지구 두 차례 위협한 소행성 자전 속도 빨라지고 있다…충돌 위험 커질수도

2021.03.18 12:55

소행성 ‘2012 TC4’의 3차원(3D) 형상 모형. 긴축이 15m, 짧은축이 8m인 찌그러진 감자 모양이라는 사실은 이번에 처음 확인됐다. 한국천문연구원 제공

지난 10년간 두 차례 지구를 스치듯 지나간 소행성 ‘2012 TC4’의 자전 속도가 빨라지고 있다는 사실이 처음 확인됐다. 자전 속도 변화는 향후 소행성 궤도에 영향을 줄 수 있어 소행성의 지구 충돌 위험을 예측하는 데 중요하다. 

한국천문연구원은 체코 카렐대와 공동으로 이 같은 내용을 확인해 미국천문학회가 발행하는 ‘천문학 저널(Astronomical Journal)’ 2월 11일자 온라인판에 게재했다고 18일 밝혔다. 

2012 TC4는 2012년 지구에서 약 9만5000km 떨어진 지점을 통과했다. 2017년에는 이보다 더 가까운 달 궤도 안으로 진입해 정지궤도위성이 몰려 있는 고도 3만6000km 바깥 지점인 고도 약 5만km를 지나가며 긴장시켰다. 

그간 2012 TC4는 비주축 자전운동을 한다는 정도만 알려져 있었다. 비주축 자전운동은 팽이가 쓰러지기 전에 비틀거리며 회전하듯 세차운동과 자전이 동시에 일어나는 현상을 말한다. 

천문연은 전 세계 21개 천문대로 이 소행성의 밝기 변화를 추적하는 캠페인을 주도해 관측 데이터를 수집했다. 그 결과 2012~2017년 5년 사이에 소행성의 자전 속도가 18초 빨라졌다는 사실이 확인됐다. 또 이는 소행성이 태양에너지를 흡수하고 재방출하는 과정에서 생기는 ‘요프 효과’ 때문인 것으로 나타났다.    

논문의 제1 저자인 이희재 한국천문연구원 박사후연구원은 “자전 주기는 27.8분, 세차 주기는 8.5분으로 빠르게 회전하는 소행성”이라며 “긴축이 15m, 짧은축이 8m인 찌그러진 감자 모양을 하고 있다는 사실도 처음 확인했다”고 말했다. 

이번 연구는 천문연이 추진 중이 소행성 아포피스 탐사에도 도움이 될 전망이다. 아포피스는 2029년 4월 14일 지구에서 매우 가까운 3만1000km 떨어진 지점을 통과할 것으로 예상되면서 천문연은 이 시기에 맞춰 탐사선을 아포피스에 보내는 계획을 추진하고 있다.  

이 박사후연구원은 “아포피스의 경우 최근 지구와의 충돌 확률은 더 낮아진 것으로 알려졌다”며 “탐사 성공률을 높이기 위해 이번 소행성 관측 경험을 토대로 아포피스의 자전 주기와 형상을 더욱 자세히 조사할 계획”이라고 말했다.   

 [출처] http://dongascience.donga.com/news.php?idx=44871

[사이언스N사피엔스]특수상대성 이론이 등장하기까지

2021.03.18 16:00

아인슈타인이 대학 시절을 보낸 스위스 연방공대 전경. 취히리 연방공대 제공

20세기 물리학은 그 이전의 19세기 물리학과 많은 면에서 뚜렷하게 구분된다. 흔히 이 둘은 현대물리학과 고전물리학으로 불린다. 현대물리학은 20세기를 거치며 방대한 분야에서 눈부신 성과를 이룩했는데 이를 떠받치는 큰 기둥이 둘 있다. 바로 상대성이론과 양자역학이다. 이 두 분야의 발전에 모두 크게 기여한 사람이 바로 앨버트 아인슈타인이다. 상대성  이론은 아인슈타인이 거의 혼자서 만들었으니 기여도라는 걸 따지는 게 무의미할 정도이다. 양자역학에 대해서는 아인슈타인이 일생을 두고 반대했는데 그 과정에서 양자역학을 옹호했던 과학자들이 아인슈타인을 극복하면서 양자역학이 크게 발전하였다. 

