들 필요가 있다고 본다. 이론물리연구소 설립은 큰 재원 없이 얼마든지 만들 수 있다. 정부가 하지 못하더라도 이를 감당할 수 있는 기업도 많다. 캐나다 최고의 이론물리연구소인 페리메타 연구소는 블랙베리로 큰돈을 번 라자리디스가 1999년 만들었다. 2000년 설립된 카블리 재단은 전 세계에 기초과학 특히 이론물리학과 천체물리학 연구소들을 세우고 운영비를 대고 있다. 중국과 일본에도 카블리 연구소가 있다. 이런 연구소가 조속히 한국에 설립돼야 한다. 오로지 젊은 세대의 장래를 위한 연구소여야 한다. 이 박사가 생전에 한국의 젊은 과학도들에게 어떻게 기여할 것인가를 많이 고민했던 것처럼 그의 뜻을 살리는 방식으로 운영되는 연구소여야 할 것이다.

‘가디언즈 오브 갤럭시 VOL. 2’의 개봉 기념 은하 이미지 공개 ‘스타로드’(Star-Lord)라는 마블 코믹스는 우주의 영웅을 다룬 이야기지만, 우주에는 실제로 슈퍼 히어로라 할 만한 존재가 있어 우리가 상상하는 것 이상으로 은하들을 수호해주고 있다. 미국의 SF 코미디 액션 영화 ‘가디언즈 오브 갤럭시 VOL. 2’의 개봉을 기념하기 위해 지난 5일(현지시간) 허블 우주망원경 관련 과학자들이 놀라운 은하 이미지를 공개했다. 허블의 이미지가 보여주는 이들 은하의 풍경은 무수히 늘어선 은하들과 그 어마무시한 스케일로 우리를 압도하는데, 영화 속 마블 은하 같은 것은 거의 하찮게 보일 정도다. 우리가 사는 우주에는 은하만 해도 약 2000억 개 정도가 있다. 그런데 이 모든 은하의 총량보다 더 많은 미지의 물질이 은하들을 수호하고 있는데, 그것이 바로 암흑물질이라 불리는 존재다. ​우주망원경과학연구소 천문학자인 댄 코 박사는 허블이 잡은 이 은하단의 모습을 보면 암흑물질이 우주의 은하들을 어떻게 하나로 묶어주고 있는가를 알 수 있다고 설명한다. 그는 “사실 우주를 구성하고 있는 물질은 거의 암흑물질입이다. 우리 주위를 가득 채우고 있지만 아직까지 정체가 밝혀지지 않은 신비한 물질이다”면서도 “하지만 우리는 중력 렌즈 현상을 이용해 암흑물질 분포 지도를 만들 수 있다”고 말했다. 중력 렌즈 현상이란 천체의 중력이 빛의 경로를 휘어지게 하는 렌즈의 역할을 하는 현상으로, 중력이 클수록 이 현상은 더욱 크게 나타난다. “만약 이런 암흑물질이 없다면 우주의 은하들이 다 뿔뿔이 흩어지고 말았을 것”이라고 설명하는 댄 코 박사는 암흑물질이 은하의 진정한 수호자라고 밝힌다. 물론 암흑물질이 은하를 장악하려는 악당들을 물리칠 수는 없지만, 다행히도 과학자들은 허블 망원경이 잡은 우주에서 어떤 악당도 발견되지 않고 있다고 밝혔다. 참고로, 우주 구성물질의 비중을 보면, 암흑 에너지가 74%로 압도적인 비중을 차지하고, 그 다음이 암흑물질이 22%를 차지한다. 이 둘만 합해도 무려 96%다. 가시 물질이 나머지 4%인데, 그중 3.6%는 은하들 사이에 산재하는 가스이고, 관측 가능한 우주의 모든 것, 즉 모든 은하와 그 안에 있는 모든 별이 우주라는 ‘파이’에서 차지하는 양은 고작 0.4%에 지나지 않는다. 이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com

“유럽핵입자물리연구소(CERN)에는 기초과학자보다 공학자가 많습니다. 공학자에 의해 건설된 ‘엔지니어링 랩’이죠. 공학자들이 많다고 해서 돈이 되는 연구만 한다거나 기초과학자들만 있다고 돈 안 되는 연구만 한다는 의미로 받아들여서는 안 됩니다.”31일 서울 강남 임페리얼팰리스 호텔에서 기자들과 만난 에커트 엘슨 CERN 부소장은 “기초과학자들만 구성돼 있는 조직 아닌가”라는 질문에 이렇게 답했다. CERN은 유럽 12개국이 핵과 입자물리학 연구를 목적으로 1954년 스위스 제네바와 프랑스 국경 사이에 세운 연구소로 우주의 비밀을 풀 열쇠로 알려진 ‘힉스입자’를 발견한 곳으로 잘 알려져 있다. 그는 한국과 CERN 공동연구 협력 10주년을 기념하는 국제 심포지엄에 참석하기 위해 방한했다. CERN의 스탭연구자 2500명 중 40명만 물리학자이고 나머지는 기초연구를 수행하는 공학자들이다. 힉스입자처럼 검출하기 어려운 소립자들을 찾는 과정에서 암흑물질 같은 우주탄생의 비밀을 갖고 있는 입자는 물론 이들의 상호작용같이 새로운 물리법칙을 발견하는 것이 궁극적인 목표인데 이를 위해서는 공학자들이 더 많아야 한다는 것이다. “새로운 입자와 이들의 상호작용을 발견하기 위해 2035년까지는 현재 활용하는 거대강입자가속기(LHC)보다 더 크고 성능 좋은 미래형 원형충돌기(FCC)를 가동할 계획입니다. 이를 위해서는 물리학자뿐만 아니라 공학자들의 도움이 필수적입니다.” 엘슨 부소장은 CERN 연구에 한국 연구자들이 좀더 많이 참여하는 것도 기대하고 있다. “최근에는 160~170명의 한국 과학자가 연구에 참여해 새로운 검출기의 제작이나 장치의 업그레이드, 데이터 분석 등 분야에서 두각을 나타내고 있다”며 “한국이 CERN 연구의 재정적 지원을 포함해 연구자 참여 규모도 꾸준히 늘린다면 독자적 연구 프로그램을 진행할 수도 있을 것”이라고 언급했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

우리은하 끝자락에서 목성보다 90배나 더 큰 갈색왜성이 발견됐다. 최근 스페인 라 라구나대학 등 국제천문학연구팀은 지구에서 약 750광년 떨어진 곳에서 거대한 갈색왜성 'SDSS J0104+1535'를 발견했다고 발표했다. 유럽남방천문대(ESO)의 초거대망원경(VLT)으로 관측된 이 갈색왜성은 헤일로(Halo)라 불리는 우리은하 끝자락에 위치해있다. 헤일로는 은하 주변을 둘러싸는 구(球) 모양의 영역으로 별과 암흑물질로 이루어져 있다. SDSS J0104+1535 발견이 의미있는 것은 역대 발견된 갈색왜성 중 가장 큰 질량을 가진 것은 물론, 가장 순수한 성분으로 구성돼 있기 때문이다. SDSS J0104+1535는 99.99% 수소와 헬륨으로 구성돼 있으며, '태양계의 큰형님' 목성의 질량과 비교하면 90배 이상 크다. 지금으로부터 약 100억 년 전 태초의 가스로 형성됐을 것이라는 것이 연구팀의 설명. 연구에 참여한 중국계 장정화 박사는 "이렇게 순수한 갈색왜성을 발견할 수 있을 것이라 기대하지 않았다"면서 "이번 발견은 이보다 더 큰 천체가 존재할 가능성을 시사한다는 점에서 의미가 있다"고 밝혔다. 한편 갈색왜성(brown dwarf)은 별이 되려다 실패한 천체를 말한다. 행성보다는 크지만 태양 질량의 0.08% 미만의 질량을 가진 갈색왜성은 연속적인 수소 핵융합 반응을 유지할만한 중력을 가지지 못해 일명 '실패한 별'로 불린다. 사진=그래픽 상상도 박종익 기자 pji@seoul.co.kr

