-우리가 아는 것과 모르는 것 빅뱅 직후에 무슨 일들이 있어났는가? 아직까지 밝혀지지 않은 빅뱅 직후의 사건에 대해 흥미롭게 정리한 폴 M. 서터의 칼럼을 소개한다. 칼럼은 26일(현지시간) 우주전문 사이트 스페이스닷컴(Space.com)에 게재되었다. 서터 박사는 미국 뉴욕주립 스토니 브룩 대학과 플랫아이언 연구소의 천체물리학자이며, Ask a Spaceman 및 Space Radio의 호스트이자 '우주에서 죽는 방법'(How to Die in Space)의 저자이다.  복숭아만 한 아기 우주 믿거나 말거나 물리학자들은 우주가 빅뱅 직후 불과 몇 초 밖에되지 않았을 때의 상황을 이해하기 위해 대뇌를 혹사하고 있다. 그러나 당시의 상황은 복잡하고, 마땅한 검증 방법이 없는만큼 과학자들의 외로운 싸움은 아직도 계속되고 있다. 하지만 소득이 영 없었던 것은 아니다. 상당한 진전을 이루어내긴 했지만, 그래도 여전히 많이 부분이 베일에 가려져 있다. 미니 블랙홀에서 물질 상호작용에 이르기까지 아기 우주는 엄청 붐비는 장소였다. 일반적인 줄거리부터 훑어보자. 137억 7000만 년 전 갓 태어난 우리 우주는 믿을 수 없을 정도로 뜨겁고 작았다. 온도는 무려 1천조 도, 크기는 복숭아만 했다. 천문학자들이 우리 우주가 탄생 1초 만에 엄청난 속도의 팽창기를 겪었다고 보는데, 이를 인플레이션이라 한다.  이 사건으로 우리 우주는 역사상 가장 혁신적인 시대에 접어들었다. 우리 우주는 이로 인해 순식간에 어마무시하게 커졌다. 천문학자들은 계산서까지 뽑아냈는데, 대략 10 ^ 52제곱 배로 확대된 것으로 나타났다. 이 급속한 팽창 단계가 끝났을 때, 인플레이션을 일으킨 그 무엇(아직도 그것이 무엇인지 우리는 모른다)은 쇠퇴하고, 물질과 방사능이 우주를 가득 채웠다. 그러나 그 과정이 어떠했는지 역시 밝혀지지 않았다.문자 그대로 몇 분 후, 첫 번째 원소가 우주에 나타났다. 이 시간 이전에 우주는 너무 뜨겁고 밀도가 높아서 안정된 어떤 것도 형성할 수 없었고, 쿼크(원자핵의 구성 요소)와 글루온(강한 핵력 운반체)의 거대한 혼합체였다. 그러나 우주가 10분 남짓 지난 후에는 쿼크가 서로 결합하여 최초의 양성자와 중성자를 형성할 수 있을 만큼 충분히 냉각되고 팽창되었다. 양성자와 중성자는 최초의 수소와 헬륨 그리고 약간의 리튬을 만들기 시작했고, 이러한 과정은 수억 년 후 최초의 별과 은하를 만들어내기까지 계속되었다. 첫 번째 원소의 형성으로부터 우주는 계속 팽창하고 냉각되어 결국 플라스마와 중성 기체로 가득 차게 되었다. 이 개괄적인 이야기가 대체로 옳다는 것은 알고 있지만, 특히 첫 번째 원소가 형성되기 이전의 시간에 대해서는 많은 세부사항이 누락되었음을 우리는 알고 있다. 우주가 겨우 몇 초 밖에 되지 않았을 때 일부 물리법칙에 위배되는 사건이 작동했을 수 있다. 그렇다면 현재 우리가 가진 물리학으로는 규명하기 어려울 수도 있지만, 그렇다고 해서 그것을 알아내려는 우리의 시도와 노력을 막지는 못할 것이다. 알려진 '수수께끼'  최근에 출판 전 논문 저장 저널 아카이브(arXiv)에 게재되어 '천체물리학 오픈 저널'에 게재된 논문은 매우 이색적인 초기 우주 시나리오를 설명한다. 예를 들어, 암흑물질에 대한 모든 질문이 망라되어 있다. 우리는 암흑물질이 무엇으로 이루어져 있는지 모르지만 그것이 우주에 있는 물질의 80 % 이상을 차지한다는 것은 알고 있다. 또한 초기 우주의 뜨겁고 진한 수프에서 어떻게 정상 물질이 생성되었는지 잘 알고 있지만, 암흑물질이 언제 어떻게 무대에 등장했는지는 전혀 모르고 있다.태초의 몇 초 안에 나타났을까, 아니면 훨씬 나중에 나타났을까? 암흑물질이 과연 첫 번째 원소로 이어지는 우주 화학을 엉망으로 만들었을까, 아니면 그냥 뒷전에 얌전히 머물러 있었을까? 우리는 모른다. 그리고 인플레이션이 있다. 우리는 이 놀라운 팽창 이벤트에 에너지를 공급한 것이 무엇인지 알지 못하고 있으며, 그 시간이 지속된 이유도, 중단된 이유도 모른다. 아마도 인플레이션은 우리가 가정했던 것보다 오래 지속되어 온전히 1초 동안 작동했을 것으로 보고 있다. 또 다른 상황도 있다. 모든 우주학자들에게 큰 골칫거리가 되고 있는 물질-반물질 비대칭 문제이다. 실험을 통해 물질과 반물질은 완벽하게 대칭적이라는 것을 알 수 있다. 우주 전체에 걸쳐 만들어진 물질의 모든 입자에 해당하는 반물질 입자가 있다. 그러나 현재의 우주를 둘러보면 반물질은 한 줌도 볼 수 없고 정상 물질 더미만을 볼 수 있을 뿐이다. 따라서 물질-반물질 균형을 깨뜨리기 위해 우주의 처음 몇 초 동안 엄청난 사건이 일어났을 것이라고 유추할 수 있다. 그러나 무엇이 그 같은 사건을 일으켰는가에 관한 정확한 메커니즘은 아직도 안개에 가리워져 있다. 만약 암흑물질과 인플레이션, 반물질이 충분하지 않았다면 초기 우주가 미니 블랙홀의 홍수를 만들어냈을 가능성도 있다. 지난 130억 년 동안 블랙홀은 모두 거대한 별의 죽음에서 비롯되었다. 죽는 별만이 물질 밀도가 블랙홀 형성에 필요한 임계값에 도달할 수있는 유일한 장소이기 때문이다. 그러나 초기 우주 곳곳에서 충분한 물질 밀도를 달성하여 별 형성 과정을 거치지 않고도 블랙홀을 생성할 수 있었을 것이라고 과학자들은 생각하고 있다. 중력파로 아기 우주를 본다 우리의 빅뱅 이론은 풍부한 관측 데이터에 의해 뒷받침되고 있지만, 그래도 우리의 호기심을 충족시킬 수 있는 미스터리가 여전히 많이 남아 있다. 고맙게도 우리는 우주 초기 시대에 관해 완전한 장님은 아니다. 예를 들어, 우주가 몇 초 밖에 되지 않았을 때의 상태를 직접 볼 수는 없지만, 강력한 입자 충돌기에서 이러한 상황을 재현해 완벽하지는 않지만 우주 초기 환경의 물리학에 대한 이해를 꾀할 수 있다. 태초의 몇 초 동안 우주에서 일어난 사건의 단서를 찾을 수 있을지도 모른다. 물리법칙을 초월한 일이 일어났다 하더라도 반드시 그 흔적을 남겼을 것이다. 암흑물질의 양이나 인플레이션 시간이 달라졌다면 수소와 헬륨의 생성이 어떻게 되었을지 알 수 없다. 아마도 오늘날 우리가 우주에서 측정 할 수 있는 상태로 되지는 않았을 것이다. 우주는 38만 년이 지났을 때 플라스마에서 중성 기체로 전환되었다. 물질에서 놓여나 방출된 빛은 우주 마이크로파 배경의 형태로 지속되었다. 우주가 미니 블랙홀들을 만들어냈다면 이 잔광 패턴에 영향을 미치게 된다. 우리는 우주 초기 상태를 직접 관찰할 수 있을지도 모른다. 빛이 아니라 중력파를 통해서. 그 혼란스러운 지옥은 우주의 마이크로파 배경과 같이 시공간 구조에 무수한 주름을 지게 했을 것이며, 그것은 오늘날까지 남아 있을 것이다. 우리는 아직 중력파를 직접 관찰할 수있는 기술을 가지고 있지 않지만, 점차 거기에 가까이 다가가고 있는 중이다. 이윽고 거기에 이른다면, 아마도 우리는 갓 태어난 우주의 모습을 엿볼 수 있을 것이다.  이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com　

