머나먼 심연의 우주 속에 마치 지구를 바라보며 웃는 것 같은 은하가 포착됐다. 지난 2일(현지시간) 미 항공우주국(NASA)은 허블우주망원경이 촬영한 '스마일 은하'의 모습을 공개했다. 우리가 사는 은하계는 적어도 1000억개 이상의 별로 이루어진 거대한 별과 가스, 그리고 눈에 보이지 않는 암흑 물질의 집합체다. 태양은 이중 그저 하나의 별일 뿐이다. 마찬가지로 머나먼 우주에는 수많은 은하들이 모여 은하단을 형성하는데, 사진 속 주인공은 지구에서 약 40억 광년 떨어진 곳에 위치한 은하단 SDSS J0952+3434다. 이 사진에서 유독 눈길을 끄는 것은 마치 익살스러운 얼굴로 웃는듯한 표정의 은하로 사실 이는 빛이 만들어낸 '작품'이다. 웃는 얼굴의 두 눈은 사실 밝은 은하이며, 입은 강한 중력렌즈로 인해 생긴 빛의 고리이기 때문이다. 　 　 이같은 현상을 이해하기 위해서는 먼저 아인슈타인이 100년 전 일반 상대성이론에서 예언한 중력 렌즈 현상을 이해해야 한다. 아인슈타인은 강한 중력은 빛도 휘게 해서 렌즈역할을 할 수 있다고 예언했다. 이 중력렌즈는 사물을 확대하는 점에서는 돋보기와 유사해 아주 멀리 떨어진 은하를 본래보다 밝게 보이게 하지만 초점이 없기 때문에 상을 왜곡시키기도 한다. 쉽게 말해 중력렌즈는 ‘우주의 돋보기’로, 이 역할을 해주는 것이 수많은 은하들이 모인 은하단이다. 이 은하단은 주위의 시공간을 왜곡시켜 이같은 중력렌즈 현상을 만들어내 더 멀리 뒤쪽에 떨어진 은하의 모습을 보여준다. 이 과정에서 중력렌즈에 의해 확대된 은하는 사진에서처럼 고리 모양으로 보이기도 해 학계에서는 이를 '아인슈타인 고리'라 명명했으며 4개로 보이는 경우는 '아인슈타인 십자가'라 부른다. 사진=ESA/Hubble & NASA; Acknowledgment: Judy Schmidt (geckzilla)　 박종익 기자 pji@seoul.co.kr

빅뱅(우주 대폭발) 이후의 초기 우주가 지금까지 생각보다 훨씬 더 일찍 진화를 시작한 것일지도 모르겠다. 유럽남방천문대(ESO)는 17일(현지시간) 지구에서 육분의자리 방향으로 110억 광년 거리에서 태양보다 1000조 배 이상 큰 질량을 지닌 초은하단을 발견했다고 밝혔다. 초은하단은 은하들이 모여서 이룬 초대규모의 은하집단이다. ‘히페리온’(Hyperion)이라고 명명된 이 초은하단은 빅뱅 이후 23억 년이 흐른 초기 우주에서 형성된 ‘원생 초은하단’이다.　ESO에 따르면, 히페리온은 국제 천문학 연구팀이 칠레에 있는 ESO의 초거대망원경(VLT)에 장착된 ‘가시광선 다천체분광기’(VIMOS)를 사용해 처음 발견했다. 전문가들은 초기 우주에서도 엄청난 질량과 크기를 지닌 히페리온의 발견은 그야말로 놀라운 일이라고 말한다. 연구를 이끈 이탈리아 천체물리연구소(INAF)의 올가 쿠치아티 박사는 “빅뱅 이후 20억 년이 좀 더 흐른 시점에서 이렇게 초은하단이 확인된 사례는 이번이 처음”이라면서 “보통 초기 우주의 초은하단은 낮은 적색편이를 갖는데 이는 우주가 지금까지 생각보다 훨씬 더 일찍 진화를 시작했음을 보여준다”고 설명했다. 연구팀에 따르면, 히페리온은 비슷한 크기의 가까운 초은하단들과 구별되는 복잡한 구조를 갖는다. 이 거대한 우주 구조는 적어도 7개의 고밀도 은하가 필라멘트처럼 연결돼 있다는 것이다. 히페리온의 이런 특이한 구조는 초기 우주의 진화 과정과 관련이 있다고 연구팀은 보고있다. 근처에 있는 다른 은하단들은 중력으로 물질을 끌어당기기 위해 몇십억 년을 보냈지만, 히페리온의 경우 이 과정이 훨씬 더 짧았다는 것이다. 연구팀은 히페리온은 우리 은하가 있는 처녀자리 초은하단이나 슬론 장성(Sloan Great Wall)에 있는 초은하단들처럼 국소 우주에서 보이는 다른 큰 천체들과 비슷한 구조로 진화할 것이라고 말했다. 쿠치아티 박사는 “히페리온을 이해하고 이 천체가 비슷한 최근의 초은하단과 어떤 차이가 있는지를 이해하면 우주가 과거에 어떻게 발전했고 미래에 어떻게 진화할지를 예측할 수 있다”고 설명했다. 사진=ESO/올가 쿠치아티 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

-버팔로(BUFFALO) 프로젝트로 초기 은하 형성을 밝힌다 허블 우주 망원경이 우주에서 가장 멀리 떨어져 있는 은하계를 잡은 놀라운 이미지가 13일(현지시간) 우주 전문 사이트 스페이스닷컴에 소개되었다. 이 사진은 우주의 초창기에 생긴 태초의 은하계 모습을 근접 촬영한 것이다. 허블 망원경의 버팔로(BUFFALO:Beyond Ultra-Deep Frontier Fields And Legacy Observations) 프로젝트라는 새로운 미션의 일환으로 찍은 이 사진은 지구로부터 50억 광년 떨어진 아벨(Abell) 370이라는 거대한 은하단의 모습을 잡은 것이다. 이 은하단은 은하단 너머 멀리 떨어진 물체를 확대해서 보여주는 일종의 우주 돋보기 역할을 하고 있다. 허블 망원경은 아벨 370과 같은 거대한 은하단의 중력이 배경의 멀리 떨어진 물체로부터 빛을 굴절하고 상을 확대하기 때문에 아주 희미한 물체의 이미지를 잡아낼 수 있다. 이것은 한 세기 전 아인슈타인이 일반상대성 이론에서 예측한 현상으로, 중력이 큰 천체가 시공을 왜곡하여 빛을 휘게 하는 중력 렌즈 효과이다. 중력이 클수록 이 현상은 더욱 크게 나타난다. 아벨 370은 거대한 두 타원은하가 지배하고, 희미한 호가 가득한 것처럼 보인다. 중앙에서 약간 왼쪽에 보이는 인상적인 용모양 호와 산란된 푸른 호들은 아벨 370 은하단보다 약 두 배 더 먼 곳에 있는 은하들로, 아벨 은하단 같은 거대 질량체가 없다면 결코 보이지 않을 천체들이 중력 렌즈 현상으로 확대되어 이같이 보이는 것이다. 그런데 아벨 은하단의 거대한 질량은 보이지 않은 암흑물질에 의해 지배된다. 만약 이러한 암흑물질이 없다면 은하단에 속한 은하들이 다 뿔뿔이 흩어지고 말았을 것이다. 이미지의 오른쪽 아래 보이는 날카로운 푸른 별빛은 우리은하의 별이며, 그 별보다 훨씬 더 멀리 있는 아벨 370은 고래자리 에 있다. 버팔로 프로젝트의 일환으로 허블 망원경은 6개의 거대 은하단과 그 주변을 관측할 계획이다. 새로운 관측 데이터는 천문학자들이 초기 은하계의 진화에 대해 더 많은 것을 알 수 있게 해줄 것으로 기대되고 있다. 허블 망원경이 2013년부터 2017년까지 진행된 프론티어 필드 프로그램에서 중력 렌즈 효과가 강한 6​​개의 주목할 만한 은하계를 관측한 바 있는데, 버팔로 프로젝트는 이 프로그램을 계승한 것으로, 전 미션보다 10배 더 효율적으로 우주에서 가장 거대하고 오랜 은하들이 언제 어떻게 형성되었는지, 그리고 빅뱅 이후 처음 8억 년 동안 형성된 암흑물질과 은하 사이의 관계가 어떠한가를 조사할 계획이다. 버팔로 프로젝트에서 수집된 데이터는 허블 망원경을 대체하기 위해 2021년에 발사될 예정인 NASA의 제임스 웹 우주망원경과 같은 향후 미션에도 도움이 될 것으로 기대되고 있다. 이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com　