아인슈타인이 특수상대성 이론을 발표한 때는 1905년으로, 1879년생인 아인슈타인이 26세 되던 해였다. 이때 아인슈타인은 스위스 특허청의 심사관으로 일했다. 1900년에 취리히 공대를 졸업한 아인슈타인은 특허청에서 안정적인 직장을 얻기까지 꽤 힘든 시간을 보냈다. 수학, 물리학 과외 교습도 했었고 대학 강사 자리도 알아보고 있었다. 캠퍼스 커플이었던 4년 연상의 밀레바 마리치는 아기를 임신 중이었고 아인슈타인이 특허청에 취직한 1902년 리제를이라는 이름의 딸을 낳았다. 아인슈타인과 마리치가 정식으로 결혼한 것은 1903년이었다. 특허청에서 일자리를 구한 것은 대학시절 절친한 친구였던 마르셀 그로스만의 아버지가 베른의 특허청장과의 친분을 이용해 도와준 덕분이었다. 요즘 유행하는 말로 하자면 ‘친구 아빠 찬스’를 쓴 셈이었다.

1905년은 아인슈타인에겐 ‘기적의 해’로 불린다. 1666년이 뉴턴에게 ‘기적의 해’였다면 말이다. 이해에 아인슈타인은 여러 편의 논문을 썼다. 브라운 운동에 관한 논문은 원자와 분자의 존재를 확증할 수 있는 내용을 담고 있었다. 광전효과(금속에 빛을 쪼이면 전자가 튀어나오는 현상)에 관한 논문은 1921년 아인슈타인에게 노벨상을 안겼다. 그리고 특수상대성 이론의 효시가 되는 논문도 1905년에 나왔다.  

1905년 아인슈타인의 특수상대성 이론 논문

상대성 이론에는 특수상대성 이론(special theory of relativity)과 일반상대성 이론(general theory of relativity)이 있다. 보통 일상의 언어로는 일반이론이 더 쉽고 특수이론이 더 어려워 보인다. 한번은 모처에서 상대성 이론 강연을 하기로 했는데, 강연 순서를 특수상대성이론-일반상대성이론의 순서로 보냈더니 담당자가 순서가 바뀐 것 아니냐고 내게 되물었다. 물리학에서는 대개 특수한 상황이 물리적으로 더 쉽고 일반적인 상황이 더 어려운 경우가 많다. 상대성 이론에서도 그렇다. 

상대성 이론이란 한마디로, 움직이는 사람과 정지한 사람이 똑같은 물리 현상을 보게 될 것인가에 관한 이론이다. 즉, 상대적으로 운동하는 사람들 사이의 관계에 관한 이론이라고도 할 수 있다. 그 상대적인 운동이 속도가 변하지 않는 등속운동인 경우에 적용되는 이론이 특수상대성 이론이고, 속도가 변하는 운동인 경우에 적용되는 이론이 일반상대성 이론이다.

역사상 상대성 이론이 적용되는 상황이 심각해지는 경우가 있었다. 바로 지구중심설과 태양중심설이 대립할 때였다. 만약 지구가 스스로 돌면서 태양주변을 다시 돌고 있다면 그 위에 살고 있는 우리는 왜 지구의 움직임을 알지 못한단 말인가? 예컨대, 지구가 서쪽에서 동쪽으로 돌고 있다면 나무에서 떨어지는 사과는 나무 바로 아래가 아니라 나무의 서쪽으로 치우쳐 떨어져야 하지 않을까? 17세기까지도 사람들이 코페르니쿠스를 믿지 않고 갈릴레오의 주장을 반대했던 데에는 종교적인 이유만 있었던 것이 아니었다. 갈릴레오는 자신을 향한 이런 논리를 반박하는 데에 《대화》의 지면을 할애했다. 갈릴레오의 논리는 이랬다. 항해 중인 배의 돛대에서 공을 떨어뜨리면 그 공은 배의 뒷면에 떨어지지 않고 돛대 바로 아래에 떨어진다. 왜냐하면 공이 배와 함께 이미 같이 움직이고 있었기 때문이다. 21세기 버전으로 말하자면, 지하철에서 스마트폰을 떨어뜨리면 객차의 뒤쪽으로 밀려 떨어지지 않고 바로 발아래에 떨어진다. 따라서 이런 실험만으로는 배(또는 지하철)가 움직이는지 정지해 있는지 확인할 수가 없다. 지구의 자전도 마찬가지이다. 이런 이유로 갈릴레오는 상대성 이론의 원조로 꼽힌다. 