화성의 지각 아래 바다가 숨어 있을 가능성이 높다는 새로운 연구결과가 발표되었다. 이는 화성의 바다가 오래 전에 우주로 증발되어 사라졌을 거라고 보는 기존의 학설을 뒤엎는 것으로 학계의 주목을 받고 있다. 이전 연구에 따르면 화성은 한때 지구 대서양의 절반 정도 수량으로 화성 지표를 약 100~1500m 깊이로 뒤덮은 바다가 존재했을 것으로 추정되어 왔다. 물이 있는 지구상의 거의 모든 곳에 생명체가 존재하듯이 화성의 바다는 한때 생명체의 고향이었으며, 그 중 일부는 여전히 살아 있을 가능성을 제기한다. 그러나 지금의 화성은 춥고 건조하다. 지금까지 과학자들은 붉은 행성이 자기장 보호막을 잃은 후 태양 복사와 태양풍으로 인해 대부분의 공기와 물을 우주로 빼앗기고 말았다고 생각했다. 현재 화성이 대기 중에 보유하고 있는 물과 얼음의 양은 약 20~40m 두께로 화성 지표를 덮을 수 있을 정도다. 그러나 최근 발견은 화성의 바다를 만들었던 대부분의 물이 우주로 증발해 날아가지는 않았다는 것을 시사해준다. NASA의 화성 탐사선 MAVEN(Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN) 임무와 유럽우주국의 화성 궤도선 마스 익스프레스의 데이터에 따르면 화성 대기에서 물이 사라지는 속도로 볼 때 화성은 지난 45억 년 동안 약 3~25m 깊이의 바다를 잃은 것으로 나타난다. 이제 과학자들은 한때 화성이 가졌던 물의 대부분이 화성의 지표 아래에 있는 암석 결정 구조의 지각 속에 갇혀 있을 가능성이 높다는 사실을 발견했다. 연구진은 지난 16일(현지시간) ‘사이언스’ 저널과 달-행성 과학 컨퍼런스에서 발견한 내용을 온라인으로 자세히 설명했다. 탐사선과 화성 궤도선의 데이터 그리고 화성의 운석을 사용하여 연구자들은 원시 화성에 존재했던 물의 양을 추정하고, 시간이 지남에 따라 얼마나 많은 손실이 있었는지 추정하는 화성 모델을 개발했다. 이 손실의 잠재적인 메커니즘은 물이 우주로 빠져나가는 것과 화학적으로 미네랄에 통합되는 양을 모두 포함한다. 과학자들이 화성이 우주로 빼앗긴 물의 양을 추정하는 한 방법은 대기와 암석 내에 있는 수소 수준을 분석하는 것이다. 모든 수소 원자는 핵 안에 양성자 하나를 갖고 있지만, 일부는 여분의 중성자를 가지고 있어 중수소로 알려진 동위원소를 형성한다. 일반 수소는 무거운 중수소보다 행성의 중력에서 더 쉽게 우주로 빠져나간다. 화성 샘플에서 가벼운 수소와 무거운 중수소 원자의 수준을 비교함으로써 연구자들은 시간이 지남에 따라 붉은 행성이 얼마나 많은 수소를 잃었는지 추정할 수 있다. 물 분자는 2개의 수소 원자와 1개의 산소 원자로 구성되어 있다. 태양 복사가 화성의 물을 수소와 산소 분자로 분리시켰기 때문에 화성의 수소 손실 추정치를 알면 화성의 물이 얼마나 사라졌는지를 알아낼 수 있다. 새로운 연구에서 과학자들은 화성에서 볼 수 있는 수소 대 중수소 비율이 원시 화성의 물 30~99%가 화학반응으로 화성 지각 아래 묻히고 나머지 물은 우주로 사라졌음을 말해준다고 설명한다. 전체적으로 연구원들은 약 41억~37억 년 전 고대 화성이 40~95%의 물을 잃었으며, 그들의 모델은 화성의 물의 양이 약 30억 년 전에 현재 수준에 도달했다고 제안했다. 캘리포니아 공과대학의 행성 과학자인 에바 셸러 박사는 “화성은 기본적으로 30억 년 전에 오늘날 우리가 알고 있는 건조한 행성이 되었다”고 밝혔다. 화성 지각 아래 묻힌 물의 양에 대한 새로운 추정치는 상당히 큰 오차를 보이는데, 이는 먼 과거에 화성이 우주로 물을 잃은 속도에 대한 불확실성 때문이라고 지적하는 셸러 박사는 “2월에 화성에 착륙한 NASA의 퍼서비어런스 로버가 이러한 추정치를 결정하는 데 도움을 줄 수 있을 것”이라고 예상하면서 “로버가 화성 지각의 가장 오래된 부분 중 하나를 탐사할 것이므로 과거의 물 손실 과정을 파악하는 데 도움이 될 수 있다”고 기대했다. 또한 셸러 박사는 "화성이 가지고 있던 물의 대부분은 여전히 지각 안에 잠겨 있을 수 있지만, 이것이 미래의 화성 우주 비행사가 그 물을 쉽게 추출하여 화성 개척에 사용할 수 있음을 의미하지는 않는다"면서 “대체로 화성 지각에는 여전히 물이 많지 않기 때문에 상당한 양의 물을 얻으려면 많은 암석을 가열해야 할 것“이라고 밝혔다. 이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com

방사선은 어디든 존재한다. 우리가 일상적으로 느끼는 밝은 빛, 따뜻한 열, 여름철 강하게 내리쬐는 햇볕도 가시광선, 적외선, 자외선으로 구분되는 일종의 방사선이다. 스마트폰 같은 전자기기나 통신에 사용되는 전자파도 사실 방사선에 해당한다. 이들은 물질 내 이온을 만들지 않아 ‘비전리 방사선’이라 불린다. 이와 달리 엑스선이나 감마선 등은 물질 내 이온을 만들기 때문에 전리 방사선이라 불린다. 의료 분야에서는 엑스선촬영, 컴퓨터단층촬영(CT), 양전자단층촬영(PET)이나 감마나이프 수술 등에 이용하며 산업 분야에서는 물질이나 화물 내부의 비파괴 검사 용도로 사용한다. 전리 방사선 중 에너지가 가장 큰 중성자는 일상생활 주변보다는 주로 원자로에서 활용된다. 동위원소 생산, 중성자 영상을 통한 비파괴 검사, 다양한 물질 연구 등에 활용하는데, 연구용 원자로 내부로 물질을 반입하는 방식으로 진행한다. 해외에서는 연구용 원자로에서 발생하는 중성자를 이용해 암 환자를 치료하기도 한다. 그러나 최근 소형 가속기 등을 이용한 중성자 생산이 가능해지면서 병원이나 산업 현장에서 직접 중성자를 만들어 활용하려는 노력이 진행 중이다. 유럽에서는 중성자 기초과학 분야에서도 원자로와 병행해 여러 중성자 생산기술 활용을 추진 중이다. 이미 우리 일상 속에서 안전하게 사용돼 온 엑스선, 감마선처럼 원자로에서 검증된 다양한 중성자 기술이 우리 생활 더 가까이 다가오고 있다. 이동원 한국원자력연구원 핵물리응용연구부장

광주시가 미래 첨단산업을주도하기 위해 ‘국가 고자기장 연구소’ 유치에 발벗고 나섰다. 이용섭 광주시장은 2일 기자 간담회에서 “서울대 전력연구소와 함께 국가 고자기장 연구소를 광주에 유치하겠다”고 밝혔다. 고자기장 분야는 응집물질 물리·양자물성·초전도체 등 물성연구 뿐만아니라 생물학 생물학,화학,지구과학,에너지,생명과학 등에 폭넓게 활용된다. 이 분야는 방사광 가속기,중성자 산란 실험 장치와 함께 현대 응집 물질 물리 분야 3대 핵심 연구과제로 꼽힌다. 국내에서는 2012년 국가과학기술위원회의 국가 대형 연구 시설 구축 지도에 단기 중점 대형 연구시설로 선정됐지만, 아직 연구원이나 대학 등에 분산돼 관련 기술이 집적화되지 못한 실정이다. 서울대 전력연구소는 국내 고자기장 분야 독보적인 지위에 있으며 한승용 교수 연구팀은 2019년 미국 고자기장 연구소와 함께 직류 자기장 기술에서 세계 최고 수준에 오른 것으로 알려졌다. 현재 사용 중인 자기공명영상(MRI)은 3테슬라(자기장 단위) 수준이며, 최근 미국 식품의약청(FDA)으로부터 7테슬라 MRI가 승인받았지만 한 교수팀은 45.5테슬라의 자기장을 안전하게 발생시키는 기술을 구현했다고 광주시는 전했다. 이런 기술이 적용된 45테슬라의 MRI가 개발된다면 기존 보다 해상도가 100배 이상 높은 진단 영상을 얻을 수 있다. 이는 초기 암이나 혈관성 뇌질환 진단 등에 획기적인 효과가 기대되는 대목이다. 광주시는 2016년 고자기장 연구개발(R&D) 지원과 기반 구축 활성화 연구를 시작으로 지난해 6월 한국기초과학지원연구원과 자기 응용과학 연구센터 건립 업무협약, 지난해 7월 자기 응용과학 기술 포럼 개최 등 유치를 준비해 왔다. 이 시장은 “고자기장 응용 기술은 암 진단용 MRI와 신약 개발용 분석 장비 등 의료 분야, 에너지 저장장치 등 에너지 분야, 전기 추진체 등 수송 분야, 고효율 산업용 기기 등 전반에 파급 효과가 있다”며 “관련 연구를 선점하면 광주의 새로운 성장동력을 창출할 것”이라고 말했다. 광주시는 이달 중 산·학·연이 참여하는 기획위원회를 출범시키는 등 국가공모사업 준비에 박차를 가하기로 했다.이 시장은 “고자기장연구소를 유치하면 AI와 함께 광주의 미래 100년을 책임질 양 날개가 될 수 있다”며 “기초과학 대형 연구 인프라 부족 문제도 일시에 해소할 것”이라고 말했다. 광주 최치봉 기자 cbchoi@seoul.co.kr