거대한 두 개의 은하가 서서히 충돌해 생긴 '우주의 혼돈'이 카메라에 포착됐다. 지난달 31일(현지시간) 유럽우주국(ESA)은 허블우주망원경으로 촬영한 NGC 3256의 모습을 사진으로 공개했다. 지구에서 무려 1억 광년 떨어진 곳에 위치한 NGC 3256은 히드라-센타우루스 초은하단( Hydra-Centaurus Supercluster)의 구성원으로 전체적인 사이즈는 우리 은하와 비슷하다. 천문학자들의 관심을 끄는 이유는 두 개의 은하가 서로 접근해 충돌하고 있기 때문이다. 전문가들은 약 5억년 전 부터 두 개의 나선은하가 충돌을 시작해 지금은 막바지 단계에 접어든 것으로 보고있다. 결과적으로 지금의 모습은 두 은하의 '합병'이 남긴 혼돈을 사진으로 보여주고 있는 셈이다. 다만 두 은하가 합병한다고 해도 각각의 별들이 직접적으로 충돌할 가능성은 거의 없다. 이는 천체들의 먼 거리 때문이지만 그 주위를 둘러싼 가스와 먼지등은 지금도 활발히 충돌하고 있을 것으로 보인다. 한가지 더 흥미로운 사실은 합병 과정에서도 수많은 별들은 탄생하고 있다는 점이다. 사진 속에서 파랗게 빛나는 점들은 새롭게 태어난 어린 별들로 가스와 먼지의 충돌이 만들어낸 결과물이다. 　 　 　 　　 사진=NASA, ESA 박종익 기자 pji@seoul.co.kr

중력이 만든 '빛의 마술'이 허블우주망원경에 포착됐다. 지난 6일(현지시간) 미 항공우주국(NASA)은 허블우주망원경이 찾아낸 '아인슈타인 고리'(Einstein ring)를 사진으로 공개했다. 사진 속 원 모양으로 동그랗게 보이는 것이 바로 아인슈타인 고리다. 아인슈타인은 103년 전 발표한 일반 상대성이론에서 강한 중력은 빛도 휘게 해서 렌즈역할을 할 수 있다고 예언했다. 이후 천문학자들은 개기일식 때 태양 주변을 지나는 별빛의 경로가 변하는 것을 관측하면서 아인슈타인의 이론을 실제로 검증했다. 이 중력렌즈는 사물을 확대하는 점에서는 돋보기와 유사해 어주 멀리 떨어진 은하를 보다 밝게 보이게 만든다. 다만 초점이 없기 때문에 빛이 한곳에 모이지 않고 여러 개의 상을 만든다. 곧 이 중력렌즈는 사물을 확대하는 점에서는 '우주의 돋보기'인 셈으로 이 역할을 해주는 것이 바로 수많은 은하들이 중력으로 뭉친 은하단이다. 이번에 NASA가 공개한 사진 속에서 우주돋보기 역할을 한 것이 'SDSS J0146-0929'라는 이름의 은하단이다. 약 수백 만 개의 은하들이 중력으로 뭉쳐진 이 은하단이 중력렌즈 역할을 해 그 뒤 멀리 떨어진 은하의 빛을 왜곡시켜 이같은 고리를 만든 것이다. 이처럼 중력렌즈에 의해 확대된 천체들이 고리 모양으로 보일 때는 아인슈타인 고리, 물체가 4개로 복사되어 보이는 경우도 있는데 이는 '아인슈타인 십자가'(Einstein Cross)라 불린다. 　 사진=ESA/Hubble & NASA; Acknowledgment: Judy Schmidt　 박종익 기자 pji@seoul.co.kr

우주 공간은 아무것도 없는 진공 상태인 공간이 아니다. 인간의 관점에서 진공이나 다를 바 없는 장소에도 약간의 원자는 존재한다. 주로 수소와 약간의 헬륨, 그리고 소량의 기타 원소로 구성된 성간 가스는 매우 넓게 퍼져 있기 때문에 밀도는 희박해도 질량은 상당하다. 이 가스는 별의 탄생과 은하의 진화에 중요한 역할을 한다. 은하들이 수백 수천 개 모인 거대한 집단인 은하단 역시 내부에 막대한 양의 가스를 지니고 있다. 사실 은하단의 경우 은하의 질량보다 은하 사이 가스의 질량이 더 큰 경우도 있다. 은하단의 경우 지름만 수백만 광년인 거대한 집단이기 때문에 아무리 밀도가 낮아도 모으면 상당한 양이 된다. 과학자들은 이 희박하지만 질량이 큰 가스가 은하단의 진화는 물론 그 안에 있는 은하의 진화에도 큰 영향을 준다고 보고 있다. 나사의 고다드 우주 비행센터의 스티븐 워커(Stephen Walker)가 이끄는 연구팀은 나사의 찬드라 X선 위성을 이용해서 지구에서 2억4천만 광년 떨어진 페르세우스 은하단의 가스를 연구했다. 이 은하단은 소용돌이 모양의 거대한 은하단 내 가스 흐름이 발견되어 많은 연구가 이뤄진 은하단이다. 은하단 가스는 밀도는 매우 낮지만, 대신 온도는 대단히 높아 섭씨 3000만 도에 이른다. 이렇게 고온의 물체에서는 X선이 방출되기 때문에 X선 위성을 이용한 연구가 필요하다. 연구팀은 흥미롭게도 소용돌이 같은 중심부에서 외부로 빠른 속도로 이동하는 가스의 팽창을 발견했다. 이 가스의 지름은 200만 광년에 달하며 시간당 48만km라는 엄청난 속도로 이동 중이다. 흥미로운 사실은 이 가스가 3000만 도의 고온이지만, 8000만 도에 달하는 더 뜨겁고 밀도가 낮은 가스 속으로 파고들고 있다는 점이다. 이는 지구에서 볼 수 있는 한랭전선(cold front, 차가운 공기가 따뜻한 공기 아래로 파고드는 것)과 비슷해서 과학자들은 우주 한랭전선(cosmic cold front)이라는 별명을 붙였다. 이런 거대한 한랭전선이 발생한 이유는 다른 은하단이 페르세우스 은하단 중심부에 충돌한 것이 원인으로 생각되고 있다. 은하와 마찬가지로 은하단 역시 충돌과 합체를 반복하면서 성장하는데, 그때마다 거대한 가스의 흐름이 발생하는 것이다. 흥미로운 점은 이런 흐름이 우주적 크기의 자기장을 만든다는 것이다. 연구팀은 이 우주 한랭전선에 냉장고 붙이는 자석의 100만분의 1 수준의 자기장이 있는 것으로 보고 있다. 비록 강도는 약하지만, 매우 크기 때문에 그 에너지는 상당하며 가스의 형태와 속도에 영향을 미친다. 이번 연구를 통해 과학자들은 그 메커니즘을 더 상세히 파악했다. X선 천문학은 인간의 눈으로 볼 수 없는 영역에서 우주의 신비를 풀어왔다. 찬드라 X선 위성 사진을 보면 천체 사진이 아니라 현대 미술 작품 같은 사진 속에 우리가 미처 보지 못했던 우주의 비밀이 숨어 있음을 알 수 있다. 은하단의 생성과 진화를 예측하기 위해 앞으로도 X선 영역에서 활발한 연구가 진행될 것이다.　 고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com