●IBS, 암흑물질 후보 검출 실패 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 지하실험연구단과 중앙대, 전남대, 세종대, 경북대, 한국원자력연구원, 한국표준과학연구원 공동연구진은 우주의 많은 부분을 차지하고 있는 암흑물질의 새로운 후보로 주목받고 있는 ‘비활성 중성미자’ 검출실험 수행결과를 21일 발표했다. 연구팀은 전남 영광 한빛 원자력발전소의 원자로를 이용해 단거리 중성미자 진동 실험을 수개월간 진행한 결과 기존에 예측됐던 비활성 중성미자 발견 예상영역에서는 암흑물질의 후보인 비활성 중성미자가 존재하지 않는다는 것을 밝혀냈다. 이번 연구는 미국 물리학회에서 발행하는 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스’ 21일자로 발표했다. ●국내 연구진 암 전이 메커니즘 규명 육종인 연세대 치대 교수, 황금숙 한국기초과학지원연구원 책임연구원 공동연구팀이 암이 다른 조직으로 퍼져가는 전이 과정에 대한 자세한 메커니즘을 밝혀내고 기초과학 및 공학분야 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’ 최신호에 발표했다. 연구진은 암세포가 주변 조직을 공격하거나 혈관이나 림프관을 타고 다른 조직으로 확산되는 전이 암세포는 스스로 커지는 증식 암세포와는 달리 ‘스네일’이라는 단백질을 이용하면서 대사를 조절해 이뤄진다는 것을 밝혀냈다. ●글로벌 멘토링 이공계 여대생 모집 한국여성과학기술인지원센터(WISET·소장 한화진)는 블룸버그 코리아, 듀폰 코리아와 함께 ‘글로벌 멘토링’에 참여할 이공계 여대생을 모집한다고 21일 밝혔다. 글로벌 멘토링은 글로벌 기업에 근무하는 여성과학기술인과 이공계 여대생이 정기적으로 온·오프라인을 통해 멘토링을 진행하는 프로그램으로 이공계 취업준비생에게 실질적 취업정보를 제공하고 있다. 자세한 내용과 참가신청은 WISET 홈페이지(www.wiset.or.kr)를 참고하면 된다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

지난달 27일 NASA에서 운영하는 '오늘의 천문사진(APOD)에 게시된 한 장의 사진이 우주 마니아들의 관심을 끌었다. 사진 중앙에 묘한 불빛들이 모여 있는 게 보인다. 무슨 신호등처럼 보이는 저 4개의 불빛은 사실 하나의 퀘이사(Quasar)다. 퀘이사란 'Quas i-stellar Object(준항성체)'의 준말로, 블랙홀이 주변 물질을 집어삼키는 에너지에 의해 형성되는 거대 발광체를 말한다. 하나의 퀘이사가 4개로 보이는 것은 전경을 이루는 은하가 중력 렌즈 역할을 하여 빛을 굴절시키기 때문이다. 이 중력 렌즈 현상은 약 100년 전 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 예측되었던 것이다. 거대한 질량의 물체는 중력으로 빛을 구부릴 수 있다고 예언했고, 이는 1919년 영국의 천문학자 에딩턴의 일식 관측으로 증명되었다. 이처럼 질량이 큰 천체는 주위의 시공간을 구부러지게 해서 빛의 경로를 휘게 함으로써 렌즈와 같은 역할을 하는데, 이를 일컬어 중력렌즈 현상이라 한다. 이 중력렌즈를 통해 보면, 은하 뒤에 숨어 있는 별이나 은하의 상을 볼 수 있다. 하나의 퀘이사가 4개로 보이는 중력 렌즈보다 더 기묘한 일은 저 깜박거리는 퀘이사가 우주의 팽창 속도를 알려준다는 사실이다. 퀘이사의 깜박거리는 주기를 측정하면 우주가 어떤 속도로 팽창하고 있는지를 알 수 있는데, 놀랍게도 우주의 팽창속도가 갈수록 빨라지고 있다는 관측결과가 나왔다. 말하자면 우주는 지금 가속 팽창을 하고 있는 중이다. 우주의 팽창이 가속되고 있다는 사실을 밝혀낸 브라이언 P. 슈미트 등 세 사람의 과학자들은 2011년 노벨 물리학상을 받았다. 우주의 팽창에 가속 패달을 밟고 있는 것이 무엇인지는 아직 아무도 모른다. 일부에서는 암흑물질이라고도 하고, 또 다른 이들은 중력의 알 수 없는 작용이라거나, 아니면 전혀 다른 어떤 원인이 있을 거라는 주장들이 난무할 뿐이다. 위와 같이 은하 렌즈가 비춰주는 퀘이사에 대해 더 세밀한 관측과 깊은 연구가 무엇이 우주 팽창의 가속 패달을 밟아대고 있는지를 알려줄 것이다. 이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com

2000억에서 4000억 개의 별을 가진 것으로 추정되는 우리 은하나 안드로메다은하와 달리, 몇십 억 개의 별을 가진 작은 은하를 왜소은하라고 부른다. 그런데 이런 왜소은하 여러 개가 중력으로 결합해 있는 ‘왜소은하군’이 사상 처음으로 관측됐다고 천문학자들이 23일(현지시간) 발표했다. 이번 발견은 이런 은하가 모여 우리 은하와 같은 커다란 은하를 형성하고 이때 수수께끼의 암흑물질이 작용한다는 유력한 이론을 뒷받침해 큰 주목을 받고 있다. 세계적 학술지 네이처의 자매지인 ‘네이처 아스트로노미’(Nature Astronomy) 최신호에 실린 이 연구논문에 따르면, 왜소은하군은 이미 이론화돼 있지만 지금까지 확인되지 않았던 것으로, 최근 ‘슬론 디지털 전천탐사’(SDSS)라는 사상 최대 규모의 탐사 자료에서 발견됐다. 이 자료는 2008년 발표된 뒤 정기적으로 업데이트됐다. 이번 연구에서 발견된 왜소은하군은 총 7개. 각각 3~5개의 왜소은하로 구성돼 있다. 그 크기는 우리 은하의 10분의 1에서 1000분의 1 정도까지 다양하다. 왜소은하의 특징은 우리 은하와 달리 새로운 별의 생성을 오래전부터 멈추고 있다. 이번 연구를 이끈 미국국립전파천문대(NRAO)의 천체물리학자 사브리나 스티어월트 박사는 “이런 은하군은 중력으로 묶여 있어 미래에는 융합돼 하나의 큰 중간질량 은하를 형성할 것”이라고 설명했다. 또한 “이번 발견으로 초기 우주에서 은하 등 구조가 어떻게 형성됐는지에 관한 몇 가지 중요한 문제를 해명하는 단서를 얻을 수 있다”고 말했다. 현재 은하 형성에 관한 유력한 이론은 약 137억 년 전 빅뱅이 일어난 뒤 더 작은 은하들이 생겼고 이들이 결합해 더 큰 은하를 형성해 왔다는 것이다. 하지만 이런 융합 과정이 왜소은하 정도의 작은 규모에서 발생했다는 것을 보여주는 증거는 지금까지 답답할 정도로 거의 없었다고 스티어월트 박사는 말한다. 그리고 그 이유 중 하나로 왜소은하의 관측이 어렵다는 것을 꼽고 있다. 참고로 맨눈으로 볼 수 있는 왜소은하는 대마젤란은하와 소마젤란은하가 유일하다. 천문학자들은 10년 전 시점에서 왜소은하를 몇십 개밖에 발견하지 못했다. 이후 망원경의 대형화로 발견 횟수가 늘어나긴 했지만, 지금까지 발견된 왜소은하는 고립된 낱은하(Field galaxy)나 더 큰 은하에게 잡아먹힐 위성은하(satellite galaxy) 중에 한 유형일 뿐이었다. 이에 대해 스티어월트 박사는 “우리가 발견한 것과 같은 저질량 은하로만 구성된 독립적인 은하군은 우리 은하와 같이 더 큰 은하들이 만들어지게 되는 메커니즘을 밝힐 수 있다”고 지적했다. 지구에서 2억~6억5000만 광년 거리에 있는 이번 은하군에 대해서는 “거리가 매우 먼 것처럼 생각되지만 우주의 엄청난 크기를 생각하면 비교적 가까운 것”이라고 설명했다. 연구팀은 이번 발견을 확인하기 위해 칠레 라스 캄파나스 천문대에 있는 발터바데 망원경 등 세계 각지의 망원경으로도 관측을 시행했다. 이제 연구팀은 이번 연구로 우주의 4분의 1을 구성하는 것으로 여겨지고 있는 정체불명의 암흑물질에 관한 이해를 높일 수 있을 것이라고 기대한다. 암흑물질은 우주의 다른 천체에 미치는 중력을 통해서만 감지되는데 미지의 소립자로 구성돼 있을 가능성이 있다. 그런데 왜소은하에는 이보다 큰 은하보다 훨씬 더 많은 암흑물질이 존재하는 경향이 있다고 스티어월트 박사는 말한다. 이는 이런 작은 은하군이 암흑물질의 중력에 영향을 더 잘 받는다는 것. 또한 왜소은하는 비교적 나이가 오래돼 있어 가스나 먼지 같은 파편을 거의 갖고 있지 않아 방해 없이 암흑물질을 조사할 수 있다고 한다. 따라서 왜소은하군은 이런 암흑물질을 이해하기 위한 탐구 과정에 있어서 중요한 역할을 할 수 있는 흥미로운 천체라고 할 수 있다고 연구팀은 말하고 있다. 사진=Kelsey E Johnson, Sandra E Liss, and Sabrina Stierwalt(위) Nature Astronomy 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