우주만큼이나 오래된 별들의 집단인 성단 속에 숨어 있던 어두운 비밀이 들추어졌다. 지구로부터 7800광년 거리에 있는 NGC 6397 성단이 그 중심부에 수많은 작은 블랙홀들을 품고 있다고 한 새로운 연구가 밝혀냈다. 연구자들은 NASA의 허블 우주망원경과 유럽우주국(ESA)의 가이아 위성을 이용해 NGC 6397 소속 별들의 움직임을 분석한 결과, 이 성단의 중심부에 성단 총질량의 0.8~2%에 이르는 '중심 암흑 성분'이 있다는 추정에 도달했다. 이 추정 물질이 보이는 특성은 중간질량 블랙홀과 일치한다. 중간질량 블랙홀이란 크기가 별이 붕괴한 후에 생기는 항성 블랙홀보다는 크고 은하 중심에 있는 초대질량 블랙홀보다는 작은 중간급의 블랙홀을 일컫는다. 그러나 중간질량 블랙홀이 형성되는 과정은 아직까지 명확게 밝혀지지 않은 상태이며, 다만 매우 거대한 항성의 중력붕괴에 의해 형성된 항성 블랙홀의 일종으로 여겨지고 있다. 또한 지금까지 중간질량 블랙홀의 후보들이 몇 개 발견되었을 뿐이며, 이번에 발견된 NGC 6397 속의 암흑성분은 그 후보 명단에 올라 있지 않은 것이다. 프랑스 파리 천체물리학연구소의 저자 에두아르도 비트랄과 가리 마몬은 "확산된 암흑성분의 유효 반경이 작기 때문에 그것이 조밀한 별(백색 왜성과 중성자별)과 항성질량 블랙홀로 구성되어 있음을 시사한다"고 밝혔다. 이어 "항성질량 블랙홀은 성단에서 25% 이상 벗어나지 않는 한도 내에서 확산된 암흑성분의 질량을 지배해야 한다"고 덧붙였다.  비트랄은 중심핵의 밀도가 유달리 높은 성단의 한 유형을 언급하며 "우리 연구는 중심핵 붕괴 구상성단의 중심에 있는 블랙홀 집단의 질량과 범위에 대한 정보를 모두 제공하는 최초의 연구"라고 설명했다.  새로운 연구는 지구에서 가장 가까운 구상성단 중 하나인 NGC 6397을 훨씬 먼 성단의 연구에도 적용될 수 있다. 예를 들어, 밀집된 블랙홀들은 중심핵 붕괴 성단의 일반적인 특징으로, 이러한 별들의 집단은 레이저 간섭계 중력파 관측소에서 감지 된 중력파의 뚜렷한 소스일 수 있다. 자세한 연구결과는 '천문학과 천체물리학' 저널 2월 11일자 온라인판에 게재됐다. 이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com　

지난 57년 동안 우주로 향하는 지구의 커다란 눈 역할을 해 온 푸에르토리코의 아레시보 천체관측소 전파망원경이 지난 8월부터 파손이 보고됐는데 스스로 무너져내렸다. 천체과학자 칼 세이건의 원작을 바탕으로 외계와의 소통 시도를 다룬 1997년 조디 포스터와 매튜 매커너히가 주연한 영화 ‘콘택트’와 1995년 피어스 브로스넌이 주연한 007 시리즈 ‘골든아이’에도 등장했을 정도의 랜드마크였는데 무너지고 말았다. 미국 국립과학재단(NSF)은 1일(현지시간) 트위터에 “푸에르토리코 아레시보 관측소의 지름 305ｍ 망원경이 밤새 붕괴됐다”며 “부상자는 보고되지 않았다”고 전했다. NSF는 “안전이 최우선 순위”라면서 붕괴 소식에 안타까움을 표시했다. AP 통신과 푸에르토리코 일간 엘누에보디아 등에 따르면 이날 새벽 전파망원경 상단의 무게 900t 수신 플랫폼이 140ｍ 아래 지름 305ｍ 크기의 반사 접시 위로 떨어졌다. 관측소에서 26년 동안 근무한 조너선 프리드먼은 이날 AP 통신에 “우르릉 소리를 듣고 무슨 일인지 알아차렸다. 정신없이 비명을 질렀다”고 참담한 심경을 전했다. 천문학자인 카르멘 판토하 푸에르토리코 대학 교수는 “엄청난 손실이다. 아레시보 망원경은 내 삶의 한 장이었다”고 표현했다. 아레시보 천체관측소는 카리브해의 미국령 푸에르토리코의 석회암 채취장에 1963년 건립됐다. 2016년 중국이 지름 500ｍ의 전파망원경 톈옌(天眼)을 건설할 때까지 세계 최대 유일한 망원경이었던 아레시보 전파망원경은 오랫동안 굵직굵직한 천문학과 천체물리학 연구 성과의 산실 역할을 했다. 학자들은 이곳에서 외계 행성을 연구하고 지구로 향하는 소행성을 추적했다. 아레시보 망원경을 이용한 쌍성 펄서(강한 자기장을 갖고 빠른 속도로 회전하는 중성자별) 발견은 노벨상 수상으로도 이어졌다. 많은 예비 천문학자나 예비 물리학자들의 교육 공간으로도 널리 활용됐다. 아레시보 망원경은 외계와 교신하려는 인간의 노력에도 큰 역할을 수행했다. 망원경이 수집한 우주 전파 신호를 분석해 외계 생명체를 찾는 프로젝트도 진행됐고, 1970년대 세이건 등 천체물리학자들이 외계 생명체에 보내는 ‘아레시보 메시지’를 쏘아 올리기도 했다. 또 반세기 넘게 허리케인과 지진 등을 견뎌왔지만 세월의 무게를 견디지 못했다. 지난 8월 망원경을 지탱하던 보조 케이블이 끊어져 반사 접시 위에 떨어지며 구면 일부가 파손됐다. 지난달 메인 케이블마저 끊어지자 NSF는 더는 복구가 어려운 상황이라며 해체 결정을 내렸다. 망원경이 역사 속으로 사라지는 것을 안타까워하는 전 세계 과학자 등이 NSF의 해체 결정을 뒤집어 달라는 청원에 나서기도 했다. 임병선 평화연구소 사무국장 bsnim@seoul.co.kr