놀라운 인도 숫자의 위치 기수법 수를 표현하는 방법을 기수법이라 하는데, 현재 우리가 쓰고 있는 기수법은 인도에서 발원한 10진법의 인도-아라비아 숫자다. 사람의 손가락이 만약 6개였다면 6진법이 되었을 것이다. 근데 희한하게도 사람은 손가락도 발가락도 다 꼭 열 개다. 십진법은 이처럼 우리 몸에서 출발했다는 사실을 알 수 있다. 그런데 인도 기수법의 놀라운 점은 10진법 셈체계와 위치 기수법을 결합시킨 결과, 1~0에 이르는 열 개의 기호로 모든 수를 나타낼 수 있다는 점이다. 곧, 이 기수법은 숫자 기호가 쓰인 자리가 중요한 역할을 하는 것이다. 만약 위치 기수법을 쓰지 않으면 어떻게 될까? 수의 크기는 무한대이므로 단위가 올라갈 때마다 새 기호를 만들어야 한다. 한자(漢字)수를 생각해보면 금방 알 수 있다. 一, 十, 白, 千, 萬, 億... 이렇게 글자 수가 무한대로 가게 된다. 인도 숫자의 십진법과 위치 기수법의 조합은 단순하면서도 쉬운 계산을 가능하게 했고, 이를 받아들인 중세 유럽의 수학은 비약적인 발전을 이루었다. 그 전에는 복잡한 로마수 계산법으로 인해, 경리직에 취직하기 위해 단순한 곱셈과 나눗셈을 익히려고 해도 이탈리아로 유학을 해야 할 정도였다니, 10개의 기호로 이루어진 인도 숫자의 위력을 미루어 짐작할 만하다. 그런데 이 인도 기수법에 날개를 단 것이 바로 지수법(指數法)이다. 지수란 어떤 수나 문자의 오른쪽 어깨 위에 붙여 그 수나 문자의 거듭제곱을 나타내는 숫자나 문자를 말한다. 즉, 같은 수 ‘a를 n번 거듭 곱’한 것을 an으로 나타내고 ‘a의 거듭제곱’이라고 하는데, 이때 a 를 밑, n을 지수라고 한다. 북한에서는 지수를 ‘어깨수’라고 한다. 이 지수법을 이용하면 어마무시하게 큰 숫자나 작은 숫자도 간단하게 나타낼 수 있다. 예컨대, 지구에서 태양까지의 거리는 약 1,500,000,000,000m(1조 5천억m)인데, 지수를 이용해서 나타내면 1.5×1012m라고 간명하게 표현할 수 있다. 뿐더러 지수법으로 하면 계산도 아주 쉽고 간단하게 할 수 있다. 지수, 곧 거듭제곱의 위력을 보여주는 것으로 다음과 같은 예화가 많이 인용된다. 체스를 발명한 고대 인도의 발명가 ‘세타’라는 사람의 얘기다. 세타의 발명품인 체스에 푹 빠져 있던 인도의 왕자는 큰 상을 내리려고 세타에게 받고 싶은 것을 말해보라 했더니, ‘체스판 한 칸에 수수알 한 톨, 그 다음 칸에 수수알 두 톨, 그 다음 칸에는 수수알 네 톨, 이렇게 모든 칸에 앞의 칸보다 수수알을 두 배씩 얹어서 달라’는 것이다. 왕자가 쾌히 승락했음은 물론이다. 그런데 체스판의 칸은 모두 64개다. 그러니 마지막 칸에 놓일 수수알의 개수는 2^64 개가 되는 셈이다. 이게 얼마만한 숫자일까? 이걸 무게로 환산하면 2017년 세계 곡물 생산량 26억 톤의 150배에 달하는 4000억 톤에 이른다. 이것이 바로 거듭제곱의 위력이다. 우주를 모래알로 가득 채우려면 몇 개나... 그럼 이 거듭제곱의 위력을 가장 먼저 알고 그 개념을 활용한 사람은 누구일까? 문헌에 나타난 바에 의하면 고대 그리스의 아르키메데스(BC 287? ~ BC 212)인 것으로 보인다. 아르키메데스는 ‘모래알 계산자(The Sand Reckoner)’라는 자신의 책에 모래알로 우주를 가득 채우려면 몇 개나 있어야 하는가 하는 어마무마한 계산에 도전한 내력을 써놓았다. 아르키메데스는 대체 어떤 방법으로 그 엄청난 크기의 숫자를 다루는 계산을 해냈을까? 당시는 복잡한 기수법 때문에 단순한 곱하기 문제도 여간 어렵지 않아 일반인들은 풀 엄두를 내지 못하던 때였다. 그가 사용한 계산과정은 그의 위대성을 보여주는 것으로 다음과 같은 방법이었다. 먼저 그는 양귀비 씨앗 한 개의 크기에 해당하는 모래알의 수를 계산한 후, 다음에는 손가락 크기에 해당하는 양귀비 씨앗 개수를 어림잡아 구했다. 그리고 다음에는 육상 경기장 한 개를 가득 채우는 데 필요한 손가락 개수를 어림 계산하는 등과 같은 과정을 순차적으로 반복해나갔다. 이는 바로 지수 개념의 계산법이라 할 수 있다. 그의 위대한 지성은 기원전 3세기에 이미 지수 개념을 창안해냈던 것이다. 아르키메데스가 근대의 뉴턴, 가우스와 함께 3대 수학자로 꼽히는 것은 이러한 그의 천재성 때문이다. 아르키메데스는 당시에 알려져 있던 아리스타르코스의 태양중심설을 기준으로 우주의 크기를 정했다. 아리스타르코스가 지구와 별들 사이의 거리를 따로 밝히지 않았기 때문에 아르키메데스는 이를 대략적으로 추정할 수 밖에 없었다. 아르키메데스가 나름대로 추정한 우주의 크기는 약 2광년이었다. 이렇게 하여 아르키메데스가 구한 모래알 개수는 자그마치 8x10^63 개였다. 이는 지구상 모래알 개수인 10^22개보다 엄청 많은 숫자이다. 하지만 우주를 가득 채우기에는 턱도 없는 숫자임을 이제 우리는 안다. 현재의 팽창우주는 크기가 무려 940억 광년으로, 아르키메데스가 생각하던 것보다 비교가 안될 정도로 크기 때문이다. 참고로, 온 우주의 별 개수는 호주 천문학자에 의해 지구의 모래알 수의 10배인 대략 7x10^22개라는 계산서가 나와 있다. 제곱수의 위력을 눈으로 확인하려면 ‘10의 제곱수’ 라는 제목의 아래 동영상을 보면 실감할 수 있다. 1960년대에 처음 제작된 이 동영상은 현재 유튜브에서 공개되어 있다. 이 짧은 동영상은 미국 시카코 근교에서 피크닉을 즐기는 모습에서부터 거대한 처녀자리 은하단까지 10초마다 10배씩 확대되며, 처녀자리 은하단의 거대한 모습을 보여주고 나서는 반대로 2초마다 10배씩 축소되다가 마지막에는 양성자를 보여주며 끝난다. ​ 전 우주를 42번의 도약으로 관통해 가는 이 웅장한 여행은 우리에게 거듭제곱의 위력뿐 아니라, 사물들의 크기에 대해 놀라운 통찰을 선사해준다. 재생 버턴을 누르지 않으면 필히 후회할 만큼 그 어떤 논문보다도 더 많은 사실을 알려줄 것이다.　 이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com　

