가스와 먼지로 둘러싸인 극대질량 블랙홀의 상상도. 출처=Robert Lea(created with Canva)/NASA

중력이 매우 커서 어떤 물질도 탈출할 수 없는 블랙홀이 모든 거대 은하의 중심에선 초대질량으로 숨어있을 것으로 과학자들은 예측한다. 초대질량 블랙홀은 수백만 또는 수십억 개의 태양과 같은 질량을 가졌고, 어떤 것은 태양질량의 100억 배 이상인 ‘극대질량 블랙홀’이 되기도 한다.

현재 밝혀진 가장 거대한 블랙홀은 피닉스 A로, 이 블랙홀이 존재하는 피닉스 성단 역시 지금까지 발견된 가장 무거운 성단 중 하나로 꼽힌다. 58억 광년 떨어진 피닉스 A의 질량은 태양의 1000억 배로 추산된다. 또 다른 거대 블랙홀은 약 10억 광년 떨어진 곳에 있는 토난친틀라 618(Ton 618)로, 태양 질량의 660억 배로 추정한다.

​피닉스 A와 Ton 618 같은 괴물 같은 극대질량 블랙홀이 과연 얼마나 더 커질 수 있는지, 그 한계가 과학자들의 오랜 궁금증이다.

프리얌바다 나타라잔 미국 예일대 천문물리학과 교수팀은 그 답을 찾았다고 발표했다.

​나타라잔은 “극대질량 블랙홀과 초질량 블랙홀은 각각 태양 질량의 100억 배, 1000만 배를 초과하는 블랙홀로 정의한다”며 “따라서 극대질량 블랙홀은 평균적으로 초질량 블랙홀보다 1만 배 더 무겁다”고 설명했다.

은하계 M87 중심부의 초질량 블랙홀과 그 그림자 이미지. 출처=EHT Collaboration

BDG, 극대질량 블랙홀이 숨는 최적의 장소나타라잔은 극대질량 블랙홀이 어디에 있는지 알아내기 위해 단서를 제시했다. 은하 중심에 품고 있는 초질량 블랙홀은 그 은하 내 별의 총질량과 상관관계가 있다는 것이다. “이러한 상관관계는 블랙홀이 성장하는 방식과 그 은하계에서 별이 형성되는 방식 사이에 깊고 심오한 연관성이 있음을 시사한다”는 게 나타라잔의 설명이다.

극대질량 블랙홀은 가장 많은 별을 품어 가장 밝은 은하계에 있어야 한다. ‘가장 밝은 중앙 은하계’(Brightest Cluster Galaxy, BCG)로 알려진 은하계 군집 중심에 있는 밝은 은하가 극대질량 블랙홀을 품기에 최적의 후보라는 의미다.

나타라잔은 ​“극대질량 블랙홀은 BCG의 중심에서 발견됐다. 놀라운 점은 모든 크기의 블랙홀이 본질적으로 우주 모든 곳에 흩어져 있다는 것이다”라고 전했다. 이어 “은하 하나가 블랙홀 집단 여럿을 품고 있고, 은하의 밝기에 따라 극대질량 블랙홀 또는 중심부에 초질량 블랙홀이 있다”면서 “중심에서 벗어나 분포하는 블랙홀은 초질량부터 더 낮은 질량까지 다양할 수 있다”고 덧붙였다.

NASA 애니메이션에서 우주의 가장 큰 블랙홀 중 일부를 강조한 스크린샷. 여기에는 약 600억 배 태양질량만큼 큰 TON 618이 포함된다. 출처=NASA

‘식탐가’ 블랙홀, 질량의 한계를 짓는 방식은​은하계를 지배하는 우주의 괴물들은 무한 성장할 수는 없는 걸까? 그들에게 부과된 유일한 한계는 그들에게 가해지는 가스, 먼지, 별의 양과 그들이 ‘먹을’ 수 있는 시간의 양이다. 블랙홀은 실제로 스스로에 이러한 성장 한계를 부과한다.

나타라잔은 ​“가스가 은하 중심에서 흘러들어 초질량 블랙홀에 공급되지만 모든 가스가 초질량 블랙홀의 지평선까지 도달하여 흡수되는 것은 아니”라며 “일부만이 유입되고 나머지는 블랙홀에 의해 흩어진다. 블랙홀은 극도의 식탐가”라고 덧붙였다.

제트를 내뿜는 블랙홀 상상도. 초질량 블랙홀에 의해 구동되는 은하의 중심 활동 영역. 사진=출처: JAXA

블랙홀에 떨어지지 않는 가스 일부는 강력하고 빠르게 분출되는 ‘천체물리학적 제트’로 폭발되며, 이는 은하 너머 수십 광년까지 뻗어나갈 수 있다.

이러한 유출은 주변 은하 블랙홀에서 더 멀리 떨어진 가스를 가열하고 변형시켜 별의 탄생에 직접적인 영향을 미친다. 나타라잔은 “별은 가스와 먼지 구름이 식고 응축될 때 형성되는데, 제트가 이 가스를 가열하고 응축을 제지해 별 형성을 막는다”고 설명한다.

제트의 작용은 가스를 은하 중심에서 밀어내 블랙홀로 흘러가는 물질의 ‘먹이 공급원’ 또한 차단하여 가스 유출을 자체적으로 조절한다. 이는 블랙홀 성장에 대한 자연스러운 순환과정을 시사한다.

나타라잔은 가스가 은하의 나머지 부분에서 중심 영역으로 흘러들 가능성이 없기 때문에 은하 내부 영역의 가스가 완전히 소모되면 블랙홀은 성장에 방해를 받는다고 밝혔다.

극대질량, 초질량, 항성질량 블랙홀의 질량 범위를 보여주는 다이어그램. 출처=Robert Lea(created with Canva)

블랙홀이 성장하는 방식이나, 먹이 공급을 차단하고 성장을 저해하는 것으로 보이는 자연적 피드백 시스템을 고려할 때 초거대 블랙홀의 한계는 약 1000억 태양 질량이 된다.