외계와 교신을 시도했던 아레시보 전파망원경이 붕괴되며 57년간 업무 수행을 마감했다. 아레시보 천체관측소는 카리브해의 미국령 푸에르토리코의 석회암 채취장에 1963년 건립됐다. 이곳은 수많은 천문학자, 물리학자들의 교육 장소로도 활용됐으며, 외계 행성을 연구했다. 아레시보 망원경을 이용한 쌍성 펄서(강한 자기장을 갖고 빠른 속도로 회전하는 중성자별) 발견은 노벨상으로 이어지기도 했다. 또한 외계 생명체를 찾는 프로젝트가 진행된 곳으로도 유명하다. 망원경이 수집한 우주 전파 신호를 분석해 외계 생명체를 찾으려 했으며, 1970년대 미국 칼 세이건 등 천체물리학자들이 외계 생명체에 보내는 ‘아레시보 메시지’를 우주를 향해 쏘아 보냈다. 세이건의 원작을 바탕으로 외계와의 소통 시도를 다룬 1997년 영화 ‘콘택트’에서 아레시보 관측소는 영화의 배경이 됐다. 또 1995년 007 시리즈 ‘골든아이’에도 이곳 아레시보 관측소가 등장한다. 하지만 1일(현지시간) 새벽 전파망원경 상단의 무게 900t 수신 플랫폼이 140ｍ 아래 지름 305ｍ 반사 접시 위로 떨어지며 역사 속으로 사라지게 됐다.앞서 지난 8월 망원경을 지탱하던 보조 케이블이 끊어져 반사 접시 위에 떨어지며 구면 일부가 파손됐다. 11월에 메인 케이블마저 끊어지자 미국 국립과학재단(NSF)는 더는 복구가 어려운 상황이라며 해체를 예고한 상태였다. NSF는 이날 “푸에르토리코 아레시보 관측소의 지름 305ｍ 망원경이 밤새 붕괴됐다”며 “부상자는 보고되지 않았다”고 전했다. 이어 “안전이 최우선순위”라면서 붕괴 소식에 애석함을 표시했다. 한편 아레시보 망원경의 해체 소식이 전해졋을 당시 망원경이 역사 속으로 사라지는 것을 안타까워하는 전 세계 과학자 등은 NSF의 해체 결정을 만류하는 청원에 나서기도 했다. 강경민 콘텐츠 에디터 maryann425@seoul.co.kr

도로에서 이전보다 전기차를 많이 볼 수 있다. 미국 전기차기업 테슬라의 CEO 일론 머스크도 2030년까지 2000만대의 전기차를 생산하겠다고 밝혔다. 그러나 디젤발전기가 달려 있는 전기차 충전소 사진은 무공해 자동차라고 여겨지는 전기차에 대해 많은 것을 생각하게 한다. 내연기관 자동차와 구별되는 전기차의 3요소는 연료(전기), 이차전지, 전력변환장치이다. 발전과 수송은 지구온난화의 대표적인 주범이다. 전기차는 연료로 전기를 사용하므로 수송 부문에서 이산화탄소 배출을 획기적으로 줄일 수 있다. 그러나 이는 화석연료를 사용하지 않는 전기를 사용할 때만 의미가 있다. 현재 신재생에너지나 원자력발전 없는 전기차의 사용과 보급은 공허한 이상에 불과하다는 지적이 나오는 이유이다. 전기차의 핵심인 이차전지는 한국이 세계 1, 2위를 다투는 영역이다. 우수한 이차전지를 만들기 위해서는 이차전지의 내부 현상을 들여다볼 수 있어야 하는데 연구용원자로 중성자만 한 게 없다. 또 전기차의 속도를 조절하는 전력변환장치에는 전력반도체가 쓰인다. 이 반도체는 매우 큰 전력을 다루므로 반도체 내부 도핑 물질의 균일도가 극도로 좋아야 한다. 현재까지 개발된 상용 도핑 방법 중 중성자를 이용하는 ‘중성자 도핑법’의 균일도가 가장 좋다. 중성자 도핑 반도체는 전기차, 고속철도를 비롯해 다양한 분야에서 이미 사용되고 있다. 이처럼 원자력과 중성자는 전기자동차와는 떼려야 뗄 수 없는 관계를 갖고 있다.

거리에 전기차가 늘어나면서 수소차에 대한 관심도 늘고 있다. 수소차는 수소와 산소가 결합할 때 발생하는 전기로 모터를 구동하는 일종의 전기자동차이다. 전기차보다 충전이 훨씬 빠르고, 매연 대신 물만 배출해서 미세먼지 문제로부터도 자유롭다. 이런 장점에도 수소차가 일반화되기 위해서는 아직 넘어야 할 기술적 장벽이 많이 남아 있다. 물을 전기분해해 수소를 생산하는 것은 여전히 비싸고 수소를 저장, 운송하는 과정에서 손실도 크다. 많은 나라에서 내연기관 자동차의 퇴출을 예고했고, 전기차는 배터리의 무게 때문에 모든 차량을 대체하기에 한계가 있다. 수소차가 여전히 매력적인 대안인 이유이다. 그런데 수소는 자연에 존재하는 원소 중 가장 작다. 연구하려 해도 웬만한 도구로는 관찰하기도 어렵다. 원자, 분자를 관찰할 때 많이 사용하는 방사광 엑스선도 수소와는 궁합이 맞지 않는다. 엑스선은 전자와 반응하므로 전자 숫자가 많아야 관측이 쉬운데, 수소에는 전자가 하나밖에 없기 때문이다. 이 상황을 구원하는 것이 중성자이다. 중성자는 전자의 숫자와 무관하게 원자핵 종류에 따라 보이는 정도가 다르다. 특히 수소는 다른 원소보다 크게 보인다. 덕분에 수소차의 엔진인 수소연료전지가 작동하는 과정을 촬영하는 것부터 수소 탱크에 사용하는 물질에 이르기까지 다양한 연구개발에서 중성자를 사용하고 있다. 이쯤 되면 중성자를 수소경제의 첨병이라고 부를 만하다. 박승일 한국원자력연구원 융복합양자과학연구소장

우주에서 날아온 방사선이나 대기에 존재하는 방사선에 의해 차세대 컴퓨터인 양자컴퓨터의 성능이 제한될 수 있다는 연구 결과가 학술지 ‘네이처’에 발표됐다. 이에 따르면 양자컴퓨터는 방사선 차폐를 위해 지하에 설치해야 하며, 수년 내로 이런 대기·우주 방사선이 큰 문제가 될 것이라고 지적했다. 국제표준 ‘ISO 26262’에서는 생명과 직결되는 자율주행 자동차용 시스템반도체가 대기 방사선 영향평가를 받도록 권고하고 있기도 하다. 대기 방사선은 전자를 이용해 정보를 저장하는 반도체를 교란시켜 정보를 뒤죽박죽으로 만든다. 방사선 강도는 지상에서 멀어질수록 증가하는데 약 10㎞ 높이에서는 지상 대비 300배 이상이다. 하늘을 나는 ‘플라잉 카’와 ‘드론’의 기반인 6G 통신은 300㎞ 높이의 소형 위성을 사용한다. 이들이 전면적으로 활용될 때 대기 방사선은 더 큰 위협이 될 것이다. 현재 상용화된 반도체나 정보기술(IT) 기기는 물론 4차 산업혁명에 의한 새로운 첨단 IT 기기들을 대기 방사선으로부터 지키기 위해 전 세계 양성자가속기들이 활용되고 있다. 양성자가속기는 고에너지 양성자 및 중성자를 이용해 대기 방사선을 모사한 환경을 만들 수 있다. 국내 양성자가속기 시설도 대기 방사선 영향 연구를 지원하고 있으며, 에너지를 2배로 확장해 대기 방사선 영향시험에 특화된 플랫폼을 구축하는 계획도 수립됐다. 반도체와 가속기는 함께 인류의 미래를 열어 가는 소중한 동반자가 될 것이다. 김유미 한국원자력연구원 선임연구원

물은 우주에 아주 흔한 물질이다. 물론 지구처럼 표면에 액체 상태의 물이 풍부한 행성은 태양계에 하나 뿐이지만, 얼음 형태의 물은 태양계에 매우 흔하다. 과학자들은 망원경을 이용해 물이 태양계 이외의 장소에서도 매우 흔한 원소라는 사실을 확인했다. 우주에 비교적 흔한 원자인 산소 하나와 우주에서 가장 흔한 원소인 수소 두 개로 이뤄진 분자이니 당연한 일이다. 하지만 지구에는 흔해도 우주에서는 쉽게 검출되지 않는 분자도 있다. 염화나트륨(NaCl) 혹은 소금은 지구에서는 쉽게 구할 수 있는 물질이지만, 망원경으로는 쉽게 검출되지 않는다. 상대적으로 미량 원소일 뿐 아니라 망원경으로 쉽게 검출될 수 있는 형태로 존재하지 않기 때문이다. 그런데 일본 국립 천문대(National Astronomical Observatory of Japan, NAOJ)의 과학자들은 뜻밖의 천체에서 소금의 존재를 확인했다. 타나카 케이가 이끄는 천문학 팀은 칠레에 있는 거대 전파 망원경인 아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터파 집합체(ALMA, Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)를 이용해 지구에서 9500광년 떨어진 아기별인 IRAS 16547-4247을 관측했다. 이 아기별은 태양 질량의 25배에 달하는 아기별로 사실은 두 개의 별로 이뤄진 쌍성계다.이렇게 무거운 거대 아기별도 드물지만, 쌍성계는 더 드물기 때문에 이 아기별은 이전부터 과학자들의 관심을 끌었다. 하지만 이렇게 큰 아기별은 중력도 강해 주변에서 많은 가스와 먼지를 흡수하면서 커지는 특징이 있다. 따라서 두꺼운 먼지와 가스를 뚫고 내부를 관측하기가 쉽지 않다. 그러나 ALMA의 강력한 분해능 덕분에 연구팀은 두 아기별의 거대 가스 디스크를 확인하는데 성공했다. 그리고 여기서 의외의 물질인 소금의 존재를 확인했다. 소금이 이런 장소에서 왜 관측되는지 알아내기 위해 연구팀은 아기별과 아기별 주변의 물질이 모인 원반인 디스크의 구조를 조사했다. 그 결과 두 별의 디스크가 서로 반대 방향으로 회전한다는 사실을 확인했다. 이렇게 반대 방향으로 회전하는 디스크는 사실 두 별이 같은 장소에서 태어난 형제가 아니라 다른 장소에서 태어났다가 중력에 의해 결합한 쌍성계라는 점을 시사한다. 연구팀은 두 별의 디스크가 서로 접근하면서 디스크에 있던 작은 입자들이 가열되고 증발했다고 보고 있다. 그러면서 본래는 잘 검출되지 않는 소금과 다른 분자들이 검출된 것이다. 연구팀은 뜨거운 물 분자와 유기물인 시안화메틸(methyl cyanide, CH3CN)의 존재도 확인했는데, 같은 가설로 설명이 가능하다. 거대 질량 쌍성계는 초신성 폭발이나 중성자별, 블랙홀 생성에 중요한 역할을 담당한다. 과학자들은 뜻밖의 관측 결과를 통해 거대 질량 쌍성계의 생성 미스터리를 풀 단서를 얻었다. 과학자들은 하나씩 단서를 찾아가면서 퍼즐의 조각을 완성해 나갈 것이다. 고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com　