중력 렌즈는 아인슈타인의 상대성 이론에 따라 빛이 중력의 영향으로 경로가 바뀌면서 마치 렌즈처럼 멀리 있는 천체를 확대하는 현상이다. 이를 통해 과학자들은 본래대로라면 희미해서 관측하기 힘든 천체도 관측할 수 있다. 초점이 딱 맞는 경우는 별로 없기 때문에 본래 모양과는 좀 다르거나 여러 개로 보이기는 하지만, 기술의 발전으로 본래 모습을 재구성하는 것은 물론 그 차제로도 스펙트럼 분석을 통해 구성 물질 등 여러가지 특징을 연구할 수 있다. 과거 중력 렌즈를 통해서 관측할 수 있는 천체도 주로 퀘이사나 멀리 있는 은하였다. 이제는 별이나 심지어 행성까지 시도되고 있다. 본래 밝기의 10배까지 더 밝게 보이는 중력 렌즈는 천문학자들에게는 신이 내린 선물이라고 할 수 있다. 최근 하와이 대학의 하랄드 에벨링(Harald Ebeling)이 이끄는 국제 전문학자 팀은 허블 우주 망원경을 이용해서 역대 가장 큰 배율의 중력 렌즈를 찾아냈다. 'eMACSJ1341-QG-1'라고 명명된 매우 멀리 떨어진 은하가 본래 밝기의 30배로 확대되어 보이는 것을 찾아낸 것이다. 렌즈 역할을 하는 천체는 eMACSJ1341.9-2441이라는 은하단으로 역시 지구에서 매우 멀리 떨어진 대형 은하단이다. 이 은하는 매우 길쭉하게 늘어나 있지만, 이것만으로도 많은 정보를 알아낼 수 있기 때문에 현재 지상의 망원경으로 후속 관측이 이뤄지고 있다. 중력 렌즈에서 흥미로운 사실 중 하나는 관측 대상은 물론 렌즈에 대해서도 많은 것을 알아낼 수 있다는 점이다. 렌즈 효과를 역으로 조사하면 렌즈 역할을 한 은하단의 질량 같은 중요한 정보를 알아낼 수 있다. 천문학자들은 종종 이를 통해 암흑물질처럼 직접 관측이 어려운 물질의 분포를 관측한다. 중력 렌즈는 종종 우주에서 가장 큰 렌즈로 불린다. 앞으로 이 거대한 렌즈의 도움을 받아 천문학자들은 우주의 비밀을 더 쉽고 자세하게 풀어나갈 수 있을 것이다. 고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com 　

태양 같은 별 수천 억 개가 모여야 우리 은하 같은 대형 은하를 이룰 수 있다. 따라서 은하는 정말 큰 천체이지만, 우주에서 가장 큰 천체는 아니다. 사실 거대한 은하 수천 개가 모인 은하단에 비교하면 은하 하나는 작은 점에 불과하다. 은하단은 물질과 암흑물질이 만드는 중력에 의해 묶인 은하들은 집단으로 일정한 속도로 우주를 여행하면서 다른 은하단과 충돌해 더 거대한 은하단을 만든다. 과학자들은 많은 관측을 통해서 이 과정을 상세하게 연구했다. 그 가운데 ‘1RXS J0603.3+4214’는 천문학자들 사이에서 ‘칫솔 은하단’(Toothbrush galaxy cluster)이라는 별명으로 더 잘 알려졌다. 은하단 자체가 칫솔 모양으로 생긴 건 아니지만, 대신 은하단 사이 가스(intracluster gas)가 거대한 칫솔 모양으로 뭉쳐져 관측할 수 있기 때문이다. 사실 은하 사이 공간은 별 사이 공간과 마찬가지로 인간의 관점에서 보면 진공 상태나 마찬가지다. 하지만 우주 공간 어디에도 물질의 밀도가 0이 되는 장소는 없다. 아무리 희박해도 약간의 물질은 있게 마련이다. 은하단 내 가스 역시 밀도가 매우 낮지만, 적어도 은하단 밖의 우주 공간보다는 더 높은 밀도의 물질을 지니고 있다. 사실 은하 사이 공간이 워낙 넓기 때문에 은하단 사이 가스를 모두 합치면 은하단의 별의 질량보다 더 크다고 생각된다. 따라서 은하단 사이 가스는 은하단의 진화와 형성에 매우 중요한 역할을 한다. 칫솔 은하단의 경우 두 개의 은하단이 서로 충돌하면서 가스의 밀도와 온도가 높아져 전파 망원경으로 관측이 가능한 경우로 생각된다. 하버드 - 스미스소니언 천체물리 센터의 연구팀은 거대 전파 망원경인 VLA(Very Large Array)를 이용해서 칫솔 은하단을 세밀하게 관측했다. 연구팀은 이 독특한 모양의 가스 구름이 생성된 이유로 은하단 충돌 가설이 가장 타당하다는 결론을 내렸다. 비록 밀도는 낮지만, 중력에 이끌려 서로 충돌한 은하단의 충돌 에너지로 인해 은하단 내 가스의 온도는 섭씨 1000만 도까지 상승한다. 고온의 가스가 방출하는 에너지는 지구에서도 관측이 가능하다. 사진에서는 붉은색으로 보이는 것이 전파 망원경 관측 부위이며 치약처럼 보이는 아래의 파란 구름은 은하단 주변 가스인 헤일로의 X선 관측 결과다. 그리고 이 두 관측 결과를 광학 망원경 관측 사진과 합쳐 위의 사진을 만든 것이다. 지구에서 봤을 때 칫솔처럼 보이는 것은 물론 우연의 일치지만, 칫솔 손잡이와 브러쉬 부분까지 구분이 가능할 정도로 닮았다는 점은 흥미롭다. 하지만 과학자들에게 정말 흥미로운 부분은 우주에서 가장 큰 충돌 사건인 은하단 충돌에서 은하단 사이 가스의 역할을 밝히는 데 큰 도움이 되고 있다는 점이다. 앞으로 이 과정을 더 상세하게 밝히기 위한 연구가 계속 진행될 것이다. 고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com

“역사상 가장 비싸고 강력한 우주 망원경” 2019년 초 발사가 예정된 제임스 웹 우주 망원경을 간단하게 설명한 문구다. 사실 이 망원경은 초기에 16억 달러로 책정된 발사 비용이 88억 달러까지 치솟고 발사도 몇 차례 연기되면서 사업의 타당성에 대한 논란이 적지 않았다. 하지만 허블 우주 망원경을 한 단계 뛰어넘는 강력한 성능을 지니기 위해서는 비용이 비싸도 더 큰 지름의 주경(primary mirror·망원경에서 최초로 빛을 모으는 거울)을 지닌 망원경이 필요했다. 허블 우주 망원경의 주경은 지름 2.4m 정도지만 제임스 웹 우주 망원경은 6.5m에 달한다. 그런 만큼 일단 관측을 시작하면 우주에 대한 이해를 한 단계 끌어올릴 것으로 기대된다. 다만 완성 단계에 이르면서 이 망원경을 누가 어떻게 사용할 것인지를 두고 경쟁이 치열한 상태다. 미항공우주국(NASA)은 제임스 웹 우주 망원경의 초기 관측 임무를 공모했다. 허블 우주 망원경처럼 국가에서 관리하는 대형 과학장비의 경우 하나의 과학자팀이 사용권을 독점하기보다 여러 과학자팀과 연구 과제에 할당하기 때문이다. 하지만 사용하려는 과학자는 많고 망원경은 하나뿐이라 우선 순위가 높은 연구부터 채택된다. NASA는 제안된 100여 개의 연구 과제 가운데 13개의 연구 과제를 초기 관측 임무에 할당하기로 결정했다. 초기 관측 임무는 5개월에 걸쳐 총 460시간 동안 이뤄질 예정이다. 가장 중요한 연구 과제는 멀리 떨어진 은하와 은하단이다. 제임스 웹 우주 망원경은 허블 우주 망원경보다 주경의 지름이 클 뿐 아니라 더 긴 파장을 관측할 수 있다. 먼 은하에서 도달한 빛은 도플러 효과에 의해 파장이 길어지는 적색편이 현상이 일어나는데, 긴 파장을 관측할 수 있는 제임스 웹 우주 망원경이 관측하기에 이상적인 목표다. 과거 허블 우주 망원경의 관측 덕분에 과학자들은 초기 은하의 진화에 대해서 많은 사실을 알아냈다. 멀리 있는 은하일수록 과거의 모습을 보기 때문이다. 제임스 웹 우주 망원경은 이제까지 관측할 수 없었던 더 멀리 떨어진 초기 은하를 관측해 우주의 비밀을 풀 것이다. 외계행성 역시 제임스 웹 우주 망원경의 주요 관측 목표다. 초기 관측 임무 가운데 하나는 목성형 외계행성 WASP-39b와 WASP-43b의 대기를 관측하는 것이다. 행성이 별 앞을 지날 때 별빛의 변화를 관측하면 대기의 구성성분을 알 수 있다. 이 연구의 궁극적 목표는 지구형 외계행성의 대기와 다른 조건이 생명체가 살기에 적합한지를 확인하는 것이다. 다만 제임스 웹 우주 망원경의 성능이 아무리 뛰어나도 작은 지구형 행성의 대기는 어려운 목표이기 때문에 처음에는 훨씬 큰 목성형 행성부터 관측해 관측 기술을 검증한 후 지구형 행성에 도전할 계획이다. 물론 목성형 행성의 대기 자체도 흥미로운 연구 주제다. 태양계 밖의 목성형 행성이 어떤 대기 구조를 지녔는지 아직 알려진 것이 거의 없기 때문이다. 이밖에도 목성의 위성처럼 다른 중요한 임무가 초기 관측 목표로 선정됐다. 과학의 발전은 관측 기술의 발전과 함께 일어났다. 망원경의 발전이 천문학의 발전을 가져오고 현미경의 진보가 생물학의 진보를 가져온 것이 대표적이다. 제임스 웹 우주 망원경이 성공적으로 발사되면 우주를 보는 인류의 눈도 한 단계 더 진보할 것이다. 이 망원경이 우주가 어떻게 진화했고 지구 같은 외계행성이 어디 있는지에 대한 결정적인 정보를 제시할지 모른다. 고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com