나타라잔의 이론이 맞다면 피닉스 A는 우리가 지금까지 발견한 가장 거대한 블랙홀일 뿐만 아니라 우리가 발견할 수 있는 가장 큰 블랙홀일 수도 있다.

나타라잔 팀은 초거대 블랙홀과 항성 질량 블랙홀 사이의 블랙홀을 조사할 예정이다. 후자 그룹의 구성원은 태양보다 약 100배 더 무겁고 수명이 다한 거대한 별의 붕괴를 통해 형성된다. 초질량과 항성질량 사이의 흥미로운 집단은 ‘중간질량 블랙홀’로 알려져 있으며, 천문학자들이 이를 찾는 데 어려움을 겪었다.

나타라잔은 “초질량 블랙홀과 항성질량 블랙홀 사이의 격차를 메우겠다”면서 “태양 질량의 1000~1만배에 달하는 질량을 가진 중간질량 블랙홀이 많이 있어야 하는데, 우리는 지금 막 이를 발견하기 시작했다”고 밝혔다.

이 연구는 논문 저장소 사이트 아카이브(arXiv)에 게재됐다.

(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 천문학자들이 16만 광년 떨어져 있는 우리은하(Milky Way) 밖의 외부 은하에서 초신성이 되기 전 마지막 단계에서 가스와 먼지를 뿜어내고 있는 적색 초거성을 처음으로 확대 촬영하는 데 성공했다.

처음으로 확대 촬영된 16만 광년 밖 외부 은하의 적색 초거성 ‘WOH G64’
유럽남방천문대(ESO) 초대형 망원경 간섭계(VLTI) 관측장비(GRAVITY)로 촬영된 16만 광년 밖 대마젤란운(Large Magellanic Cloud)의 적색 초거성(WOH G64). 이 별은 초신성이 되기 전 마지막 단계에서 가스와 먼지를 뿜어내고 있는 것으로 추정된다. [ESO/K. Ohnaka et al. 제공. 재판매 및 DB 금지]

칠레 안드레스 벨로 대학 케이이지 오나카 교수팀은 과학 저널 천문학과 천체물리학(Astronomy and Astrophysics)에서 유럽남방천문대(ESO)의 초대형 망원경 간섭계(VLTI)를 이용해 16만 광년 밖 대마젤란운(Large Magellanic Cloud)에 있는 적색 초거성(WOH G64)을 확대 촬영했다고 밝혔다.

오나카 교수는 “VLTI의 높은 선명도 덕분에 가스와 먼지 등이 별을 타원형 고치처럼 둘러싸고 있는 모습을 발견, 촬영할 수 있었다”며 “이 별이 초신성 폭발 전에 물질을 급격히 방출하는 마지막 단계에 있는 것으로 보인다”고 말했다.

연구팀은 지금까지 천문학자들이 우리은하 내에 있는 별은 24개를 확대 이미지로 촬영해 그 특성을 밝혀냈으나 다른 은하에 있는 별들은 너무 멀리 떨어져 있어 자세히 관찰하는 게 사실상 어려웠다고 지적했다.

WOH G64는 우리은하를 공전하는 작은 은하 중 하나인 대마젤란운에 있는 태양 2천배 크기의 적색 초거성으로, 오나카 교수팀은 2005년과 2007년 VLTI로 이 별을 관측하는 등 관심을 기울였으나 실제 사진을 촬영하지는 못했다.

16만 광년 밖 외부 은하의 적색 초거성 ‘WOH G64’ 상상도
외부 은하의 별로는 최초로 근접 촬영된 WOH G64 상상도. 태양 2천배 크기의 적색 초거성인 이 별은 16만 광년 밖 대마젤란운(Large Magellanic Cloud)에 있으며, 별에서 방출된 먼지와 가스에 둘러싸여 있다. [ESO/L. Calçada 제공. 재판매 및 DB 금지]

연구팀은 이 연구에서 새로 개발된 VLTI의 2세대 관측 장비 중 하나인 ‘그라비티'(GRAVITY)로 WOH G64를 촬영하고 이를 이전 관측 결과들과 비교해 별이 10년 동안 더 희미해졌다는 사실을 밝혀냈다.

논문 공동저자인 독일 막스 플랑크 전파천문학 연구소(MPIRA) 게르트 바이겔트 교수는 “10년 동안 이 별이 중대한 변화를 겪고 있다는 사실을 발견했다”며 “이는 별의 일생을 실시간으로 관찰할 수 있는 드문 기회를 제공한다”고 말했다.

연구팀은 WOH G64 같은 적색 초거성은 마지막 단계에서 수천 년에 걸쳐 바깥쪽 가스와 먼지층을 날려버린다면서 이 별은 그런 별 가운데 가장 극단적인 예일 수 있으며 급격한 변화를 통해 폭발적인 종말을 맞이할 수도 있다고 설명했다.

오나카 교수는 “별이 점점 희미해지고 있어 VLTI로도 확대 촬영하는 게 더 어려워지고 있다”며 “현재 계획 중인 ‘그래비티+'(GRAVITY+) 같은 개선된 장비로 계속 관측하는 것이 이 별의 미래를 이해하는 데 중요하다”고 말했다.

◆ 출처 : Astronomy and Astrophysics, Keiichi Ohnaka et al., https://www.aanda.org/10.1051/0004-6361/202451820

scitech@yna.co.kr

소행성 아포피스와 뉴욕 비교 그래픽 이미지. 사진=The Planetary Society

5년 후 지구를 향해 날아오는 소행성 아포피스에 대한 흥미로운 연구결과가 나왔다. 최근 미국 존스홉킨스 대학 응용물리학 연구소는 지구에 최근접한 아포피스가 지구 중력의 영향으로 진동과 산사태가 발생해 변형될 수 있다는 연구결과를 내놨다.

‘혼돈의 신’을 뜻하는 이집트 신화 속 아펩에서 이름을 따온 아포피스(Apophis)는 지름이 약 340m의 소행성이다. 지난 2004년 6월 처음 발견됐는데 최근까지 아포피스는 지구와 충돌 가능성이 가장 높은 소행성으로 꼽혀왔다. 이에 붙은 별칭 역시 ‘도시 파괴자’로 만약 지구와 직접 충돌한다면 지구 전체를 파괴하지는 못하지만 핵폭탄의 수십~수백 개가 폭발하는 것과 같아 반경 수백 ㎞를 흔적도 없이 사라지게 할 수 있다.