보통 은하라고 하면 우리 은하나 안드로메다 은하처럼 크고 멋진 나선 팔을 가진 대형 은하를 생각한다. 우리에게 가장 친숙한 은하는 역시 우리가 지금 있는 은하이기 때문이다. 하지만 사실 은하의 대부분을 차지하는 것은 작고 불규칙한 모습을 지닌 왜소은하다. 큰 은하보다 작은 은하가 더 많다는 것은 사실 생각해보면 당연한 일인데, 우리 은하처럼 큰 은하 주변에는 수십 개의 작은 왜소은하가 위성은하의 형태로 존재한다. 은하처럼 큰 천체는 쉽게 찾을 수 있을 것 같지만, 과학자들은 아직 찾지 못한 우리 은하 주변 위성은하가 여럿 있다고 보고 있다. 왜냐하면, 새로운 위성은하가 계속 발견되고 있기 때문이다. 지금까지 발견된 우리 은하 주변 위성은하만 50개에 이르는데, 관측기술이 발전하면서 더 희미하고 찾기 어려운 은하가 발견 중이다. 그런데 이번에 가장 희미한 위성은하가 발견됐다. 일본 도호쿠 대학의 과학자들은 8.2m 구경의 스바루 망원경을 이용해서 지구에서 28만 광년 떨어진 위치에 있는 매우 희미한 위성은하를 발견했다. 이 은하는 '비르고 I' (Virgo I)으로 명명되었는데, 극도로 희미한 은하(ultra-faint dwarf galaxies)라는 명칭을 얻었다. 이 은하의 절대등급은 -0.8에 불과해서 우리 은하의 크고 밝은 별 하나에도 미치지 못하는 수준이다. 사실 거리를 생각하면 외부 은하에 있는 별 하나를 찾아내는 수준으로 어려운 일이다. 이번에 이 은하를 찾아낸 것은 스바루 망원경의 하이퍼 슈프림 캠(Hyper Suprime-Cam) 장치 덕이다. 이를 통해서 이제까지 베일에 가려 있던 희미한 은하의 정체가 밝혀졌다. 하지만 이번 발견의 의미는 단순히 희미한 은하를 찾았다는 것이 아니다. 이 은하가 희미한 이유는 어두운 별로 구성되었을 뿐 아니라 일반적인 물질 대신 암흑물질이 많은 비중을 차지하고 있기 때문이다. 과학자들은 우주 대부분이 암흑물질과 암흑에너지로 구성되어 있다고 생각하고 있다. 하지만 사실 망원경으로 찾아낸 물질과 암흑물질은 현재 은하 사이의 중력을 설명하기에 충분치 않다. 아직 찾지 못한 물질과 암흑물질이 있다는 이야기다. 이번 발견은 아직 우리가 모르는 희미한 은하 수백 개가 존재할 가능성을 시사한다. 숨겨진 질량을 찾기 위해 과학자들은 앞으로 더 많은 은하를 찾아 나설 것이다. 지금 보이는 것만이 아니라 아직 찾지 못한 은하에도 진리가 숨어있기 때문이다. 고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com 　

2017년 정유년(丁酉年)이 시작됐다. 새해를 맞아 우리나라의 장래를 짊어지고 있는 젊은이들, 특히 과학자를 꿈꾸는 이들에게 과학 분야에서 조금 먼저 경험한 선배로서 한말씀을 드리고자 한다. 일반 독자들도 이런 젊은이들이 제대로 된 과학을 할 수 있는 환경을 만드는 데 여러 가지 도움을 줄 수 있도록 부탁을 드린다. 흔히 과학자가 되려면 몇 가지 자질이 있어야 한다고 생각하기 쉽다. 수학, 과학 ‘성적’에 대한 선입견이 대표적이다. 그러나 과학의 발전은 과거 어느 때보다 빠르고 지식의 양도 기하급수적으로 늘고 있기 때문에 여러 분야에 걸쳐 다양한 소양을 가진 사람이 새로운 분야를 개척하기 좋은 환경이 돼 있다. 부족한 소양이 있을 때는 다른 사람과의 협업으로 메꿀 수도 있다. 성공한 과학자들의 모습을 흉내 내려고 하면 자신이 가장 활발하게 활동하게 되는 20~30년 후에는 별로 쓰임이 없는 사람이 될 가능성이 있다. 또 현재 많은 사람들이 이미 활발하게 연구하는 분야에 관심을 가진다면 공부는 많이 하게 되겠지만 독창적인 새로운 결과를 얻을 수 없을 것이다. 연구 주제를 찾을 때 명심할 것은 많은 사람이 몰려 있는 분야의 반대쪽에서 자신의 주제를 찾아보려고 노력해야 한다는 것이다. 이를 위해서는 용기가 필요하다. 이런 용기의 버팀목이 되는 것은 관심 분야에 대한 열정이다. 열정은 크고 작은 난관을 헤쳐 나갈 수 있게 한다. 과학에 대한 호기심과 열정은 우리의 유전자 속에 깊이 있고 이를 통해 인류가 발전해 왔기 때문에 이에 대한 무한한 자부심을 가질 필요가 있다. 이 같은 열정을 포기하게 만드는 사회 환경이라면 시급히 개선해야 한다. 많은 사람이 연구하는 분야는 재정적 지원이 많아 논문을 쓰기도 쉬울 뿐만 아니라 쓴 논문이 다른 사람들에게 인용되기도 쉽다. 더군다나 현재 우리나라의 여러 평가 시스템에서는 논문 수를 강조하고 있다. 정부뿐만 아니라 대학에서도 마찬가지다. 문제는 이런 과정에서 진정한 선구자가 되려고 노력하는 연구자들이 도태되고 있다는 것이다. ‘패스트 팔로어’로만 가득 찬 연구 생태계가 됐다. 또 몇 개의 거대 연구단에서는 좋아하는 주제를 마음껏 연구토록 하겠다는 원래의 취지는 좋지만 결국 전체 연구생태계를 교란하고 있다. 연구비 독점도 그렇지만 더 심각한 것은 젊은 연구자들을 블랙홀처럼 빨아들이고 있다는 점이다. 자유롭게 자신의 독창성을 계발할 시기에 군중의 일원이 되는 시스템을 만들어 버린 것이다. 젊은 과학자는 자신만이 갖고 있는 고유의 전문성을 가질 수 있는 분야를 개척하는 기회를 가져야 한다. 이제는 우리 사회도 과학자들이 마음껏 연구할 수 있는 환경을 만들기 위해서는 모든 제도를 원점에서 따져 봐야 한다. 몇 가지 어려움이 있다는 이유로 개혁을 더이상 늦춰서는 안 된다. 지난 크리스마스 때 암흑물질의 존재에 대한 간접적 증거를 발견한 천문학자 베라 루빈이 별세했다. 1970년대에 은하계의 회전 속도를 꼼꼼히 관찰해 속도가 보이는 물질로는 설명이 되지 않는다는 것을 발견함으로써 보이지 않는 ‘암흑물질’이 필요하다는 것을 보인 것이다. 그는 프린스턴대학원에 입학하고 싶었지만 여성 차별 분위기로 다른 대학원에서 공부했다. 암흑물질이 물리학과 천문학에 미친 영향은 그 어느 것보다도 중요함에도 불구하고 노벨상을 받지 못했다. 그렇다고 그의 업적이 노벨상을 받은 그래핀, 청색 LED, 중성미자, 힉스 입자에 못 미친다고 이야기하는 과학자는 거의 없다. 과학에서 외부 평가는 완전히 과학적이고 객관적이지만은 않다. 그러나 사람들은 다 알고 있다. 끝으로 현재 우리 사회에서 쏠림 현상이 있는 연구 주제와 연구생태계에 쓴소리를 하는 필자의 이야기는 ‘통섭’이란 책으로 유명한 생물학자 에드워드 윌슨 하버드대 교수가 이미 2012년 ‘젊은 과학자에게 보내는 편지’에서 강조한 것들이다. 많은 사람이 있는 곳으로 가지 말고 ‘총소리 나는 반대 방향으로 진군하라’는 말이다.