우주는 광활하다. 그런 만큼 작은 행성 표면에서 살아가는 인간의 척도로는 상상도 할 수 없는 엄청난 규모의 자연 현상이 일어나곤 한다. 우주에서 강력한 자기장을 지닌 중성자별인 마그네타(Magnetar) 역시 그중 하나다. 중성자별 자체가 태양보다 큰 질량을 지닌 거대 별의 잔해가 도시 크기로 압축된 상태라 매우 극단적인 상황이지만, 마그네타는 일반적인 중성자별보다 더 극단적인 천체다. 평균적인 마그네타의 표면 자기장은 지구 자기장보다 1조 배 강력하며 인간이 만든 인공 자기장보다도 수억 배 이상 강력하다. 만약 인간이 마그네타 표면 1,000㎞ 이내로 접근한다면 모든 세포가 파괴돼 사망에 이를 정도다. 이렇게 극단적인 천체인 만큼 마그네타는 우주에 흔한 존재가 아니다. 대부분 멀리 떨어진 천체라 관측도 쉽지 않다. 그러나 최근 과학자들은 지구에서 비교적 가까운 위치에 있는 마그네타까지의 거리를 직접 측정하는 데 성공했다. 국제 천문학자 연구팀은 미국국립전파천문대(NRAO)의 초장기선 전파망원경 배열(VLBA)을 이용해 우리 은하에 있는 마그네타 중 하나인 XTE J1810-197을 관측했다.XTE J1810-197은 2003년 처음 발견됐으며 그해부터 2008년까지 강력한 전파 펄스를 방출하다가 갑자기 멈춘 뒤 2018년부터 다시 활동을 시작했다. 연구팀은 지난해 11월과 올해 3월, 4월에 XTE J1810-197을 관측해 이 마그네타가 정확히 8,100광년 떨어져 있다는 사실을 발견했다. 연구팀이 자신 있게 말할 수 있는 이유는 사상 최초로 연주시차(annual parallax)를 이용해 마그네타까지의 거리를 측정했기 때문이다. 연주시차는 지구의 공전을 이용해서 별까지 거리를 측정하는 방법이다. 지구가 태양 주위를 공전하기 때문에 6개월이 차이를 두고 별을 관측하면 사실 같은 별을 3억㎞ 떨어진 거리에서 관측한 것이 된다. 이때 매우 멀리 떨어진 천체를 기준으로 별의 이동을 확인해 각도를 측정하면 거리를 알아낼 수 있는 것이다. 마그네타 역시 예외가 아니다. (사진 참조) 연구팀은 이번 연구를 통해 마그네타에 대한 측정이 정확해질 것으로 기대하고 있다. 추정값이 아니라 정확한 거리를 알아내면 과학자들은 마그네타에서 방출되는 전파와 에너지양에 대해서 더 자신 있게 말할 수 있다. 마그네타는 강력한 자기장의 생성 원인을 비롯해 여러 가지 미스터리를 지닌 천체로 수수께끼의 고에너지 방출 현상인 빠른 전파 폭발(FRB)과의 연관성이 의심된다. 연구팀은 이번 연구가 마그네타의 미스터리를 밝히는 데 큰 도움이 될 것으로 기대하고 있다. 고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com

달의 기원에 관한 가설- '거대충돌설'을 뒷받침하는 새로운 증거가 발견되어 학계의 관심을 끌고 있다. 과학자들은 약 44억 년 전 화성 크기의 행성이 원시 지구에 충돌한 후 달이 형성되었을 것이라는 '거대충돌설'을 대체로 정설로 보고 있는데, 이번에 달의 암석에서 그 새로운 증거를 발견했다. 미 항공우주국(NASA)이 이끄는 연구팀은 1960년대와 70년대에는 없었던 첨단장비로 50년 전에 아폴로 우주 비행사가 지구로 가져온 달의 암석 샘플에 있는 염소의 양과 유형에 초점을 맞춰 조사한 결과, '거대충돌설'의 추가 증거를 발견했다고 새로운 연구가 보고했다. 염소에는 핵에 다른 수의 중성자를 포함하는 여러 동위원소들이 존재하는데, 대체로 달에 '무거운 염소'가 많은 데 비해, 지구에는 '가벼운 염소'가 많다는 점이 이번 연구 결과 밝혀졌다. 물론 무거운 염소는 더 많은 중성자를 포함하고 있는 염소의 동위원소를 가리킨다. 거대충돌이 발생한 직후, 지구와 충돌 천체의 먼지들이 같이 뒤섞인 채 대거 우주로 방출되었으며, 이 물질들이 지구 둘레를 돌면서 중력으로 뭉쳐져 이윽고 달을 달을 형성하게 되었다. 초창기 원시 지구와 달에는 염소의 여러 동위원소가 고루 혼합되어 있었지만, 새로 형성되는 달에 지구의 중력에 이끌리면서 그 혼합이 바뀌기 시작했다. 충돌 후 두 천체가 점차 형태를 갖추어감에 따라 지구는 달에서 가벼운 염소를 자기 쪽으로 끌어당겼고, 그 결과 움직이기 어려운 무거운 염소는 달에 남게 되고 가벼운 염소는 부족하게 되었다. 달에 무거운 염소의 비율이 지구보다 높은 것은 이 같은 이유 때문이라 한다. "현재 지구와 달의 원소 구성에는 큰 차이가 있으며, 우리는 그 이유를 알고 싶었다"라고 성명에서 밝힌 NASA의 공동저자 저스틴 사이먼은 "이제 우리는 달이 처음과 매우 다르다는 것을 알고 있으며, 이는 '거대충돌'의 영향 때문일 것이라고 생각하고 있다"라고 덧붙였다. 연구팀은 또한 염소와 동일한 족에 속하는 할로겐을 조사하여 이 같은 사실을 확인했다. '가벼운' 할로겐 역시 지구에 비해 달에 덜 풍부하며, 그 같은 결과를 불러올 만한 다른 원인은 발견되지 않았다고 밝혔다. ​ 이 연구는 수십 년 전에 제안된 달의 '거대충돌설'을 뒷받침하는 화학적 증거를 계속 축적하고 있는 중이다. 예컨대, 올해 3 월에 발표된 한 연구에서는 고정밀 산소 동위원소 측정 방법으로 지구와 달의 암석이 이전에 생각했던 것보다 훨씬 다를 수 있음을 보여주었다. ​새로운 연구는 이번 달에 전미과학 아카데미의 회보에 발표되었다. 연구는 휴스턴 소재 존스 우주기지의 NASA 천체물질 연구 및 탐사과학부 대학원생 연구원 앤터니 가르가노가 주도했다. 이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com　