갈릴레오의 상대성 이론(또는 고전적인 상대성 이론)에서는 상대적인 운동을 하는 두 사람이 물체의 속도를 서로 달리 관측할 뿐 나머지는 모두 똑같다. 예컨대 지하철을 타고 가면서 철길 옆 도로 위를 같은 방향으로 달리는 자동차를 바라보면, 도로 위에서 자동차를 봤을 때보다 훨씬 느리게 움직인다. 왜냐하면 자동차를 관측하는 나 자신이 지하철과 함께 지면에 대해 자동차와 같은 방향으로 움직이고 있기 때문이다. 그러니까, 움직이는 사람이 관측한 물체의 속도는 정지한 사람이 관측한 속도에서 관측자 자신이 움직이는 속도를 빼줘야 한다. 이처럼 고전적인 상대론에서는 상대적인 운동을 하는 관측자들이 물체의 운동을 상대운동의 속도 차이만큼 서로 다르게 볼 뿐이다. 이는 우리의 일상적인 직관경험과 잘 부합한다. 이 체계에서는 상대적인 운동을 하는 관측자들의 눈에 보이는 현상이 본질적으로 달라지지 않는다. 

현대물리학 거장들과 함께한 막스 플랑크(가운데). 좌측부터 발터 네른스트, 알버트 아인슈타인, 막스 플랑크, 로버트 밀리컨, 막스 폰 라우에. 모두 노벨상 수상자들이다. 과학동아DB

고전 물리학, 특히 전자기학에 정통했던 아인슈타인은 여기에 의문을 품었다. 일화에 따르면 아인슈타인은 청소년 시절부터 빛에 대한 사고실험을 했다. 만약 빛의 속도로 달려가면서 빛을 바라보면 어떻게 될까? 여기서 빛 대신 자동차를 넣으면 그 답이 무엇인지 우리는 쉽게 추정할 수 있다. 자동차와 나란히 달리는 지하철이 자동차와 같은 속도로 진행한다면, 지하철 안의 승객들은 자동차가 정지해 있는 것으로 관측하게 된다. 이 추론을 그대로 연장한다면, 빛의 속도로 날아가는 아인슈타인은 ‘정지한 빛’을 보게 될 것이다. 아인슈타인을 당혹스럽게 만든 것이 바로 이 결론이었다. 빛이 정지한다는 게 대체 무슨 뜻일까?

과학자들은 수 세기에 걸쳐 빛을 연구해 왔고 19세기 중반 제임스 맥스웰의 연구 덕분에 빛은 전자기파의 일종임이 밝혀졌다. 그러나 빛이 정지하는 현상을 어떤 형태로든 본 적이 없었다. 아인슈타인은 빛이 정지한다는 것은 완전히 넌센스라고 생각했다. 한걸음 더 나아가 아인슈타인은 빛은 모든 관성좌표계에서 항상 일정한 속도로만 움직인다고 가정했다. 이것이 이른바 ‘’으로, 특수상대성이론의 2가지 가정 중 두 번째 가정이다. 여기서 관성좌표계란 관성의 법칙이 성립하는 좌표계이다. 하나의 관성좌표계에 대해 속도가 일정한 등속운동을 하는 모든 좌표계는 관성좌표계이다. 

광속불변은 우리의 일상적인 직관경험과 크게 어긋난다. 예컨대 홍길동이 에스컬레이터에서 걸어가면 밖에서 봤을 때는 에스컬레이터가 움직이는 속도와 홍길동이 에스컬레이터에 대해서 걷는 속도가 더해져 홍길동은 더 빨리 움직인다. 만약 홍길동이 에스컬레이터에 서서 스마트폰을 켜면 어떻게 될까? 홍길동이 걷는 경우로부터 유추해 본다면 홍길동의 스마트폰에서 나온 빛은 밖에서 봤을 때 원래의 광속에다가 에스컬레이터가 움직이는 속도가 더해져야만 할 것이다. 경우에 따라서는 정지상태에서의 광속보다 더 빠를 수도 있다. 광속불변이 말하는 바는, 이런 경우에도 빛은 여전히 광속으로 움직인다는 말이다. 광원과 관측자가 어떻게 상대적인 운동을 하든 광속은 변화가 없다. 