12월 25일 크리스마스는 천문학과 깊은 관련이 있는 날처럼 보인다. 1642년 12월 25일에는 아이작 뉴턴이 태어났고, 올해 크리스마스에는 천문학계의 또 다른 영웅 베라 루빈이 노환으로 세상을 떠났다. 88세. 미국의 여성 천문학자 베라 루빈은 현대 우주론의 한 분야인 암흑물질 연구에 선구적인 업적을 남긴 과학자로, 그의 업적은 30년대 이후 주목받지 못하던 암흑물질 가설을 되살려 이론으로 나아가게 하는 데 중요한 계기가 되었다. 천문학 발달사에 큰 분수령을 이루는 암흑물질에 대한 최초의 예측은 스위스 출신 물리학자인 프리츠 츠비키 칼텍 교수가 1933년에 '정체불명의 물질이 우주의 대부분을 구성하고 있다'고 발표함으로써 세상에 알려지게 되었다. 우주 안에는 우리 눈에 보이는 물질보다 몇 배나 더 많은 암흑물질이 존재한다는 주장이었다. 우주론 역사상 가장 기이한 내용을 담고 있는 이 주장은 간단히 무시되었고, 세월과 함께 묻혀진 채 망각되었다. 오래 잊혀졌던 암흑물질을 다시 무대 위로 올린 주인공이 바로 베라 루빈이었다. 어린 시절부터 아버지의 도움으로 천문학의 매력에 빠진 루빈은 1948년 배서대학을 졸업한 후, 프린스턴대학원에서 천문학을 공부하고자 했다. 하지만 당시 이 대학원은 천문학 과정의 여성 입학을 허용하지 않아 그는 다른 대학원들에서 석·박사 과정을 마쳤다. 코널 대학에서는 리처드 파인만, 한스 베테 같은 거물들에게 배웠다. 츠비키로부터 한 세대가 지난 1962년, 베라 루빈은 1950년대 애리조나에 있는 키트피크 천문대에서 은하 내 별들의 회전 속도를 측정하면서 비정상적인 움직임을 발견했다. 은하 중심부에 가까운 별들이나 멀리 떨어진 별들의 공전속도가 거의 비슷하게 나타나고 있었다. 이것은 케플러의 법칙을 정면으로 거스르는 처사였다. 이 법칙에 따르면, 바깥쪽 별들의 속도가 당연히 한참 느린 것으로 나와야 한다. 태양 둘레를 도는 행성들만 보더라도 그렇다. 초당 공전속도를 보면, 수성은 47km, 지구는 30km, 해왕성은 수성의 10분의 1밖에 안되는 5km다. 만약 해왕성이 수성의 속도로 공전한다면 애시당초 태양계를 탈출하고 말았을 것이다. 그런데 은하는 왜 형태를 유지하고 있는가? 이미 한 세대 전 츠비키가 예언했던 것이었다. 그러나 루빈의 경우도 마찬가지로 학계에서 묵살당하고 말았다. 이번에는 여자라는 성(性)이 문제가 되었다. 당시 남녀차별은 천문학 동네의 뿌리 깊은 관습법이었다. 그러나 전세는 대역전되었다. 암흑물질 이론의 근거가 될 만한 관측 증거들이 잇달아 발견됨에 따라 현재는 암흑물질이 우리 우주의 운명을 결정할 거라는 데 반기를 드는 학자들은 거의 사라지고 말았다. 암흑물질의 존재를 가장 극적으로 증명한 것은 중력렌즈 현상의 발견이었다. 빛이 중력에 의해 휘어져 진행한다는 것은 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 의해 예측되었고, 1919년 영국의 천문학자 에딩턴의 일식 관측으로 증명되었다. 질량이 큰 천체는 주위의 시공간을 구부러지게 해서 빛의 경로를 휘게 함으로써 렌즈와 같은 역할을 하는데, 이를 일컬어 중력렌즈 현상이라 한다. 이 중력렌즈를 통해 보면, 은하 뒤에 숨어 있는 별이나 은하의 상을 볼 수 있다. 결론적으로, 최신 성과가 말해주는 암흑물질의 현황은 다음과 같다. 우주 안에서 우리 눈에 보이는 은하나 별 등의 물질은 단 4%에 불과하고, 나머지 96%는 암흑물질과 암흑 에너지이다. 그중 암흑물질이 23%이고, 암흑 에너지는 73%를 차지한다. 이것은 어찌 보면 허블의 팽창 우주에 버금갈 만한 우주의 놀라운 현황일지도 모른다. 성차별에 시달리긴 했지만 루빈은 츠비키와는 달리 보상을 받았다. 그로부터 30년이 흐른 뒤인 1993년 빌 클린턴 대통령 시절에 ‘국가과학메달’을 받았으며, 이듬해인 1994년에는 암흑물질 연구에 관한 공로로 미국 천문학회가 주는 최고 상인 헨리 노리스 러셀(H-R그림표를 만든 천문학자) 상을 받았다. 그녀는 2000여 명의 과학자들이 모인 앞에서 수상 강연을 한 후, 엉뚱스럽게도 '은하수 히치하이커를 위한 안내서'라는 TV드라마 주제가를 불렀다고 한다. 그런데 재미있는 일은 그 많은 과학자들도 그녀의 노래에 맞춰 합창을 했다는 사실이다. 천문학 동네에서만 볼 수 있는 진풍경이리라. 우주를 바라보는 인류의 시각을 크게 바꾸어놓은 베라 루빈. 그녀가 그토록 사랑했던 우주로 돌아가 평화로이 영면하기를 기원한다. 이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com