우리가 사는 우주는 유령의 동네일지도 모른다. 미국자연사박물관의 헤이든 플레네타리움 스페이스쇼 다크유니버스에서 만든 ‘우주의 암흑물질 지도’를 보면 그런 섬뜩한 생각이 든다. 이 암흑물질 지도는 지난 1일(현지시간) 미항공우주국(NASA)의 오늘의 천체사진(APOD)에 발표되었다. 정교한 컴퓨터 시뮬레이션으로 제작된 이 암흑물질 지도는 우주에 분포하고 있는 암흑물질들이 연출하는 으시시한 우주의 풍경을 그대로 보여주고 있다. 뿐더러 은하들이 왜 그렇게 빨리 도는지, 은하단 속의 은하들이 왜 그렇게 빠른 속도로 움직이는지, 중력렌즈가 왜 그렇게 빛을 강하게 굴절시키는지, 우주 속에 가시 물질이 왜 그렇게 분포하는지에 대해 눈에 보이지 않는 암흑물질이 설명해주고 있다. 우주는 이 암흑물질의 중력으로 여지없이 사로잡혀 있는 것이다. 위의 이미지에서 암흑물질은 검은 가닥들이 거미줄처럼 복잡하게 얽힌 우주의 구조를 보여주고 있으며, 우리에게는 친숙한 일반물질은 주황색 매듭으로 표현되어 있다. 이 암흑물질 지도 시뮬레이션은 실제 천문학적 관측결과와도 잘 부합한다. 우리가 사는 우주에는 은하만 해도 약 2000억 개 정도가 있다. 그런데 이 모든 은하들의 총량보다 더 많은 미지의 암흑물질이 우주의 은하들을 하나로 묶어주고 있다. 만약 이러한 암흑물질이 없다면 우주의 은하들이 다 뿔뿔이 흩어지고 말았을 것이다. 따라서 암흑물질이 은하의 진정한 수호자라 할 수 있다. 이 같은 암흑물질 지도는 중력렌즈 현상을 이용해서 만들어졌다. 중력렌즈 현상이란 천체의 중력이 빛의 경로를 휘어지게 하는 렌즈의 역할을 하는 현상으로, 중력이 클수록 이 현상은 더욱 크게 나타난다. 그런데 우주에는 암흑물질보다 더 섬뜩한 존재가 모습을 드러냈다. 암흑물질의 중력보다 더 막강한 중력을 휘두르고 있는 존재로, 바로 암흑 에너지란 존재가 우주를 지배하는 척력(반중력)이란 사실이 밝혀졌다. 이 암흑 에너지로 인해 우리 우주가 가속팽창을 하고 있다는 사실이 얼마 전 밝혀졌다. 이 놀라운 발견을 한 과학자들은 2011년 노벨 물리학상을 받았다. 노벨 물리학상 공동 수상자인 브라이언 슈미트 호주 국립대 교수는 앞으로 1000억 년 후에는 지구가 속한 은하수를 제외한 우주의 모든 은하계가 사라져 버리고 인류는 결국 텅 빈 우주를 보게 될 것이며, 암흑 에너지가 갑자기 사라지지 않는다면 우주는 갈수록 빠른 속도로 팽창을 계속한 끝에 결국 없어질 것이라고 전망했다. 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 은하들과 그 안에 있는 모든 별들이 우주 '파이'에서 차지하는 양은 고작 0.4%에 지나지 않는다. 우리 눈에는 보이지도 않는 암흑물질과 암흑 에너지가 결국 우주의 운명을 쥐고 있는 셈이다. 이처럼 우리가 사는 우주는 갈수록 유령의 동네를 닮아가고 있는 것 같다. 이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com

매년 10월 31일은 미국의 어린이들에게는 최대 명절인 ‘핼러윈 데이’다. 이날만큼 어린이들은 으스스하면서도 웃기는 괴물 분장을 하고 축제를 즐기며 각계 각층의 어른들 역시 재미있는 이벤트로 동참한다. 과학계도 예외는 아니다. 미국의 주요 과학매체들은 매년 이맘 때가 되면 어린이들에게 꿈과 희망을 주기위해 핼러윈 데이를 기념하는 신기한 천체사진을 공개한다. 물론 이같은 천체사진은 우리의 눈과 뇌가 특정한 모습으로 상상한 것이지만 적어도 어린이들에게 만큼은 무한한 영감을 준다. 서구의 우주전문 매체들이 공개한 으스스한 모습의 천체사진을 정리해왔다. - 핼러윈 데이를 빛내는 태양 핼러윈 데이를 기념하는 최고의 명작으로 꼽히는 사진이다. 지난 2014년 미 항공우주국(NASA)의 태양활동관측위성(SDO)이 촬영한 태양의 모습으로 금빛과 노란빛의 아름다운 에너지를 방출하는 태양의 모습을 담고있다. 이 사진이 화제가 된 것은 잭-오-랜턴과 놀라울 정도로 닮았다는 점 때문이다. 우리에게는 다소 낯선 용어인 잭-오-랜턴(jack-o‘-lantern)은 핼러윈 데이에 등장하는 호박등을 말한다. 호박에 도깨비 얼굴을 새기고 그 안에 초를 넣어 번쩍이게 만드는 핼러윈의 대표적인 상징. - 우주의 고스트라이더 마치 해골이 타는 듯한 재미있는 모습의 성운(星雲·nebula)이다. 현재 은하수를 지나가는 이 성운의 이름은 ‘Sh2-68’로 약 4만 5000년 전 생성된 것으로 죽어가는 별이 만들어 낸 것이다. 이 성운이 눈길을 끄는 것은 바로 기괴한 모습 때문이다. 영화로도 제작돼 현지에서 큰 인기를 끌고 있는 만화 ‘고스트 라이더’(Ghost Rider)의 모습을 닮았다.　　 - 비명을 지르는 우주의 해골 전문가들이 꼽는 또 하나의 핼러윈 데이 최고 명작사진이다. 마치 해골이 비명을 지르는듯한 모습 때문에 매년 단골로 등장하는 사진으로 그 주인공은 페르세우스자리 은하단(Perseus cluster of galaxies)이다. 지구에서 약 2억 4000만 광년 떨어진 곳에 위치한 페르세우스자리에는 두 개의 산개성단이 서로 끌어당기고 있으며 수백 여개의 은하가 모여있다. - ‘사우론의 눈’ HR 4796A 영화 ‘반지의 제왕’에 등장하는 사우론의 눈(Eye of Sauron)과 흡사한 별이다. 지구에서 약 237광년 떨어진 곳에 위치한 ‘HR 4796A’는 ‘사우론의 눈’ 처럼 기괴하게 생긴 모습이 가장 큰 특징이다. 그러나 우주를 노려보는듯 눈처럼 보이는 곳에 위치한 것이 바로 별에서 뿜어내는 빛이며 그 주위의 링은 중력에 끌린 먼지다. - 마녀머리 성운 지구에서 900광년 떨어진 오리온 자리에 위치한 일명 ‘마녀머리 성운’(Witch Head nebula). 마치 마녀의 머리를 닮았다고 해서 특이한 이름이 붙여진 이 성운은 지난 2009년 발사된 지름 40㎝짜리 적외선망원경을 탑재한 NASA의 광역적외선탐사위성(WISE)이 촬영한 것이다. 이 성운의 정식명칭은 1C2118. - 유령 성운 우주에서 가장 추운 곳이라 불리는 ‘부메랑 성운’(Boomerang Nebula)이다. 마치 유령이 떠있는 듯한 이 성운은 으스스한 모습만큼이나 온도가 -272°C에 이를만큼 우주에서 가장 추운 곳이다. 이는 이론적으로 가장 낮은 온도인 절대영도보다 1도 높은 값. 지구에서 센타우르스자리 방향으로 5000광년 떨어진 곳에 위치한 부메랑 성운은 중심에 있는 별에서 분출되는 가스에 의해 생성된 것으로 추정된다. 박종익 기자 pji@seoul.co.kr