또 이 가정에 따르면 19세기 과학자들이 전자기 파동으로서의 빛의 매개물인 에테르가 필요 없다. 에테르의 특이한 성질과 존재여부는 19세기 물리학의 큰 과제 중 하나였다. 에테르를 검출하려는 모든 시도는 실패했는데 특히 1887년 미국의 마이컬슨과 몰리가 간섭계를 이용해 정밀하게 수행했던 실험이 유명하다. 그러나 에테르가 검출되지 않았다고 해서 에테르가 아예 없다고 생각한 과학자는 거의 없었다. 똑똑한 과학자들은 에테르가 존재하더라도 마이컬슨-몰리 실험에서 검출되지 않는 이유와 논리를 만들어낼 수 있었다. 정작 에테르 문제에 대한 해법은 가장 간단한 데에 길이 있었다. 아인슈타인은 그 존재 자체를 부정함으로써 새로운 상대성 이론을 만들어 문제를 원천적으로 해결했다. 

우주에서 최대 속도를 갖는 물질은 빛이다. 아인슈타인의 특수상대성이론은 이를 전제로 한다. 과학동아DB

특수상대성 이론의 첫 번째 가정은 모든 관성좌표계에서 물리법칙이 똑같다는 내용이다. 이는 언뜻 생각하기에 당연히 그러해야만 할 것 같다. 서로 등속운동하는 두 좌표계는 어느 쪽이 움직이고 어느 쪽이 정지해 있는지를 구분하는 것이 의미가 없다. 오직 상대적인 운동만 의미 있을 뿐이다. 그렇다면 이 두 좌표계에 적용되는 물리법칙이 다를 것이라고 상상하기 어렵다. 문제는 이 평범해 보이는 요구조건이 잘 작동하지 않는다는 점이다. 앞서 소개했던 고전적인 상대성이론을 맥스웰의 전자기론, 즉 맥스웰 방정식에 적용하면 정지한 좌표계와 움직이는 좌표계에서의 맥스웰 방정식이 달라진다. 만약 맥스웰 방정식이 전자기 현상을 설명하는 올바른 물리법칙이라면, 상대적으로 운동하는 두 사람에 대해 전자기 법칙이 달라진다는 뜻이다. 그렇다면 우리가 이 법칙을 과연 ‘자연의 법칙’이라고 부를 수 있을지도 의문이다. 이런 역사적인 배경이 있었기 때문에 1905년의 특수상대성 이론 논문의 제목은 ‘움직이는 물체의 전기동역학에 관하여’였다.

아인슈타인은 이 두 가지 가정으로부터 시작해 수학적으로 일관된 새로운 상대성 이론을 만드는 데에 성공했다. 아예 처음부터 광속 불변을 지켰고 물리법칙의 동일함을 지켰기 때문에 달라져야 하는 것은 상대적으로 운동하는 두 좌표계 사이의 관계, 즉 상대성이론 자체였다. 아마도 많은 사람들은 어떻게 달리는 자동차의 전조등처럼 움직이는 광원의 광속이 여전히 광속으로 유지될 수 있는지 궁금할 것이다.

특수상대성 이론에 따르면 애초에 상대적으로 운동하는 관측자들 사이에서 갈릴레오식으로 속도를 더하고 빼는 셈법이 틀렸다. 그러나 묘하게도 전혀 다른 방식으로 틀리지는 않아서 물체의 속도나 상대속도가 광속에 비해 그리 크지 않으면 갈릴레오의 속도 셈법과 크게 다르지 않다. 또한 새로운 셈법에서는 상대속도를 어떻게 더하거나 빼더라도 광속을 넘어서는 속도를 만들어낼 수 없다. 가령 자동차가 광속으로 달려가면서 전조등을 켜거나, 관측자가 자동차와 반대방향으로 광속으로 달려가더라도 광속은 여전히 광속이다. 아인슈타인이 사고 실험했던 상황에서도 광속은 여전히 광속이다. 그러니까 광속은 우리 우주에서 대단히 특별한 상수라고 할 수 있다. 아인슈타인은 그 중요성을 간파하고 자신의 이론을 세울 때 하나의 가정으로 도입한 것이다. 특수상대성이론은 두 가지 가정으로부터 거의 기계적으로 도출되는 결론이다. 물리학자들이 흔히 말하듯, 중요한 것은 물리적인 내용이지 수학이 아니다. 아인슈타인이 뛰어난 것은 이처럼 물리적인 실체를 꿰뚫어볼 수 있는 위대한 통찰력 때문이다. 