암흑물질(dark matter)이란 눈에 보이지 않는 것은 물론 현재의 어떤 관측으로도 측정할 수 없는 물질이다. 과학자들은 비록 이 물질의 정체를 모르고 있지만, 그 존재만은 확신하고 있다. 왜냐하면, 이 물질이 행사하는 중력 때문이다. 우리 은하나 은하들이 모인 은하단이 현재 모습을 유지하면서 공전하거나 자전하기 위해서는 현재 있는 물질의 중력만으로는 부족하다. 실제 중력 가운데 별이나 가스 같은 물질이 행사하는 중력은 사실 1/6에 불과하다. 다시 말해 우주에 있는 물질의 80% 이상이 정체를 모르는 미스터리 물질인 암흑 물질이라는 셈이다. 하지만 우주의 신비는 여기서 끝나지 않는다. 우주에는 암흑물질과 물질을 합친 것보다 훨씬 많은 암흑 에너지가 존재해서 중력을 이기고 우주를 팽창시키고 있다. 우리가 아는 물질은 사실 우주의 아주 작은 부분에 불과하다. 카네기과학연구소(Carnegie Institution for Science)와 캘리포니아 공대의 합동 연구팀은 우리 은하와 비슷한 은하 주변의 위성 왜소 은하들의 움직임을 더 잘 설명할 수 있는 암흑 물질 모델을 만들었다. 보이지 않는 암흑 물질의 분포를 설명하기 위해서는 이들이 행사하는 중력을 파악하는 방법밖에 없다. 과학자들은 암흑 물질의 분포를 가정한 후 이들이 행사하는 중력에 따른 은하의 움직임을 시뮬레이션한다. 그 결과 우리 은하와 비슷한 은하의 암흑 물질은 관측으로 보이는 은하보다 훨씬 넓은 범위에 펼쳐져 있음이 밝혀졌다.(사진) 암흑 물질은 우리 은하와 은하 주변 공간에 넓게 퍼져 있으며 사실 지금 우리 주변에도 존재하는 것으로 보인다. 우주에는 실제 물질은 별로 없고 암흑 물질로만 구성된 암흑 은하도 존재한다. 연구팀은 이런 암흑 은하의 존재를 설명할 수 있는 더 정교한 암흑 물질 모델을 만들기 위해 노력하고 있다. 21세기 과학의 최대 미스터리인 암흑 물질의 비밀은 아직 풀리지 않았지만, 언젠가 인류 앞에 그 비밀을 드러낼 것이다. 고든 정 통신원 jjy0501@naver.com

수십억 년 걸린 은하 형성을 100초 만에 본다 우리은하가 오늘날과 같은 방대한 규모와 복잡한 구조를 갖추기까지는 수십 억 년에 이르는 시간이 걸렸다. 우리은하가 초창기에 물질을 모으기 시작해서 거대한 별들의 나선 디스크를 만들어나가기까지는 오랜 시간 동안 복잡한 진행과정을 거쳐야 했다. 이 같은 우리은하의 형성과정을 이해하기 위해 여러 해 동안 연구해온 천문학자들은 마침내 그 대강의 형성과정을 알아내기에 이르렀다고 영국 일간지 데일리메일이 12일(현지 시간) 보도했다. 이들은 우리은하의 형성과정을 대용량의 컴퓨터를 동원, 상세한 시뮬레이션으로 구현했는데, 그 덕분에 우리는 수십억 년에 이르는 은하 탄생의 전 과정을 100초 남짓 만에 볼 수 있다. 이 시뮬레이션은 동시에 우리은하에 관한 20년 묵은 미스터리를 풀어주었는데, 수많은 왜소은하들이 우리은하 주변을 떠돌고 있을 거라는 예측이 있었지만, 확인된 숫자는 겨우 30%에 지나지 않고 있어 그 나머지의 행방은 미스터리에 싸여 있었다. 왜소은하의 숫자는 우리은하 주변에 둘러싸고 있는 암흑물질을 조사함으로써 예측된 것이다. 이 '사라진 왜소 위성은하 문제'는 이전에도 컴퓨터 시뮬레이션으로 추적되었지만 여전히 풀리지 않는 미스터리로 남아 있었다. 하지만 캘리포니아 공과대학(Caltech) 연구자들이 만든 새 시뮬레이션은 우리은하 형성에 관련된 왜소은하들의 정확한 숫자를 보여주고 있다. 논문 대표저자인 칼텍의 앤드류 웨츨 박사는 "우리은하 둘레의 왜소은하와 같은 것들을 시뮬레이션이 생성해내는 것을 본 바로 그때, 깨달음의 순간이 찾아왔다"고 말했다. 초신성 폭발의 강력한 푹풍이 왜소은하들을 찢어버린 것이다. 시뮬레이션은 수천 대의 컴퓨터가 동원되어 70만 시간 작업한 끝에 완성된 것이다. 그 결과 우리는 강력한 초신성 폭발이 왜소은하들을 휩쓸어버리는 드라마틱한 광경을 볼 수도 있다. 초거성이 별의 진화단계 마지막에 이르면 대폭발을 일으켜 생을 마감하는데, 이것을 초신성 폭발이라 한다. 시뮬레이션은 초신성 폭발에서 발생한 폭풍이 초속 수천 킬로미터의 속도로 '왜소은하의 가스와 별들을 휩쓸어 버리는 광경을 보여준다'고 웨츨 박사는 밝혔다. 이전의 시뮬레이션들은 이 같은 초신성 폭발의 영향을 제대로 구현하지 못했다. "우리는 그전에 혹시 이 시뮬레이션에 적용한 암흑물질에 대한 정보가 잘못된 것이 아닐까 생각한 적도 있었지만, 완성된 시뮬레이션을 보니 우리 생각이 맞았다는 것을 확신할 수 있었습니다." 웨츨 박사는 "우리는 보다 정확한 초신성 모델로 정답을 얻어냈다"고 덧붙였다. 이 논문은 '천체물리학 저널 레터’(The Astrophysical Journal Letters)'에 발표되었다. 이광식 통신원 joand999@naver.com

물리학자들이 암흑물질의 수수께끼를 푸는 데 도움이 될 새로운 기본 입자의 존재를 예측해냈다고 영국 일간 데일리메일 등 외신이 6일(현지시간) 보도했다. 학자들이 ‘마달라 입자’(Madala boson)라는 이름으로 새롭게 제시한 이 입자는 힉스 입자(힉스 보손)와 유사성이 많지만, 다른 점은 우주의 약 27%를 구성하는 암흑물질과 상호작용하는 것으로 추정된다. 여기서 마달라는 아프리카 줄루어로 ‘오래된’(old)이라는 의미가 있다. 남아프리카공화국(이하 남아공) 비트바테르스란트대의 고에너지물리학(HEP) 그룹에 속한 과학자들은 유럽입자물리연구소(CERN)의 강입자충돌기(LHC)에서 시행한 여러 실험 자료를 분석해 주요 특징과 특성이 자신들이 제시하는 마달라 가설과 관련돼 있다는 것을 발견했다. 이들은 힉스 입자가 발견됐던 2012년 당시 CERN의 LHC 실험에 기초한 초기 가설을 세웠다. 연구자들은 미국과 영국, 중국, 인도, 스웨덴의 과학자들과 협력해 2015년과 2016년에 반복한 LHC 실험에서 나온 결과들이 마달라 가설로 나타나는 현상과 일치한다는 것을 알아냈다. 마달라 입자에 관한 가설은 암흑물질과 상호작용하는 완전히 새로운 입자이자 분야로 설명된다. 이번 연구를 이끈 HEP 그룹의 브루스 멜라도 교수는 “현대 물리학은 아인슈타인과 양자역학 아버지들이 살았던 시대와 비슷한 중대한 갈림길에 서 있다”면서 “고전 물리학은 수많은 현상을 설명하는 데 실패했고 결과적으로 현대 물리학이라는 현재 우리가 아는 상대성이론과 양자물리학과 같은 새로운 개념으로 혁신할 필요가 있었다”고 말했다. 물리학의 표준모형은 2012년 힉스 입자의 발견으로 완성됐지만, 암흑물질을 포함해 몇몇 특정 현상은 여전히 설명하지 못한다. 하지만 이들 연구자는 마달라 입자가 암흑물질의 이해하기 힘든 기원을 설명하는 것을 도울 수 있다고 말한다. 사진=LHC 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