블랙홀이 빛난다? 빛도 빠져나올 수 없는 강한 중력을 가진 천체인 ‘블랙홀’(검은 구멍)이 빛난다니 역설적인 표현일까. 아니다.블랙홀 중 일부는 강력하게 에너지를 방출하며 빛을 낸다. 과학자들은 블랙홀을 여러 체급으로 분류하는데, 태양의 100만 배 이상 질량을 가진 블랙홀을 ‘초대형 블랙홀’이라고 부른다. 덩치에 걸맞게 초대형 블랙홀은 블랙홀 중에서도 가장 밝게 빛난다. 블랙홀이 빛나는 이유는 블랙홀이 주변의 별이나 가스구름을 끌어당길 때 발생하는 마찰력 때문이다. 지구에 운석이 떨어질 때 엄청난 빛과 소음이 발생하는 것과 비슷한 이치다. 초대형 블랙홀은 강한 중력을 지니고 있어서 블랙홀로 빨려들어가는 물체가 만들어내는 마찰 에너지는 엄청나다. 블랙홀로 끌려들어가는 물질은 토성의 고리처럼 원반 모양의 띠를 이루며 들어가기 때문에 블랙홀은 밝은 ‘불의 고리’를 두르고 있을 것으로 추측된다. 블랙홀 고리의 밝기는 얼마나 많은 물질이 블랙홀로 끌려들어가는지와 밀접한 관계가 있다. 블랙홀은 중력이 강하기 때문에 빛이 나오면서 고리 모양이 왜곡돼 보일 것으로 과학자들은 예상하고 있다. 보석이 박힌 고리처럼 한쪽 가장자리가 빛나고 블랙홀에 가려서 보이지 않아야 할 블랙홀 뒤편의 고리까지도 뒤틀려 보이게 된다는 것이다. 영화 ‘인터스텔라’에서도 이런 블랙홀의 모습이 등장했다. 현대 천문학에서는 모든 은하의 중심에 초대형 블랙홀이 적어도 하나씩은 있다고 본다. 최근 들어서는 초대형 블랙홀이 은하와 은하들의 집단인 은하단과 상호작용하며 진화하고 있다는 증거도 찾아냈다. 초대형 블랙홀 중 일부는 밝게 빛날 뿐 아니라 은하 전체는 물론 별과 행성의 생성에도 영향을 줄 수 있다는 설명이다. 블랙홀에 대한 활발한 연구가 진행되고 있지만 사실 아직까지는 ‘빛나는 블랙홀’이 직접 관측된 적은 없다. 천문학자들은 궁수 별자리 방향에 있는 우리 은하 중심에도 태양의 400만 배 정도 질량을 가진 초대형 블랙홀이 있을 것이라 예측하고 있다. 우리 은하 중심에 있는 초대형 블랙홀은 얌전한 축에 속해 2만 8000광년쯤 떨어진 우리 태양계에 별다른 영향을 주지는 않지만 상당한 빛을 뿜어내고 있다고 본다. 지난 4월 한국을 비롯한 여러 나라의 천문학자들이 함께 우리에게서 가장 가까이 있는 이 블랙홀을 직접 관측하는 ‘이벤트호라이즌 망원경’(EHT) 프로젝트를 시작했다. 전 세계의 전파망원경을 ‘간섭계 기술’로 연결해 지구만 한 가상의 망원경으로 초대형 블랙홀이 만든 ‘불의 고리’에 대한 관측을 수행했다. 자료의 종합 분석에 들어가는 올겨울 즈음에는 인류가 처음으로 블랙홀을 볼 수 있을지도 모르겠다.

우주에는 은하보다 훨씬 밝은 퀘이사라는 천체가 있다. 그 정체는 강력한 에너지를 내뿜는 은하 중심의 거대 블랙홀이다. 활동성 은하 중심에 존재하는 대형 블랙홀이 주변에서 막대한 물질을 흡수하면서 동시에 엄청난 에너지를 방출하는 것이다. 퀘이사는 매우 밝기 때문에 먼 우주를 관측하는 과학자들에게 매우 중요한 연구 대상이다. 국제 과학자팀은 슬로안 디지털 스카이 서베이(SDSS·Sloan Sky Digital Survey) 연구의 일부로 확장 바리온 진동 분광형 연구 eBOSS(Extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey)를 진행했다. 이는 보통의 은하보다 훨씬 밝은 퀘이사의 위치를 추적해 우주의 나이가 30억 년에서 70억 년 사이였을 무렵의 우주의 3차원 지도를 그리는 것이다. 이를 통해 과학자들은 물질의 분포는 물론 아직 그 정체를 모르는 암흑 물질과 암흑 에너지의 분포를 알아낼 수 있다. 암흑 에너지와 암흑 물질이 눈에 보이는 물질의 분포에 영향을 주기 때문이다. 14만 7000개에 달하는 퀘이사의 분포를 확인한 과학자들은 지난 20년간 구축한 표준 우주 모델과 일치하는 결과를 얻었다. 이 거대 우주 지도에서 과학자들은 바리온 음향 진동(baryonic acoustic oscillations·BAO)이라는 거대한 구조를 확인할 수 있다. 이는 빅뱅 직후 존재했던 물질의 미세한 밀도 차이에서 발생한 것으로 현재 우리가 사는 우주의 모습을 만든 원동력이다. 물질의 미세한 분포 차이로 인해 중력이 다르게 작용하면서 가스가 모여 은하단과 은하, 별이 형성되기 때문이다. 그리고 남은 공간은 보이드라는 은하 사이 공간을 만드는데, 시간이 지날수록 그 크기가 확장되고 있다. 이전 연구에서 과학자들은 SDSS 데이터를 이용해서 지구에서 가까운 위치에 있는 120만 개 은하의 3차원 입체 지도를 완성한 바 있다. 이 지도와 더불어 새로 만든 거대 블랙홀 지도는 거대한 우주의 구조와 진화를 이해하는 데 큰 도움이 될 것으로 기대된다. 멀리 떨어진 퀘이사의 지도가 오래전 우주 초기의 모습이라면 가까이 존재하는 은하의 분포는 오늘날의 우주의 모습을 보여주기 때문이다. 동시에 각각의 미세한 점이 무수히 많은 별로 이뤄진 은하이며 이 은하에는 태양 같은 별과 지구 같은 행성이 수천억 개 존재한다는 사실을 생각하면 우주의 거대함을 다시 한번 느낄 수 있는 결과이기도 하다. 고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com

