스마트폰에는 과거 전·후면에 카메라가 하나씩 존재했다. 그러나 스마트폰 카메라의 성능이 비약적으로 발전하고 소비자의 요구도 커지면서 이제 카메라 숫자는 두세 개는 물론 네 개까지 증가했다. 스마트폰 카메라는 DSLR 카메라처럼 렌즈를 교환할 수 없고 얇게 만들어야 해서 초광각, 일반각(광각), 고배율 광학 줌까지 별도의 기능을 하는 카메라를 여러 개 탑재한다. 그런데 스마트폰 카메라나 DSLR 카메라와 비교도 되지 않을 만큼 고가인 고성능 천체망원경도 목적에 따라 여러 개를 동시에 사용할 수 있다. 유럽남방천문대(ESO)의 거대 망원경인 VLT나 미 애리조나주에 있는 거대 쌍안 망원경인 LBT가 바로 그런 사례다. 물론 초광각이나 고배율 줌이 아니라 간섭계 같은 특수 관측이 목적이다. 이런 다중 카메라는 우주망원경도 예외가 아니다. 최근 미 항공우주국(NASA)은 세 개의 망원경을 묶어 놓은 X선 관측위성인 IXPE(Imaging X-ray Polarimetry Explorer)를 발사했다. 허블 우주망원경 같은 일반적인 우주망원경이 한 개의 큰 거울로 빛을 모으는 반면 IXPE는 세 개의 작은 거울로 X선을 모은다. 더 독특한 부분은 카메라의 이미지 센서에 해당되는 검출기(detector)가 멀리 떨어져 있다는 사실이다. 발사할 때는 접혀 있다가 우주 공간에서 길게 늘어나는 페이로드 붐을 이용해 거울과 검출기 유닛 사이를 길게 늘린다 이런 이상한 구조를 지닌 이유는 지금까지 한 번도 관측한 적이 없는 우주 X선의 편광 현상을 관측하기 위해서다. 편광은 전자기파가 진행할 때 파를 구성하는 자기장이나 전기장이 특정한 방향으로만 진행하는 것으로 편광 필터를 이용해 쉽게 관측할 수 있다. 하지만 X선은 대기 중에서 흡수되기 때문에 지상 망원경으로는 관측이 불가능하다. NASA가 X선 편광 망원경인 IXPE를 발사한 이유다. 작동 원리는 간단하다. IXPE의 트리플 미러(세 개의 거울)가 수집한 X선은 이탈리아 우주국이 개발한 세 개의 검출기에 들어가 내부에 충전된 가스 입자와 반응을 일으킨다. 이때 나오는 에너지를 검출하면 다른 방식으로는 관측이 어려운 우주 X선 편광 이미지를 세 방향에서 얻을 수 있다. IXPE의 관측 목표는 매우 강력한 X선 에너지를 방출하는 천체로 블랙홀, 중성자별, 펄서, 초신성 잔해, 마그네타, 퀘이사, 활동성 은하핵 등이다.  과학자들은 이들 천체의 자기장을 포함해 과거에는 알 수 없었던 정보를 대거 획득할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 찬드라 X선 위성 같은 우주 X선 망원경은 블랙홀 같은 극단적인 천체에 대한 이해도를 크게 높였다. IXPE는 사상 최초로 우주 X선 편광을 관측해 우주에 대한 이해도를 한 단계 더 높여줄 것으로 기대된다.

어느새 2021년 한 해의 마지막 달이 됐다. 코로나19로 인해 2020년은 잃어버린 한 해가 됐다는 글을 쓴 게 엊그제 같은데, 안타깝게도 1년이 지난 현재 상황도 크게 달라진 것 같지는 않다. 코로나의 새로운 변형인 오미크론이 3~6개월이면 전 세계를 지배할 것이라는 얘기도 들려온다. 두 해째 팬데믹 속에서 연말을 보내며 필자는 우주공간 속 ‘창백한 푸른 점’ 지구의 탄생과 역사는 어떠했고, 지구를 대표하는 물질과 실질적으로 지배하는 생명체는 무엇일까 하는 질문을 던져 본다. 우선 지구를 대표하는 물질은 수소 원자 2개와 산소 원자 1개가 결합한 H2O, ‘물’이라고도 할 수 있다. 크고 작은 인공 연못부터 거대한 로마 시대의 수로와 수에즈 운하까지, 어떻게 보면 물은 ‘인간’을 이용해 지구 곳곳을 누비고 다닌 ‘주체’라고도 할 수 있을 것이다. 우주 전체에 가장 많은 원소는 수소와 헬륨이지만 지구 내부를 구성하는 질량 비율로는 철, 산소, 규소 순이다. 우리가 살고 있는 지구는 초신성 폭발, 중성자 충돌 같은 천체 현상에서 발생한 다양한 원소들로 구성된 ‘우주 먼지’가 45억년 전 중력으로 뭉쳐져서 형성됐다.지구의 45억년을 1년으로 압축한다면 시간별로 어떤 일들이 일어났을까? 지구의 1년 중 대부분의 기간은 생명체가 살 수 없는 극한 환경이었고, 겨우 11월 초가 돼서야 육지 식물이 생겨났으며, 12월 초에는 곤충과 네 발 달린 동물이 나타났다. 쥐라기 시대에 있었던 공룡은 12월 13일에 나타났으나 26일에 뉴욕 맨해튼 크기의 운석이 지구에 떨어지면서 멸종한다. 인간은 12월 31일 밤 11시 35분에 처음 지구에 모습을 보였다. 밤 11시 55분이 돼서야 비로소 인류 문명이 시작됐고, 환경 훼손의 시발점이 된 산업혁명은 12월 31일 밤 11시 59분 58.2초 이후, 자정이 되기 약 1.8초 전에 일어난 셈이 된다. 이렇게 유구한 세월 동안 유지돼 온 지구의 환경을 단시간에 교란시키고 위협하는 ‘깡패’ 동물은 다름 아닌 바로 인간이다. 인간이 등장하기 훨씬 전부터 존재했던 고생물의 유해로 생성된 석탄, 석유 등의 화석연료는 오랜 기간 인간의 편의를 도모하는 귀중한 에너지 자원이 돼 왔다. 하지만 무분별한 화석연료 사용으로 지구 온난화가 가속화됐고, 이로 인해 더 강력해진 태풍, 홍수 등은 어쩌면 인간에게 경종을 울리는 물의 반격, 더 나아가서는 지구의 반격일 수도 있다. 인간의 자기중심적 활동으로 인해 피해를 본 다른 생명체의 입장에서 본다면 이번 코로나 같은 바이러스가 인류에 대한 거대한 저항일 수도 있지 않을까 하는 생각이 들기도 한다. 인간이 아무리 최첨단 과학기술을 이루어 냈다 할지라도, 이제는 거대하고 위대한 자연 앞에서 겸손해져야 한다. 45억년 지구의 역사에서 뒤늦게 합류한 인간만이 특별하고, 세상을 지배할 수 있다는 오만한 패러다임에서 벗어나 식물과 동물, 그리고 무생물과 미생물 사이에 있는 바이러스조차도 지구를 지배할 수 있다는 것을 인정해야 한다. 다만 그동안 기세를 부린 코로나 바이러스는 이제 그만 공격을 멈추고 치명적이지는 않은 약한 감기처럼 인간과 공존하거나 지나가 주기를 간절히 기대해 본다. 그리고 지구라는 우주의 작은 외딴 섬에서 함께 존재하는 생물, 미생물, 그리고 돌조각 하나라도 소중히 여기는 겸허한 마음으로 2021년을 보내려 한다.

마이크로소프트(MS) 창업자 빌 게이츠와 전설적인 투자자 워렌 버핏이 관심을 가진 그린 에너지 분야의 ‘게임 체인저’ 소형모듈원자로(SMR) 건설 사업에 현대엔지니어링이 본격적으로 나선다. 현대엔지니어링은 2일 한국원자력연구원(KAERI), 경북도, 한동대, 캐나다 앨버타 주정부, 캘거리대, CKBC사와 함께 ‘캐나다 앨버타주 소형원자로 건설사’추진을 위한 양해각서(MOU)를 비대면으로 체결했다고 밝혔다. 이들 기관은 액체 소듐을 냉각재로 사용하는 원자로인 소듐냉각고속로(SFR) 기술을 활용해 앨버타주에 100MWe급 소형원자로를 건설할 예정이다. 또 전력생산 및 공정열을 이용한 수소생산 등 다양한 부문의 기술개발 협력을 추진한다. 모듈은 필요한 부분을 규격화한 것이어서 건설 기간이 짧고, 비용도 저렴하고, 운영도 표준화할 수 있다. SFR는 높은 에너지의 고속중성자를 이용한 핵분열 반응에서 생산된 열에너지를 소듐 냉각재로 전달해 증기를 발생시키고, 이 증기로 터빈을 구동해 전기를 생산하는 방식이라고 회사 측이 설명했다. 한국원자력연구원은 1990년대부터 국책과제를 통해 제4세대 원전인 SFR 개발에 들어가 전기출력 150MWe급의 SFR에 대한 기본 설계를 마쳤고, 이를 바탕으로 수출형 100MWe급 발전용 SFR을 개발할 예정이다. SFR는 고순도 저농축 우라늄 금속연료를 사용해 경수로 대비 높은 출력밀도를 낼 수 있으며, 장주기 운전이 가능하다. 또 사용후핵연료 발생량을 상대적으로 줄일 수 있다. 빌 게이츠 MS 창업자와 워렌 버핏 버크셔해서웨이 회장도 이를 탄소 배출이 없고, 상대적으로 안전한 차세대 원전 기술로 보고 주목하고 있다. 현대엔지니어링 관계자는 “이번 협약을 통해 현대엔지니어링은 제4세대 원자력 혁신 기술로 평가받는 소듐냉각고속로 기술 분야를 선도하게 됐다”며 “대한민국과 캐나다 양국의 소형원자로 분야에서 손꼽히는 기업과 기관이 한데 모여 협업하는 만큼 기술 개발과 상용화를 위한 역량을 집중할 계획”이라고 말했다.