아포피스(Apophis)의 그래픽 이미지

특히 천문학자들은 아포피스가 2029년 4월 지구와 최근접할 것으로 예상했는데, 놀랍게도 발견 당시만 해도 아포피스가 지구와 충돌할 확률을 무려 2.7%로 예측하기도 했다. 그러나 다행히 최근 연구결과 아포피스가 지구와 약 3만1860㎞ 거리를 두고 지나갈 것으로 예측돼 지구와 충돌할 가능성은 거의 없다. 다만 이 정도 거리도 지구와 달 사이의 약 12분의 1에 불과할 정도로 가깝다.

이번에 존스홉킨스 대학 연구팀은 아포피스와 유사한 소행성을 기반으로 시뮬레이션 모델을 만들어 지구를 스쳐 지나가는 아포피스의 물리적 변화를 예측했다. 연구를 이끈 로날드 루이스 발루즈 연구원은 “아포피스의 중력은 지구보다 약 25만 배나 작다”면서 “지구 중력으로 인해 지구와 가까워지기 1시간 전 부터 소행성에 지진과 같은 진동이 이어질 수 있다”고 설명했다.

지구를 향해 날아오는 아포피스의 궤적. 일부 인공위성보다도 지구와 가깝다. 이미지=NASA

이어 “이 진동이 얼마나 강할 지 말하기는 어렵지만 아포피스 표면의 바위를 우주로 내 보내 외형을 바꿀 수 있을 것”이라면서 “지구의 중력은 아포피스의 회전 패턴을 바꿀 수 있어 산사태를 촉발해 표면 아래에 있는 층이 드러날 수도 있다”고 덧붙였다.

한편 지구를 방문하는 아포피스를 가깝게 지켜볼 수 있는 희귀한 기회를 맞아 국제 협력도 커지고 있다. 앞서 지난 7월 부산 벡스코에서 개막한 우주분야 세계 최대 규모 국제 학술행사인 ‘국제우주연구위원회’(COSPAR·코스파)에서도 아포피스 탐사와 관련한 국제협력이 언급된 바 있다.

우라늄 원자핵이 전자와 충돌하면서 입자를 방출하는 장면을 표현한 이미지. Chunjian Zhang/Fudan University 및 Jiangyong Jia/Stony Brook University 제공

과학자들이 전자를 가속시켜 무거운 원자핵과 충돌시키는 장치인 상대성중이온가속기(RHIC)를 사용해 원자핵의 세부적인 형태를 규명하는 시각화 기술을 개발했다. 관찰된 원자핵은 약간 찌그러든 축구공의 형태를 보였다. 관찰 축에 따라 형태에 미묘한 차이가 있다는 사실도 확인됐다.

이번 연구는 원자핵의 복잡하고 다양한 형태를 자세하게 알 수 있게 됐다는 의미가 있다. 원자핵의 형태를 알면 핵 분열에서 분열할 가능성이 가장 높은 원자가 무엇인지, 중성자별의 충돌에서 무거운 원자 원소가 어떻게 형성되는지 등 다양한 물리학 난제를 해결하는 실마리가 될 수 있다. 초기 우주를 구성하는 입자의 형성 조건을 찾는 데도 중요하다.

미국 브룩헤이븐국립연구소(BNL)가 운영하는 RHIC로 새로운 물질 상태 등을 연구하는 국제공동연구프로젝트 ‘스타콜라보레이션(STAR Collaboration)’ 연구진은 RHIC를 사용해 원자핵의 형태를 다양한 축에서 관측한 결과와 관측을 가능케 한 고에너지 시각화 기술을 국제학술지 ‘네이처’에 6일(현지시간) 발표했다. 이번 연구에는 한국의 세종대 연구진도 참여했다.

원자핵은 원자의 중심에 위치한 핵심 구조다. 양성자와 중성자로 구성돼 있으며 원자의 거의 모든 질량을 차지한다. 물질의 기본적인 구조와 물질이 상호작용하는 메커니즘을 연구하는 데 중요하다. 원자핵의 양성자와 중성자는 강한 핵력으로 결합돼 있다. 이 힘은 입자 간의 상호작용을 연구하는 데 필수적이다.

원자핵의 형태를 규명하는 것은 과학계의 주요 과제 중 하나였다. 기존에 사용되던 저에너지 시각화 기술은 원자핵을 다양한 방식으로 자극해 방출되는 빛의 입자를 관찰하는 방식으로 원자핵의 형태를 추론했다. 마치 사진을 촬영할 때 카메라 센서가 오랜 시간 빛을 받아들이게 하는 장기간 노출 촬영법과 같아 짧은 시간에 원자핵 내부에서 발생하는 양성자 배열의 미묘한 변화까지는 포착할 수 없었다. 원자핵의 정확한 형태를 다각도에서 관찰하는 데도 역부족이었다. 전자기의 상호 작용 활동을 활용하기 때문에 원자핵에서 전하를 띠지 않는 중성자를 관찰하기 어려운 것도 한계였다.

연구팀이 개발한 고에너지 시각화 기술은 원자핵을 구성하는 양성자와 중성자를 마치 동결된 것과 같은 상태에서 관측할 수 있다. 노출 시간이 짧은 사진 촬영법과 유사하다.

연구팀은 고에너지로 원자핵을 자극하는 RHIC에 주목했다. 앞서 RHIC는 전자를 가속시켜 무거운 원자핵과 충돌시키는 실험에 사용됐다. 무거운 원자핵일수록 양성자와 중성자의 내부 구성 요소이자 물질을 구성하는 가장 기본적인 입자인 ‘쿼크’와, 쿼크를 매개하는 입자인 ‘글루온’의 방출 과정을 관찰하기 쉽다. 방출된 쿼크와 글루온은 고에너지에 의해 뜨거운 덩어리인 쿼크-글루온 플라즈마(QGP)를 형성하게 된다. 이때 쿼크-글루온 플라즈마는 충돌한 원자핵의 형태에 의해 결정된다.