●만성 신장병 치료 프로바이오틱스 개발 한국식품연구원(원장 박용곤) 장내미생물연구단과 가톨릭관동대 국제성모병원 신장내과 공동연구팀은 만성 신장질환 치료용 프로바이오틱스 개발에 성공했다고 16일 밝혔다. 만성 신장질환은 동맥경화와 혈관 석회화를 유발하기 때문에 칼슘(Ca)과 인(P) 성분 조절이 필요한데 연구팀은 혈액 내 인 조절기능이 탁월한 프로바이오틱스를 선별해 동물실험한 결과 효능을 확인했다. 이번에 개발된 물질은 혈중 인 농도를 22.3%, 요독증 유발 물질을 39.5% 낮추는 것으로 밝혀졌다. ●은하 진화 밝힐 해파리형 은하 발견 한국천문연구원(원장 한인우) 신윤경 박사팀이 참여한 국제공동연구진은 지구로부터 약 11억 광년 떨어진 곳에 위치한 거대은하단에서 해파리 은하를 발견하고 천문학 분야 국제학술지 ‘천체물리학 저널 레터스’ 최신호에 발표했다. 나선형 은하가 아니라 타원 형태의 은하에서 가스의 꼬리가 나온 형태의 해파리 은하가 발견된 것은 이번이 처음이다. 연구팀은 칠레 VLT 8.2m급 망원경에 장착된 3차원 분광관측기기를 활용했다. 이번 발견은 은하 주변 환경이 은하의 진화 과정에 미치는 영향을 밝혀내는 데 도움을 줄 것으로 예상된다. ●UNIST-헬름홀츠 공동연구센터 설립 울산과학기술원(UNIST·총장 정무영)이 독일 헬름홀츠 율리히 연구소와 공동연구센터를 설립했다고 16일 밝혔다. UNIST는 16일 ‘UNIST-헬름홀츠 율리히 미래에너지 혁신 연구센터’ 개소식을 갖고 산업화가 가능한 수준의 차세대 에너지 원천기술 공동개발에 나선다. 이번 공동연구센터 개소로 UNIST는 독일 3대 연구기관인 헬름홀츠, 막스플랑크, 프라운호퍼 연구회와 공동연구센터를 모두 구축한 유일한 국내 대학이 됐다.

‘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

자연의 비밀은 종종 눈으로 보이지 않는 영역에서 밝혀진다. 과학자들은 X선 같이 사람의 눈으로는 보이지 않는 파장을 관측해서 다양한 천문 활동을 연구해왔다. X선은 매우 뜨거운 물체에서 나오기 때문에 활동성이 좋은 블랙홀이나 은하계에 존재하는 매우 뜨거운 가스의 정체를 밝힐 때 유용하다. 나사의 찬드라 X선 위성은 X선 영역에서 우주의 비밀을 밝혀내고 있다. 과학자들은 나사의 찬드라 X선 위성을 이용해서 지구에서 2억4000만 광년 떨어진 페르세우스 은하단(Perseus galaxy cluster)을 관측했다. 지름이 1100만 광년에 이르는 대형 은하단인 페르세우스 은하단 중심부에는 섭씨 3000만 도에 달하는 고온의 가스가 팽창하고 있다. 찬드라 X선 위성은 16일에 걸쳐 이 모습을 관측했다. 필터를 통해서 X선 영역만 관측한 과학자들은 마치 거대한 우주 장미 같은 모습의 가스 팽창을 확인할 수 있었다. 더 흥미로운 사실은 비록 밀도는 낮지만 사실 주변부 성간 가스 온도가 세 배나 높다는 것이다. 하지만 정말 예측하지 못했던 모습은 따로 있었다. 팽창하는 가스의 한쪽에 오목하게 들어간 부분이 있었다. 그 지름은 무려 20만 광년에 달해 우리 은하계보다 더 크다. 과학자들은 이 거대한 파장이 서로 다른 밀도를 지닌 가스가 만날 때 생기는 켈빈-헬름홀츠파(Kelvin-Helmholtz wave)의 일종이라고 보고 있다. 그런데 거대한 질량을 지닌 은하단 가스에 이런 영향을 줄 수 있는 천체는 사실 다른 은하단밖에 없다. 컴퓨터 시뮬레이션 결과에 따르면 이 거대한 파동은 페르세우스 은하단 중심부에서 65만 광년 정도 거리에서 이 은하단 질량의 10분의 1에 해당하는 질량을 가진 작은 은하단이 지나간 흔적으로 보인다. 그러나 이 작은 은하단도 우리 은하의 수천 배에 달하는 질량을 지니고 있다. 그리고 이렇게 가까이 다가간 작은 은하단은 결국 큰 은하단에 흡수된다. 과학자들은 30~40억 년에 한 번 정도 이와 같은 충돌이 발생해서 은하단이 더 커진다고 보고 있다. 우리 은하가 속한 국부 은하단 역시 비슷한 과정을 거쳐 지금처럼 커졌을 것이다. 우리 눈에는 보이지 않지만, 우주 어디에나 존재하는 힘인 중력이 그 원동력이다. 과학자들은 그 과정을 이해하기 위해 오늘도 여러 파장에서 관측을 계속하고 있다. 고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com

지구에서 약 57억 광년 거리에 있는 ‘봉황자리 은하단’. 그 중심의 한 은하에는 거대질량 블랙홀이 존재한다. 그런데 이 블랙홀은 주변 가스를 흡수하면서도 그중 일부를 마치 ‘트림’하는 것처럼 고속으로 분출한다. 미국항공우주국(NASA)의 찬드라 X선 위성이 관측한 데이터에서는 이른바 ‘전파제트’로 불리는 이 천문 현상이 호스트 은하 양쪽으로 거대 거품을 일으키고 있다. 거품은 플라스마로 이뤄진 희박한 가스로 은하를 둘러싸고 있는데 그 온도가 너무 높아 별의 탄생에 필요하다고 여겨지는 ‘식어서 수축하는 과정’을 발견할 수 없을 것으로 여겨졌다. 그런데 영국 케임브리지대의 헬렌 러셀 박사가 이끄는 천문학 연구진이 알마 우주망원경을 사용한 최근 관측 조사에서 해당 거품의 측면을 따라서 저온의 분자 가스가 가늘고 길게 분포하고 있다는 것을 밝혀냈다고 천체물리학저널(Astrophysical Journal) 최신호에 발표했다. 저온 가스는 은하의 양쪽에 8만2000광년에 달하는 길이에 걸쳐 있으며, 총질량은 무려 태양 100억 개분에 달하는 것으로 나타났다. 또한 이 가스는 거품에 의해 은하 중심부에서 밀려나고 있거나 거품의 표면에서 만들어지고 있는 것으로 추정되고 있다. 러셀 박사는 “거대질량 블랙홀에 의해 형성된 거품의 구조와 은하의 성장에 필요한 별의 재료인 가스 사이의 관계를 알마 망원경의 관측으로 직접 확인했다”면서 “이번 연구는 이런 블랙홀이 앞으로 별 형성 활동을 어떻게 제어하고 연료가 되는 물질을 호스트 은하가 어떻게 얻는지 새로운 정보를 제공한다”고 말했다. 사실, 블랙홀이 강력한 전파제트를 형성하려면 별의 재료가 되는 가스를 소비할 수밖에 없다. 그러면 별의 탄생 현장이 흐트러져 별의 탄생이 멈춘다는 게 지금까지의 생각이었다. 이론적으로는 은하의 중심에 전파제트와 같은 열원이 없으면 별이 맹렬한 기세로 형성되겠지만, 실제 관측에서는 이런 은하는 그다지 발견되지 않고 있다. 이 때문에 연구진은 활동성 은하핵(AGN, 활발하게 활동하는 천체)이 발하는 전파제트와 빛이 열원이 돼 별의 탄생을 방해한다고 생각해 왔다는 것이다. 이에 대해 공동 연구자인 캐나다 워털루대의 브라이언 맥나마라 교수는 “이번 관측으로 거대질량 블랙홀이 거품을 밀어내고 주변 가스를 가열해 은하의 성장을 제어하면서도 그와 동시에 가스의 온도를 충분히 식히고 있었다”고 설명했다. 이어 러셀 박사는 “이번 결과는 대부분의 거대질량 블랙홀이 60억 년이 넘는 우주 역사 동안 어떻게 폭발적인 별 형성의 폭주를 억제하면서 그와 동시에 은하의 성장을 제어해 왔는지를 설명할 수 있을 것”이라고 말했다. 사진=ALMA 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