금이나 우라늄과 같이 무거운 원소(이하 중원소)는 초신성 폭발이나 중성자별 간의 충돌로 생기는 커다란 에너지에 의해 생성된다. 그런데 이런 원소는 갓 태어난 블랙홀로 빨려 들어가는 가스나 먼지로 된 강착원반 속에서도 만들어지고 있을 가능성이 있다는 연구 결과가 나왔다. 이는 블랙홀이 우주의 연금술사일 수도 있다는 점을 시사하는 것. 빅뱅(대폭발) 이후 초기 우주에는 떠다니는 요소가 많지 않았다. 별들이 태어나고 그 중심부에서 원자핵 간의 충돌이 일어나기 전까지 우주는 대부분 수소와 헬륨으로 이뤄진 수프 같은 상태였다. 별의 핵융합은 우주에 탄소부터 철까지 무거운 원소를 불어넣는 원인이 됐다. 하지만 철이 만들어질 때는 약간의 문제가 발생한다. 핵융합을 통해 철을 생성하는 데 필요한 열과 에너지가 그 과정에서 발생하는 에너지를 넘어서 중심핵의 온도를 떨어뜨려 별의 죽음을 초래하는 데 그것이 바로 초신성 폭발이다. 초신성 폭발은 별에는 죽음을 뜻하지만, 그 안에서 탄생하는 것도 있다. 폭발의 에너지는 거대해서 원자는 충돌하며 서로의 중성자를 잇달아 포획한다. 이에 따라 금이나 우라늄과 같이 철보다 무거운 원소가 형성되는 것이다. 다만 이 과정은 빠르게 진행돼야만 한다. 그렇지 않으면 원자핵에 중성자가 붙기 전 방사성 붕괴가 일어난다. 따라서 이는 알과정(r-process)이라고도 부르는데 여기서 알은 빠름(rapid)을 뜻한다. 알과정은 초신성 폭발이나 중성자별 간의 충돌에 의해 일어나는 것으로 생각된다. 그 이외의 상황에서 알과정이 일어날지 어떨지는 지금까지 알 수 없었다. 다만 그 유력한 후보로 꼽히고 있는 것이 갓 태어난 블랙홀이라는 것이다. 예를 들어 중성자별들이 충돌할 때 그 질량이 블랙홀을 형성할 만큼 충분하면 알과정이 일어날 수 있다. 커다란 질량의 별이 자신의 중력으로 붕괴해 블랙홀화하는 사례에서도 마찬가지다. 두 경우 모두 갓 태어난 블랙홀은 거기에 흡입되는 물질의 소용돌이(강착원반)에 의해 둘러싸인다. 거기에는 대량의 중성미자(전기적으로 중성이며 질량이 0에 가까운, 경입자족에 속하는 소립자)가 방출돼 그 결과로 알과정에 의한 중원소의 형성이 일어나고 있을 가능성이 있는 것이다.‘영국 왕립천문학회 월간보고’(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society) 10월8일자에 게재된 이번 연구에서는 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이 같은 가설이 검증됐다. 독일 중이온연구소(GSI) 등 국제연구진은 블랙홀의 질량이나 스핀 등 다양한 매개변수를 조정하면서 방대한 수의 시뮬레이션을 시행했다. 그 결과, 조건에 따라 갓 태어난 블랙홀에서도 알과정이 일어나는 것으로 확인됐다. 이에 대해 연구 주저자로 GSI의 천체물리학자인 올리버 저스트 박사는 “결정적인 요인은 강착원반의 총 질량에 있다”면서 “강착원반의 질량이 클수록 중성미자의 방출로 전자가 포획돼 양성자로부터 중성자가 형성되기 쉬워진다”고 설명했다. 그만큼 알과정에서 중원소 재료가 되는 중성자가 늘어난다는 것이다. 다만 강착원반의 질량이 너무 크면 역반응이 증가해 중성미자가 원반을 떠나기 전 중성자가 그것을 포획해 버린다. 그러면 중성자가 양성자로 돌아가 알과정을 방해하는 것이라고 저스트 박사는 덧붙였다. 연구진에 따르면, 블랙홀 주위에서 중원소가 가장 활발하게 생성되는 조건은 강착원반의 질량이 태양의 1~10%일 때다. 그때 블랙홀은 이른바 중원소 공장이 되는 것이다. 다만 이런 질량을 지닌 강착원반이 우주에서 얼마나 일반적인지, 지금은 알 수 없다. 이 현상을 밝혀내기에는 데이터가 여전히 부족하기 때문이다. 하지만 현재 독일에서 건설 중인 차세대 입자가속기인 ‘중이온-반양성자 가속기 시설’(FAIR)이 완공돼 임무를 시작하면 더욱더 정밀한 연구를 할 수 있을 것이라고 연구 공동저자로 GSI의 천체물리학자 안드레아스 바우스와인 박사는 기대감을 드러냈다.

광주시가 사업비 1조원대 규모의 ‘초광역 국가 고자기장 연구 인프라’ 구축을 위해 울산시, 강원도 등과 협력체계를 구축한다. 15일 광주시에 따르면 최근 울산시, 강원도 등 3개 지자체가 대전 한국기초과학지원연구원(KBSI) 본원에서 ‘초광역 국가 고자기장 연구 인프라’ 구축을 위한 업무협약을 체결했다. 이번 협약은 정부출연 연구기관인 KBSI와 3개 지자체가 그동안 개별적으로 추진해 왔던 고자기장 연구 인프라를 체계적이고, 중복 없이 효율적으로 구축하기 위해 진행됐다. 협약 내용별로는 KBSI는 국가적 고자기장 연구 인프라 구축 및 연구지원 시설 운영 등 3개 권역별 연구인프라를 총괄 지원한다. 광주시는 신소재, 울산시는 에너지, 강원도는 의생명 중심의 지역별 핵심대상 기술을 개발하는 등 고자기장 연구개발 인프라 구축과 사업화를 위해 공동 협력키로 했다. 자기장의 세기를 크게 높인 고자기장 연관산업은 초전도 터빈(회전기), ESS, MRI, 고자기장 연구장비 산업 등이 있다. 관련 응용산업은 하이퍼루프, 전기차, 신약·백신·항생제 개발 등 소재 및 전력, 의생명, 에너지 분야에서 다양하게 존재한다. 제2의 반도체 산업으로도 불리는 고자기장을 다루는 연구시설은 방사광가속기, 중성자 산란 실험장치와 함께 현대 응집 물리분야에서 3대 핵심 거대 연구시설로 꼽힌다. 광주시가 유치하려는 고자기장 연구소는 아직 국내엔 한 곳도 없다. 해외엔 미국 3곳, 일본 3곳, 프랑스 2곳, 중국 2곳, 네덜란드 1곳, 독일 1곳 등 12곳이 조성돼 다양한 기초 과학 분야를 선점하고 있다. 광주시는 앞서 2016년 기획연구를 시작한데 이어 지난해 6월 KBSI와 업무협약을 체결하는 등 관계부처·국회·연구기관 등과 연구소 유치를 위한 활동에 주력하고 있다. 지난 6월부터는 광주, 울산, 강원 및 KBSI 공동으로 ‘초광역 고자기장 연구인프라 구축 및 활용에 대한 기획연구’를 진행하고 있으며, 국가적 고자기장 연구 인프라 구축·활용 및 관련 응용분야 개발을 위한 계획 등을 수립 중이다. 이 사업이 확정되면 10년간 1조원 규모의 관련 사업을 진행할 수 있게 된다. 이용섭 광주시장은 “이번 협약을 통해 다양한 과학분야와 제조산업의 고도화를 위해 꼭 필요한 고자기장 연구를 선점해 미래 첨단산업을 주도해 나갈 것”이라고 말했다.