눈에 보이지 않지만 우주 대부분을 차지하고 있는 것으로 생각되는 수수께끼의 물질인 암흑물질은 우주에 관한 연구 중에서도 관심이 크다. 그런데 미국 예일대 연구진이 거의 암흑물질만으로 이뤄져 있는 것으로 추정되는 전혀 새로운 은하를 발견해내 암흑물질의 특성을 해명하는 데 기대가 모이고 있다. ‘드래곤플라이 44’(Dragonfly 44)라는 이름이 붙여진 이 은하는 약 3.6억 광년 거리에 있는 머리털자리은하단에 있는 것으로 우리 은하와 거의 같은 크기를 갖고 있지만 질량은 0.01%밖에 없고 나머지 99.99%는 암흑물질로 구성돼 있다. 사실 연구진은 원래 이 같은 암흑물질 은하를 찾고 있던 것은 아니라고 밝혔다. 이번 발견을 이끈 피터 반 도쿰 교수는 “우리는 원래 은하의 외곽에 무엇이 존재하는지를 연구하려고 했다. 하지만 공교롭게도 작은 반점을 확인할 수 있었다”고 말했다. 연구진은 처음에 촬영된 이미지에 결함이 있다고 생각했지만, 이후 데이터를 상세하게 검증해 전혀 새로운 종류의 물질이라는 것을 밝혀냈다. 은하수로도 불리는 우리 은하와 같은 일반적인 은하는 대부분 무수히 많은 별에 지배돼 있어 암흑물질은 뿔뿔이 흩어져 존재한다. 하지만 이번 암흑물질 은하는 그 전체가 암흑물질이 차지하고 있어 매우 특이할 뿐만 아니라 지금까지 연구가 진행되지 않았던 암흑물질을 직접 조사할 수 있다는 점에서 암흑물질 해명에 큰 도움이 될 것으로 기대되고 있다. 또한 연구진은 이번에 발견한 은하가 유일하게 암흑물질로 된 은하는 아닐 것으로 생각해 그 주변에서 비슷한 은하를 찾아낼 수 있다고 기대감을 나타내고 있다. 한편 이번 연구성과는 ‘천체물리학 저널 레터’(The Astrophysical Journal Letters) 최신호(25일자)에 실렸다. 사진=Pieter van Dokkum, Roberto Abraham, Gemini, Sloan Digital Sky Survey 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

중국이 세계 최초로 양자통신 위성을 쏘아 올렸다. 해킹과 도·감청에서 자유로운 통신을 가능케 하는 양자통신 위성은 기존 통신 기술을 대체하는 혁명적인 변화를 몰고 올 것으로 기대된다. 신화통신 등은 16일 오전 1시 40분 북서부 간쑤성 고비사막에 있는 주취안 위성발사센터에서 세계 최초 양자통신 위성을 탑재한 장정2D 로켓이 발사됐고 위성이 본 궤도에 올랐다고 보도했다. 양자통신은 무작위로 생성되고 딱 한 번만 읽을 수 있는 양자 암호를 활용한 기술이다. 송신자와 수신자 외에는 정보를 정확히 읽을 수 없고 외부에서 해킹을 시도할 경우 양자 상태가 흐트러지면서 정보가 깨진다. 해킹 시도는 바로 발각된다. 특별한 보안이 요구되는 금융망 및 국가안전망에 새로운 패러다임을 제공하는 통신기술이어서 세계 각국이 경쟁적으로 개발에 나서고 있다. 국내에서는 SKT가 올 초 양자통신 기술 시연에 성공한 바 있다. 월스트리트저널(WSJ)은 “손대면 터지는 거품에 글씨를 써서 보내는 신기술 개발 경쟁에서 중국이 독보적인 위치에 올랐다”면서 “유전자 편집, 슈퍼컴, 전파망원경, 우주 암흑물질 탐사에 이어 과학기술 핵심 분야에서 다섯 번째 세계 1위 기술을 보유하게 됐다”고 평가했다. 그동안 양자통신은 지상에서만 실험적으로 이뤄졌다. 2007년 독일 기술팀이 144㎞ 떨어진 두 지점을 양자통신으로 연결한 게 가장 긴 거리다. 중국은 ‘묵자’(墨子)로 명명된 이 위성을 활용해 1200㎞ 떨어진 베이징과 오스트리아 빈 사이에 양자통신망을 실험적으로 구축할 계획이다. 춘추전국시대 사상가인 묵자는 빛의 직선전파를 주장하는 등 물리학과 광학에서도 뛰어난 성과를 남겼다. 중국이 ‘우주 굴기’에서 또 한 번 신기원을 이룬 것은 국가 차원의 대대적인 투자 덕분이다. 2015년 중국의 기초과학 투자액은 1010억 달러(약 110조 5000억원)로 10년 전 19억 달러에 비해 53배나 늘었다. 2013년 에드워드 스노든의 폭로로 미국이 자국 통신망을 들여다보고 있다는 사실을 안 중국은 해킹에서 자유로운 양자통신을 국가 핵심 연구 분야로 선정했다. 특히 중국은 전 세계 연구소에 포진한 자국 과학자들을 불러 모으고 있는데, 이번 위성 개발 프로젝트를 책임진 판젠웨이(潘建偉) 중국 과학기술대 교수도 해외에서 복귀한 인물이다. 판 교수는 “세계적인 연구 성과를 모조리 흡수해 새로운 기술을 개발한 뒤 이를 다시 세계에 환원하는 게 우리의 목표”라고 말했다. 베이징 이창구 특파원 window2@seoul.co.kr 서울 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