연구팀은 이 과정을 ‘역추적’하는 방식으로 원자핵의 형태에 대한 데이터를 도출했다. 원자핵이 충돌할 때 발생하는 입자의 흐름과 운동량을 분석하고 이를 다양한 쿼크-글루온 플라즈마 모양에 대한 유체역학적 모델링에 적용해 원래 충돌했던 원자핵의 형태에 도달했다. 연구팀은 이번 시각화 기술을 위한 유체역학적 모델링을 만드는 데는 2000만 시간 이상의 컴퓨터 작업을 통해 1000만건 이상의 원자핵 충돌 데이터를 분석하는 작업이 필요했다고 설명했다.

연구팀은 “이번에 개발된 고에너지 시각화 기술로 우라늄의 원자핵을 관찰한 결과 3개의 관측 축에 따라 미묘한 형태의 차이가 확인됐다”며 새로운 관측 기술은 원자핵의 밝혀지지 않은 복잡한 구조를 규명하는 데 활용될 수 있다고 말했다.

<참고 자료>
-10.1038/s41586-024-08097-2

사이언스 제공

이번 주 국제학술지 ‘사이언스’ 표지에는 ‘그래핀 20세(GRAPHENE AT 20)’라는 문구와 함께 벌집 모양의 탄소 원자들이 여러 층으로 쌓여 있는 그림이 실렸다. 사이언스는 맨 왼쪽은 ‘그래핀’, 가운데는 ‘그래핀 나노플레이트’, 오른쪽은 ‘그래핀 산화물’이라고 설명했다.

올해는 ‘꿈의 물질’이라고 불리는 소재 ‘그래핀’ 탄생 20주년이다. 11일 사이언스는 그래핀 발견 20주년을 기념해 그래핀 발견의 역사와 그래핀의 잠재력을 소개하는 글을 실었다.

그래핀은 흑연의 구성 물질인 탄소 원자들이 벌집 모양으로 연결된 2차원 막이다. 두께가 원자 한 층 수준인 0.35nm(나노미터·1nm는 10억분의 1m) 정도로 얇다. 2004년 영국의 과학자 안드레 가임과 러시아의 과학자 콘스탄틴 노보셀로프는 스카치테이프로 연필심의 재료인 흑연을 계속해서 붙였다 뗐다 하는 방법으로 그래핀을 흑연에서 분리해냈다. 1940년대부터 이론으로만 존재한 그래핀을 탄생시킨 것이다.

가임과 노보셀로프는 그래핀을 발견하고 그 특성을 밝힌 공로로 2010년 노벨상을 받았다. 그래핀은 실리콘에 비해 100배 이상 전기 전도도가 높고 강도는 강철보다 200배 강하다. 열 전도성은 구리나 알루미늄에 비해 10배 이상 좋다. 구조적으로도 굉장히 안정적이다. 면적의 20%를 늘려도 끄떡 없을 정도로 신축성도 좋다. 더구나 이렇게 구부리거나 늘려도 전기 전도성이 사라지지 않는다.

이같은 특성 때문에 당시 그래핀은 새로운 반도체 소자가 될 수 있다는 기대를 받으며 과학계에 스타로 떠올랐다. 유기화학 반응을 이용해 그래핀 반도체를 만들 경우 기존 실리콘 기반 트랜지스터를 대체할 수 있다고 생각했기 때문이다. 또 그래핀을 활용해 셀로판지처럼 얇은 두께의 컴퓨터 모니터나 시계처럼 팔에 착용할 수 있는 휴대전화, 구부러지는 터치스크린, 태양전지판, 종이처럼 접어 지갑에 넣고 다니는 컴퓨터를 만들 수 있을 것으로 예상했다.

하지만 발견 20년이 지난 지금까지 그래핀은 상용화되지 못하고 있다. 그래핀을 얻을 수 있는 혁신적인 기술이 나오지 않아 대량 생산하기 어렵기 때문이다. 그래핀을 만드는 데 너무 많은 돈이 든다는 이야기다. 또 그래핀은 큰 면적으로 제조하는 것이 어렵고, 전류의 흐름을 통제할 수 없다는 등의 한계를 갖고 있다. 고유의 성질을 유지하면서도 다양한 형태로 가공하기 어려웠다.

초기부터 지금까지 그래핀 연구는 그래핀 나노플레이트와 그래핀 산화물 이용에 집중돼 있었다. 그래핀 나노플레이트는 그래핀을 여러 층으로 쌓아 100nm(나노미터, 1nm는 10억분의 1m) 미만 두께의 판 형태로 만든 것이다. 그래핀 나노플레이트 형태로 그래핀을 여러 가지 물질과 섞으면 그래핀의 성질을 유지하면서도 다양한 형태로 가공할 수 있다.

그래핀 산화물은 그래핀 표면에 산화를 일으켜 만든 물질이다. 그래핀 산화물은 물에 풀어져 마치 용액처럼 다룰 수 있어 다양한 형태로 제품을 제작하는 데 유용하다. 그래핀 나노플레이트와 그래핀 산화물은 코팅 및 보강재처럼 기존 제품의 기능을 향상시키며 상용화되고 있다. 그래핀 나노플레이트는 부식 방지 코팅, 난연제, 전자파 차폐 재료로 쓰였다.

하지만 사이언스는 여전히 그래핀 자체도 다양한 잠재력을 가진 덕분에 활발히 연구되고 있다고 설명했다. 스페인, 덴마크, 영국 등 유럽을 중심으로 반도체 제조 라인에 대량 사용할 수 있도록 그래핀을 간단하게 만드는 방법을 연구 중이다. 국내에서는 홍병희 서울대 화학부 교수가 2009년 그래핀 대면적 합성기술을 구현하고 2012년 ‘그래핀스퀘어’를 창업해 전 세계 그래핀 시장을 선도하기 위해 준비 중이다.

또 2차원 물질을 쌓아 올려 물성을 측정하는 ‘트위스트로닉스’ 연구에서도 그래핀에 주목하고 있다. 미국물리학회 학술대회에서 미국 매사추세츠공대 (MIT) 연구팀이 그래핀 두 장을 다른 각도로 비틀어 붙여 초전도체가 되는 것을 실험적으로 증명하면서부터다. 사이언스는 그래핀이 하루빨리 실험실을 벗어나 산업에서도 유용하게 쓰일 수 있길 바란다고 기대했다.

Credit: ESA/Webb, NASA & CSA, A. Scholz, K. Muzic, A. Langeveld, R. Jayawardhana

태양계의 행성과 소행성, 혜성 등은 모두 태양이라는 부모가 있다. 이들은 모두 태양이 생길 때 주변에 모인 가스와 먼지가 뭉쳐 만든 원시 행성계 원반에서 태어났다. 원시 행성계 원반에서 덩어리가 크게 뭉치면 행성이 되고 작게 뭉치면 소행성이 되는 식으로 태양계의 수많은 형제가 태어난 것이다.

하지만 모든 행성이 별 주변을 공전하는 건 아니다. 과학자들은 어떤 별 주변도 공전하지 않는 떠돌이 행성(rogue planet)도 발견했다. 물론 스스로 빛나지 않는 천체인 행성은 너무 어둡기 때문에 관측이 어렵지만, 다른 별 앞을 우연히 지나면서 빛이 어두워지거나 중력에 의해 빛이 휘어지는 마이크로 중력렌즈 효과를 통해 숨어 있는 떠돌이 행성을 몇 개 포착하는 데 성공했다.

떠돌이 행성이 처음부터 혼자 태어난 행성인지, 아니면 본래는 어미 별이 있었는데 다른 별이나 행성의 중력 간섭으로 인해 튕겨 나온 행성인지는 확실치 않다. 그리고 관측이 어렵기 때문에 우주에 얼마나 많은 떠돌이 행성이 있는지도 파악하기 힘들다. 그런데 최근 과학자들은 제임스 웹 우주 망원경의 도움으로 떠돌이 행성이 스스로 생성될 수 있을 뿐 아니라 숫자도 많을 수 있다는 증거를 발견했다.

존스 홉킨스 대학의 천체물리학자인 아담 랑지벨드와 동료들은 제임스 웹 우주 망원경을 이용해서 지구에서 1,000광년 떨어진 가스 성운인 NGC 1333을 관측했다. 이 가스 성운에서는 가스가 뭉쳐 여러 개의 별이 생성되고 있다.

과학자들은 NGC 1333에서 새로 태어나는 별은 물론이고 일반적인 별보다 작은 천체인 갈색왜성도 관측했지만, 관측 기술의 한계로 행성 질량 천체가 혼자 태어나는 모습은 확인할 수 없었다.

연구팀은 제임스 웹 우주 망원경 관측 결과를 토대로 NGC 1333에 적어도 6개의 행성급 천체가 혼자 태어나고 있다는 사실을 발견했다. (사진에서 녹색 원) 이들의 질량은 목성의 5-10배 정도로 태양계 행성보다는 크지만, 별이나 갈색왜성보다는 분명히 작아 행성으로 분류할 수 있다.

이번 관측 결과에 따르면 별, 갈색왜성, 행성은 질량에 차이가 있을 뿐 생성되는 방식은 비슷했다. 가스 성운 안에서 중력에 의해 뭉친 가스와 먼지의 덩어리가 크면 별이 되고 그보다 작으면 갈색왜성, 더 작으면 행성이 될 뿐이었다. 사실 행성은 질량이 적어서 더 많이 생겨날 수 있다.

연구팀은 제임스 웹 우주 망원경의 강력한 성능으로도 목성 질량의 5배 이하의 행성은 관측이 어렵다고 보고 있다. 따라서 NGC 1333 내부에 더 많은 행성이 존재할 가능성이 있다. 우리 은하에 떠돌이 행성이 생각보다 훨씬 흔할 가능성을 시사하는 대목이다.

태양계의 목성이나 토성 같은 거대 가스 행성은 여러 개의 위성을 거느리고 있으며 이 가운데는 목성의 위성 유로파처럼 내부에 바다를 지닌 위성도 존재할 수 있다. 그리고 어쩌면 이 가운데 일부는 생명체를 품고 있을지도 모른다. 이런 떠돌이 행성이 태양계 가까운 곳에 숨어 있다면 외계 생명체를 탐사하는 과학자들의 새로운 목표가 될 것이다.

물리학에서 우주를 설명하는 표준 모델에 따르면 우주의 구성 성분 중에 우리가 이해할 수 있는 물질은 약 5%뿐이다. 26.8%는 암흑물질이, 나머지는 암흑에너지가 차지한다. 게티이미지뱅크 제공

표준 우주론 모델에 따르면 우주의 26.8%는 암흑물질이 차지하지만 암흑물질의 정체는 명확히 밝혀지지 않았다. 과학자들은 이론으로 예측된 범위에서 암흑물질이 존재하지 않는 영역을 배제하는 식으로 암흑물질을 찾는다.

특히 액시온(Axion)은 유력한 암흑물질 후보다. 질량이 매우 작으며 다른 입자와 상호작용을 거의 하지 않는 것으로 추정되는 입자다. 최근 기초과학연구원(IBS) 액시온 및 극한상호작용연구단은 액시온 존재 여부를 판단할 수 있는 범위를 좁힌 연구 결과를 최근 잇따라 공개해 주목을 받고 있다.

일반적으로 과학자들은 강력한 자석을 사용해 액시온의 존재 여부를 판단한다. 이론에 따르면 액시온은 자기장과 만나면 질량에 따른 주파수를 나타내는 광자(빛의 입자)로 변환된다. 이때 공진기를 이용해 주파수를 증폭하고 검출하면 해당 관찰 영역의 액시온 존재 여부를 파악할 수 있다.

핵심은 액시온의 질량과 질량이 변환된 주파수를 알지 못한다는 점이다. 이론에서 예측한 넓은 주파수 영역에서 라디오 주파수를 맞추듯 조금씩 탐색해야 한다.

● 자체 장비 개발해 액시온 탐색

액시온에 대한 이론적 모델로 ‘DFSZ’와 ‘KSVZ’가 있다. ‘DFSZ 액시온’ 모델에서 예측한 액시온은 KSVZ에서 제시한 것보다 다른 입자와의 상호작용이 작아 실험에서 탐지하기 더 어렵지만 기존 우주론의 한계를 극복한 ‘대통일 모델(GUT)’의 근거를 확보할 수 있다.

이런 이유로 IBS 연구단은 ‘DFSZ 액시온’ 탐색에 초점을 맞춰 장비를 개발하고 특정 범위에서 액시온의 존재 여부를 확인하는 데 성공했다. 연구 결과는 12일(현지 시간) 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 X’에 공개됐다.

액시온 검출 확률은 자기장이 클수록 높아진다. 연구팀은 초전도체로 지구자기장 세기의 24만 배에 달하는 12테슬라(T)의 자석을 구현했다. 연구팀은 개발한 장비를 활용해 1.025~1.185기가헤르츠(GHz) 주파수 범위에서 질량이 4.24~4.91µeV(마이크로전자볼트)인 액시온을 세계 최고 감도로 탐색하는 데 성공했다. 전자볼트(eV)는 주로 입자물리학에서 사용되는 매우 작은 에너지·질량 단위다. 멈춰 있는 전자의 질량이 약 511킬로전자볼트(keV)로 알려졌다.

정우현 IBS 연구단 연구위원은 “DFSZ 액시온을 탐색할 수 있는 연구팀은 전 세계에서 두 곳뿐”이라며 “1GHz 이상 주파수에서 고감도로 액시온 탐색에 성공한 건 현재까지 IBS 연구팀이 유일하다”고 설명했다.

● 고주파수 영역에서도 최고 수준 성과

연구단은 고주파수 영역에서도 최고 수준의 연구성과를 냈다. KSVZ 이론에 따른 최근 연구들은 액시온의 질량이 20~30µeV, 주파수로는 4.8~7.25GHz 영역에 있을 것으로 예측한다. 연구단은 기존 실험보다 더 높은 고주파에 주목했다.

고주파 신호를 탐색하려면 주파수를 증폭하는 공진기의 부피를 줄여야 한다. 부피가 줄면 데이터를 얻는 데 시간이 오래 걸린다. 연구팀은 원통형 공진기를 피자 조각처럼 나눈 ‘다중방 공진기’를 고안했다. 실험 결과 액시온이 질량 21.86~22.00µeV 범위에서 존재하지 않는다는 사실이 확인됐다. 신뢰도는 90% 수준으로 해당 범위에서는 현재까지 가장 민감도가 높은 결과다. 연구결과는 지난달 31일(현지 시간) ‘피지컬 리뷰 레터스’에 게재됐다.

윤성우 IBS 연구단 연구위원은 “액시온 탐색은 건초더미에서 바늘을 찾는 일과 비슷하다”며 “차세대 액시온 탐색 실험의 방향성을 제시하는 연구”라고 밝혔다.

<참고 자료>
– doi.org/10.1103/PhysRevX.14.031023
– doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.051802

달. 위키미디어/그레고리 H. 레베라 제공

북극점에 가까운 노르웨이령 스발바르제도에는 ‘최후의 날 저장고’라는 장소가 있다. 바로 ‘스발바르 국제종자저장고’다. 핵전쟁이나 기상이변, 예측할 수 없는 재난으로 식물 자원이 고갈될 경우를 대비해 식물 종자를 차곡차곡 모으는 곳이다. 이같은 저장고를 달에도 만들자는 과학자들의 주장이 나왔다.

지난달 31일 미국 스미소니언 국립 동물원 및 보존 생물학 연구소 연구팀은 지구에서 중요하고 멸종 위기에 처한 식물의 종자, 동물의 세포를 보존하는 저장고를 달에 설치해야 한다는 주장을 담은 논문을 국제학술지 ‘바이오 사이언스’에 발표했다.

최근 기후변화로 북극 지역 온도가 빠르게 상승하며 학계에서 스발바르 국제종자저장고도 안전하지 않다는 의견이 나오고 있다. 이번 연구를 이끄는 메리 하게돈 스미소니언 국립 동물원 및 보존 생물학 연구소 연구원은 “전쟁으로 인해 2022년 우크라이나의 종자 은행이 파괴됐다”면서 “전쟁도 지구 최후의 생물 저장고에 위협이 되기 때문에 가장 안전한 곳에 저장고를 두어야 한다”고 말했다.

연구팀은 달의 추운 환경이 인간의 개입이나 추가적인 에너지원 필요 없이 생물을 낮은 온도에서 안전하게 보존해줄 것이라고 했다. 달 표면은 낮에 섭씨 127도까지 올라갔다가 밤에는 영하 173도까지 떨어진다. 특히 태양에 거의 노출되지 않는 달의 극지방 근처 분화구는 초저온이 유지된다.

하게돈 연구원은 현재 청별망둑 지느러미에서 채취한 세포를 대상으로 초저온에서 살아 있는 상태로 보존하는 방법을 연구하고 있다. 그는 멸종위기에 처해 있거나 먹이사슬에서 중요한 역할을 하는 생물을 먼저 달에 보관해야 한다고 주장하고 있다. 달 생물 저장고는 멸종된 주요 생물을 복원하거나 인류가 ‘테라포밍’을 할 때 활용될 것이라고도 언급했다. 테라포밍은 지구 외 다른 천체에 지구의 환경과 생태계를 인위적으로 조성해 지구 생물이 원활하게 살 수 있도록 만드는 것이다.

연구팀은 “달 생물 저장고 계획이 마련되면 우주 환경을 견디고 생물을 보존할 수 있는 포장재를 개발하고 생물을 달까지 운반하는 데 필요한 물류 기술을 개발하는 것이 중요하다”고 설명했다.

<참고자료>
doi.org/10.1093/biosci/biae058

프랑스 프레베생에 위치한 CERN 904동에서 다국적 학생들이 CMS 검출기 제작에 참여하고 있다. 제네바=문세영 기자.

초여름에 접어든 6월 스위스 국경에서 프랑스 방면으로 20분 가량 차를 타고 가니 세시라는 프랑스 마을이 눈에 들어왔다. 지하 100m 아래 둘레가 27km에 달해 ‘세상에서 가장 큰 실험실’로 불리는 유럽핵입자물리연구소(CERN)의 거대강입자가속기(LHC)가 설치된 지역이다. 국경을 넘기 위해 출발한 제네바 CERN 본부 아래에도 가속기가 있으니 그 규모를 실감할 수 있었다.

LHC는 입자를 빛에 가까운 속도로 가속시켜 충돌을 일으켜 새로운 입자를 만들어내거나 충돌 시 발생하는 물리 현상을 탐구한다. 입자 간 충돌을 일으키려면 매우 높은 에너지가 필요하기 때문에 고에너지를 얻기 위한 긴 가속 경로가 필요하다.

CERN은 올 가을 70주년을 맞는다. 1954년 설립 후 CERN에서 진행된 연구는 신의 입자로 불리는 ‘힉스’ 발견 등 3건의 노벨 물리학상으로 이어졌다. ‘월드 와이드 웹’ 시대를 연 공학 기술도 탄생했고 국제 협업 연구의 대표적인 모범사례로 불리기도 한다. 힉스 입자 발견에 중추 역할을 한 LHC는 내년까지 운영된 뒤 3년간 작동을 멈춘다. 이 기간 LHC 업그레이드를 거쳐 2040년대까지 운영된다. 이후 둘레가 91km에 달하는 차세대 입자가속기인 ‘미래원형가속기(FCC)’가 건설된다.

● LHC에서 FCC로…표준모형 넘어서기 도전

“FCC 규모는 LHC의 3배, 최대 출력은 7배에 달합니다. 물리학자들은 FCC가 표준모형을 넘어선 새로운 물리학의 지평을 열어줄 발견을 할 것으로 기대하고 있습니다.”

지난달 11일 스위스 제네바 현지에서 만난 쟌 프란체스코 쥬디체 연구원은 FCC 건설의 의미를 이같이 설명했다. 그는 31년간 CERN 이론물리학부에 몸담으며 가속기 건설에 참여했다. LHC는 현재 최고 13.6테라전자볼트(TeV)에 달하는 충돌 에너지를 낼 수 있다. TeV는 빛의 속도에 가깝게 가속되는 입자의 질량 단위다. 에너지가 높을수록 더 무거운 입자를 만들 수 있다. 업그레이드되는 FCC는 100TeV의 충돌 에너지를 낸다. 표준모형이 설명하지 못하는 물리 현상의 발견으로 이어질 수 있을 것으로 보고 있다.

현재 우주의 물질과 상호작용을 가장 잘 설명하는 이론은 표준모형이다. 표준모형은 우주가 17개의 근본 입자로 이뤄졌다는 이론으로 2012년 LHC에서 힉스 입자가 발견되면서 17개 입자가 모두 발견됐다. 하지만 표준모형은 기본 입자 중 하나인 중성미자에 질량이 있는 이유를 설명하지 못하며 우주 전체의 96%를 차지하는 암흑물질과 암흑에너지도 설명할 수 없다. FCC는 표준모형을 넘어서는 현상을 설명하려는 ‘초대칭 이론’ 등에서 예견하는 새로운 입자나 차원 등에 대한 이해를 높일 수 있다.

계획대로라면 2040년대 중반에는 상대적으로 가벼운 전자와 양전자를 충돌시키는 ‘FCC-ee’가 가동되고 2070년에는 무거운 중입자(하드론)를 가속하는 ‘FCC-hh’로 넘어간다. FCC-ee를 짓는 데만 150억 스위스프랑(약 23조원)의 예산이 투입된다. 막대한 비용이 들어감에도 FCC를 건설하는 이유는 힉스와 표준모형을 넘어선 ‘물리학의 미래’가 발견될 것이란 믿음 때문이다.

6월 24~28일 스위스 제네바 CERN에서 CMS 검출기 업그레이드 등을 논의하는 ‘CMS week‘ 회의가 열리고 있다. 제네바=문세영 기자.

● FCC 건설 전, LHC 업그레이드…한국 참여도 높아

FCC로 넘어가기 전에는 고광도-LHC 프로젝트가 시행된다. 2026년부터 3년간 LHC 성능을 높여 힉스 입자와 같은 중요한 물리적 발견을 하겠다는 목표다. LHC에 있는 4개의 검출기에 대한 업그레이드도 이뤄진다. 한국은 2007년 ‘한-CERN 협력사업’을 통해 ALICE 검출기와 CMS 검출기 제작 및 연구에 참여 중이다.

ALICE는 빅뱅 직후를 재현하는 검출기다. 원시 우주에서 어떻게 오늘날과 같은 물질들이 생겼는지 탐구한다. 한국 ALICE팀인 ‘KoALICE’는 업그레이드 기간 ALICE 내부 추적 시스템(ITS)을 만든다. 전면 실리콘 반도체로 교체하기 때문에 반도체 강국인 한국의 활약이 기대된다. 실리콘 판인 웨이퍼를 종이처럼 말아 넣는 작업이 전 세계 최초로 시도된다. ALICE 업그레이드 코디네이터인 안드레아 다이네세는 “원통형 웨이퍼를 집어넣는 작업은 매우 도전적이면서 선구적인 기술”이라고 말했다.

한국 연구자들이 참여하는 또 다른 검출기인 CMS는 힉스 입자 발견 시 중요한 역할을 했다. 힉스 입자는 생성 직후 붕괴되는데 CMS는 힉스가 남긴 생성물을 추적해 힉스 존재를 증명했다.

한국 CMS팀인 ‘KCMS’는 업그레이드 기간 CMS 검출기의 가장 큰 부피를 차지하는 뮤온 검출기 중 GEM과 MTD 제작 등에 참여한다. GEM은 다공성 구조를 가진 얇은 금속 포일을 활용해 정밀한 입자 궤적을 추적하고 MTD는 매우 짧은 시간 간격으로 일어나는 충돌 사건을 구분할 수 있는 ‘시간 분해능’이 뛰어나다. CMS 업그레이드 코디네이터인 프랑크 하르트만은 “GEM은 기존 킬로헤르츠(kHz)보다 1000배 높은 주파수인 메가헤르츠(MHz) 범위로 충돌을 감지하고 MTD는 1조분의 1초인 피코초 단위로 입자 이동 시간을 식별하는 새로운 기능을 갖고 있어 지금까지 보지 못했던 물리 현상을 감지할 수 있을 것”이라고 말했다.

CERN 해외 연구자들은 한국이 CERN 연구에 혁혁한 공헌을 해왔다고 밝혔다. (왼쪽 위부터 시계방향으로) 프랑크 하르트만, 펠릭스 라이트, 고티에 하멜 드 몬슈노, 이매뉴엘 체스멜리스, 안드레아 다이네세. 제네바=문세영 기자.

● 한국 공헌도 높지만, 비회원국 한계 명확

CERN에서 만난 해외 연구자들은 한국이 ALICE 및 CMS 제작과 연구에 큰 역할을 해왔으며 업그레이드에서도 중요한 역할을 할 것이라고 입을 모았다.

CERN에서 국제 관계를 담당하는 이매뉴얼 체스멜리스 영국 옥스퍼드대 물리학과 교수는 “한국은 준회원국인 인도나 브라질보다 더 많은 연구에 참여한다”며 “ALICE, CMS, 이론물리학, 그리드 컴퓨팅 등 다양한 측면에서 기여도가 높다”고 말했다.

한국은 CERN 비회원국으로 현재 데이터 사용 ‘유저’로 분류돼 있다. CERN 연구에 대한 공헌도는 높지만 의사 결정을 내릴 권한이 없고 회원국과의 논쟁에서 밀리는 경우도 많다. 비회원국으로서의 한계가 있는 셈이다.

CERN 현지 전문가들은 한국이 CERN의 대대적인 업그레이드를 앞두고 준회원국이 되면 얻을 수 있는 이점이 있다고 말했다. 체스멜리스 교수는 “한국 기업들은 가속기 건설 참여 계약을 입찰할 수 있고 한국 국적자는 과학자, 인사직 등으로 CERN에 입사할 수 있다”고 말했다. 학생들과 젊은 과학자들은 글로벌 과학 인재로 성장하는 기회를 얻는다. 한국이 과학기술 분야에서 ‘패스트 팔로우’를 넘어 ‘퍼스트 무버’로서의 지위를 가지려면 과학자들이 도약할 수 있는 발판이 필요하다는 게 전문가들의 분석이다. 김태정 한양대 물리학과 교수는 “일반 유저인 한국은 의사 결정 과정에서 한국에 유리할만한 결정이 일어나게 할 수도, 일어나고 있는지에 대해서도 확인할 수 없고 발언할 기회도 없다”며 “”준회원국이 되면 연구자들의 발언 및 연구 참여 기회가 넓어지고 정상급 연구소에 납품하는 실력을 갖는 한국 기업들이 생기는 등 다음 단계로의 새로운 기회들이 많이 열릴 것”이라고 말했다.

프랑스 생제니푸이에 위치한 LHC P2동 전경. 이곳에는 ALICE 검출기가 위치한다. 제네바=문세영 기자.

우주의 반지처럼 보이는 퀘이사 RX J1131-1231. 사진= ESA/Webb, NASA & CSA, A. Nierenberg심연의 우주 속에서 보석을 달고 밝게 빛나는 반지를 연상시키는 천체의 모습이 포착됐다. 최근 유럽우주국(ESA)은 제임스 웹 우주망원경이 포착한 퀘이사 ‘RX J1131-1231’의 이미지를 공개했다.

지구에서 약 60억 광년 떨어진 곳에 위치한 RX J1131-1231는 우주에서 가장 밝을 빛을 내는 천체인 ‘퀘이사’(Quasar)다. ‘준항성상 천체’(quasi stellar object)를 뜻하는 퀘이사는 수십억 광년 떨어져 있는데도 별처럼 밝게 빛난다고 해서 이같은 이름이 붙었는데, 오래 전부터 먼 초기 우주를 연구하는 과학자들의 관심을 끌어왔다. 특히 퀘이사를 이렇게 밝게 빛나게 하는 것은 중심부에 위치한 초대질량 블랙홀(Supermassive blackhole)로 주위의 가스와 먼지 등 물질을 게걸스럽게 빨아들여 소화시키며 높은 양의 에너지를 빛으로 내뿜는다.

과거 NASA 찬드라 X선 관측소와 허블우주망원경이 촬영한 퀘이사 RX J1131-1231. 사진= X-ray: NASA/CXC/Univ of Michigan/R.C.Reis et al; Optical: NASA/STScI해당 사진을 보면 마치 우주에 다이아몬드가 박힌 반지처럼 보이지만, 사실 이는 중력렌즈로 인해 왜곡된 이미지다. 반지처럼 보이는 중앙에는 타원은하가 자리잡고 있으며, 퀘이사는 3개의 보석으로 보이지만 사실 중력렌즈 현상으로 복제된 것이다. 이를 이해하기 위해서는 아인슈타인이 100여 년 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 빛의 고리를 만들어내는등 상을 왜곡시키기도 한다.

중력렌즈는 곧 ‘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.

ESA 측은 “은하와 같은 거대 천체가 더 먼 곳의 빛을 휘게 할 때 발생하는 중력렌즈 효과를 통해 천문학자들은 먼 퀘이사의 블랙홀 부분과 가까운 영역을 연구할 수 있다”면서 “퀘이사에서 나오는 X선 방출을 측정하면 중앙의 블랙홀이 얼마나 빨리 회전하는지 알 수 있으며 이는 향후 블랙홀이 어떻게 성장하는지에 대한 단서를 제공한다”고 설명했다.