우주 저편에서 두 블랙홀이나 중성자별 또는 블랙홀과 중성자별의 충돌로 발생하는 중력파는 몇십억 년의 여정을 거쳐 지구에 도달한다. 미국의 고급 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO·라이고) 연구단과 유럽의 비르고(Virgo) 연구단은 지난 2019년 11월부터 2020년 3월까지 4개월간 이런 중력파를 무려 35개나 새로 검출했다고 8일(현지시간) 밝혔다. 이는 2015년 9월 중력파가 사상 처음 검출된 이후로 2016년 1월까지 단 3개의 중력파가 검출됐던 것보다 10배 더 많아진 것이다. 이로써 2015년부터 2020년까지 검출한 중력파의 수는 90개로 늘었다.중력파 검출은 별의 생애 주기나 죽은 별이 블랙홀이나 중성자별이 되는 구조를 밝히는데 도움이 될 수 있다. 우주 공간에 생기는 이런 시공간의 파장은 알베르트 아인슈타인이 1916년 일반 상대성이론 속에서 예측한 것이기도 하다. 이에 대해 연구 공동저자인 수전 스콧 호주국립대 교수는 이번 성과를 “중력파의 쓰나미(해일)”라고 표현하면서도 “우주 진화의 비밀을 풀기 위한 우리의 연구에 있어 큰 도약”이라고 평가했다. 스콧 교수는 또 “중력파 검출이 새로운 시대에 들어섰다. 검출 사례가 늘어남에 따라 우주 전체에 걸쳐 별의 삶과 죽음에 관한 많은 정보가 밝혀지고 있다”면서 “이런 쌍성계에서 블랙홀의 질량이나 회전을 살피면 이런 시스템이 어떻게 병합하는지를 알아낼 수 있다”고 설명했다. 이어 “중력파 검출기의 감도를 지속해서 개선해온 것이 검출 횟수 증가를 이끄는 데 도움이 됐다”고 덧붙였다. 자세한 연구 성과는 미국 코넬대에서 운영하는 출판 전 논문공개 사이트인 아카이브(arXiv.org) 제출돼 5일자로 공개됐다.

우리은하 밖에서 처음으로 외계행성의 존재를 보여주는 징후가 포착됐다. 미 하버드·스미스소니언 천체물리학센터(CfA) 등 국제연구진은 미 항공우주국(NASA)의 찬드라 엑스선 관측소(CXO)와 유럽우주국(ESA)의 XMM-뉴턴 망원경을 사용한 관측 데이터에서 지구로부터 약 2800만 광년 떨어진 나선은하 메시에51(M51)에서 행성 후보를 발견했다고 25일 밝혔다. 태양계 밖 외계행성은 1990년대 초 처음 관측된 이래 지금까지 행성 후보를 포함해 5000개 가까이 발견됐지만, 대부분은 3000광년 이내로, 모두 우리은하 안에 존재하는 것이었다. 만일 이번 행성 후보가 실제 행성으로 확인된다면 이 외계행성은 우리은하 안에 있는 다른 외계행성들보다 몇천 배나 멀리 떨어져 있는 것이라고 NASA는 설명한다.연구 주저자로 CfA에서 천문학 강사로 재직 중인 로잰 디스테퍼노 박사는 “우리는 엑스선 파장에서 행성 후보를 탐색해 다른 은하의 행성 세계를 찾는 완전히 새로운 영역을 개척하려고 애쓰고 있다”고 말했다.연구진은 외계행성이 항성 앞을 지나는 이른바 천체면을 통과(트랜짓)할 때 별빛이 줄어드는 현상을 관찰하는 기법을 기반으로 별빛 대신 엑스선의 일시적 감소를 관찰해 우리은하 밖 행성 후보를 확인했다. 엑스선은 일반적으로 중성자별이나 블랙홀이 주변 동반성(짝별)의 물질을 빨아들일 때 초고온 상태가 되면서 강하게 방출되는데 이를 방출하는 영역이 넓지 않아 행성이 천체면을 통과하면 완전히 가려진다. 이에 따라 거리는 훨씬 멀지만 가시광선의 미세한 변화만으로 가까운 거리의 외계행성을 포착하는 것보다 더 쉽다고 연구진은 설명했다.연구진은 이런 관측법을 활용해 M51-ULS-1 쌍성계에서 외계행성 후보를 찾아냈다. 이 쌍성계는 블랙홀이나 중성자별과 태양의 약 20배에 달하는 질량을 지닌 짝별로 이뤄져 있다. 찬드라 망원경으로 포착한 엑스선 관측 데이터상의 천체면 통과는 약 3시간에 걸쳐 진행됐는데 이 시간 동안 엑스선 방출은 완전히 가려져 0까지 떨어졌다. 연구진은 이 같은 정보를 토대로 외계행성이 토성과 비슷한 크기이고 중성자별이나 블랙홀을 태양과 토성의 두 배에 달하는 거리를 두고 공전하고 있는 것으로 추정했다. 하지만 이 외계행성의 존재를 확실하게 확인하려면 추가 데이터가 필요한데 이 행성이 짝별 앞으로 지나려면 약 70년을 더 기다려야 할 수 있어 그때까지 확인을 못할 가능성도 있는 것이다. 이에 대해 연구 공동저자인 니아 이마라 미 캘리포니아대 산타크루즈캠퍼스 천문학과 교수는 “안타깝게도 우리가 관측한 천체가 행성임을 확인하려면 다음 천체면 통과 때까지 몇십 년을 더 기다려야 할 것”이라면서 “게다가 공전 주기가 얼마나 되는지 확실하지 않아 언제 관측해야 하는지도 정확히 모른다”고 지적했다. 또 M51-ULS-1 쌍성계의 일시적 밝기 감소가 가스나 먼지 구름에 의해 발생했을 가능성도 있지만, 데이터를 고려하면 그럴 가능성은 거의 없는 것으로 전해졌다. 연구진은 만일 이 외계행성이 실제로 존재한다면 이미 초신성 폭발을 거친 중성자별이나 블랙홀의 영향을 받았겠지만 앞으로 짝별 역시 이런 초신성 폭발을 거쳐야 해서 영향을 받지 않을 수 없으리라 예측했다. 앞으로 연구진은 M51보다 훨씬 더 가까워 천체면 통과 시간이 더 짧은 외계행성을 찾아낼 수 있는 M31과 M33 은하에 관한 관측 데이터를 다시 분석할 예정이다. 이와 함께 우리은하 안에서도 엑스선을 이용해 태양계 밖 외계행성을 찾아낼 수 있는지도 확인할 계획인 것으로 전해졌다. 자세한 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 천문학’(Nature Astronomy) 최신호에 실렸다.

많은 사람이 아메리카 대륙의 발견을 이탈리아 출신 스페인 탐험가 콜럼버스의 업적으로 알고 있습니다. 미국도 크리스토퍼 콜럼버스가 1492년 10월 12일 아메리카 대륙을 발견한 것을 기념하기 위해 매년 10월 두 번째 월요일을 ‘콜럼버스 데이’로 정해 놓고 있습니다. 콜럼버스 이후 많은 탐험가가 아메리카 대륙에 상륙했지만 모두 황금과 향신료의 땅 인도라고 생각했습니다. 그렇지만 아메리고 베스푸치라는 탐험가는 1497~1504년에 남아메리카 지역을 탐험하면서 자신과 콜럼버스가 발견한 곳은 아시아의 일부가 아닌 신대륙이라고 주장했습니다. 그 덕분에 북미와 남미대륙은 그의 이름을 딴 ‘아메리카’로 불리게 됐습니다. 엄격하게 보자면 아메리카 첫 발견자이자 이주자는 약 3만년 전 빙하기 때 유라시아 동쪽 끝과 알래스카 사이의 베링해협을 걸어서 건너간 아시아인이라 할 것입니다. 유럽인 기준으로 보더라도 콜럼버스 이전에 대서양을 최초로 횡단해 아메리카를 발견하고 정착한 이들은 8~11세기 바다를 주름잡았던 ‘바이킹’입니다. 바이킹들은 현재 캐나다 뉴펀들랜드 인근 지역에 상륙해 식민지를 건설한 것으로 알려졌습니다. 네덜란드 흐로닝언대 동위원소연구센터, 스헤르토헨보스 고고학·건축사연구소 연륜연대실험실, 국립문화유산국, 캐나다 국립공원국, 뉴펀들랜드 메모리얼대 고고학과, 지리학과, 독일 쿠르트 엥겔호른 고고표본연대연구센터 공동연구팀은 바이킹의 첫 정착지로 알려진 캐나다 뉴펀들랜드의 북쪽 ‘랑스 오 메도즈’ 유적지에서 중요한 발견을 합니다. 그곳에서 발굴된 나무공예품의 탄소연대측정을 통해 북미 지역에 바이킹이 살았던 시기를 처음으로 정확히 추정하는 데 성공한 것입니다. 이런 연구 결과는 세계적인 과학저널 ‘네이처’ 10월 21일자에 실렸습니다. 랑스 오 메도즈는 당시 원주민들이 거주하지 않는 지역이었습니다. 연구팀은 발굴된 나무공예품들에서 원주민들이 사용하지 않는 금속도구를 사용한 흔적이 보였다는 점을 통해 바이킹의 정확한 거주 시기를 추정할 수 있을 것이라 생각했습니다. 분석에는 과거와는 다른 정밀 방사성 탄소연대 측정법이 활용됐습니다. 탄소에는 화학적 특성은 같지만 원자량이 다른 동위원소 세 종류가 있습니다. 안정적인 C-12, C-13과 방사성붕괴를 하는 C-14가 그것입니다. 양성자로 구성된 우주선(cosmic ray·지구 밖에서 지구로 입사하는 방사선)이 대기와 충돌해 반응하면 중성자가 되고 중성자는 대기 중 N-14와 충돌·반응해 C-14가 만들어집니다. 시간에 따라 붕괴하는 성질을 가진 C-14와 안정적인 C-12, C-13의 비율로 붕괴 기간을 역산해 흘러간 시간을 알아내는 것이 방사성 탄소연대 측정법입니다. 최근에는 기술의 발달 덕분에 극미량의 시료만으로도 연대 측정이 가능해졌습니다. 연구팀은 993년에 우주선이 극대화된 사건이 있었는데 이로 인해 대기 중 C-14의 양도 급증했다는 점을 기준 삼아 그동안 모호했던 바이킹의 아메리카 대륙 진출·점령 시기가 지금으로부터 정확히 1000년 전인 1021년이라는 것을 계산해 냈습니다. 이번 연구는 콜럼버스 이전 유럽인과 아메리카 원주민들 간 유전적, 병리학적 교류에 대한 연구의 실마리를 마련해 줄 것으로 기대되고 있습니다. 과학을 이용하면 역사도 명확한 사실에 근거한 학문이 될 수 있음을 이번 연구가 보여 주는 것 같습니다.