우주에 관해 가장 궁금한 것 중의 하나는 과연 우주는 끝이 있을까 하는 문제일 것이다. 우주는 지금 이 순간에도 쉬지 않고 빛의 속도로 팽창하고 있다. 인류가 우주팽창을 발견한 것은 20세기 초반으로, 아직 백 년도 채 안된다. 5000 년 과학사에서 최대 발견으로 일컬어지는 이 우주의 팽창은 우리가 딛고 사는 땅덩어리뿐만 아니라 하늘도 불안정하기 짝이 없다는 황망한 사실을 인류에게 계시해준 것이었다. 우주 속의 모든 은하들은 서로로부터 하염없이 멀어지고 있다. 마치 싸우고 삐진 아이들처럼. ​우주는 가속팽창하고 있다! 그러다면 이 우주는 언제까지 이렇게 팽창을 계속할 것인가? 불과 10년 전까지만 해도 우주 안에 담긴 물질의 중력으로 인해 팽창속도가 점차 느려질 것으로 과학자들은 생각했다. 그런데 그게 아니었다. 우주의 팽창속도는 점점 더 빨라지고 있다는 놀라운 사실이 발견되었다. 말하자면 우주는 계속 가속 페달을 밟고 있다는 것이다. 우주는 지금 가속팽창을 하고 있는 중이다. 이는 지구로부터 아주 멀리 떨어진 초신성들을 우주 잣대로 하여 관측된 사실인데, 두 개의 다른 팀이 이 사실을 발견해 2011년 함께 노벨 물리학상을 받았다. ​ ​이들은 지난 1998년께 지구에서 멀리 떨어진 50개 이상의 초신성을 관찰한 결과 이들이 폭발하면서 내뿜은 빛이 예상보다 약하다는 사실을 밝혀냈다. ​스웨덴 노벨위원회는 이러한 현상이 우주의 팽창속도가 빨라지고 있음을 보여주는 것으로, 천체물리학을 뿌리부터 뒤흔든 놀라운 발견이라고 평가했다. 이와 더불어 이들이 초신성 관찰을 통해 우주의 팽창속도가 점점 더 빨라지는 사실을 규명해 "미지의 대상인 우주의 장막을 걷어내는 데 일조했다"고 선정 이유를 밝혔다. ​그렇다면, 왜 우주는 점점 더 빨리 팽창하고 있는가? 무엇이 우주 팽창의 가속 페달을 밟고 있다는 건가? 현재 과학자들은 암흑 에너지를 유력한 용의자 선상에 떠올려놓고 있다. ​그러나 암흑 에너지의 정체가 무엇인지는 아무도 모른다. 존재 자체는 의심할 바 없는데, 그 얼굴과 신상 파악은 전혀 안 되고 있다는 뜻이다. ​그래서 암흑 에너지는 암흑물질과 함께 현대 물리학의 최대 수수께끼이자 화두가 되고 있다. 현재까지 암흑 에너지에 대해 확실히 알려진 것은 우주 전체 질량의 4분의 3을 차지하고 있다는 사실뿐이다. ​이들의 발견대로 우주 팽창이 이대로 계속 가속되면 우주는 최후는 어떻게 될까? 과학자들은 결국 우주가 거대한 하나의 얼음 무덤으로 끝나게 될 것이라고 생각하고 있다. ​​안과 밖이 따로 없는 우주의 구조 그럼 팽창하고 있는 이 우주의 끝은 어디일까? 과연 우주의 끝이라고 할 만한 게 있기는 한 것일까? ​ ​우리가 볼 수 있고 관측할 수 있는 우주에 국한해 생각한다면 우주의 끝은 분명 있다. 138억 년 전에 우주가 태어났으니까, 우리는 빛이 138억 년을 달리는 거리까지만 볼 수 있을 뿐이다. 그것을 우주의 지평선이라고 한다. ​우리는 우주 지평선 너머에 있는 사건들을 볼 수가 없다. 밤하늘이 어두운 이유도 바로 거기에 있다. 아직 그 너머의 빛이 지구에까지 도착하지 못했기 때문이다. 우주가 계속 팽창하고 있기 때문에 그 너머의 빛은 영원히 우리에게 도달하지 못할 것이다. 그러니까 인류가 만일 멸망하지 않고 지구에서 영원히 살아 남는다고 해도 지구 밤하늘이 밝아지는 일은 결코 없을 거란 얘기다. ​​우주 지평선 너머에는 과연 무엇이 있을까? 우주의 등방성과 균일성을 신줏단지처럼 믿고 있는 천문학자들은 그곳의 풍경도 이쪽의 풍경과 별반 다르지 않을 거라고 생각하고 있다. 신은 공평하니까 거기라고 해서 여기와 크게 다르게 무엇을 창조해놓았을 리는 없다고 생각하는 것이다. 하지만 아무도 확신할 수는 없다. 우리는 영원히 그 너머의 풍경을 엿볼 수 없을 것이므로. ​이런 사연으로 인해 우주의 끝 문제는 그리 간단하지가 않다. 우주의 구조가 우리가 일상적으로 겪고 보는 것들과는 전혀 다른 형태를 하고 있는 것도 또 한 가지 이유이기도 하다. ​ ​한마디로 우주는 안과 밖이 따로 없는 구조를 하고 있다. 뭐? 그런 게 어디 있어? 안이 있으면 바깥도 있는 거지. 사람들은 보통 상식적으로 그렇게들 생각하지만, 안 그런 사물들도 있다. ​뫼비우스의 띠만 해도 그렇다. 한 줄의 긴 띠를 한 바퀴 틀어 서로 연결해보라. 그 띠에는 안과 밖이 따로 없다. 국소적으로는 안팎이 있지만, 전체적으로는 서로 연결된 구조다. 만약 개미가 그 띠 위를 계속 기어가면 자연 다른 면으로 이동하게 된다. ​ 클라인 병은 더 극적인 현상을 보여준다. 1882년 독일 수학자 펠릭스 클라인이 발견한 이 병은 안과 바깥의 구별이 없는 공간을 가진 구조다. 클라인 병을 따라가다 보면 뒷면으로 갈 수 있다. 그러니 안과 밖이 반드시 따로 있다는 것은 우리의 고정관념일 뿐이다. 3차원의 우주는 이런 식으로 휘어져 있다는 얘기다. ​따라서 우주에는 중심과 가장자리란 게 따로 없다. 내가 있는 이 공간이 우주의 중심이라 해도 틀린 얘기가 아니다. 우주의 모든 지점은 중심이기도 하고 가장자리이기도 하다는 뜻이다. ​우주 팽창은 나를 중심으로 ​진행되고 있다고도 볼 수 있다. 내가 만약 이웃 안드로메다 은하로 가더라도 마찬가지다. 그곳을 중심으로 모든 은하들은 나로부터 멀어져가고 있을 것이다. 우주의 모든 은하들은 이처럼 서로 후퇴하고 있는 것이다. ​이 경우 은하들이 스스로 이동하는 것은 아니다. 우주팽창은 공간 자체가 팽창하는 것이기 때문에 은하 간 공간이 늘어나고 있는 것이다. ​따라서 은하들은 늘어나는 우주의 카펫을 타고 서로 멀어져가고 있는 셈이다. ​풍선을 생각해보면 이해하기가 한결 쉽다. 풍선 위에 무수한 점들을 찍어놓고 풍선에 바람을 불어넣는다고 치자. 풍선이 무한대로 부풀어간다면 그 표면에 찍힌 점들은 서로에게서 무한히 멀어져갈 것이다. 우주의 팽창이 3차원적으로 이와 같다는 말이다. ​그렇다면 우주는 무한한가? 그렇지는 않다. 현재 우주의 크기는 약 940억 광년이란 계산서가 나와 있다. 초기에 빛의 속도보다 빠르게 팽창했기 때문이다. 이를 인플레이션이라 한다. 아인슈타인의 특수 상대성 이론에 따르면 우주에서 빛보다 빠른 것은 없다고 하지만, 우주는 공간 자체가 팽창하는 것이기 때문에 그에 구애받지 않는다. ​어쨌든 현대 우주론은 우주의 끝에 대해 이렇게 결론을 내리고 있다. ​우주는 유한하지만 그 경계는 없다. 이광식 통신원 joand999@naver.com

지금까지 수많은 아름다운 천체 사진을 우리에게 전해준 허블 우주망원경. 이미 우주에서 임무를 수행한 지 26년이 넘었지만, 여전히 활약하며 우리에게 새로운 소식을 전하고 있다. 미국항공우주국(NASA)은 지난 24일(현지시간) 지금도 우주의 다양한 곳을 관측하고 있는 ‘백전노장’ 허블 망원경의 운영 기간을 5년 더 연장해 오는 2021년 6월까지 가동한다는 계획을 발표했다. 지난 1990년 디스커버리호에 실려 우주로 올라간 허블 망원경은 지구 상공 600km에 떠서 지구를 돌고 있다. 무게 12.2t, 주거울 지름 2.4m, 경통 길이 약 13m인 허블 망원경은 가시광은 물론 자외선과 근적외선의 파장을 대기의 영향을 받지 않고 관측할 수 있다. 허블 망원경은 지금까지 다양한 항성과 행성을 관측해왔을 뿐만 아니라 우주의 팽창과 암흑물질, 블랙홀 등 주요 발견을 해왔다. NASA는 이번 운영 기간 연장에 대해 “허블 망원경은 2020년대까지 충분히 관측할 수 있으며 외계 우주까지 일반적인 관측에서 좋은 성과를 역사에 남길 것”이라고 설명했다. 허블 망원경은 원래 오는 2018년 우주로 올라갈 ‘제임스웹 우주망원경’(JWST)에 임무 수행을 완전히 넘길 계획이었다. 하지만 후임 제임스웹 우주망원경은 적외선부터 근적외선을 관측해 우주의 과정을 살필 목적이므로, 허블 망원경의 관측 파장과 다르다. 따라서 천문학자들은 허블 망원경과 제임스웹 망원경이라는 두 가지 ‘눈’으로 더 넓은 파장을 관측할 수 있게 된 것이다. 이 소식에 허블 망원경을 자주 활용하고 있는 보리스 건시케 영국 워릭대 교수 등의 과학자들은 환영의 목소리를 높이고 있다. 사진=NASA 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