보는 것이 믿는 것이라는 이야기는 과학의 영역에서도 어김없이 진리입니다. 갈릴레오는 자신의 망원경으로 목성의 위성을 발견하고 모든 천체가 지구를 중심으로 공전한다는 천동설이 잘못되었다는 것을 입증했고 로버트 훅은 현미경으로 작은 상자 모양의 세포(cell)를 발견해 생물체를 이루는 기본 단위를 알아냈습니다. 이후 많은 과학자가 더 멀리 볼 수 있는 망원경과 더 작게 볼 수 있는 장치를 개발해 은하단에서 바이러스에 이르는 여러 가지 대상을 연구하고 있습니다. 천문학에서 더 크고 강력한 망원경과 마찬가지로 점점 작은 것을 볼 수 있는 미세 관측 기술의 개발은 생물학의 발전에 크게 기여를 했습니다. 오늘날 과학자들은 광학 현미경의 한계를 뛰어넘을 수 있는 여러 가지 기술을 가지고 있습니다. 2014년, 노벨화학상은 광학 현미경의 한계인 아베 한계(약 200㎚)를 극복한 과학자들에게 돌아갔습니다. 막스 플랑크 연구소의 슈테판 헬은 형광물질과 레이저 빔을 이용한 STED라는 초미세 현미경을 개발했고 에릭 베치그와 윌리엄 머너는 약간 다른 원리의 PALM/STORM이라는 형광물질을 이용한 초고분해능 현미경을 개발했습니다. 이들 덕분에 세포 내부의 작은 소기관과 단백질의 모습을 관측할 수 있게 되었고 이는 생물학의 수준을 한 단계 더 끌어올렸습니다. 흥미로운 사실은 슈테판 헬은 STED의 개발과 노벨상 수상 이후에도 연구를 멈추지 않았다는 것입니다. 슈테판 헬과 막스 플랑크 연구소의 젊은 과학자들은 MINFLUX (MINimal emission FLUXes)이라고 부르는 새로운 방법을 개발해 초고해상도 현미경의 분해능을 1㎚까지 끌어올렸습니다. 여기에 속도까지 100배나 빨라서 이제 과학자들은 세포 소기관과 단백질 내부에서 일어나는 미세한 변화를 더 쉽게 관측할 수 있게 되었습니다. 예를 들어 대장균 세포 안에 있는 30S 리보솜(ribosome) 같은 매우 작은 단백질은 물론 그 내부 구조까지 관측이 가능해진 것이죠. (사진 참조) 비슷한 시기에 노팅엄 대학의 연구자들은 초미세 구조를 확인할 수 있는 일종의 초음파 이미지 기술을 개발했습니다. sub-optical phonon 방식의 신기술을 이용하면 세포에 영향을 주지 않고도 세포 내부를 실시간으로 들여다볼 수 있습니다. 기존의 형광물질을 이용한 기술은 세포에 독성이 있을 뿐 아니라 세포가 손상되는 경우도 있었는데, 이 신기술은 세포 손상 없이 실시간으로 움직이는 모습을 관측할 수 있습니다. 연구팀에 의하면 그 해상도는 기존의 STED 현미경과 경쟁할 수 있는 수준입니다. 나노 스케일 초음파 기술이라고 불러도 손색이 없는 수준입니다. 이와 같은 신기술을 개발은 앞으로 세포와 세포 소기관, 단백질의 기능을 더 상세하게 연구할 수 있도록 도와줄 것입니다. 그리고 과거 현미경의 발견이 그랬듯이 생명 현상에 대한 우리의 이해를 돕고 새로운 질병 치료 방법을 개발하는 데 도움이 될 것입니다. 고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com

매년 10월 31일 미국을 중심으로 열리는 ‘핼러윈 데이’. 괴물 분장을 하고 즐기는 축제지만 우주에서는 이보다 더 기괴한 형상을 한 천체가 지금도 유령처럼 빛나고 있다. 미국의 주요 과학매체들은 핼러윈 데이가 되면 매년 이를 기념하는 유령같은 천체사진을 공개한다. 　 이같은 천체는 사실 인간의 눈과 뇌가 특정한 모습으로 상상한 것이지만 적어도 어린이들에게 만큼은 무한한 영감을 준다. 으스스한 모습의 천체사진을 정리해왔다. - 비명을 지르는듯한 우주의 해골 지구에서 약 2억 4천만 광년 떨어진 곳에 위치한 페르세우스자리 은하단(Perseus cluster of galaxies). 페르세우스 자리에는 두 개의 산개성단이 서로 끌어당기고 있으며 수백 여개의 은하가 모여있는 거대 은하단이다. 마치 해골이 비명을 지르는듯한 모습 때문에 매년 핼러윈 데이가 되면 미 항공우주국(NASA)이 단골로 공개하는 이미지다. - 사우론의 눈 영화 ‘반지의 제왕’에 등장하는 사우론의 눈(Eye of Sauron)과 흡사한 별의 모습이다. 지구에서 약 237광년 떨어진 곳에 위치한 ‘HR 4796A’는 ‘사우론의 눈’ 처럼 기괴하게 생긴 모습이 가장 큰 특징이다. 그러나 우주를 노려보는듯 눈처럼 보이는 곳에 위치한 것이 바로 별에서 뿜어내는 빛이며 그 주위의 링은 중력에 끌린 먼지다. - 우주의 마녀 　 지구에서 900광년 떨어진 오리온 자리에 위치한 일명 ‘마녀머리 성운’(Witch Head nebula). 마치 마녀의 머리를 닮았다고 해서 특이한 이름이 붙여진 이 성운은 지난 2009년 발사된 지름 40㎝짜리 적외선망원경을 탑재한 NASA의 광역적외선탐사위성(WISE)이 촬영한 것이다. 이 성운의 정식명칭은 1C2118. - 유령 성운 우주에서 가장 추운 곳이라 불리는 ‘부메랑 성운’(Boomerang Nebula). 마치 유령이 떠있는 듯한 이 성운은 으스스한 모습만큼이나 온도가 -272°C에 이를만큼 우주에서 가장 추운 곳이다. 이는 이론적으로 가장 낮은 온도인 절대영도보다 1도 높은 값. 지구에서 센타우르스자리 방향으로 5000광년 떨어진 곳에 위치한 부메랑 성운은 중심에 있는 별에서 분출되는 가스에 의해 생성된 것으로 추정된다. - 죽은 은하에서 내뿜은 '유령 빛' 국제 천문학 공동연구팀이 허블 우주망원경으로 촬영한 ‘고스트 라이트’(Ghost Light). 약 40억 광년 떨어진 곳의 죽은 은하에서 흘러 나와 이같은 별칭이 붙었다. 이 빛이 뿜어져 나온 곳은 ‘아벨 2744’(Abell 2744)로 일명 판도라 성단(Pandora‘s Cluster)이라 불린다. 놀라운 사실은 이 성단이 약 500개에 달하는 은하들로 이루어진 상상을 초월하는 규모라는 것. 수십억년 전 유령 빛을 발한 이 은하는 주위 거대 은하단 중력에 의해 찢겨져 결국은 형체도 남지 않고 그들 속으로 흘러 들어간다. 박종익 기자 pji@seoul.co.kr