우리 몸의 70% 이상을 차지하는 물은 여전히 많은 부분이 미지의 영역으로 남아 있다. 물은 액체 상태에서 고체 상태로 바뀌면 부피가 커진다는 것과 어떤 물질과도 쉽게 섞을 수 있어 화학반응의 이상적인 매개체가 된다는 점에서 매우 독특한 성질을 갖고 있다. 이런 물을 주제로 하는 연구에서 가장 유용하게 사용되는 도구는 뭘까? 바로 중성자이다. 원자핵을 구성하는 입자인 중성자는 전하를 띠지 않아 물질에 깊숙이 투과할 수 있다. 이 과정에서 물질의 원자핵과 상호작용하며 구성 성분이나 결합구조에 대한 정보를 주기 때문에, 과학자들에게 중성자는 아주 소중한 분석 도구가 돼 준다. 특히 물을 관찰할 때 중성자의 역할이 빛을 발한다. 물은 잘 알려져 있다시피 한 개의 산소 원자에 두 개의 수소 원자가 붙어 있는 형태다. 그런데 수소는 자연에 존재하는 원소 중 가장 작고 가벼워 관찰하기가 매우 까다롭다. 그렇지만 중성자를 이용하면 이런 수소도 효과적으로 볼 수 있다. 물 분자의 움직임이나 구조 변화를 실시간으로 추적 관찰하는 데에도 중성자가 유용하다. 물을 포함해 수소로 구성되는 다양한 물질을 탐구하기 위해서는 중성자를 대량으로 생산하는 장치가 필요하다. 이때 등장하는 것이 양성자가속기이다. 양성자가속기를 이용하면 안정적으로 중성자를 생산하는 것이 가능하다. 앞으로 경주에 있는 양성자가속기를 활용해 물의 비밀을 한 꺼풀 더 벗겨 낼 수 있기를 기대한다.

현재 화성의 지표는 춥고 건조하지만, 수십억 년 전 많은 강과 호수, 그리고 바다가 존재했던 증거를 수없이 보여주고 있다. 화성의 바다는 왜 사라져버렸을까? 그리고 화성 지표 아래 물이 얼마나 있을까? 새로운 연구에 따르면, 화성에서 바다가 사라져 바짝 마른 상태가 된 이유는 전적으로 화성이 너무나 덩치가 작은 행성으로, 중력이 지구의 3분의 1밖에 안 됐기 때문이라는 사실이 밝혀졌다.  미국항공우주국(NASA)의 큐리오시티, 퍼서비어런스 같은 탐사로버 덕분에 과학자들은 고대 화성에 액체 상태의 물이 표면을 뒤덮고 있었다는 사실을 알게 됐다. 붉은 행성은 한때 호수, 강, 개울은 물론, 화성 북반구 지표의 많은 부분을 덮고 있던 거대한 바다도 있었음이 밝혀졌다. 그러나 그 지표수는 약 35억 년 전에 대부분의 화성 대기와 함께 우주로 사라졌다. 이 극적인 기후 변화는 태양에서 방출되는 하전 입자로부터 화성 대기를 지켜주던 보호막 구실을 했던 자기장이 사라져버린 후 발생했다고 과학자들은 믿고 있다. 그러나 새로운 연구에 따르면, 화성에서 바다가 사라진 좀더 직접적인 이유는 화성이 장기적으로 지표수를 붙잡아두기에는 너무나 덩치가 작았다는 데 있다. 공동저자인 쿤 왕 세인트루이스 워싱턴대 지구·행성과학과 조교수는 성명을 통해 "화성의 운명은 처음부터 결정됐다"고 전제하면서 "생명체 서식과 지질학적 판 구조를 가능케 하는 충분한 물을 보유하기 위해서 암석 행성의 크기에 대한 임계값이 있을 가능성이 있다"고 덧붙였다. 과학자들은 그러한 행성 크기의 임계값은 화성 크기보다 더 클 것으로 믿고 있다. 왕 조교수의 연구실 대학원생인 젠 티안이 이끄는 연구팀은 20개의 화성 운석을 조사했는데, 운석들은 화성의 암석 구성을 대표하는 것으로 선택됐다. 연구원들은 2억 년에서 40억 년 사이에 걸쳐져 있는 이 외계 암석들에 풍부하게 포함된 다양한 칼륨 동위원소를 측정했다.(동위원소는 원자핵의 중성자 수가 다른 원소를 가리킨다.) 티엔과 그 동료들은 화학기호 K로 알려진 포타슘(칼륨)을 비교적 낮은 온도에서 기체 상태로 전환하는 물과 같은 '휘발성' 원소-화합물의 추적자로 사용했다. 그들은 지구의 9분의 1 크기인 원시화성이 형성되던 시기에 지구보다 훨씬 더 많은 휘발성 물질을 잃어버렸다는 사실을 발견했다. 그러나 화성은 더욱더 작은 지구의 달과 소행성 베스타(지름 530㎞)에 비해서는 휘발성 물질을 더 잘 붙잡아둔다. 이 두 천체는 따라서 화성보다 훨씬 더 건조하다. 공동저자인 카타리나 로더스 세인트루이스 워싱턴대 지구행성과학과 연구교수는 성명에서 "미분화된 원시 운석보다 분화된 행성에서 휘발성 원소나 그 화합물의 양이 훨씬 적은 이유는 오랜 의문이었다"고 말했다. '분화된(differentiated)' 천체는 내부가 지각, 맨틀, 핵 등 다른 층으로 분리된 천체를 뜻한다. 로더스 연구교수는 또한 "K 동위원소 조성과 행성 중력의 상관관계를 찾는 것은 분화된 행성이 언제 어떻게 휘발성 물질을 받고 잃어버렸는지에 대한 중요한 정량적 의미를 지닌 새로운 발견"이라고 덧붙였다.미국 국립과학원회보 온라인 9월 20일자에 게재된 새로운 연구와 이전 연구는 함께 천체의 작은 크기는 생명체 서식 가능성을 크게 위협하는 것임을 시사한다. 덩치가 작은 행성은 형성되는 동안 많은 양의 물을 잃어버릴 뿐만 아니라, 지자기장도 비교적 일찍 사라짐으로써 대기가 얇아지게 한다. 반대로 지구의 자기장은 우리 행성 깊숙한 곳에 있는 발전기에 의해 구동되고 있어 여전히 강한 상태를 유지하고 있다. 공동저자인 클라우스 메즈거 스위스 베른대 우주·거주가능센터 교수는 "이 연구는 행성이 생명체 서식 가능 '표면 환경'이 조성되는 데 충분한 물을 가질 수 있는 천체 크기의 범위가 매우 제한적이라는 점을 강력히 시사한다"라고 말하면서 "이 결과는 천문학자들이 다른 태양계에서 거주 가능한 외계행성을 찾는 데 지침이 될 것"이라고 덧붙였다. '표면 환경' 조건은 생명체 서식 가능성에 대한 모든 논의에서 중요한 요소이다. 과학자들은 현재 화성의 지하 대수층은 여전히 잠재적으로 생명을 유지할 수 있는 조건이라고 생각한다. 물이 있는 곳에는 어디든 생명이 서식할 수 있다. 과학자들은 화성에 오랜 기간 물이 존재했던 만큼 생명체가 나타나 진화할 수 있는 충분한 시간이 있었을 것으로 보고 있다. 또한 지표 아래 대수층에 생명이 현재 서식하고 있을지도 모른다는 예측을 조심스레 내놓고 있다. 목성의 유로파와 토성의 엔켈라두스와 같은 위성 또한 얼음으로 덮인 표면 아래 생명체가 살 수 있는 거대한 바다를 품고 있다.

우리에게는 각자의 정해진 이름이 있다. 때로는 이름으로 인해 인생이 바뀔 수도 있을 만큼 중요하다고 믿었기에 부모들은 자식이 태어나면 작명에 엄청난 공을 들이기도 한다. 사람뿐만 아니라 물건이나 건물, 작품, 지형, 사건, 심지어 새로운 과학적 발견에도 작명이 매우 중요하다.예를 들어 우리나라가 동해의 영문 명칭을 ‘East Sea’라고 하지 말고 처음부터 ‘East Sea of Korea’ 또는 ‘Sea of Korea’라고 정했으면 좋았을 것이다. 외국 사람들에게 동해를 ‘East Sea’와 ‘Sea of Japan’ 중에서 하나를 정하라고 하면 아무래도 ‘East Sea’가 불리할 수밖에 없다. 동쪽에 바다를 두고 있는 나라들이 많은 상황에서 구체성이 부족한 ‘East Sea’라는 이름은 설득력이 약하기 때문이다. 또한 한반도 서해의 영문명은 ‘West Sea’가 아니고 중국 황하강의 영향을 받아서 명명한 것으로 보이는 ‘Yellow Sea’로 표기하는 점도 함께 생각해 봐야 한다. 물리학은 가장 작은 것에서부터 가장 큰 우주까지를 다루는 학문이다. 질량을 가진 모든 물질의 가장 작은 단위는 쿼크와 경입자이다. 경입자는 6가지가 있는데 우리가 알고 있는 전자가 이에 속한다. 쿼크라는 초소립자는 양성자와 중성자를 구성하는 기본입자인데 이 또한 6가지로 다양하다. 쿼크는 어떻게 명명됐을까? 쿼크라는 이름은 미국 물리학자 머리 겔만이 제임스 조이스의 소설 ‘피네간의 경야’에 나오는 단어를 빌려 온 것으로 알려져 있다. 소설에는 ‘Three quarks for Muster Mark’라는 문장이 나오는데 양성자와 중성자가 3개의 기본입자로 돼 있다는 것에 착안해 이 쿼크라는 단어를 가져다 사용한 것이다. 문학작품도 종종 과학에 좋은 영감을 주거나 창의적인 이름을 짓는 단서가 될 수 있음을 엿볼 수 있는 예라고 할 수 있다. 우주의 기원을 보통 빅뱅이라고 하는데 ‘뱅’은 무엇인가 터질 때 나오는 의성어로 우리말의 ‘펑’ 또는 ‘쾅’과 비슷하다. 과학적인 용어를 ‘대폭발’이 아닌 ‘빅뱅’이라고 명명한 것이 조금 의아하다. 이는 물리학자 프레드 호일이 1949년 BBC 방송에 출연해 언급한 것에서 시작됐다. 당시에는 우주는 과거와 비교해서 크게 변하지 않는다는 정상우주론이 대세였다. 방송에서 호일은 정상우주론을 설명하고 일부 학자의 우주폭발설을 조롱하면서 ‘우주가 어느 날 갑자기 ‘쾅!’(big bang)하고 대폭발했다는 것이 말이 되나’라고 한 것에서 비롯됐다. 지금은 138억년 전 대폭발로 인해 우주가 시작됐다는 빅뱅우주론이 정설이 됐고, 덕분에 빅뱅이란 절묘한 용어도 널리 사용되고 있다. 대전 신동 지역에 한국형 중이온가속기를 건설 중인데 이름이 ‘라온’(RAON)이다. 공모로 결정했지만 당시 필자를 포함한 몇몇 연구자들에게는 라온이라는 명칭이 쉽게 다가오지 않았다. 순우리말로 ‘즐거운’을 뜻하는 좋은 단어이지만 가속기나 관련 연구에는 맥락이 닿지 않는 데다 형용사여서 대형 과학프로젝트명으로는 적절치 않다는 생각이다. 조만간 중이온가속기 건설 구축 사업이 종료되면 연구소로 바뀌는데, 이때는 연구소 이름을 좀더 의미 있고 어울리게 붙였으면 한다. 김춘수의 ‘꽃’이라는 시에 ‘내가 그의 이름을 불러 주기 전에는 그는 다만 하나의 몸짓에 지나지 않았다. 내가 그의 이름을 불러 주었을 때, 그는 나에게로 와서 꽃이 되었다’는 구절이 있다. 불러 주는 것 자체에 큰 의미가 있듯이 어떤 이름으로 불러 주는지 또한 매우 중요한 일이다.

많은 사람들이 세상에서 가장 비싼 물질이라고 하면 다이아몬드를 떠올린다. 그러나 인공적으로 만들 수 있는 금속 중 다이아몬드보다 500배나 비싼 금속이 있다. 1g당 300억원이 넘는 이 금속의 이름은 ‘캘리포늄’이다. 캘리포늄은 자연 상태에서도 핵분열로 중성자를 내뿜는다. 이런 특성 때문에 원자로 기동 시 핵분열을 유도하는, 쉽게 말해 원자로용 번개탄 역할을 수행한다. 중성자가 물질과 반응하는 특성을 이용해 철강이나 시멘트의 수분 함량 같은 원자재의 성분 분석에도 사용한다. 국방·항공 분야에서는 폭탄, 균열을 탐지하는 장치에까지 활용하는 등 이용이 증가하고 있다. 다만 반감기가 2.645년으로 짧아 시간이 지날수록 발생하는 중성자가 줄어 1~2년마다 교체해야 하고 교체 후 잔여물도 방사성폐기물로 관리해야 하는 단점이 있다. 캘리포늄은 비싼 만큼 생산 과정도 매우 까다롭다. 플루토늄을 특수 반응로에 넣어 만들기 때문에, 미국과 러시아에서 매우 제한적인 양만 생산한다. 최근 들어서는 중국의 산업 수요와 원자력발전소 증가로 가격이 2배 이상 급등했다고도 한다. 다행히 미국을 중심으로 전기 공급만으로 중수소를 가속시켜 중성자를 생산하는 장치가 개발돼 캘리포늄을 대체할 수 있게 됐다. 최근 국내에서도 자체 개발에 성공해 실용화를 추진하고 있다. 세상에서 가장 비싼 금속을 조만간 우리 기술로 대체할 수 있기를 기대해 본다. 이동원 한국원자력연구원 핵물리응용연구부장

현재 미 항공우주국(NASA)이 이끄는 국제 컨소시엄은 50년 만에 인간을 다시 달로 보내는 아르테미스 임무를 추진하고 있다. 과거 아폴로 시대와 가장 큰 차이점은 이번에는 한 번 가고 끝나는 것이 아니라 영구적인 달 기지 건설을 위한 토대를 건설한다는 점이다. 하지만 인류가 달에 진출한다면 당장에 어떤 이점이 있을까? 이 질문에 대한 대답 중 하나는 지구에서는 건설이 어려운 특수한 과학 시설을 만들 수 있다는 것이다. 과학자들은 2015년 아인슈타인이 이론적으로 예측했던 중력파의 존재를 100년 만에 검증했다. 중력파를 사상 최초로 검출한 장치는 LIGO(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory)였다. LIGO는 역사상 가장 정밀한 레이저 간섭계로 중력파에 의한 미세한 시공간의 떨림을 관측할 수 있다. 과학자들의 관심은 이제 중력파 자체를 검증하는 것보다 중력파를 이용해서 우주를 관측하는 중력파 천문학에 쏠려 있다. 하지만 지구에는 여러 가지 미세한 진동이 많기 때문에 진짜 중력파를 구분하는 일이 쉽지 않다는 문제가 있다. 밴더빌트 대학과 하버드 대학의 연구팀은 달 표면에 중력파 검출 장치를 건설하면 지구에서는 불가능한 미세 중력파를 측정할 수 있다고 주장했다. 이들이 제시한 GLOC (Gravitational-wave Lunar Observatory for Cosmology) 장치는 아직 초기 개념 연구 단계이지만, 실제로 건설한다면 인류 역사상 가장 강력한 중력파 천문대가 될 수 있다. 그렇게 보는 이유는 간단하다. 달 표면에는 중력파 검출을 어렵게 만드는 진동이 거의 없다. 지구에서는 차량의 이동 같은 인위적인 진동이나 바람이나 비 같은 자연 현상에 의한 미세 진동이 항상 존재하지만, 달에는 사람은 물론 물도 공기도 없다. 가끔 내부의 지진이나 운석 충돌에 의한 진동이 발생하지만, 지구에서 발생하는 진동과는 비교할 수 없을 정도로 작다. 여기에 본래 진공상태이기 때문에 LIGO처럼 긴 진공 튜브를 지하에 따로 매립할 필요가 없다. 레이저의 진행을 방해하는 대기나 기타 장애물이 없기 때문에 몇 개의 지점에 레이저 간섭계를 설치하면 중력파 검출기로 사용할 수 있는 것이다. 현재 중력파 천문학은 블랙홀이나 중성자별의 쌍성계처럼 강한 중력파를 내는 천체에 한정되어 있다. 하지만 중력파 천문학에는 더 많은 가능성이 존재한다. 예를 들어 전자기파로는 관측이 불가능한 빅뱅 직후 초기 우주의 모습을 중력파 형태로 관측할 수 있을지도 모른다. 다만 이를 위해서는 지금까지 없었던 강력한 중력파 검출 장치가 필요하다. 달 표면 중력파 천문대가 그 역할을 해낼 수 있을지 미래가 주목된다.

지난 17일(현지시간) 우주전문사이트 스페이스닷컴에 게재된 흥미로운 ‘우주의 원자 수’ 칼럼을 약간 가공해 소개한다. 우주의 모든 물질은 크든 작든, 새것이든 오래된 것이든 상관없이 모두 원자로 구성되어 있다. 이 구성물질 각각은 양성자와 중성자가 결합해 양전하를 띤 핵과 음전하를 띤 궤도 전자로 이루어진다. 원자가 가지고 있는 양성자, 중성자, 전자의 수는 원자가 주기율표에서 어떤 종족에 속하는지 결정하고, 주변의 다른 원자와 반응하는 방식에 영향을 미친다. 우리 주변에서 볼 수 있는 모든 물질들은 서로 다른 원자들이 독특한 방식으로 상호 작용하는 구성체일 뿐이다. 모든 것이 원자로 이루어져 있다면, 이 우주를 만들고 있는 원자의 수는 대체 몇 개나 되는지 알 수 있을까? 영국언론 ‘가디언’에 따르면 일단 ‘작게’ 시작하는 방법을 권한다. 즉, 우리 몸을 이루는 원자 수부터 세어보는 것이다. 우리 몸은 대략 평균적으로 7x10^27승 개의 원자로 구성되어 있다. 이는 7 다음에 0이 27개나 붙어 있는 엄청난 숫자다. 한 사람에게 이처럼 방대한 양의 원자가 있다는 사실을 감안할 때, 전체 우주에 얼마나 많은 원자가 있는지 결정하는 것이 얼핏 불가능하다고 생각할 수도 있다. 왜냐하면, 이 우주는 우리가 관측할 수 없을 정도로 크기 때문에 그 정확한 크기를 현재 알 수 없기 때문이다. 하지만 문제를 조금 단순화시켜 관측 가능한 우주에 있는 원자 수로 한정한다면 몇 가지 우주론적 가정과 약간의 수학을 사용하여 관측 가능한 우주에 얼마나 많은 원자가 있는지 대략적으로 계산할 수 있다. 관측 가능한 우주 우주는 138억 년 전 빅뱅으로부터 출발했다. 질량과 온도가 무한대인 점인 ‘원시원자’가 폭발하여 우주가 생겨났고, 그때 시작된 팽창은 지금 이 시간에도 계속되고 있는 중이다. 이것이 언제 멈추어질는지는 아무도 모른다.어쨌든 우주의 나이는 138억 년이라는 사실은 이제 정설이 되어 여기에 이의를 제기하는 과학자는 거의 없다. 빅뱅에서 시작하여 우주가 지금까지 빛의 속도로 팽창하고 있다면, 관측 가능한 우주는 모든 방향으로 138억 광년 거리까지 확장되었다고 생각하기 쉽다. 하지만 우주는 그보다 더 크다. 빅뱅 직후에 빛보다 더 빠른 팽창이 이루어졌기 때문이다. 우주론에서는 이를 ‘인플레이션’이라 한다. 그렇다면 어떤 이는 이런 질문을 할 수도 있다. 우주에는 빛보다 빨리 움직이는 것은 없는데, 어떻게 우주가 빛보다 빨리 팽창할 수 있는가? 이에 대한 정답은 '우주의 팽창은 물질의 운동이 아니라 공간 자체가 팽창하는 것이기 때문에 가능하다' 미 항공우주국(NASA)에 따르면, 현재 우리가 알고 있는 우주의 크기는 약 920억 광년이다. 즉, 우리가 관찰할 수 있는 우주는 실제로 모든 방향으로 460억 광년 거리까지 뻗어 나갔다는 듯이다. 그러나 관측 가능한 우주의 크기를 안다고 해서 그 안에 얼마나 많은 원자가 있는지 다 알 수 있는 것은 아니다. 그 우주 안에 얼마나 많은 물질이 담겨 있는지 알아야 한다. 더욱이 물질만 우주에 있는 것이 아니다. NASA 발표에 따르면 물질이 우주에 차지하는 비중은 5%에 지나지 않는다. 나머지 95%가 암흑 에너지와 암흑물질이라는 뜻이다. 그런데 이들은 원자로 구성되어 있지 않다. 그래도 ‘우주의 산수’를 하는 데는 별 지장이 없다. 이 문제는 아인슈타인이 해결해주었다. 아인슈타인의 유명한 E=mc² 방정식에 따르면, 에너지와 질량(물질)은 상호 교환이 가능하므로 물질이 에너지로 생성되거나 에너지로 변환될 수 있다. 지금까지 우주에 대한 우리의 관찰에 따르면 우주를 지배하는 물리 법칙은 어디에서나 동일하다. 이에 더해 우주의 팽창이 일정하다고 가정한다면, 우주 스케일에서 볼 때 물질은 우주 전체에 균일하게 분포되어 있음을 의미한다. 이는 우주론적 원리로, 우주의 등방성이라 한다. 다시 말해, 우주의 다른 영역보다 더 많은 물질을 가진 특정 영역은 없다는 뜻이다. 이 아이디어를 통해 과학자들은 관측 가능한 우주에서 별과 은하의 수를 정확하게 추정할 수 있다. 또한 대부분의 원자가 별과 성운에서 발견되기 때문에 ‘우주의 산수’가 그리 어렵운 것은 아니다. 간단한 계산을 위한 조건들 관측 가능한 우주의 크기와 물질이 균일하고 유한하게 분포되어 있다는 사실을 알면 우주의 원자 수를 쉽게 계산할 수 있다. 그러나 계산기를 꺼내기 전에 몇 가지 가정을 더 해야 한다. 첫째, 우리는 모든 원자가 별에 포함되어 있지 않더라도 별 안에 포함되어 있다고 가정해야 한다. 불행히도 우리는 별에 비해 관측 가능한 우주에 얼마나 많은 행성, 달, 우주 암석이 있는지에 대한 정확한 정보를 갖고 있지 않다. 그러나 우주에 있는 원자의 대다수는 별 안에 포함되어 있기 때문에 다른 것은 무시하고 별에 있는 원자 수만 파악하면 우주의 원자 수에 대한 좋은 근사치를 얻을 수 있다. 예컨대, 태양계에서 태양이 차지하는 비중은 99.86%에 달하므로 기타 등등은 0.14%에 지나지 않는다. 둘째, 우리는 우주의 모든 원자가 수소 원자는 아니지만 수소 원자라고 가정하면 계산이 훨씬 간단해진다. 로스 알라모스 국립연구소에 따르면, 수소 원자가 우주 전체 원자의 약 90%를 차지하며, 나머지의 9%는 헬륨, 기타 중원소들은 1% 미만이다. 약간의 수학을 곁들이면... 드디어 대망의 수학 시간이 돌아왔다. 관측 가능한 우주의 원자 수를 계산하려면 우주의 질량을 알아야 한다. 즉, 별이 몇 개 있는지 알아야 한다. 유럽우주국(ESA)에 따르면, 관측 가능한 우주에는 약 10^11~10^12(1조)개의 은하가 있으며, 각 은하에는 평균 10^11~10^12(1조)개의 별이 포함되어 있다. 즉 우리 우주에는 총 10^22에서 10^24개의 별이 있다는 뜻이다. 계산을 간단히 하기 위해 우리는 관측 가능한 우주에 10^23개의 별이 있다고 가정할 수 있다. 물론 이것은 최선의 추측인 평균치일 뿐이다. ‘사이언스 ABC’에 따르면 별의 평균 무게는 약 10^32kg이며, 이를 기반으로 하면 암흑 에너지와 암흑물질을 포함한 전체 우주의 물질 질량이 약 10^55kg임을 알 수 있다. 그러면 그 안에 얼마나 많은 원자가 들어 있을까? 일리노이에 있는 페르미 국립가속기연구소에 따르면, 물질 1g에는 평균적으로 약 10^24개의 양성자가 있다. 이것은 각 수소 원자가 하나의 양성자를 가지기 때문에 수소 원자의 수와 같다는 것을 의미한다. 이것은 관측 가능한 우주에서 10^82개의 원자 수가 있음을 가리킨다. 숫자로 나타내면 다음과 같다. 10,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000개 원자. 이 수치는 수많은 근사치와 가정을 기반으로 한 대략적인 추측이다. 그러나 관측 가능한 우주의 실제 상황과 그리 동떨어진 수치는 아닐 것이다. 그렇다면 10^82이라는 수는 과연 얼마나 큰 수일까? 동양권 숫자의 가장 큰 단위인 무량대수無量大數(10^68)보다도 10^14배 큰 어마무시한 숫자이지만, 10^100승인 구골(Googol)에는 한참 못 미치는 수다. 10^82승 개 원자들이 만드는 우주는 얼마나 물질로 충만해 있을까? 그래봤자 광막한 우주 공간의 1조 분의 1 정도를 채우고 있을 뿐이라고 한다. 그래서 물리학자는 제임스 진스는 우주의 물질 밀도에 대해 “큰 성당 안에 모래 세 알을 던져넣으면 성당 공간의 밀도는 수많은 별을 포함하고 있는 우주의 밀도보다 높게 된다”고 말했다. 그러니 우주는 사실 텅 빈 공간이나 다를 바가 없다. 우리는 그야말로 색즉시공(色卽是空)의 세계에서 살고 있는 것이다.

2019년 일본의 보복성 수출규제로 ‘소재·부품·장비’ 분야 연구개발에 대한 관심이 높아졌다. 신소재 개발을 위해서는 물질 이해가 필요한데 이를 위해서는 그 구성과 작동원리를 원자단위에서 바라봐야 한다. 많은 연구실에서는 이를 위해 일반적으로 X선 장비를 이용한다. 물질의 원자는 핵, 중성자 그리고 전자로 이루어져 있다. X선은 전자기파로 원자를 구성하는 전자에 의해 회절하는 성질을 갖고 있다. 이를 통해 간접적으로 전자의 위치를 파악하고 물질 내 원자들에 대한 정보를 얻는다. 원자가 무거울수록 전자 개수가 많아지는데, X선 특성상 가벼운 원자에 대해서는 정확히 알기 어렵다. 휴대전화와 전기자동차의 중요 부품인 배터리 연구의 경우 상대적으로 가벼운 원자인 리튬과 나트륨의 정확한 위치와 움직임을 파악하는 것이 핵심이다. 앞서 언급한 것처럼 X선을 이용한 연구에는 한계가 있기 때문에 이를 보완하기 위해 중성자를 활용한다. 전기적으로 ‘중성’을 띠고 있어서 전자에 의한 방해 없이 물질 내부 깊숙이 침투가 가능해 핵과 직접 상호작용을 통해 정확한 위치 정보를 알아낼 수 있다는 장점이 있다. 중성자를 얻기 위해서는 핵분열 또는 핵파쇄 두 가지의 방법을 이용한다. 핵파쇄 시설은 국내에 아직 없는 상황이기 때문에 핵분열을 이용해야 하는데 이를 이용할 수 있는 장치는 다목적 연구용원자로 ‘하나로’가 있다. 하나로를 이용한 다양한 신소재 연구가 활발해지길 기대한다. 오인환 한국원자력연구원 책임연구원

마이크로소프트(MS) 창업자 빌 게이츠 기술고문과 ‘투자의 귀재’ 워런 버핏 버크셔해서웨이 회장이 손잡고 차세대 소형 원자력발전소를 건설한다. AP통신 등에 따르면 게이츠 고문은 2일(현지시간) 마크 고든 와이오밍주 주지사가 주재한 화상회의에 참석해 “자신이 설립한 원전기업 ‘테라파워’와 버핏 소유의 전력회사 ‘퍼시피코프’가 와이오밍주에 나트륨(Na·소듐)을 이용한 원전을 건설한다”며 “정확한 부지는 연말 공개 예정”이라고 밝혔다. 그는 “와이오밍주는 한 세기 넘게 에너지 분야에서 선두주자였던 만큼 나트륨에 대한 투자가 와이오밍을 향후 수십 년 동안 여전히 선두를 유지하게 해 줄 것으로 믿는다”며 “나트륨이 에너지 산업에서 ‘게임체인저’가 될 것”이라고 덧붙였다. 세계 최고 부호들인 게이츠와 버핏의 친분은 사실 남다르다. 게이츠는 지난해까지 버크셔해서웨이의 이사로 활동했고, 버핏은 2015년 버크셔해서웨이 B등급 주식 28억 4000만 달러(약 3조 1600억원)어치를 ‘빌앤드멀린다게이츠 재단’ 등에 쾌척했다. 미국의 막대한 재정적자를 메우기 위해 부자 증세를 옹호하는 등 정치적 견해도 비슷하다. 차세대 원전 건설도 기후위기 대응이 시급하다는 이들의 소신에서 비롯된 것으로 보인다. 고든 와이오밍 주지사는 “탄소를 배출하지 않는 가장 빠르고 명확한 길”이라고 강조했다. 나트륨 원자로는 345메가와트(㎿e) 규모이나 전력 수요가 최고일 때는 500㎿e를 생산할 수 있는 것으로 알려졌다. 25만 가구가 사용하기에 충분한 전력량이다. 수소연료전지에 들어갈 수소도 생산할 예정이다. 기존 경수로나 중수로와 다른 소듐냉각고속로(SFR) 방식인데, 고속 중성자를 이용해 핵분열을 일으키고 이때 발생하는 열을 액체 나트륨으로 냉각시키는 과정에서 만들어진 증기로 전기를 생산한다. 핵폐기물 양을 줄일 수 있어서 기후변화를 억제하는 차세대 원전으로 주목받았다. 크리스 레베스크 테라파워 최고경영자(CEO)는 “나트륨 원전은 기존 원전보다 핵폐기물이 3분의2 더 적게 나온다”고 설명했다. 이번 원전 건설에는 10억 달러가 투입될 예정이다. 게이츠는 그동안 에너지산업 혁신에 높은 관심을 보였다. 지난 2월 펴낸 ‘빌 게이츠, 기후 재앙을 피하는 법’이라는 제목의 책에서는 “원자력이 자동차나 화석연료보다 훨씬 적은 수의 사람을 죽인다”며 탄소 배출에서 자유로운 새 원전이 필요하다고 역설했다. 하지만 장밋빛 전망만 있는 것은 아니다. 일각에서는 전통 방식보다 위험할 수 있다는 지적도 있다. 로이터통신은 “첨단 원자로 연료 다수는 재래식 연료보다 높은 비율로 농축돼야 하는데, 이는 핵무기를 원하는 테러단체나 무장세력들에 매력적인 표적이 될 수 있다”고 경고했다. 김규환 선임기자 khkim@seoul.co.kr

허블우주망원경이 이웃 은하의 중력에 의해 기묘하게 변형된 ‘풍선 얼굴’ 나선은하의 놀라운 이미지를 포착했다. NGC 2276이라고 불리는 이 나선은하는 지구에서 약 1억2000만 광년 떨어진 세페우스자리에 위치하고 있다. 허블의 광시야 이미지에서 NGC 2276은 보다 작은 이웃 은하인 NGC 2300과 함께 볼 수 있다. 이웃 은하의 중력은 NGC 2276의 나선 구조를 비대칭적으로 치우쳐진 형태로 뒤틀어버린 바람에 이 은하는 1966년에 출판된 기괴한 항성 목록인 ‘특이 은하 지도’에 수록되었다. NGC 2276 은하는 한쪽의 은하면이 길게 잡아늘여진 비대칭적인 ‘풍선 얼굴’을 하고 있는데, 이는 상대적으로 작은 이웃 은하인 NGC 2300의 중력이 작용한 때문이다.나선은하라는 이름이 유래한 은하의 나선 팔은 은하 중심에서 거미의 다리처럼 발산하여 은하를 휘감고 있는데, 이는 별과 성간물질의 밀도가 은하의 다른 부분보다 압도적으로 높아 나선형의 팔 구조를 만드는 것이다. 따라서 나선 팔은 은하 중에서도 밝은 띠의 흐름을 형성한다. 은하 중심을 향해 크게 휘어진 나선 팔은 나선은하의 가장 뚜렷한 특징으로, 중앙 팽대부, 나선 팔이 있는 평평한 원반, 원반을 둘러싼 덜 조밀한 헤일로(halo)를 특징으로 하는 다소 복잡한 구조를 가지고 있다. 우리 은하와 함께 이웃인 안드로메다는 모두 나선은하에 속한다. NGC 2276의 특이한 형태는 NGC 2300과의 중력 상호작용 외에도 일반적으로 은하단에 광범하게 퍼져 있는 극도로 뜨거운 가스의 영향을 받은 결과물이다. 유럽우주국(ESA)의 설명에 따르면, 이 극도로 과열된 가스는 NGC 2276에서 폭발적인 별 형성을 촉발시켰다. 이 같은 NGC 2276의 최근 폭발적인 별 형성은 또한 블랙홀과 중성자 별의 이원계와 같은 은하 내 거주자들의 출현과 관련이 있다고 ESA는 성명에서 밝혔다. 이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com　

일본이 국제적 비난에도 불구하고 후쿠시마 제1원전에 보관하고 있는 방사능 오염수를 해양에 방류하겠다고 결정했다. 후쿠시마 오염수 방류가 문제가 되는 이유는 무엇이고, 가장 우려되고 있는 삼중수소의 정체, 수산물에 미치는 영향 등 궁금증을 풀어봤다. Q. 후쿠시마 오염수에는 어떤 방사능 물질이 있을까? A. 2011년 3월 동일본 대지진의 여파로 후쿠시마 제1원전에서 폭발사고가 발생해 핵연료를 식히기 위해 뿌렸던 물이 쌓인 것이 방사능 오염수이다. 여기에 빗물과 지하수가 더해지면서 하루 140t씩 늘어나고 있다. 2014년 미국에서 다핵종제거설비(ALPS)를 도입해 방사성 물질들을 걸러내 저장 탱크에 오염수를 저장하고 있다고 일본 정부는 밝히고 있지만 2018년 조사결과 오염수 속에는 ALPS가 걸러낼 수 있는 것으로 알려진 62종의 방사성 물질들도 기준치 이상으로 남아있는 것으로 확인됐다. 이 때문에 ALPS로 모든 방사성 핵종을 제거하고 삼중수소는 희석시켜 배출하겠다는 일본 정부의 발표에 신뢰를 하지 못하는 것이다. 현재 탱크에 저장된 오염수 속 방사성 물질 중에는 혈액암, 골수암을 유발시키는 스트론튬(Sr)-90, 갑상선암을 일으키는 요오드(I)-129, 전신마비, 불임, 각종 암을 유발시키는 것으로 알려진 세슘(Cs)-137 등이 포함돼 있다. 또 체내 축적시 유전적 돌연변이를 만들 수 있는 고농도의 탄소(C)-14도 포함돼 있는데 반감기가 5730년에 이른다. 긴 반감기 때문에 탄소-14는 고고학이나 고생물학에서 방사성 탄소연대 측정법에 쓰이는데 대략 6만년 전까지 연대를 정확하게 측정할 수 있는 것으로 알려져 있다. Q. 방사능 오염수가 한반도에 도달하는 시기 정확히 언제일까? A. 후쿠시마 방사능 오염수가 바다와 한반도에 미치는 영향을 정확히 파악하기 위해서는 방출량과 방출시점, 방출농도, 오염수 내 핵종 등 핵심정보들이 필요하다. 그렇지만 일본 정부에서는 이 같은 정보를 아직 정확하게 제공하고 있지 않기 때문에 한국 뿐만 아니라 다른 나라 과학자들도 정확한 예측을 내놓지 못하고 있다. 지금까지 나온 예측결과들도 모두 실제 데이터가 아닌 이론적 가설을 바탕으로 하기 때문에 정확하지 않다. 해류의 움직임은 계절별, 월별로도 다르기 때문에 방류시점이나 1회 방류시 내보내는 오염수 양에 따라 한반도에 영향을 미치는 정도와 시점이 크게 차이가 나게 된다. 이 때문에 정확한 정보 없이 시뮬레이션을 할 경우 혼란만 가중시킬 수 있다는 것이 전문가들의 의견이다.Q. 삼중수소란 무엇인가? A. 삼중수소는 우리가 흔히 알고 있는 수소의 방사성 동위원소이다. 수소는 양성자 하나에 전자 하나가 주위를 돌고 있는데 원자력발전 감속재로 쓰는 중수소는 양성자에 중성자 1개가 붙어 있는 형태이며 삼중수소는 양성자에 중성자가 2개 붙어있는 형태이다. 수소보다 3배 무겁고 수소 동위원소 중 방사성을 띄고 있다. 삼중수소는 헬륨 동위원소로 바뀌면서 에너지를 발생시키는데 강도가 크지 않아 종이나 물은 물론 사람의 피부를 통과할 수 없다. 이 때문에 외부피폭이 어려워 다른 방사능 물질에 비해 비교적 안전한 것으로 평가받고 있다. 삼중수소는 중수로형 원전에서 만들어지는데 다른 방사성폐기물과 달리 자발광체, 보안검색대 등 여러 산업분야에서 유용하게 활용할 수 있어 삼중수소를 따로 보관하는 경우도 있다. 또 미래 에너지로 알려진 핵융합발전에도 삼중수소가 연료로 쓰인다. Q. 삼중수소가 인체에 유해다고 이야기되는 이유는? A. 삼중수소는 자연적으로도 생성되고 우리가 마시는 물 속에도 미량으로 존재한다. 물 분자는 수소 2개, 산소 1개로 구성돼 있는데 수소 2개 중 1개가 삼중수소로 바뀐 HOT로 존재하는 것이다. 화학적 특성도 거의 비슷하기 때문에 방사성 오염수에서 제거하기 어렵다. 물 속에 녹은 삼중수소가 몸 속에 들어오면 10일 이내에 배출된다. 문제는 삼중수소 중 일부가 체내 유기화합물과 결합할 경우 몸 속에 더 오래 머물게 되고 신체 특정 부위에 축적될 가능성도 있다. 이렇게 남아있는 삼중수소가 유전자 변형, 세포 사멸, 생식기능 저하 같은 방식으로 인체에 손상을 입히는 것이다. 삼중수소가 다른 방사능 물질보다 상대적으로 안전하다는 것이지 절대적으로 안전하다고 할 수 없다는 말이다.Q. 수산물은 안전할까? A. 삼중수소는 사람에서처럼 수산물에서도 마찬가지 메커니즘으로 축적될 수 있다. 이렇게 삼중수소가 농축된 수산물을 사람이 섭취할 경우는 인체에 농축될 가능성이 있다. 일본 정부와 전문가들은 오염수 내 방사성 물질을 완전히 제거하고 걸러내기 힘든 삼중수소는 희석시킨 뒤 배출하기 때문에 다시 바닷물에 희석돼 수산물을 통해 인체에 미치는 영향은 적다고 보고 있다. 문제는 현재도 방사능 오염수에 대한 정확한 정보를 제공하지 않는 일본 정부를 100% 신뢰할 수 있냐는 문제이다. 이 때문에 전문가들도 이론적으로는 수산물 안전성에 문제가 없다고 하지만 실제 영향은 구체적인 일본정부의 방출 계획을 봐야 알 수 있다고 유보적인 입장을 보이는 것이다. 일본 내에서도 후쿠시마 어민들이 오염수 방류가 “궤멸적 피해를 가져올 것”이라고 반대하는 이유이다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

수산물 통해 인체 내 방사능 피폭 가능성바다 속 삼중수소 소멸까지 수십년 걸려 일본 정부가 13일 해양 방류를 공식 결정한 후쿠시마 제1원전 오염수가 문제가 되는 것은 방사성 물질인 삼중수소(트리튬)가 다량 포함돼 있기 때문이다. 후쿠시마 제1원전에서는 2011년 동일본대지진 당시 폭발사고가 난 원자로 시설에 유입된 빗물과 지하수 등으로 인해 하루 평균 140t의 오염수가 발생하고 있다. 원전 운영사인 도쿄전력은 방사성 물질을 함유한 오염수를 다핵종제거설비(ALPS)로 처리해 원전부지 내 저장탱크에 보관하고 있다. 지난달 중순 기준 약 125만 844t의 오염수가 보관됐으며, 현재도 그 양이 계속 쌓이고 있다. 도쿄전력과 일본 정부는 오염수 중 ALPS로 거른 물을 ‘처리수’라고 부르고 있다. 처리 전의 오염수에는 삼중수소를 비롯해 세슘 134, 세슘 137, 스트론튬 90 등 각종 방사성 핵종 물질이 포함돼 있다. 문제는 오염수를 ALPS로 처리해도 삼중수소는 그대로 남는다는 점이다. 삼중수소는 인체 내에서 피폭을 일으킬 수 있는 방사성 물질이다. 삼중수소는 양자 1개와 전자 1개, 중성자 2개로 이뤄진 물질로, 방사선을 방출하는 방사성 동위원소다. 수소와 양성자 수는 같지만, 중성자 수에서 차이가 나 질량이 다르다. 안정적인 수소나 중수소와 달리 삼중수소는 불안정한 특성으로 붕괴하면서 방사선을 방출하고 헬륨-3으로 변한다. 삼중수소가 인체 내에서 정상적인 수소를 밀어내고 그 자리를 차지하면, 베타선을 방사하면서 삼중수소가 헬륨으로 바뀌는 ‘핵종 전환’이 일어나는 것이다. DNA에서 핵종전환이 발생하면 유전자가 변형되거나 세포가 사멸할 수 있고, 생식기능 저하 등 인체에 손상을 입을 수 있다. 해양 방류로 오염수에 노출된 수산물을 섭취할 경우 신체 내에 방사성 물질이 배출되지 않고 쌓이면서 내부 피폭이 일어날 가능성이 커지는 것이다. 일본 정부는 오염수 속에 포함된 삼중수소의 방사선량이 1리터(ℓ)에 1500베크렐(㏃) 미만이 될 때까지 희석한 후 배출한다는 계획이다. 일본은 삼중수소를 해양에 방출할 때의 농도 한도를 1ℓ당 6만㏃로 정하고 있다. 기준치의 40분의 1 수준으로 오염 농도를 낮춘 뒤 방류하겠다는 방침이다. 삼중수소는 일반 수소나 중수소와 물성이 같아 산소와 결합한 물 형태로 존재한다. 따라서 물 형태로 바닷물 속에 섞여 있으면 물리·화학적으로 솎아내기가 어렵다. 이에 대해 일본 정부는 ALPS를 활용해 재처리를 반복하고 오염도를 기준치 이하로 낮추겠다고 주장했다. 그러나 기준치 이하의 삼중수소를 방류한다고 해도 전체 양이 줄어드는 데는 오랜 시간이 걸린다. 12.3년인 반감기를 거치면 삼중수소의 양이 반으로 줄어드는데, 이를 토대로 계산해보면 바다 속 삼중수소가 완전히 사라지려면 최소 수십년이 걸리게 된다. 이대로 해양에 방사능 오염수를 방출한다면 오염수 내 삼중수소가 수십년간 바다를 떠돌게 되는 것이다. 특히 일본이 오염수를 방출할 지역 인근의 어민뿐만 아니라 인접한 한국과 중국 등까지도 안전에 위협을 받게 된다. 또 후쿠시마 인근 수산업은 물론 한국과 중국 등 주변국의 수산업까지 타격을 받을 수 있다. 신진호 기자 sayho@seoul.co.kr

코로나19로 일상이 여전히 제한받는 지금, 미국에서는 중성자를 이용해 코로나19 바이러스의 세포막 침투 원리를 규명해 이 과정을 방해하는 치료법을 연구하고 있다. 중성자는 수소를 함유한 유기물 분석에 탁월한 성능을 가져 분자 수준에서의 세포나 바이러스의 구조를 밝히는 데 많이 이용된다. 이와 같은 생물학적 활용뿐 아니라 반도체, 5G를 넘어 6세대 이동통신(6G), 드론, 이차전지 등 미래를 바꿔 나갈 첨단산업에서도 중성자는 꾸준히 영향력을 확대하고 있다. 최근 한국 정부에서는 미래자동차·반도체 연대 협의체를 발족하고 차량용 반도체 부품 생산에 박차를 가하고 있는데, 높은 신뢰성과 안전성이 필요한 차량용 반도체의 성능 평가에도 중성자가 활용된다. 이차전지 연료전지 분야에서는 전지 내 리튬이온과 물의 거동을 실시간으로 관찰할 수 있는 유일한 도구가 바로 중성자다. 과학 선진국들은 중성자의 다양한 쓰임에 맞춰 미국의 SNS, 일본의 J-PARC, 유럽의 ESS 등 입자가속기를 이용해 중성자를 생산하는 파쇄중성자원 시설을 건설해 가동하고 있다. 중국도 지난해 CSNS라는 이름의 중성자 시설을 구축했다. 최근 국내에서도 한국원자력연구원 양성자과학연구단에서 파쇄중성자원 구축을 위한 계획을 수립해 추진 중이다. 21세기 과학기술 해결사라 불리는 파쇄중성자원이 국내에도 구축돼 국가과학기술 경쟁력이 한층 높아지길 기대한다. 이재상 한국원자력연구원 가속기이용연구부장