2012년 유럽핵입자물리연구소(CERN)가 신의 입자로 불린 ‘힉스 입자’를 발견하고 지난해 9월과 12월 레이저간섭계 중력파 관측소(LIGO) 연구단이 중력파를 관측하면서, 세계 과학계의 오랜 의문이 하나둘 풀렸다. 힉스 입자로써 우주 탄생의 기초입자를 확인하고 현대물리학의 표준모형을 완성했다. 중력파는 1915년 알베르트 아인슈타인이 일반상대성이론을 발표하면서 예측한 현상 가운데 마지막까지 남아 있던 숙제였다. 시공간의 에너지 파장인 중력파를 확인하면서 블랙홀이나 중성자의 생성 같은 우주의 관측에 한 걸음 다가섰다. 이제 과학계가 눈을 돌린 곳은 암흑물질과 암흑에너지다. CERN은 힉스 입자를 발견한 뒤 향후 연구 대상으로 암흑물질을 지목했고, 최근 한국을 찾은 세계적인 입자물리학자인 리사 랜들 미국 하버드대 교수는 6600만년 전 공룡 대멸종의 주요 원인을 암흑물질로 꼽았다. 밤하늘의 별처럼 우주에서 우리 눈에 보이는 ‘일반 물질’은 4~5%에 불과할 뿐 나머지는 미스터리 물질인 암흑물질과 암흑에너지로 채워졌다고 과학계는 보고 있다. 암흑물질의 존재 가능성은 1933년 프리츠 츠비키(1898~1974) 미국 캘리포니아공과대(칼텍) 교수가 가장 먼저 제기했다. 츠비키의 주장은 20여년 동안 잠들어 있다가 1950년대 말 미국의 천문학자 베라 쿠퍼 루빈 박사가 애리조나 키트피크 천문대에서 은하 내 별의 회전 속도를 측정한 결과를 발표하면서 다시금 과학자들의 주목을 받았다. 루빈 박사는 은하 중심부 주변을 공전하는 별들의 속도가 모두 같다는 것을 발견했다. 기존 중력법칙에 따르면 중심에서 멀어질수록 느려져야 하는데, 이 법칙에서 벗어난 것이다. 일부 과학자들은 중력법칙을 수정해 이런 현상을 설명하려고 했지만 기존 중력법칙이 틀렸다는 증거를 찾지 못했다. 결국 새로운 물질의 존재를 가정할 수밖에 없었다. 그것이 바로 암흑물질이다. 암흑물질 연구 초창기에 연구자들은 블랙홀이나, 전기적으로 중성이며 질량이 거의 0에 가까운 소립자인 중성미자, 별과 별 사이에 존재하는 성간물질 등으로 암흑물질을 설명하려고 했지만 그런 ‘마초’(MACHO·무거운 우주질량체)들과는 성격이 다르다는 사실을 알게 됐다. 암흑물질은 전자기적 상호작용을 하지 않고 빛을 내는 물질과도 반응하지 않기 때문에 관측이 매우 어려운 ‘베일 속 물질’이라고 할 수 있다. 그렇지만 과학자들은 윔프(WIMPs)와 액시온으로 대표되는 위스프스(WISPs)를 대표적인 암흑물질 후보로 보고 검출을 위한 다양한 실험을 시도하고 있다. 국내 연구자들도 암흑물질 탐사를 위한 발걸음이 분주하다. 기초과학연구원(IBS)은 20일부터 24일까지 제주도에서 전 세계 21개국 60여개 기관의 연구자 120여명이 참여하는 ‘제12회 파트라스 국제학술대회’를 열고 있다. 이 대회는 전 세계 암흑물질 관련 연구자들이 한자리에 모여 최근 연구성과를 주고받는 자리로 암흑물질 분야 최대 규모의 학회로 평가받는다. 이와 함께 IBS 액시온 및 극한상호작용 연구단은 이달 초부터 CERN과 함께 위스프스 탐색을 위한 본격적인 공동연구에 나섰다. 지난해 공동연구를 위한 합의를 마치고 두 연구진은 이달 초 9테슬라(자기장 세기의 단위)급의 강력한 자석 개발에 착수했다. 액시온은 강한 자기장을 만나면 빛을 내는 광자로 바뀔 것으로 예측되는 만큼 9테슬라급 자석으로 태양에서 날아오는 암흑물질인 액시온을 검출하겠다는 계획이다. 이 실험은 향후 5년 동안 CERN에서 진행된다. ‘약하게 상호작용하는 무거운 입자’라는 뜻의 윔프 신호를 찾기 위한 지하 검출실험도 각국에서 진행되는 가운데 IBS 지하실험연구단은 강원도 양양 양수발전소 지하 700m에서 윔프 검출 실험을 하고 있다. 김두철 IBS 원장은 “CERN은 천체물리학과 입자물리학 분야에서 우수한 연구자들을 상당히 많이 보유하고 있다. IBS 액시온 연구단은 신호측정을 비롯해 암흑물질과 관련해 보유하고 있는 기술이 세계적이라는 평가를 받는 만큼 공동연구를 통해 물리학계 최대 미스터리인 ‘암흑물질’을 발견하고 물리학의 새로운 발전을 이끌어 낼 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

“소행성을 지구로 끌어당겨 충돌 공룡 등 지구생명체 멸종의 원인” “우리와 상관없는 은하계와 우주의 암흑물질을 왜 연구하냐고요? 6600만년 전 공룡을 멸종시킨 지구와 소행성 충돌을 야기한 게 암흑물질이기 때문입니다. 우리 은하를 둘러싼 암흑물질이 소행성을 지구로 끌어당겼다면, 인류 생존과의 밀접한 연관성을 설명할 수 있겠죠.” 지난 14일 오후 서울 성북구 고려대에서 기자들과 만난 리사 랜들(54) 미국 하버드대 물리학과 교수는 공룡의 갑작스러운 멸종을 설명하면서 암흑물질을 꺼내 들었다. 전체 우주의 26%를 채우고 있는 암흑물질은 전하도 없고 빛과도 상호작용하지 않는 미지의 물질이다. 이것은 우주의 69%를 차지하고 있는 암흑에너지와 상호작용을 통해 우주를 팽창시키고 있는 것으로 알려져 있다. 그는 최근 출간한 저서 ‘암흑물질과 공룡’의 한국어판에 이런 과감한 주장을 펼쳤다. 공룡의 멸종을 포함해 5차례나 있었던 지구 생명체의 대멸종이 모두 암흑물질 때문이라는 것이다. “암흑물질로 인한 공룡멸종 시나리오는 우주에서 암흑물질의 영향력을 설명하기 위한 사례입니다. 공룡 이야기를 앞세운 것은 우리와는 관련 없어 보이는 은하계나 우주의 구성물질들이 실제로는 인류와 연관돼 있다는 것을 강조하기 위해서죠.” ‘아직 발견되지도 않고 어떻게 활용될지도 모르는 연구를 왜 하느냐’는 다소 도발적인 질문에 랜들 교수는 유전자 검사나 불치병 치료에 이용하는 유전자 본체(DNA)를 들어 에둘러 답했다. 그는 “70여년 전 왓슨과 크릭은 순수한 자연에 대한 호기심과 궁금증으로 연구를 시작했을 뿐 그것을 갖고 어떻게 활용하겠다는 목적이 있었던 게 아니다”라면서 “당장 필요하지 않고 이익을 주지 않는다고 자연과학 연구를 멈춰야 하는 것이 옳은 일이냐”고 반문했다. 이어 그는 “우주의 거대한 수수께끼와 인류의 진화를 이해할 수 있도록 연구를 계속할 것”이라고 덧붙였다. ‘숨겨진 우주’, ‘천국의 문을 두드리며’ 같은 대중 과학서로도 익숙한 랜들 교수는 글쓰기에 대해 “여기저기 흩어진 아이디어를 일관된 구조로 꿰는 작업은 퍼즐을 풀어가는 느낌”이라면서 “대중이 재미있게 읽도록 하는 것은 또 다른 즐거움”이라고 말했다. 랜들 교수는 17일까지 고려대에서 열리는 ‘새로운 물리학 한국연구소’(NPKI) 주최 학술대회에 참석한다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr