어린이과학동아 제공

으슬으슬하고 기침이 나오고 열도 나는지 이마가 뜨끈뜨끈하다면. 감기에 걸린게 분명하다.

약성분이 기재되어있는 처방약 봉지. 어린이과학동아 제공

● 약국에서 받은 약 뭐가 들었을까.

여러분은 얼마나 자주 감기에 걸리나요. 어린이는 보통 1년에 6~10번 정도 감기에 걸립니다. 감기 증상은 보통 바이러스에 감염된 뒤 1~3일 안에 나타납니다. 콧속에 불편한 기운이 느껴지고 목이 간질간질하다 재채기를 시작하지요. 그 뒤 콧물이 흐르고 열이 나기도 합니다.

감기에 걸리면 몸을 따뜻하게 하고 물을 많이 마시는 게 좋아요. 콧물이 너무 많이 나거나 기침이 심하면 증상을 완화하는 약을 먹으면 도움이 됩니다. 일반적으로 감기는 일주일가량 지나면 자연스럽게 낫습니다. 하지만 증상이 나아지지 않고 오히려 심해질 때가 있습니다.

증상이 계속되고 38°C 이상의 고열이 날 때는 다시 의사의 진찰을 받아야 합니다. 감기가 아니라 귀의 고막과 달팽이관 사이의 공간인 중이에 염증이 생기는 중이염이나 얼굴 뼛속에 공기로 채워진 공간인 부비동에 염증이 생기는 부비동염일 수도 있기 때문이에요. 이때는 증상을 가라앉혀 주는 약 외에 세균성 염증을 치료하는 항생제를 먹어야 합니다.

감기에 걸리면 나타나는 증상. 게티이미지뱅크 제공

● 항생제 먹으면 감기 빨리 나을까.

병원성 세균이 우리 몸에 들어오면 폐렴, 식중독 등 다양한 질병을 일으킵니다. 항생제는 세균의 성장과 번식을 억제하거나 세균을 죽게 만드는 약입니다. 그래서 우리가 세균성 질병에 걸리면 병원에서 항생제를 처방받습니다.

최초의 항생제인 페니실린을 만든 건 1928년 영국의 생물학자 알렉산더 플레밍이었어요. 실험하던 중 우연히 푸른곰팡이에서 페니실린이라는 화학물질을 발견했죠. 당시에는 종기 같은 아주 사소한 세균 감염으로도 사람들이 사망했는데 페니실린을 시작으로 다양한 항생제가 개발되며 많은 세균성 질병을 치료할 수 있었습니다.

알렉산더 플레밍은 푸른곰팡이에서 우연히 페니실린을 발견했다. 게티이미지뱅크, Ajay Kumar Chaurasiya(W) 제공

그러면 감기에 걸렸을 때도 항생제를 먹으면 더 빨리 나을까요. 감기는 세균이 아니라 바이러스에 의해 감염되는 질병입니다. 코나 부비동, 인후 등에 바이러스가 들어가 감기에 걸리지요. 감기를 일으키는 바이러스는 무려 200개가 넘습니다.

바이러스와 세균은 둘 다 우리 눈에 보이지 않을 정도로 작은 미생물로 비슷해 보이지만 엄연히 다릅니다. 바이러스는 혼자서 생명을 유지할 수 없어 동식물의 세포에 기생해 살아가지만 세균은 스스로 에너지와 단백질을 만들어 낼 수 있다는 차이점이 있습니다. 그래서 각각에 대한 치료법도 다릅니다. 세균은 항생제로 치료할 수 있지만 바이러스는 백신이나 바이러스를 없애는 항바이러스제로 치료합니다.

그래서 감기에 걸렸을 때는 항생제를 먹어도 효과가 없습니다. 신천연합병원 소아청소년과 조병욱 진료과장은 “감기는 보통 약을 먹지 않아도 일주일 정도면 자연스럽게 낫는다”며 “다만 콧물이나 기침 등 증상이 지나치게 심하면 해당 증상을 가라앉힐 수 있는 약을 먹을 수 있다”고 설명했습니다.

이어 “언뜻 증상이 감기처럼 보이지만 의사가 봤을 때 부비동염이나 편도선염 등의 징후가 있는 경우 항생제를 처방한다”고 덧붙였습니다

하지만 우리나라 어린이의 항생제 복용량은 매우 높은 편입니다. 9월 5일 질병관리청이 발표한 자료를 보면 15세 미만 소아의 항생제 복용량은 2028.8 DOT(항생제 투여 일수의 총합을 재원 일수 당 1000명의 환자로 보정한 값)로 성인(1215.3 DOT)보다 1.7배나 많았습니다.

가천대 의대 감염내과 엄중식 교수는 “무슨 병이든 항생제를 먹으면 빨리 낫는다는 잘못된 인식이 개선돼야 한다”고 강조했습니다.

전국 의료기관의 항생제 사용량. 게티이미지뱅크, 질병관리청 제공

● 항생제 복용 기간 지키지 않으면?

항생제는 대부분 다양한 세균을 한꺼번에 무찌를 수 있지만 세균도 당하고만 있지는 않습니다. 항생제에 맞설 힘을 기르지요. 이 같은 현상을 세균에 ‘항생제 내성’이 생겼다고 합니다.

항생제를 먹어도 세균이 죽지 않을 수 있다는 뜻이에요. 세균에게 항생제 내성이 생기는 이유는 다양합니다.

항생제 내성이 생기는 과정. 어린이과학동아 제공

모든 항생제는 적절한 복용 기간이 정해져 있어요. 그 기간을 지켜 항생제를 챙겨 먹어야 세균을 적절히 처치할 수 있기 때문입니다. 항생제를 먹다가 증상이 좋아진 것 같아 일찍 복용을 중단하면 어떻게 될까요.

우리 몸속에서 항생제 때문에 죽어가던 세균들이 살아남습니다. 그리고 그 세균들에게는 더 이상 해당 항생제를 먹어도 약이 통하지 않습니다. 만약 나중에 같은 세균에 감염되면 다른 항생제를 먹어야만 병이 나을 수 있게됩니다.

이렇게 내성이 생긴 항생제를 피해 다른 항생제를 먹다 보면 자칫 여러 항생제에 내성이 있는 세균이 생길 수 있습니다. 이런 세균을 슈퍼박테리아라고 합니다. 슈퍼박테리아를 치료할 수 있는 항생제는 거의 없습니다. 여러 항생제를 써도 세균이 죽지 않아 치료가 무척 어려워져요. 내성이 생기지 않도록 항생제를 잘 복용해야 하는 이유입니다.

폐의학품 수거함. 어린이과학동아 제공

● 남은 약은 수거함으로.

모든 약은 반드시 의사나 약사의 안내에 따라 먹어야 합니다. 병원에서 진료받은 뒤 약국에서 약을 받으면 약봉지에 약의 복용 횟수와 함께 주의 사항이 적혀 있어요. 속이 불편하거나 설사를 할 수 있는 약, 졸릴 수 있는 약 등을 알고 먹으면 증상이 나타났을 때 당황하지 않고 대처할 수 있습니다.

특히 대한약사회 서기순 부본부장은 “일부 항생제를 먹었을 때 설사 증상이 나타날 수 있다”고 말했습니다. 항생제의 강력한 살균 작용이 우리 장 속의 유익한 유산균에도 영향을 미치기 때문이에요. 서기순 부본부장은 “일단 항생제를 끝까지 다 먹는 게 중요하다”며 “설사 증상이 너무 심하면 유산균을 함께 먹는 것도 방법”이라고 전했습니다.

한편 의사나 약사가 “증상이 나아지면 굳이 먹지 않아도 된다”고 하는 약이 있습니다. 남은 약은 유통기한이 지나면 버려야 합니다. 이때 약을 아무 데나 버리면 안 됩니다. 약에는 다양한 화학 성분이 섞여 있기 때문에 변기나 하수구에 약을 그대로 버리면 화학 성분이 그대로 강물로 흘러 들어가게 됩니다.

서울 중랑천의 성분 변화를 연구하는 서울시립대 환경공학부 김현욱 교수팀은 “하천에서 소염진통제 성분인 이부프로펜이 꾸준히 검출된다”며 “특히 코로나19로 해열제나 진통제를 많이 먹으면서 검출량이 더 늘었다”고 강조했습니다. 강물에 녹아 있는 약 성분은 생태계를 교란하고 제대로 걸러지지 않은 채 다시 사람이 사용하는 물로 돌아올 수 있습니다.

약은 안전하게 소각돼야 해서 일반쓰레기 봉투에 넣어 버려도 안됩니다. 그래서 각 지방자치단체에서는 주민센터, 보건소 등에 폐의약품 수거함을 마련하고 있습니다. 공공데이터포털이나 각 지역의 보건소 홈페이지에서 수거함 위치를 확인할 수 있습니다.

아폴로 17호 우주비행사인 해리슨 슈미트가 달 타우루스-리트로우 계곡에 착륙한 뒤 달 겉흙과 월석을 채집하고 있다. 미국항공우주국(NASA)은 여섯 번의 아폴로 임무에서 월석과 겉흙 382kg을 가져왔다. NASA 제공

달의 나이가 기존에 학계에서 알려진 것보다 최소 4000만살 많은 44억6000만살 이상이란 분석이 나왔다.

필립 헥 미국 시카고대 교수와 제니카 그리어 영국 글래스고대 교수가 이끄는 공동연구팀은 1972년 미국항공우주국(NASA)의 달 유인 탐사선 아폴로호에서 얻은 달 토양 샘플을 분석한 결과 이같은 사실을 확인했다고 국제학술지 ‘지질학 관점 레터스’에 23일(현지시간) 발표했다.

앞서 학계에선 달이 탄생한 시기를 44억2000만년 전으로 추정했다. 태양계가 아직 젊은 단계일 무렵 화성 크기의 거대한 물체가 지구와 충돌해 떨어져 나온 파편들이 뭉쳐져 달이 만들어진 것으로 봤다. 다만 이러한 사건이 정확히 언제 발생했는지에 대해선 확인되지 않았다.

연구팀은 달이 형성된 정확한 시기를 확인하기 위해 아폴로 17호가 마지막 달 탐사 임무에서 가져온 샘플을 분석했다. 달 먼지 등으로 구성된 샘플에는 달이 탄생했을 무렵 형성됐을 것으로 추정되는 작은 지르콘 결정 등이 담겨 있었다. 지르콘 결정은 지구와 거대한 물체가 충돌했을 때 녹아버린 암석 마그마를 버틸 수 없기 때문에 달의 탄생 시기를 가늠하는 지표가 될 수 있다.

연구팀은 달 샘플이 생성된 시기를 파악하기 위해 원자탐침단층분석법을 사용했다. 이온 빔 현미경을 사용해 나노 단위로 날카롭게 깎은 샘플 조각의 끝을 자외선 레이저를 조사해 증발시켰다. 증발한 원자들을 질량분석기로 분석해 구성된 원자들을 파악하고 이 원자들이 얼마나 많은 방사성 붕괴를 겪었는지 확인했다. 각 원자가 붕괴하는 데 걸리는 시간을 바탕으로 샘플에 존재하는 원소의 동위원소를 분석하면 샘플이 얼마나 오래된 것인지 추정할 수 있다.

분석 결과 연구팀은 달 샘플에 포함된 지르콘 결정의 나이가 약 44억6000만년 전에 형성된 것으로 파악했다. 달 표면에 마그마가 굳은 뒤에 형성되는 지르콘 결정이 44억6000만년 전 만들어졌기 때문에 달의 나이는 이보다 많아야 한다는 것이다.

연구를 이끈 헥 교수는 “지구의 자전축을 안정시키고 하루가 24시간이 되게 하며 조수 현상을 일으키는 달은 지구와 밀접한 연관이 있기 때문에 형성 시기를 아는 것이 중요하다”고 말했다.
연구팀은 이번에 분석한 달 샘플이 달 전체 표면을 대표하지 못할 수 있다고 덧붙였다. 다른 지역에서 분석한 샘플을 분석하면 더 오래 전에 형성된 지르콘 결정을 발견할 수도 있다는 것이다.

IG NOBEL PRIZE

❋편집자주. 이그노벨상. 괴짜들의 노벨상이라 불리며 “다시 할 수도 없고 다시 해서도 안되는 업적”에 수여되는 상으로불립니다.매년듣기만해도웃음이터져나오는연구약10개에수여되고있죠. 하지만웃음 너머로 과학의 본성에 관해 다시 한 번 생각해보게 하는 연구들을 조명하는 상이기도 합니다. 매년 단신으로 지나갔던 이그노벨상 연구를 모아 더욱 자세히 들여다봅니다.

가을은 (이그)노벨상의 계절이다.

미국 하버드대에서 발간하는 과학잡지 ‘있을 것 같지 않은 연구 회보’는 현지시간 9월 14일 2023년 이그노벨상 수상자를 발표했다. 그리고 10월 2일부터는 노벨위원회가 생리의학상을 시작으로 일주일에 걸쳐 2023년 노벨상 수상자를 발표했다. 그런데 전혀 달라 보이는 두 상을 둘 다 받은 과학자가 있었다.

● 개구리 공중 부양을 연구라고

1996년의 어느 금요일 밤 안드레 가임 네덜란드 네이메헌대 물리학과 교수는 이상한 실험을 시작했다. 자신이 몸담고 있던 연구실의 가장 중요한 실험 장비인 20 테슬라(자기력선속의 밀도를 나타내는 국제단위. 기호는 T다) 성능의 강력한 전자석 내부에 물을 부은 것이다.

“장비에 물을 붓는 것은 확실히 표준적인 과학 연구 방법은 아닙니다. 그리고 내가 왜 그런 ‘전문가답지 않은’ 짓을 했는지도 기억이 안 나요.” 14년 후 그는 한 연설에서 당시의 일을 이렇게 회상했다.

놀랍게도 물은 바닥에 떨어지지 않고 전자석의 중심에 뚫린 구멍 내부에 떴다. 가임 교수는 이 현상이 물 분자가 가진 반자성 때문이라고 생각했다. 반자성은 물체가 외부 자기장과 반대 방향으로 자성을 띠는 성질이다. 물은 미약한 반자성을 띤다. 그런데 전자석의 강한 자기장 속에서 물의 반자성이 나타났고 이 힘이 중력을 이겨내면서 공중에 떠오른 것이다.

이 결과에 가임 교수는 물론 주변 자기장 연구자들도 충격을 받았다. 심지어 이 결과가 거짓말이라고 주장한 사람도 있었는데 아무래도 전자석 중간에 물을 부어 본 사람이 가임 교수가 처음이었기 때문이다.

가임 교수는 물을 많이 포함한 물체라면 공중 부양에 성공할 수 있으리라 생각하고 딸기, 토마토 등을 띄웠다. 그중에서도 가장 유명한 실험 재료는 개구리였다. 공중 부양 개구리의 사진은 물리학 잡지는 물론 여러 언론의 지면을 장식했고 가임 교수는 2000년 이그노벨 물리학상을 받았다.

2000년 이그노벨 물리학상. MHFM, Michael Berry 제공

공중 부양 개구리. Lijnis Nelemans/High Field Magnet Laboratory/Radboud University Nijmegen 제공

● 딴짓이 허용되는 금요일 밤 모임

사실 이 같은 개구리 공중 부양 실험은 가임 교수와 동료들이 ‘금요일 밤 실험(Friday Night Experiments)’이라 부르던 실험 시리즈의 일환이었다. 금요일 밤 실험은 연구팀의 주 프로젝트와는 관련 없는 사이드 프로젝트를 해보는 시간이었다.

전혀 실현되지 않을 수도 있지만 실현된다면 큰 변화를 일으킬 만한 ‘하이 리스크 하이 리턴’ 실험들이 이 시간에 이뤄졌다. 가임 교수는 연구실 총 업무 시간의 10%를 여기에 할애했다.

약 15년 동안 가임 교수팀은 20여 차례의 금요일 밤 실험을 진행했고 대부분 실패했다. 연구원들의 경력을 위태롭게 할 수는 없었기 때문에 오래 지속된 프로젝트는 별로 없었다. 눈에 띄게 성공한 건 딱 세 가지였다(이에 대해 가임은 “10%가 넘는 놀라운 성공률”이라고 밝혔다).

첫 번째가 개구리 공중 부양 실험이었다. 두 번째는 어디에나 잘 붙어서 기어오르는 도마뱀붙이의 발을 흉내 내 만든 ‘게코(도마뱀붙이) 테이프’였지만, 상업화에는 실패했다.

그리고 마지막으로 성공한 실험 발상만으로 따지면 개구리 공중 부양보다도 더 엉뚱한 실험이 가임 교수에게 2010년 노벨 물리학상을 안겨줬다.

Bengt Oberger. 위키미디어 제공

● 스카치테이프로 노벨상을 타다

2001년 안드레 가임은 네덜란드를 떠나 영국 맨체스터대 교수로 부임했다. 이곳에서 새 연구실을 꾸리면서 그는 신입 박사과정 학생이 진행할 사이드 프로젝트로 ‘가능한 얇은 흑연 필름 만들기’를 제시했다.

흑연은 탄소의 여러 동소체 중 하나로 우리에게는 연필심으로 친숙한 물질이다. 그러나 동시에 흑연은 당시까지도 전기적 특성이 거의 알려지지 않은 신비한 물질이기도 했다. 흑연은 탄소 원자가 육각형 모양으로 연결된 평면이 층층이 쌓인 구조였다. 가임 교수는 흑연에서 탄소 원자 평면 한 층을 벗겨낸 물질 ‘그래핀’을 만들 수 있다면 새로운 특성을 연구할 수 있으리라 추측했다.

사실 그래핀을 만들기 위한 시도는 1970년대부터 있었지만 실제로 만들기는 쉽지 않았다. 가임 연구팀은 처음에 흑연을 연마제로 갈아내 10μm(마이크로미터μm는 100만 분의 1m) 두께까지 줄여봤지만 너무 두꺼웠다. 그래핀을 구현하기엔 택도 없는 두께였다.

반전은 쓰레기통에서 일어났다. 가임 교수팀의 콘스탄틴 노보셀로프 연구원은 주사터널링현미경(STM)으로 흑연을 촬영하는 사람들을 보다가 아이디어를 얻었다. 이들은 시료를 정리하기 위해 흑연 시료 표면을 스카치테이프로 붙였다 떼는 과정을 거쳤는데 이렇게 버려진 스카치테이프 표면에 흑연이 얇게 남아있을지도 모른다는 생각을 해낸 것이다.

테이프 표면에는 과연 수 nm(나노미터는 10억 분의 1m) 수준의 흑연 층이 남아있었다. 이렇게 간단할 수가. 전 세계 연구팀이 만들기 위해 노력했던 그래핀을 만드는 비법은 겨우 스카치테이프였다.

이후 가임 연구팀은 1년 넘게 흑연 표면에 스카치테이프를 10~20번 정도 뗐다 붙였다 하며 그래핀을 만들었고 단일 층 그래핀의 물리적 특성을 밝혀냈다. 그들의 논문은 2004년 국제학술지 ‘사이언스’에 실리자마자 재료물리학계에서 가장 중요한 논문으로 떠올랐다.

이 논문은 그래핀이라는 재료의 신기원을 열었다. 그래핀은 독특했다. 금속이 아니면서 전기가 통하고, 강철보다 수백 배 단단하다. 반도체, 연료전지 등 다양한 분야에서 실용적으로 쓰일 수 있는 성질이었다.

학계의 예측대로 가임 교수와 노보셀로프 연구원은 2010년 그래핀 연구의 신기원을 연 공로로 노벨 물리학상을 공동 수상했다. 동시에, 가임 교수는 최초로 이그노벨상과 노벨상을 동시에 수상한 연구자라는 영예를 안았다.

2010년 노벨 물리학상. Gabriel Hildebrand(W), Alexander Alus(W) 제공

● 과학이 항상 진지해야 할까

어떤 연구가 중요하고 사회에 기여할 수 있을까? 이 질문은 한정된 연구비를 어떤 연구에 지원할지 선택해야 하는 과학정책가가 항상 맞닥뜨리는 고민이다. 이런 질문을 받는다면 대부분의 사람들은 엉뚱한 연구보다는 사뭇 진지해 보이는 연구를 지원하는 데에 더 마음이 쏠릴 것이다.

가이아 이론을 만든 영국 과학자 제임스 러브록은 ‘과학 예산 전체에서 단 1%를 비정통적인 계획에 투입하자’고 주장했다고 알려졌다. 가임 교수가 진행한 ‘금요일 밤 실험’은 장기적으로 볼 때 허무맹랑한 대안적 연구를 지원하는 것이 옳을 수 있다는 완벽한 사례처럼 보인다. 그는 완전히 반대처럼 보이는 이그노벨상과 노벨상 사이의 깊은 간극을 메웠다.

2010년, 안드레 가임 교수는 노벨상 수상 연설에서 이그노벨상 수상에 관해 “우리의 유머 감각과 자기비하적 태도에 자부심을 느낀다”고 말했다. 과학의 가장 숭고한 자리에서도 농담을 잃지 않았던 것이다. 어쩌면 엉뚱함과 재미는 진지함과 절박함 만큼이나 과학에 필요한 가치일지 모른다.

2023년 노벨물리학상 수상자 피에르 아고스티니, 페렌츠 크라우스, 앤 릴리에 교수 (왼쪽부터)

2023년 노벨 물리학상은 아토초(100경분의 1초) 단위의 빛을 생성하고 측정하는 데 핵심적인 역할을 했던 3인의 과학자 피에르 아고스티니 미국 오하이오주립대 교수, 앤 륄리에 스웨덴 룬드대 교수, 그리고 페렌츠 크라우스 독일 뮌헨공대 양자물리학과 교수에게 주어졌다.

아토초 과학 연구자들은 이 분야에서 언젠가 노벨상이 나오리라 생각하고 있었다. 더구나 2022년 작은 노벨상이라 불리는 울프상이 앤 륄리에, 페렌츠 크라우스, 폴 코컴(아토초 과학 이론 연구자) 등 세 명에게 수여됐기 때문에 올해 수상을 어느 정도는 예상하고 있었다.

이번 노벨상 수상자들은 아토초 과학 실험을 꽃피웠다. 초강력 레이저를 이용해 고차조화파(한 레이저를 기체 원자에 집속해 발생된 연엑스선(soft X-ray) 영역에서 레이저의 특성을 닮은 매우 짧은 펄스폭을 갖는 우수한 연엑스선 광원)를 발생시키고 이를 이용해 아토초 펄스를 생성 및 측정할 수 있는 방법을 개발했다.

그들이 만들어낸 아토초 펄스 덕분에 원자, 분자, 고체 또는 플라즈마 내의 초고속 전자 동역학을 연구할 수 있는 아토초 과학이라는 새로운 학문 분야가 시작됐다. 또한 그동안 측정할 수 없다고 여겨졌던 광전자 이온화 현상에 수십 아토초의 지연 현상이 있음을 측정하는 과학적 성과를 거뒀다.

● 아토초 과학의 시작, 강력장 물리학 연구

아인슈타인에게 노벨상을 안겨준 광전효과 실험은 높은 주파수의 빛을 쪼이면 물질 내 원자가 이온화 되면서 광전자(photoelectron)가 발생하는 현상을 설명하는 실험이다. 레이저가 개발되기 전인 1905년 당시에는 광자를 이온화하는 데 필요한 강력한 빛이 없었기에 빛의 세기를 높여도 이온화 현상이 일어나지 않았다.

그러다 1970년대 들어 강력한 레이저 펄스를 생성할 수 있게 됐고 당시 프랑스 원자력 및 대체에너지 위원회(CEA) 연구소에서 일하던 아고스티니 교수는 초강력 레이저를 사용해 광전자 현상을 연구했다.

강력한 빛을 이용하자 광자가 이온화되기 위해 필요한 주파수의 문턱값을 넘어 이온화되는 현상이 관측됐다. 1979년 발견된 이러한 ‘문턱 넘는 이온화(ATI･Above-threshold ionization)’ 현상은 강력장 물리학 연구의 기폭제가 됐다.

이런 분위기에서 아토초 펄스를 만들 수 있는 기반 연구는 자연스럽게 이어졌다. 아고스티니 박사와 같은 CEA 연구실에 있던 륄리에 교수와 그의 동료들은 1988년 1064 나노미터의 적외선 레이저를 이용해 고차조화파를 발생시키는 데 성공했다. (doi : 10.1088/0953-4075/21/3/001)

고차조화파는 레이저와 같이 결맞음 특성을 가지며 극자외선 또는 엑스선 영역에 해당하는 넓은 주파수 영역을 갖는 빛이다. 이 말은 곧 고차조화파를 이용하면 수십 또는 수백 아토초의 펄스폭을 갖는 아토초 펄스를 생성 할 수 있다는 뜻이다. 그러나 아토초 펄스를 생성하더라도 이것을 어떻게 측정할 것인가 하는 문제는 여전히 숙제로 남아 있었다.

● 인류 최초의 아토초 펄스 측정

아토초 펄스를 연구에 이용하기 위해서는 아토초 펄스의 시간폭이 얼마나 되는지 또는 몇 개의 펄스로 구성돼 있는지 등의 모양을 알아야 했다. 조화파의 각각의 차수에 대한 세기와 위상을 모두 알아야 가능한 일이다.

아고스티니 교수팀은 조화파의 위상 관계를 측정하기 위해 알츠레드 마켓 등의 연구자가 이론적으로 제안했던 ‘이광자 흡수에 의한 양자 간섭 방법’에 주목했다. 고차조화파를 이용해 광전자를 만들면 각각의 조화파에 해당하는 광전자가 생성된다.

이 때 적절한 세기의 레이저 펄스를 동시에 쪼이면 각각의 조화파 외에 새로운 주파수 성분을 가지는 광전자들이 만들어진다. 새롭게 생성된 광전자들은 주변 고차조화파의 위상 정보를 가지고 양자 간섭 현상을 일으키게 된다.

아고스티니 교수팀은 이 양자 간섭 효과를 관측해, 각각의 조화파들의 위상 관계를 측정했다. 그리고 이 방법을 ‘이광자 양자 간섭 아토초 복원 방법(RABBIT･Reconstruction of attosecond beating by interference of two-photon transitions)’이라 이름 붙였다.

아고스티니 교수팀은 고차조화파의 세기와 위상을 모두 측정했으며 250 아토초의 펄스폭을 가지는 아토초 펄스열을 얻어 2001년 ‘사이언스’에 발표했다. (doi : 10.1126/science.1059413)

인류 역사상 최초로 아토초 펄스를 측정한 순간이었다.

● 단일 아토초 펄스를 만들다

다음 단계는 하나의 아토초 펄스를 생성하는 것이었다. 단일 아토초 펄스를 이용하면 초고속 현상, 예를 들면 원자나 분자 내부에서 일어나는 전이현상 등을 연구할 수 있다. 단일 아토초 펄스를 생성하기 위해서는 고도의 극초단 펨토초(1000조분의 1초) 기술이 필요했다.

높은 에너지를 가지면서도 펄스폭이 수 펨토초에 불과한 펄스 압축 기술은 마우로 니솔리 교수와 페렌츠 크라우스 교수(당시에는 오스트리아 빈 공대 소속)팀의 공동연구로 개발됐다.

펨토초 레이저의 펄스폭이 줄어들자 레이저의 절대위상 안정화가 중요한 이슈가 됐다. 절대위상 안정화는 사인과 코사인 형태가 반복되는 파장에서 아주 작은 부분만 확인할 때 이 모양을 하나로 고정시키는 과정을 뜻한다. 이는 단일 아토초 펄스 생성을 위해서 꼭 필요한 기술이었다.

당시에 이러한 실험을 성공시키기 위해 많은 연구팀이 도전했으나, 크라우스 연구팀이 펄스 압축 기술과 절대위상 안정화 기술을 모두 접목시켜 최초로 단일 아토초 펄스를 만드는 데 성공했다. 이 결과는 아토초 펄스열 생성 발표와 같은 해인 2001년 ‘네이처’에 발표됐다. (doi : 10.1038/35107000)

● 광전자 이온화의 지연 현상 측정

아토초 펄스를 생성하고 또 측정하는 데 성공하자 과학계는 흥분했다. 비록 아토초 펄스의 파장이 극자외선 또는 엑스선 영역으로 제한돼 있고 세기가 약하다는 문제가 있기는 했지만 아토초의 시간 분해능으로 그 동안 보지 못했던 물리현상을 관측할 수 있게 됐기 때문이다. 특히 광전자 이온화 현상과 같은 초고속 현상을 연구할 수 있게 됐다.

크라우스 연구팀은 단일 아토초 펄스를 이용해 네온에서 일어나는 광전자 현상을 연구했다. 네온에서는 2s와 2p의 해당하는 양자상태로부터 광전자가 생성되는데 이 두 양자상태로부터 생성되는 광전자들의 지연 시간에 약 25 아토초 정도의 미세한 차이가 있음을 확인했다. 이러한 지연 현상은 이론적인 연구에서 제시한 값 보다 두 배 정도 큰 것이어서 해석에 어려움이 있었다.

이 문제의 정답은 륄리에 교수가 해결했다. 륄리에 교수의 실험에서는 원자 내부의 전이현상에 대해 관측할 수 있었기 때문에, 광전자 현상에서 나타나는 지연 현상에 대해 더욱 자세한 해석이 가능했다. 그 결과 크라우스 연구원팀의 측정값이 원자 내부의 전이현상에 영향을 받아 실제보다는 두 배 큰 지연 현상이 관측된 것이라는 설명을 가능하게 했다.

● 기초과학에 당장의 쓸모는 접어두길

아토초 과학은 현재 많은 연구 분야로 확장되고 있다. 원자에서의 초고속 현상 연구뿐만 아니라 고체 또는 액체의 초고속 이온화 및 전이현상에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한 의료 분야에도 쓰일 것으로 기대된다.

아토초 펄스를 활용하면 X선에 의해 DNA가 손상되는 아주 짧은 순간까지 관찰할 수 있다. 그 밖에 반도체와 같은 전자공학 분야에서도 아토초 펄스를 활용할 수 있을 것으로 보인다.

매년 반복되는 일이지만 노벨상이 발표될 때면 대한민국의 현실을 되돌아 보게 된다. 아고스티니 교수가 ‘문턱 넘는 이온화’ 실험을 수행하고 륄리에 교수가 ‘고차조화파’를 발견했을 당시에는 이것들이 노벨상을 받게 되리라고는 꿈도 꾸지 못했을 것이다.

그저 과학자들은 눈앞의 궁금증을 해소하기 위해 묵묵히 연구해왔을 뿐이다. 기초과학의 발전에 당장의 쓸모라는 잣대를 들이대는 대한민국의 현실과는 많이 다르다.

오늘날의 과학자들은 아토초 그 다음을 논의하고 있다. 이제는 젭토초(10-21 초)를 이용해서 원자 내부의 초고속 동역학을 연구할 계획을 세우고 있다. 기초과학연구원(IBS)의 초강력 레이저과학 연구단에서는 페타와트(1000조W)급 레이저를 이용해 상대론적인 영역에서 아토초, 젭토초 펄스를 생성하고자 한다.

포항 4세대 방사광가속기(PAL-XFEL)를 이용한 아토초 연구 또한 유망해 보인다. 필자는 한국의 아토초 과학도 높은 수준에 올라와 있다고 믿는다. 인류의 한계에 도전하는 초고속 현상 연구에서 대한민국의 기초과학이 빛을 발할 수 있기를 바라며 글을 마친다.

※필자 소개
김경택 GIST 물리광과학과 교수 KAIST 물리학과에서 ‘아토초 펄스의 생성과 측정’에 대한 연구를 수행해 석사 및 박사학위를 받았다. 그후 GIST 고등광기술 연구소 선임연구원, 캐나다 국립연구회(NRC) 및 오타와대 연구위원을 거쳐 현재는 기초과학연구원(IBS) 초강력 레이저과학 연구단과 GIST 물리광과학과의 아토초 과학 연구실에서 연구를 수행하고 있다.

모운지 바웬디, 루이스 브루스, 알렉세이 아키모프(왼쪽부터). 노벨재단 제공

마블 스튜디오의 히어로 중에는 ‘앤트맨’이란 캐릭터가 있다. 앤트맨은 몸을 자유자재로 늘리거나 줄일 수 있는 ‘핌 입자’로 물체의 크기를 바꿔가며 악당을 물리친다. 2023년 개봉한 영화 ‘앤트맨과 와스프: 퀀텀매니아’에서는 앤트맨 가족이 미지의 양자 영역 세계에 빠져버리고 무한한 우주를 다스리는 정복자를 만나는 모험 이야기를 들려준다.

그런데 만약 영화의 내용처럼 물질의 크기를 줄이면 바뀌는 건 단지 물리적인 크기 뿐일까. 예를 들어 순금을 계속 반으로 쪼개어 수 nm(나노미터·1nm는 10억 분의 1m) 크기로 만드는 경우를 떠올려보자. 순금 덩어리는 여전히 금빛을 띠고 녹는점 등 금의 고유한 물리적인 특성을 유지할까

2023년 노벨 화학상은 ‘물질의 크기를 수 나노미터 수준으로 줄일 때, 그 물질의 특성은 우리 눈에 보이는 큰 물질과 어떻게 다를까?’란 질문에 천착한 세 명의 과학자에게 돌아갔다.

스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 10월 4일 모운지 바웬디 미국 MIT 교수, 루이스 브루스 미국 컬럼비아대 명예교수, 알렉세이 아키모프 전 나노크리스탈테크놀로지(NCT) 선임연구원에게 “양자점의 발견과 합성에 대한 공로”로 2023년 노벨 화학상을 수여한다고 발표했다.

수상자들은 여러 다양한 물질 중에서도 반도체에 집중했다. 반도체를 나노입자로 만들면 입자 크기에 따라 색이 달라진다는 양자효과를 예측하고 이를 실험적으로 증명한 것이 수상자들의 업적이다. 이렇게 입자 크기에 따라 색깔이 다양하게 나타나는 작은 반도체 결정을 ‘양자점(QD·Quantum Dot)’이라고 부른다.

● 입자 크기가 바뀌었을 뿐인데 색이 변하는 양자의 세계

‘양자’점이라고 하니 복잡한 양자역학이 떠오르고 앤트맨과 그의 가족들처럼 미지의 세계에 빠지는 느낌이 들 수 있다. 2023년 노벨 화학상 수상자들의 업적을 따라가며 양자점의 의미를 이해해보자.

양자점을 세상에 처음으로 소개한 건 아키모프 전 선임연구원이었다. 그는 1981년 러시아 바빌로프 국립광학연구소에서 비정질(원자나 분자가 불규칙하게 배열된 고체) 유리 안에서 구리와 염소를 반응시켜 수 나노미터 크기의 염화구리 입자를 합성했다.

그리고 염화구리 나노입자가 첨가된 비정질 유리가 그 입자의 크기에 따라 다른 색을 나타낸다는 사실을 발견했다. 양자점을 최초로 관찰한 것이다. 아키모프 전 선임연구원의 발견은 1981년 러시아의 학술지 ‘JETP 레터스’에 보고됐다. (Ekimov, Alexey I. “Quantum size effect in three-dimensional microscopic semiconductor crystals.” Jetp Lett. 34 (1981): 345-349)

그 다음 해인 1982년에는 또다른 종류의 화학물질로 양자점을 합성했다는 소식이 전해졌다. 브루스 명예교수는 당시 근무하던 미국 벨 연구소에서 수용액 상에서 카드뮴 이온(Cd2+)과 황화 이온(S2-)을 반응시키는 실험을 진행했다.

그 결과 수용액 속에서 반지름이 20nm이고 초록색 형광을 보이는 황화 카드뮴(CdS) 화합물 반도체 나노입자를 합성하는 데 성공했다.

이 연구를 통해 브루스 명예교수는 나노입자 합성법으로 널리 이용되는 용액 공정법을 최초로 도입하고 콜로이드 상태로 수용액에 분산돼 있는 양자점을 구현해 나노과학 분야에 중요한 이정표를 세웠다.( Rossetti, R., and L. Brus. “Electron-hole recombination emission as a probe of surface chemistry in aqueous cadmium sulfide colloids.” The Journal of Physical Chemistry 86.23 (1982): 4470-4472)

브루스 교수에게는 양자점이 크기에 따라 다양한 색을 나타내는 이유를 이론적으로 설명한 공로도 있다. 간단히 설명하자면 반도체는 전압이나 열, 빛을 가하면 전기 전도도가 변하거나 빛을 발하는 성질이 있다.

이 성질은 반도체 원자에 에너지가 가해지면 전자 하나가 그 에너지를 받고 원자에 묶여 있는 상태인 ‘가전자대’에서 원자를 벗어난 상태인 ‘전도대’로 이동하기 때문에 나타난다. 다시 말해 원자에 묶여 있던 전자가 외부에서 준 에너지를 받고 원자를 벗어날 수 있게 되는 것이다.

이때 가전자대에는 전자가 원래 있던 자리에 남은 구멍 ‘정공’이 생긴다. 그런데 반도체의 크기를 수 나노미터 수준으로 줄이면 전자와 정공이 움직일 공간이 제한되고, 이 둘이 전기적인 인력에 의해 좁은 공간에 묶이게 된다. 이를 양자구속효과라 부른다.

반도체 나노입자의 크기가 작아질수록 전자와 정공이 움직일 공간은 더 줄어드니 양자구속효과가 더 강해진다. 양자구속효과가 강해질수록 전자가 원자를 벗어나는 데 필요한 에너지, 가전자대에서 전도대로 이동하기 위해 필요한 에너지가 점점 커진다.

이에 따라 에너지를 흡수한 반도체 나노입자는 점점 더 큰 에너지에 해당하는 빛을 발광하게 된다. 가시광선 영역에서 빛은 에너지가 클수록 보라색, 작을수록 붉은 색을 띤다. 양자점은 바로 이 점을 이용해 크기를 조절해가며 다양한 색을 내는 소재다. 따라서 크기가 균일한 양자점을 합성할 수 있다면, 그 색을 조절할 수 있게 된다.

● 펄펄 끓는 비누에 양자점 재료를 흩뿌리는 돌파구

크기가 균일한 양자점을 합성하는 건 양자점이 상용화되기 위한 핵심 과제였다. 이 과제를 해결한 사람이 바웬디 교수다.

벨 연구소 재직 시절 브루스 교수의 박사후연구원 제자였던 바웬디 교수는 MIT 화학과에 부임한 이후로도 양자점에 대한 연구를 지속했다. 당시 양자점을 합성하기 위해 사용하던 용액 공정법은 물을 용매로 사용한다. 물속에서 양자점을 키운다는 뜻이다.

그런데 양자점을 만드는 과정에서 용액의 온도를 높여야 하는데, 물은 100℃에서 끓어 기체가 되니 올릴 수 있는 온도에 제약이 생긴다. 이 때문에 나노입자의 결정성이 떨어지고 양자점의 크기도 균일하지 않다. 발광 특성이 나쁜 양자점을 얻을 수밖에 없었던 것이다.

바웬디 교수는 어떻게 하면 결정성이 우수하고 균일한 크기를 갖는 양자점을 합성할 수 있을까 고민하다가 1993년 고온 주입법을 통한 열분해 반응을 고안해 냈다. 바웬디 교수의 고온주입법은 기존의 합성법을 획기적으로 개선한 새로운 합성법이었다. (doi: 10.1021/ja00072a025)

고온주입법이란 300℃ 이상의 높은 온도를 견딜 수 있는 계면활성제 용액을 고온으로 가열하고 여기에 주사기를 통해 매우 분해되기 쉬운 유기금속 전구체와 음이온 전구체 혼합용액을 빠르게 주입하는 방식이다.

전구체는 화학반응에 참여해 최종 물질을 만드는 재료를 말한다. 이렇게 하면 고온으로 가열된 계면활성제 용액 속에서 전구체가 급격하게 분해되면서 용액 속에 과하게 녹은 과포화 상태가 된다. 이를 통해 양자점 결정의 핵을 만든 후 온도를 낮춰서 이 핵이 원하는 크기로 성장하도록 해 크기가 균일한 양자점을 만든다.

우리가 흔히 사용하는 비누를 팔팔 끓이고 반도체 공정에서 자주 사용하는 전구체를 짧은 시간에 주입하는 것이 왜 중요할까. 열분해 돼 핵을 형성할 수 있는 전구체를 고온의 계면활성제 용액에 빠르게 주입하면 순간적으로 핵이 형성된다.

핵을 형성하느라 소진된 전구체는 더 이상 새로운 핵을 형성하지 못한다. 대신 핵이 원하는 크기의 양자점으로 자라는 재료로만 사용된다. 이 과정에서 계면활성제는 양자점 표면에 붙었다 떨어지는 반응을 반복하며, 양자점의 크기를 제어한다.

고온 주입법은 2001년 현택환 서울대 교수가 개발한 가열승온법과 함께 가장 대표적인 양자점 합성법으로 자리잡고 있다. 바웬디 교수의 연구를 통해 결정성이 우수하고 균일한 크기를 갖는 나노입자를 합성할 수 있게 되면서 양자점은 상용화에 날개를 달았다.

● 코로나19 진단부터 QLED TV까지 양자점의 활약에는 한계가 없다

바웬디 교수의 연구 이후로도 양자점 연구는 여러 과학자에 의해 활발히 이어지고 있다. 1994년 미국 신재생에너지 연구소의 아서 노직 박사가 중금속이 포함되지 않은 양자점을 합성하는 등 다양한 양자점의 발견이 이어졌다.

기요 시오네스트 미국 시카고대 교수가 1996년 개발한 코어/쉘 구조를 갖는 양자점은 양자점 발광 효율을 획기적으로 올리는 계기를 마련했다. 한편 바웬디 교수의 도전도 이어졌다. 그는 1992년 양자점을 레이저로 응용할 가능성을 보여준 특허를 등록하기도 했다.

1994년 폴 알리비사토스 미국 버클리 캘리포니아대 교수는 양자점을 LED로 활용할 가능성을 보고했다. 이어 알리비사토스 교수는 생체 내의 변화를 알아내는 지표인 바이오 마커에 양자점을 연결해 몸 속에서 벌어지는 일을 시각화할 새로운 도구로써 양자점의 응용법을 1998년 보고했다.

양자점은 생물학적인 응용 연구도 활발히 진행됐다. 양자점이란 새로운 발광체로 디스플레이, 조명 등 광전소자를 만들거나 바이오 이미징에 활용할 길을 연 것이다.

한국의 과학자들도 양자점 연구에 많은 공헌을 했다. 대표적인 연구로 현택환 교수가 2004년 발표한 양자점 대량생산법 개발 연구와 삼성 종합기술원의 장은주 박사가 2019년 발표한 양자점 기반 고효율 LED 연구를 들 수 있다.

2000년대에 들어서면서 양자점은 새로운 발광 소재로서 기업에서도 큰 관심을 받게 됐다. 안정적이고 색순도가 높으며 총천연색을 나타내는 넓은 색 영역, 그리고 큰 연색지수(특정 광원에서 본 사물의 색이 태양광 아래서 볼 때와 얼마나 비슷한가를 수치화한 값)를 보이는 양자점은 유기물 형광체 기반의 OLED와 경쟁 내지는 상호보완적인 신소재로 여겨지고 있다.

양자점을 활용한 디스플레이는 삼성전자를 통해 상용화 됐다. 이는 나노기술을 성공적으로 상업화한 좋은 예이다.

최근엔 양자점을 통해 차세대 디스플레이 소자의 특징을 만족시키기 위해 대면적 유연소자 기술, 높은 해상도의 패터닝 기술, 높은 색순도의 구현 등 다양한 연구 테마들이 떠오르고 있다.

관련 시장은 2023년 1200억 달러(약 162조 원)가 넘어서는 규모로 성장하고 있다. 또한 양자점을 이용해 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19) 진단키트를 개발하고 양자점이 특정 암 조직에 붙어 발광하도록 하는 바이오 이미징 기술을 개발하는 등 차세대 디지털 바이오 헬스케어 기술 경쟁도 치열하다.

산학연의 선순환적인 연구 환경을 통해 양자점 기술이 다양한 응용기술로 계속 발전할 것으로 예상된다.

● 끊임없는 질문과 과학에 대한 헌신이 노벨상을 만들다

필자는 바웬디 교수 연구실에 2006년부터 2010년까지 박사후연구원으로 재직했다. 당시 필자는 양자점의 대량생산을 위한 연속공정 시스템을 개발하고 미국 하버드대 의대와 함께 양자점을 이용한 암 표적화 연구를 진행했다.

바웬디 교수는 대부분의 학생 및 박사후연구원을 일주일에 세 번 정도 만나면서 대화하는 것을 즐겨하며 출장도 잦은 편이 아니었다. 학생 하나하나에 많은 시간을 투자하는 스승이었다.

바웬디 교수는 현재 삼성 종합기술원과 공동연구를 진행하고 있다. 그 덕에 한국에 종종 방문한다. 최근에는 2023년 8월 정보디스플레이학회 QD&PV 연구회에서 주최하는 해외석학 초청 특별 심포지엄에 연사로 참석했다.

학회가 끝나고 식사 자리에서 이야기를 나누며 여전히 연구에 깊은 관심을 갖고 양자점의 태동부터 양자 컴퓨팅 등 가장 최신의 응용 연구까지 양자점 외길을 걷고 있는 그의 모습에 경외감을 느꼈다.

바웬디 교수는 노벨상 소식을 들은 새벽 전화 인터뷰에서 “기대하지 않고 있었는데 상을 받게 돼 기쁘다”는 다소 담백한 수상 소감과 지도교수였던 또 다른 수상자 브루스 교수의 헌신적인 멘토링에 감사를 표했다.

첫 학생이었던 머레이 미국 펜실베이니아대 교수, 노리스 스위스 취리히 연방공대 교수에게 공을 돌렸다. 1993년 이들이 함께 미국화학회지에 발표한 논문은 1만 2000번 이상 인용된 나노화학 분야의 전설적인 논문이다. 이 논문으로 이들은 양자점 합성의 새로운 시대를 열었다고 할 수 있다.

바웬디 교수가 노벨상 수상 연락을 받은 당일에도 아침 9시에 수업을 진행하며 학생들과 함께 축하했다는 이야기를 전해 들었다. 새로운 것을 발견하고, 그에 대한 깊이 있는 이해를 위해 끊임없이 질문하며 과학에 헌신하는 태도가 결국 노벨상의 영광으로 돌아온 것이라고 생각한다.

※필자소개
박종남 UNIST 바이오메디컬공학과 교수 서울대 화학생물공학부에서 박사학위를 받은 뒤 미국 MIT의 모운지 바웬디 교수 연구실에서 박사후연구원으로 지냈다. 2010년부터 UNIST 바이오메디컬공학과에서 전임교수로 재직 중이다. 새로운 물성을 갖는 나노입자 합성 연구 및 합성된 양자점 기반 진단키트, 바이오이미징 등의 응용 연구를 진행하고 있다.

두 은하의 충돌을 다른 각도로 관측하는 원리. 사진=KyotoU/Yoshi Asada제임스 웹 우주망원경은 지금까지 관측이 어려웠던 희미한 천체를 관측해 그 진가를 증명해 보였다. 우주 초기에 형성되어 허블 우주망원경으로도 희미한 점 정도로 보였던 은하의 모습도 제임스 웹 우주망원경의 강력한 성능으로 더 자세한 모습과 특징을 연구할 수 있었다.

하지만 우주에는 제임스 웹 우주망원경으로도 관측이 어려운 희미한 은하가 다수 존재한다. 이때 큰 도움을 받을 수 있는 것이 중력 렌즈다. 중력 렌즈는 아인슈타인의 상대성 이론에서 예측된 현상으로 은하나 은하단처럼 질량이 큰 천체 주변에서는 중력에 의해 빛의 경로가 휘어지면서 마치 렌즈처럼 작용하는 현상을 의미한다. 덕분에 멀리 떨어진 은하가 본래 밝기보다 수십 배 밝아지는 경우도 있다.

천문학자들은 제임스 웹 우주망원경이 발사되기 전부터 중력렌즈를 적극 활용해 왔으나 제임스 웹 우주망원경과 중력렌즈의 힘을 합쳐 이제는 더 멀리 떨어진 어두운 천체를 관측하는 데 큰 도움을 받고 있다.

하지만 중력렌즈는 우리가 일반적으로 생각하는 렌즈처럼 깨끗하고 균일한 상을 맺는 경우가 많지 않다. 거대한 은하단의 중력에 의해 빛의 경로가 무작위로 바뀌기 때문에 종종 초점이 맞지 않거나 상이 여러 개 맺히는 경우가 흔하다. 하지만 과학자들은 이를 복원해서 본래 이미지와 스펙트럼 같은 중요한 정보를 얻는 기술을 갖고 있어 연구에는 큰 문제가 되지 않는다. 오히려 여러 개의 상이 맺히는 경우 더 재미있는 연구를 할 수 있다.

일본 교토대학과 캐나다 세인트 메리스대학 연구팀은 거대 은하단인 MACS 0417이 만드는 중력렌즈를 이용해 연구를 하다가 하나의 은하에서 나오는 두 개의 이미지가 서로 다르다는 것을 확인했다. 이 은하는 사실 하나의 은하가 아니라 ELG1와 ELG2라는 두 개의 은하가 충돌해 하나의 더 큰 은하로 성장하는 중으로 우주 초기에는 이렇게 작은 은하들이 서로 충돌해 더 큰 은하가 되는 일이 흔했다. 사실 우리은하 역시 몇 차례의 충돌을 거쳐 대형 은하로 성장했다.

그런데 연구팀이 확인한 두 이미지 A, B는 단순히 초점이 맺혀지지 않은 이미지가 아니었다. 그보다는 서로 다른 각도에서 본 은하였다. 이런 일이 가능한 이유는 은하에서 나온 빛이 은하단의 강력한 중력에 의해 경로가 바뀌면서 다른 각도에서 나온 빛도 지구에 도달할 수 있었기 때문이다. (사진 참조) 예를 들면 지구에서 관측했을 때 얼굴의 정면과 측면 이미지를 한 번에 확인할 수 있는 셈이다.

사실 우주에 있는 천체들은 모두 3차원적인 존재들이다. 따라서 이들을 한 각도에서만 보는 것은 전체 모습을 제대로 파악하기 힘든 이유 중 하나다. 그래도 은하처럼 어느 정도 형태가 알려진 경우는 어려움이 덜한데, 충돌하는 은하처럼 형태와 구조가 제각각인 경우에는 아무래도 전체 형태를 파악하기 힘들다. 과학자들은 우연한 기회에 중력렌즈의 도움으로 같은 은하를 여러 각도에서 파악해서 전체 모습을 더 잘 이해할 수 있게 됐다. 과학자들에게 중력렌즈는 자연이 준 가장 큰 렌즈이지만, 동시에 렌즈 이상의 도움을 주는 자연의 선물인 셈이다. 

태양을 탐사하는 파커 솔라 프로브(Parker Solar Probe)의 그래픽 이미지.미 항공우주국(NASA)의 태양탐사선 ‘파커 솔라 프로브’(Parker Solar Probe·이하 PSP)가 인류의 피조물 중 가장 빠른 우주선 기록과 태양에 최근접하는 기록을 동시에 세웠다.

최근 NASA 측은 지난달 27일(미 현지시간) PSP가 17번째 태양 근접비행을 수행하면서 태양 표면 기준 약 726만㎞까지 최근접했다고 밝혔다. 또한 이날 PSP는 시속 63만 5266㎞의 속도를 내 역대 최고 기록도 경신했다. 이 정도면 소총 총알의 약 200배 속도로 현재 8시간 가량 걸리는 뉴욕에서 런던을 약 31초 만에 갈 수 있다.

미 존스홉킨스 응용물리학 연구소 마이클 버클리 연구원은 “PSP가 건강한 상태로 태양에 최근접했다”면서 “모든 시스템이 정상적으로 잘 작동하고 있다”고 밝혔다.

한가지 더 놀라운 점은 PSP의 기록 경신이 이번이 끝이 아니라는 사실이다. 오는 2024년과 2025년으로 예정된 마지막 3번의 근접비행에서 PSP는 최고 시속 69만 2000㎞의 속도로 태양에 616만㎞까지 접근할 예정이기 때문이다.

파커 솔라 프로브의 17번째 근접비행을 보여주는 그래픽 이미지. 출처=NASA/Johns Hopkins APL/Steve Gribben이처럼 PSP가 엄청난 속도를 내며 태양 궤도를 선회하는 이유는 태양의 가공할 중력을 버티기 위해서다. 이를 위해서는 인류의 힘 만이 아닌 ‘우주의 도움’도 필요하다. 바로 중력도움으로 불리는 플라이바이(fly-by)인데 행성궤도를 근접통과하면서 행성의 중력을 훔쳐 가속을 얻는 방법이다. PSP가 중력도움을 얻는 대상은 금성이다. PSP는 여러차례에 걸친 금성 중력 도움을 받으면서 태양 궤도를 차츰 좁혀나갈 계획이다.

한편 지난 2018년 8월 12일 발사된 PSP는 총 24차례 태양 근접비행을 수행할 예정으로 미션 이름도 ‘태양을 터치하라!‘(Touch the Sun)이다. 특히 PSP는 태양에 매우 가까이 다가가기 때문에 강력한 열에너지에서 탐사선을 보호할 수 있는 두꺼운 쉴드를 가지고 있다. 다만 오랜시간 복사열을 견디지 못하기 때문에 긴 타원궤도를 돌면서 금성과 태양 주변을 부지런히 오가고 있다.

태양을 탐사하는 파커 솔라 프로브(Parker Solar Probe)의 그래픽 이미지PSP의 임무는 그간 베일에 쌓여왔던 수많은 태양의 비밀을 푸는 것이다. 대표적으로 태양 대기인 코로나가 태양 표면 온도보다 수백 배 더 높은 이유와 태양풍의 비밀이다. 태양은 ‘태양 플라스마’라 불리는 태양풍을 내뿜는데 당연히 지구를 포함한 태양계 천체는 이 영향을 받는다. 특히 태양풍은 어떨 때는 엄청난 에너지를 뿜어내는데 이 경우 GPS 등 통신 시설이 마비되는 등 지구에 커다란 영향을 미친다.

태양계와 오르트 구름의 모습.

우리 태양계는 태양을 중심으로 수성·금성·지구·화성·목성·토성·천왕성·해왕성 등 8개의 행성과 세레스·명왕성 등 왜행성, 그 외 그고 작은 소행성 등으로 구성돼 있습니다.

태양계의 가장자리라고 하면 대체로 명왕성을 떠올리곤 하는데 천문학계에서는 ‘오르트 구름(Oort cloud)’라는 곳을 가장자리로 봅니다.

오르트 구름은 장주기혜성(태양공전 주기가 200년 이상인 혜성)의 기원으로 알려져 있으며 태양계를 껍질처럼 둘러싸고 있다고 생각되는 가상적인 천체집단입니다. 이곳은 수천개에서 수억개의 크고 작은 천체들로 이뤄졌을 것으로 추정됩니다.

네덜란드의 천문학자 얀 오르트가 1950년에 장주기혜성과 비장주기혜성의 기원을 발표하며 ‘오르트 구름’이라는 이름이 붙었습니다.

오르트 구름은 일반적으로 태양에서 약 1만AU 혹은 태양의 중력이 다른 항성(별)이나 은하계의 중력과 같아지는 약 10만AU 안에 둥근 껍질처럼 펼쳐져 있다고 천문학계는 추측합니다. 참고로 1AU는 태양과 지구 사이의 거리를 뜻하는 천문단위로 약 1억5000만km 정도 됩니다.

오르트 구름은 인류가 직접 관측한 게 아니기 때문에 그 존재는 가설이지만 혜성의 궤도장반경과 궤도경사각의 통계를 기초했습니다. 이에 학계에서는 오르트 구름에 대한 가설을 확실시 하고 있습니다.

오르트 구름의 기원은 태양계의 형성과 진화의 과정에서 현재의 목성궤도부근부터 해왕성궤도부근까지 존재하고 있던 작은 천체들이 거대행성의 중력과 태양계를 지나가던 주변 항성이나 가스구름에 의해 궤도요소가 바뀌어 지금의 형태로 됐다는 설이 유력합니다.

오르트 구름의 존재를 고려한다면 태양계의 범위는 일반인들이 흔히 생각하는 범위보다 아주 많이 커집니다. 앞서 말한 것처럼 보통 태양계의 끝 하면 명왕성 언저리 정도를 생각할 수 있지만 천문학계에서는 오르트 구름까지라고 보는 경우도 있기 때문입니다.

일반적으로 생각하는 태양계의 크기는 좁겠지만 태양계 끝을 오르트 구름까지라고 본다면 그 범위는 그야말로 광대해집니다.

현재 인류가 우주로 보낸 탐사선 가운데 가장 멀리 가 있는 게 ‘보이저 1호’인데요, 이 탐사선은 1977년 9월에 지구를 떠났습니다. 보이저 1호는 1990년 5월에 명왕성을 지났는데 이때 ‘최초로 태양계를 벗어난 탐사선’이라고 했죠. 틀린 말은 아니지만 일부 천문학자들은 보이저 1호가 오르트 구름을 벗어나야 실제 태양계를 빠져나간 것이라고 말합니다.

보이저 1호가 오르트 구름 안쪽 경계면에 도달하는 시기는 2310년 쯤이며, 오르트 구름을 완전히 벗어나려면 3만년 정도가 걸립니다. 이렇게 생각하면 태양계도 넓다고 볼 수 있죠. 물론 우주 전체적으로 보면 태양계는 먼지보다 작은 점에 불과하지만 지구의 관점에서는 어마어마한 크기는 맞습니다.

태양권 외부에 있는 보이저1호(위쪽)와 2호의 위치를 보여주는 그림. 그래픽 제공=미국 항공우주국(나사)

오르트 구름은 크게 두 영역으로 나눕니다. 약 2만~3만AU를 기준으로 ‘안쪽 오르트 구름(inner Oort cloud)’, 2만~3만AU 밖의 영역은 ‘바깥 오르트 구름(outer Oort cloud)’으로 부릅니다.

안쪽 오르트 구름은 ‘힐스 구름’이라고도 하는데 이를 연구한 천문학자 잭 힐스의 이름을 딴 것입니다.

안쪽 오르트 구름 시작점은 천문학자마다 기준이 다른데 해왕성 궤도 바깥쪽인 약 100AU 를 기준으로 하는 경우도 있고, 약 2000AU 정도부터가 시작점이라는 시각도 있습니다.

또 어디까지가 오르트 구름의 끝인가 하는 문제도 있는데 역시 천문학자들 마다 의견이 갈립니다.

고전적인 의견은 약 5만AU(약 0.8 광년) 까지로 보고 일부 천문학자들은 태양의 인력이 다른 항성의 인력과 같아지는 지점인 약 10만AU까지로 보기도 합니다. 또 어떤 천문학자는 우리 태양계의 이웃 태양계(항성계)인 알파 센타우리까지 거리의 절반인 약 13만AU를 오르트 구름의 끝이라고 주장하기도 합니다.

오르트 구름은 지구에서 너무 멀리 떨어져 있어 아직 탐사가 이뤄지지 못해 이에 대한 정보는 거의 없는 실정입니다. 앞서 언급한 보이저 1호가 오르트 구름 도달하려면 300년 정도가 걸리고 오르트 구름을 벗어나려면 3만년 정도가 소요되니 이곳에 대한 정보를 제공할 가능성은 없죠.

하지만 우주에 대한 인류의 호기심은 끝이 없고 이를 알아내기 위한 도전은 계속 되고 있어 수세기가 지난 후 우리의 후손들이 오르트 구름에 대해 자세히 밝혀낼 수도 있겠습니다.