지구에서 7500광년 떨어진 별인 용골자리 에타별(Eta Carinae)은 태양 질량의 100배와 30배에 달하는 두 개의 초거성이 5.5년 주기로 서로의 주변을 공전하는 초거성 쌍성계다. 밝기는 더 엄청나서 태양 밝기의 500만 배와 100만 배에 달한다. 이렇게 큰 별 두 개가 태양-해왕성 거리에서 태양-화성 거리 정도의 거리를 두고 막대한 에너지와 가스를 내뿜고 있는데, 5000년 동안 이 가스를 모으면 태양 하나의 질량이 나올 정도다. 5000년은 인간에게는 길지만, 천문학적으로는 눈 깜짝할 사이라는 표현도 모자랄 정도로 짧은 시간이다. 천문학자들은 이렇게 극단적인 물질과 에너지가 방출되는 용골자리 에타별의 비밀을 밝히기 위해 많은 연구를 진행했다. 용골자리 에타별 쌍성계에서 나온 가스가 주변에 눈사람 모양으로 모인 호문클루스 성운 때문에 관측이 쉽진 않았지만, 과학자들은 최첨단 관측 기기를 이용해 이 독특한 초거성 쌍성계가 어떻게 항성풍과 에너지를 방출하는지 알아냈다. 여기서 밝혀진 가장 흥미로운 사실은 가까운 두 개의 초거성에서 나온 고에너지 입자가 서로 충돌해 거대한 충격파를 만들고 있다는 것이다.이 충격파에서는 극도로 강력한 항성풍 두 개가 서로 충돌하면서 섭씨 5000만 도의 고에너지 입자가 생성된다. 독일 전자 싱크로트론 연구소(Deutsches Elektronen-Synchrotron, 약자 DESY)의 과학자들은 아프리카 나미비아에 설치한 특수 망원경인 고에너지 스테레오스코픽 시스템 (High Energy Stereoscopic System, H.E.S.S.)를 이용해 용골자리 에타별을 관측했다. 연구팀은 엄청난 충격파로 뜨거워진 고에너지 입자가 X선 영역은 물론 감마선 영역에서도 에너지를 내놓을 것으로 기대했다. 그런데 관측 결과는 기대 이상이었다. 연구팀이 확인한 에너지는 400GeV(기가 전자볼트(eV))인데, 이는 가시광 영역의 1000억 배에 달한다. 그런데 아무리 두 초거성의 충격파가 크더라도 이렇게 높은 에너지가 나오기는 어렵다. 입자 가속기처럼 입자의 에너지를 더 높이는 경우만이 이런 관측 결과를 설명할 수 있었다. 따라서 연구팀은 용골자리 에타별에서 입자 가속기와 비슷한 현상이 일어날 수 있는 가능성을 검토했다. 참고로 입자 가속기는 강력한 자기장으로 입자를 가속하는 장치로 입자를 고속으로 충돌시켜 여러 가지 물리 현상을 실험하고 검증하는 장치다. 연구팀은 용골자리 에타별 주변의 초고온 환경과 강력한 자기장에서 두 가지 형태의 입자 가속이 가능하다는 가설을 세웠다. 전자를 가속하는 형태와 원자핵을 가속하는 형태가 그것이다. 두 가지 가능성 가운데 100GeV 이상의 높은 에너지를 설명할 수 있는 형태는 원자핵을 가속하는 경우로 좁혀진다. 저 멀리 우주에 원자핵을 가속하는 천연의 우주 입자 가속기가 존재한다는 이야기다. 우주에는 태양 질량의 수백억 배에 달하는 거대 질량 블랙홀이나 1초에 수백 번 자전하는 중성자별인 밀리세컨드 펄서처럼 좀처럼 생각하기 어려운 극단적인 천체가 존재한다. 용골자리 에타별은 여기에 더해 천연 입자 가속기처럼 더 생각하기 힘든 기상천외한 자연 현상도 있다는 것을 보여줬다. 인간이 무엇을 상상하든 자연은 항상 그 이상을 보여준다. 고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com

지난 3월 12일 지구에서 궁수자리 방향으로 1만6000광년 떨어진 곳에서 중성자별이 새롭게 발견됐다. 이 중성자별은 미국항공우주국(NASA)의 우주망원경 ‘닐 게렐스 스위프트’에 의해 발견돼 ‘스위프트 J1818.0-1607’(Swift J18.0-1607)로 명명됐다. 그 후 유럽우주국(ESA)의 ‘XMM-뉴턴’과 NASA의 ‘누스타’라는 두 우주망원경으로 추가 관측한 결과, 해당 중성자별은 형성된 지 불과 240년밖에 지나지 않은 것으로 밝혀졌다. 이는 우리 인간의 나이로 치면 꽤 오래된 것이지만, 형성된 시기가 보통 몇천만 년에서 몇억 년이 넘는 별의 세상에서 보면, 여전히 갓 태어난 신생아 수준이라고 할 수 있다. 즉 이 별이야말로 진정한 ‘아기별’이라고도 할 수 있는 것이다.중성자별은 질량이 큰 별이 초신성 폭발을 일으킨 뒤 남는 천체이다. 지름이 15~30㎞ 정도로 작지만 대형 천체가 내뿜는 빛과 동등한 밝기를 갖는다. 그리고 무엇보다 가장 큰 특징은 우주에서 블랙홀에 버금가는 초고밀도를 자랑한다는 것이다. 이번에 발견된 중성자별은 질량이 태양의 2배나 되는데, 크기는 태양의 1조 분의 1밖에 되지 않는다. 거기에 모든 질량이 담겨 있어 상당한 고밀도라고 할 수 있다. 놀라운 점은 이 중성자별이 무려 극히 보기 드문 ‘마그네타’라는 것이다. 이는 매우 강력한 자기장을 갖는 중성자별의 한 종류로, 초신성 폭발을 일으키는 별 10개 중 1개가 이런 마그네타가 되는 것으로 알려졌다. 그 자기장은 일반적인 중성자별의 1000배, 지구의 몇백만 배에 이른다. 하지만 실제로 발견된 마그네타의 수는 매우 적은 데 지금까지 발견된 중성자별 3000여개 중 31개밖에 없는 것으로 전해졌다. 게다가 이번 중성자별은 기존에 알려진 마그네타 중에서도 가장 젊어서 탄생한 지 얼마 안 된 상태를 관찰할 수 있을 것으로 기대된다. 지금까지 연구에 따르면, 마그네타는 X선에 가세해 미약한 빛인 ‘전파선’이나 우주에서 가장 에너지가 강한 빛인 ‘감마선’도 내는 것을 알려졌다. 마그네타는 젊었을 때 가장 활동적이며 해마다 물리적 성질이나 행동을 바꾼다. 따라서 이번과 같이 젊은 마그네타는 그 형성이나 성장 과정을 밝히는 데 큰 도움이 될 것이라고 연구자들은 기대하고 있다. 자세한 연구 결과는 ‘천체물리학저널 레터’(ApJL·Astrophysical Journal Letters) 최신호에 실렸다. 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

중국의 구경 500미터 전파망원경 톈옌(天眼·FAST)이 지구로부터 약 2만7000광년 떨어진 헤르쿨레스자리의 구상성단 M92에서 최초로 동반성을 잡아먹고 있는 펄서를 발견했다. 새 연구에 따르면 'PSR J1717 + 4307A'와 'M92A'라는 두 개의 이름을 가진 이 천체는 빠르게 회전하면서 맥동하는 펄서로, 식 쌍성계의 일원이라고 한다. 세계 최대의 전파망원경인 FAST를 운영하는 중국과학원(NAOC) 국립천문대 소속 지첸 판과 리 디가가 이끄는 연구팀은 M92A가 초당 316.5번이라는 빠른 속도로 회전하면서 0.18 태양 질량으로 우리 태양보다 더 밝은 별과 함께 공동 궤도를 공전하고 있다. 연구진은 FAST를 사용하여 이 쌍성계에서 한 천체가 동반성 앞쪽을 지나갈 때 나타나는 두 차례의 일식 현상을 관찰했다. 연구에 따르면 일식은 약 5000초 동안 지속되었고, 1000초와 2000초 사이에 도달한 두 번째 식은 500초 동안 지속되었다. M92A는 약간 느리게 움직이는 펄서의 수프업 버전인 밀리초 펄서(millisecond pulsar)로 알려져 있다. 밀리초 펄서는 강한 자기장을 띤 중성자별로, 30밀리초 미만의 속도로 빠르게 회전한다. 1967년 케임브리지대 천문학과 대학원생인 조슬린 벨 버넬이 최초로 펄서를 발견한 이래 천문학자들은 은하계에서만 수천 개에 이르는 고속 회전 천체를 발견했으며, 이들은 대개 은하 질량이 대부분을 차지하고 있는 은하면에 모여 있는 것으로 밝혀졌다. 그리고 일부는 우리 은하의 중심을 공전하는 구상성단 안에 자리잡고 있다. 보통의 펄서는 거성의 생애 마지막 단계에 생겨난다. 거성이 초신성 폭발로 마지막을 장식하면 별먼지가 자욱한 속에서 별의 시체라 할 수 있는 중성자별이 모습을 드러내는데, 펄서란 짧고 강한 자기장을 갖고 빠른 속도로 회전하는 중성자별을 가리킨다. 이 중성자 별은 부피는 작지만 태양 질량의 몇 배나 되는 물질이 20~24km 지름 속에 극도로 압축되어 있어 성냥갑만한 부피의 질량이 약 5조 톤에 이른다.밀리초 펄서는 훨씬 고속으로 회전하는 펄서로, 초신성 폭발에서 살아남은 동반자 별의 가스를 빨아들여 중성자별 주위의 디스크에 쌓는데, 이 디스크를 강착원반이라 한다. 이 강착원반은 초당 수백 번 회전한다. 국립 전파천문대에 따르면, 이 과정에서 X-선 쌍성계로 관측된다. 그런 다음 강착 과정이 끝나면 중성자별은 밀리초 라디오 펄서 단계에 이른다. M92와 같은 구상성단에서는 이러한 과정이 약간 다르게 진행되는 것으로 알려졌다. 두 천체가 중력으로 너무나 꽉 묶여 있기 때문에 오래된 중성자별이 동반성과 더 쉽게 상호작용하여 정상적인 쌍성계를 이루고 있다. M92A의 경우, 펄서는 동반성으로부터 맹렬하게 물질를 빨아들이는데, 이는 마치 자신의 수컷을 잡아먹는 악명 높은 호주의 붉은등과부거미와 비슷하다고 연구원들은 성명서에서 말했다. 이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com　

1964년 美물리학자 겔먼 ‘쿼크 이론’ 제시 우주 구성하는 가장 작은 단위 찾아나서 가속기 종류는 가속 방식·입자 따라 구분 재료공학·의학·생물학 등 활용처도 달라 국내선 방사광·양성자·중이온가속기 운용지난주 차세대 다목적 방사광가속기 최종 입지로 충북 청주 오창 지역이 선정됐다. 신청 지역들은 유치를 위한 총력전을 벌이는 등 과열 양상을 보이기도 했다. 그렇지만 방사광가속기를 포함한 입자가속기는 만들어지기만 하면 어려운 지역경제를 단숨에 살릴 수 있는 도깨비방망이가 아니다. 입자가속기는 물리학자와 화학자가 품고 있는 “물질을 구성하는 기본 입자는 무엇일까”라는 기본적 궁금증을 풀기 위한 거대한 실험 장비다. 19세기 러시아 화학자 멘델레예프가 주기율표를 완성하면서 세상 모든 물질은 주기율표상 원자들의 조합으로 만들어지는 것으로 이해됐다. 20세기 들어 원자는 핵과 전자로 이뤄져 있으며 핵은 양성자와 중성자로 구성돼 있다는 것이 밝혀졌다. 이때까지만 해도 과학자들은 양성자, 중성자, 전자가 물질을 이루는 기본 입자라고 확신했다. 그런데 1964년 미국 물리학자 머리 겔먼이 ‘쿼크 이론’을 제시하면서 물질 구성 기본 입자는 더 작아졌다. 쿼크의 존재를 증명하고 우주를 구성하는 가장 작은 단위를 찾기 위해 입자물리학자들이 사용하는 거대한 현미경이 바로 ‘입자가속기’다. 입자가속기는 전자기장을 이용해 전자, 양성자, 이온 등 전하를 갖는 입자를 빛의 속도에 가깝게 가속시킨 뒤 물질과 충돌시키는 장치다. 가속된 입자가 원자핵과 부딪치면 핵이 깨져 양성자나 중성자가 튀어나오거나 여러 개의 원자핵으로 분열되기도 하고 새로운 소립자가 만들어지기도 한다. 최근에는 기초연구뿐만 아니라 생물학, 의학, 재료공학 등에도 입자가속기가 쓰이면서 활용 범위가 넓어지고 있는 추세다.입자가속기는 가속 방식에 따라 선형과 원형으로 나뉘고 가속 입자의 종류에 따라서 전자가속기, 방사광가속기, 양성자가속기, 중이온가속기, 중입자가속기로 구분된다. 선형가속기는 다시 저에너지 선형가속기와 고에너지 선형가속기로 구별된다. 저에너지 선형가속기는 가속시키려는 입자를 고전압에 한 번에 통과시켜 단숨에 가속시키는 방식이며, 고에너지 선형가속기는 입자를 비교적 낮은 전압에 반복적으로 통과시켜 높은 에너지를 얻도록 해 가속시키는 방식이다. 선형가속기는 원형가속기에 비해 균일하고 강한 입자빔을 얻을 수 있고 직선 형태이기 때문에 입자가 위치를 바꿀 때 나타나는 미세한 제동에 의한 에너지 손실이 적다는 장점이 있다. 그러나 가속시키려는 입자 크기가 클수록 가속기가 길어져야 하기 때문에 많은 공간을 차지한다는 단점이 있다. 원형가속기는 이런 단점을 보완하기 위해 입자를 나선(사이클로트론)이나 원(베타트론, 싱크로트론)을 그리며 가속되도록 한 장치다. 포항에서 운용되고 있는 3세대, 4세대 가속기와 오창에 만들어질 가속기는 방사광가속기다. 방사광가속기는 빛의 속도에 가깝게 가속된 전자가 강력한 자기장을 지날 때 방출되는 빛(방사광)을 활용하는 장치로 기초과학뿐만 아니라 연료전지 같은 첨단재료 기술, 세포 영상획득기술, 단백질 구조분석 등에 활용된다.한국원자력연구원이 경주에서 운용하고 있는 양성자가속기는 수소 원자에서 분리한 양성자를 가속시켜 표적에 충돌시킨 뒤 나타나는 표적의 변화와 충돌로 만들어지는 2차 입자인 중성자, 뮤온 등을 연구할 때 주로 쓰이지만 나노, 재료과학 등을 연구할 때도 쓰인다. 중이온가속기는 양성자 가속기와 비슷한 원리이지만 수소보다 무거운 탄소, 칼슘, 우라늄 같은 입자를 충돌시켜 핵반응을 일으켜 나타나는 현상을 연구하는 데 활용된다. 특히 다양한 희귀 동위원소를 만들어 우주 핵반응, 극한 핵물질 등 기초과학 연구에 주로 쓰이는데 기초과학연구원(IBS)이 2021년 대전에 구축할 예정인 ‘라온’이 중이온가속기다. 중입자가속기는 이산화탄소 가스에서 추출한 탄소이온을 가속시켜 인체를 쉽게 통과할 수 있는 중입자빔을 만드는 데 쓰인다. 이를 통해 암 치료나 DNA 손상 회복 메커니즘, 우주 방사선에 의한 인체 영향 등 주로 의학 연구에 활용된다. 국내에서는 부산 기장에 2023년을 목표로 구축 중이다. 과학자들은 “입자가속기는 지역이나 정치인들의 생각처럼 만들어 놓기만 하면 지역경제가 살아나고 산업이 활성화되는 도깨비방망이가 아니다”라며 “구축 이후 어떻게 활용할 것인지에 대한 명확한 로드맵을 세우지 못하면 비싼 실험 장비를 만들어 놓고 놀리게 되는 일이 벌어질 수 있다”고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

인류 최고의 물리학자로 꼽히는 알베르트 아인슈타인(1879~1955)은 100여 년 전인 1916년, 블랙홀끼리 병합하거나 중성자별끼리 충돌할 때 발생하는 시공간의 일그러짐이 빛의 속도로 파도처럼 전달되는 중력파가 발생한다고 예상했다. 그 후 오늘날에 일어 중력파가 실제로 검출되면서 우리는 우주에 대해 더 자세한 내용을 관측할 수 있게 됐다. 실제로 미국과 유럽의 라이고·비르고 중력파 관측단의 중력파 검출기 덕분에 지난 2015년부터 2017년까지 3년간 쌍성을 이루는 두 블랙홀 간의 충돌이 10차례나 관측됐다. 그런데 지금으로부터 1년여 전인 지난해 4월 12일, 이들 연구자는 관측 정확도의 향상으로 마치 음악의 배음 같이 조화를 이루는 서로 다른 주파수의 두 중력파를 탐지했고, 이는 24억 광년 떨어진 곳에서 우리 태양보다 각각 질량이 약 8배와 30배인 두 블랙홀이 충돌해 일으킨 시공간의 파장이라는 것이 최근에서야 밝혀졌다. 이전까지는 쌍성을 이루는 두 블랙홀은 모두 거의 비슷한 질량이었다. 이 때문에 쌍성 블랙홀의 형성 모델은 지금까지 같은 질량의 블랙홀이라는 전제가 붙었다. 현재로서 질량이 크게 다른 쌍성 블랙홀이 왜 만들어지는지에 대해서는 명확한 메커니즘이 밝혀지지 않았지만, 앞으로 그 원리를 이해하는 데 이번 연구 성과가 중요해서 천문학계의 관심이 쏠리고 있는 것으로 전해졌다. 쌍성 블랙홀이 만들어낸 시공간의 일그러짐서로 공전하는 이들 블랙홀에서는 중력의 파장이 발생하며 충돌로 인해 발생한 중력파는 우리 지구에도 확실하게 도달해 몇십 억 광년 떨어진 곳에서도 블랙홀 간의 병합이 발생했다는 것을 알 수 있었다. 하지만 이번에 관측된 중력파는 서로 다른 두 주파수가 어우러진 신비한 것이다. 이는 마치 음악의 배음(倍音)과 같은 파장이다. 배음은 진동체가 내는 여러 가지 소리 가운데, 원래 소리보다 큰 진동수를 가진 소리로, 보통 원래 소리의 정수배가 되는 소리를 말한다. 예를 들어 라의 배음(2배음)은 1옥타브 올라간 라이고, 3배음은 2옥타브 위 미의 소리가 된다. 그리고 이들 소리는 아름답게 조화를 이룬다.쌍성 블랙홀이 만들어내는 중력파의 주파수는 궤도를 도는 시간에 따라 만들어진다. 일반적인 쌍성 블랙홀은 같은 질량이므로 하나의 주파수로 된 중력파를 발생하지만 질량 차이가 있는 두 블랙홀이 서로 반대 방향으로 돈다면 서로 다른 주파수가 동시에 진동하는 것 같은 상태가 된다. 이는 마치 화음을 만들어내는 것 같은 상태인 것이다. 질량이 서로 다른 쌍성 블랙홀의 미스터리 두 블랙홀이 각각 태양 질량의 30배와 8배가 된다는 것은 이들의 크기 차이가 3배 가까이 다르다는 것을 의미한다. 태양 질량의 8배인 블랙홀은 일반적으로 무거운 항성이 초신성 폭발을 일으킬 때 만들어지는 크기라서 드문 것은 아니다. 반면 태양 질량의 30배인 블랙홀은 중간질량 블랙홀로 분류돼 현재 우주에서 볼 수 있는 천체로는 이 무게의 블랙홀을 형성할 수 없다. 이때 생각할 수 있는 가능성은 대폭발(빅뱅) 이후 우주 원시가스에서 최초로 태어난 항성인 종족 III 항성이다. 빅뱅 직후에는 아직 우주에 수소와 헬륨밖에 없어 탄소 이상의 무거운 금속 원소가 극히 적은 상태였다. 금속이 없으면 별에 자기장과 전기장이 발생하지 않으므로 항성풍도 매우 약한 상태다. 항성풍이 없으면 외층의 물질이 날아갈 일도 없어 오늘날 별보다 매우 무거운 별이 태어나는 것이다. 따라서 질량이 크게 다른 두 블랙홀이 어떻게 쌍성을 형성했는지는 흥미로운 문제가 된다. 현재 생각할 수 있는 원인 중 하나는 이것이 원래 3중성계이거나 4중성계이고 큰 블랙홀은 이런 것들이 이미 합병했다는 것이다. 하지만 이를 확정하는 증거는 아직 나오지 않았다.쌍성 블랙홀이 어떻게 형성되는지는 여전히 풀리지 않는 수수께끼가 많아 완벽하게 이해되지 않는다. 기존 우주물리학 모델로는 설명할 수 없어 이번 발견은 이런 문제에 대한 이해를 도우기에 중요하다. 이번 연구 성과는 최근 미국물리학회 온라인 회의에서 발표됐으며, 자세한 내용은 미 코넬대 온라인 논문저장 사이트 ‘아카이브’(ArXiv.org)에도 공개되고 있다. 사진=독일 막스 플랑크 중력 물리학연구소 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

국내 연구진이 땅 위의 ‘인공태양’이라고 불리는 1억도가 넘는 핵융합 플라즈마를 담을 수 있는 진공용기를 완성시켰다. 국가핵융합연구소는 프랑스 카다라쉬에 지어지고 있는 국제핵융합실험로(ITER)의 핵심품목인 ‘진공용기’의 첫 번째 부분인 6번 섹터를 완성해 프랑스로 운송할 계획이라고 20일 밝혔다. 핵융합로 가장 안쪽에 설치되는 진공용기는 핵융합 반응이 일어나는 1억도 이상의 초고온 플라즈마를 발생시키고 유지시키는 고진공 환경을 구현하는 그릇 역할을 한다. 또 핵융합 반응 과정에서 발생하는 중성자가 외부로 유출되지 않도록 하는 방사선 1차 방호벽 역할과 핵융합로 주요 내벽 부품을 고정하는 역할까지 하는 핵심장비이다. 진공용기는 도넛 형태로 1㎞에 달하는 60㎜ 두께의 특수 스테인레스강을 용접하기 위해서는 다양한 내벽 부품을 정밀하게 조립할 수 있도록 수 ㎜ 이하의 오차도 허용하지 않는 정밀한 성형 및 용접기술이 필요로 한다. ITER 진공용기는 9개 섹터로 나뉘어 제작되며 이들 섹터가 모두 연결조립되면 높이 13.8m, 바깥 지름 19.4m, 총 무게 5000t의 도넛 모양 초대형 구조물이다. 이번에 완성된 섹터 6번은 11.3m, 폭 6.6m, 무게 400t의 구조물로 진공용기 조립 설치의 기준점이 된다.6번 섹터를 기준으로 다른 섹터들이 차례로 연결설치된다는 것이다. 이 때문에 진공용기 개발에서 발생할 수 있는 기술적 난제들을 가장 먼저 해결해야 하는 어려움 때문에 ‘아이스 브레이커’로 불리기도 했다. 현재 총 9개 섹터 중 4개는 현대중공업에서, 나머지 5개 섹터는 유럽연합에서 제작되고 있다. 진공용기 6번 섹터는 최종 검수와 포장을 한 뒤 5월 중순 프랑스로 이동을 시작해 7월 초 카다라쉬 건설현장에 도착하면 본격적인 조립작업이 시작된다. 정기정 ITER 한국사업단 단장은 “이번 진공용기 6번 섹터의 완성은 국내 산업체의 뛰어난 기술역량을 바탕으로 한 거대과학기술의 대표적인 성공사례가 될 것”이라며 “지난 10년간 수많은 기술적 난제를 극복한 성과로 ITER 건설이 본격적인 장치조립 단계에 들어갔음을 의미하기도 한다”고 말했다.한편 이날 오후 정병선 과학기술정보통신부 제1차관, 이경수 ITER국제기구 전 부총장 등 정부와 ITER 국제기구, 연구 및 산업체 관계자 30여명이 참석한 가운데 울산 현대중공업에서 ‘ITER 진공용기 최초 섹터 완성 기념식’을 가졌다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

코로나19 때문에 전 세계가 움츠러들고 일상이 마비된 가운데 과학계도 큰 영향을 받고 있다. 많은 연구기관이 바이러스 확산을 방지하기 위해 외부인의 출입을 제한하고 있다. 평소 개방적으로 운영하던 대형 연구시설도 예외가 아니다. 우리나라의 대표적인 대형 연구시설인 포항 방사광가속기와 경주 양성자가속기는 이미 이용자들의 방문을 제한하고 있다. 미국 국립연구소에서도 서둘러 이 정책을 따라 하기 시작했다. 상황이 더 심각한 유럽에서는 프랑스와 영국의 방사광가속기와 중성자연구시설을 모두 정지시키고 추이를 살피고 있다고 한다. 이들 시설을 마냥 닫아 둘 수만도 없는 노릇이다. 이 두 곳 대형 연구시설은 바이러스에 대항하기 위한 지식을 창출하는 강력한 과학 도구이기 때문이다. 이 때문에 세계적 과학저널 ‘사이언스’에서도 미국 에너지부 산하 시설 일부는 코로나19 사태에도 불구하고 계속 가동할 것으로 전망하기도 했다. 바이러스는 다양한 종류의 단백질로 구성돼 있다. 바이러스가 어떻게 인체에 침입하는지를 알기 위해서는 단백질에 대한 정보가 필수적이다. 방사광가속기와 중성자연구시설을 활용하면 단백질처럼 대단히 작은 크기의 물질 구조를 볼 수 있다. 인플루엔자 치료제 ‘타미플루’도 가속기를 통해 찾아낸 단백질 결합구조 정보 덕분에 개발할 수 있었다. 바이러스에 꼼짝 못 하고 쓰러졌던 과거와 달리 인류가 코로나19를 극복하리라는 희망을 갖는 이유다. 박승일 한국원자력연구원 융복합양자과학연구소장