알베르트 아인슈타인. (1897~1966). 미 의회 도서관 제공

※참고자료

데니스 오버바이, 《젊은 아인슈타인의 초상》(김한영·김희봉 옮김), 사이언스북스.
 Albert Einstein (1905) “Zur Elektrodynamik bewegter Körper”, Annalen der Physik 17: 891.

※필자소개 

이종필 입자이론 물리학자. 건국대 상허교양대학에서 교양과학을 가르치고 있다. 《신의 입자를 찾아서》,《대통령을 위한 과학에세이》, 《물리학 클래식》, 《이종필 교수의 인터스텔라》,《아주 특별한 상대성이론 강의》, 《사이언스 브런치》,《빛의 속도로 이해하는 상대성이론》을 썼고 《최종이론의 꿈》, 《블랙홀 전쟁》, 《물리의 정석》 을 옮겼다. 한국일보에 《이종필의 제5원소》를 연재하고 있다.

[천체물리] 약 130억 광년 밖 초기 우주서 제트 내뿜는 퀘이사 관측

2021.03.09 00:00

제트 가진 퀘이사로는 가장 멀어…”기록 곧 깨질 것”

[ESO/M. Kornmesser 제공/ 재판매 및 DB 금지]

지구에서 약 130억 광년 떨어진 곳에서 초대질량 블랙홀이 빛에 가까운 속도로 물질을 분출하는 제트 현상이 포착됐다.

이는 우주가 생성되고 약 7억8천만 년밖에 안 된 시점으로, 지금까지 확인된 제트 현상 중 가장 멀리서 관측된 것이어서 초기 우주에 관한 이해를 넓힐 중요한 단서를 제공해 줄 것으로 기대를 모으고 있다.

미국 국립전파천문대(NRAO)와 유럽남방천문대(ESO) 등에 따르면 독일 막스 플랑크 천문학연구소의 에두아르도 바냐도스 박사 등이 참여한 연구팀은 가장 멀리서 관측된 “전파가 밝은”(radio-loud) 퀘이사에 관한 연구 결과를 국제학술지 ‘천체물리학 저널'(The Astrophysical Journal)에 발표했다.

퀘이사(Quasar)는 초대질량 블랙홀이 주변 물질을 빨아들이며 밝은 빛을 내는 ‘활동은하핵'(AGN)을 가진 은하를 가리킨다.

연구팀이 관측한 ‘P172+18’은 퀘이사 중에서도 제트 현상을 보이는 전파가 밝은 퀘이사다. 전파 대역에서 광도의 대부분을 제트가 차지해 제트 현상을 가진 퀘이사를 전파가 밝은 퀘이사로 부른다.

퀘이사 중에는 P172+18보다 더 먼 곳에서 관측된 것도 있지만 제트까지 가진 퀘이사로는 P172+18이 가장 먼 것으로 기록됐다. 퀘이사 중에서는 약 10%만 제트 현상을 보인다.

P172+18는 지난 2015년 하와이 할레아칼라 천문대의 전천(全天) 탐사 광학 망원경인 ‘판-스타스'(Pan-STARRS)를 통해 가시광으로 처음 포착돼 퀘이사 후보에 올랐다. 이후 전파망원경 배열인 칼 G. 잰스키 초대형배열(VLA) 등을 통해 같은 위치에서 전파원이 확인됐으며, ESO의 초거대망원경(VLT) 등을 동원한 후속 관측을 통해 블랙홀의 질량과 주변 물질을 빨아들이는 속도 등이 확인됐다.

연구팀은 P172+18의 블랙홀이 태양 질량의 3억 배에 달하는 초대질량 블랙홀로 주변 물질을 빠르게 빨아들이고 있으며, 지금까지 관측된 것 중 가장 빠른 속도로 덩치를 키우고 있다고 밝혔다.

연구팀은 P172+18의 초대질량 블랙홀이 급속히 팽창하는 것과 강력한 제트 사이에 연관성이 있는 것으로 추정하고 있다.

제트가 블랙홀 주변의 가스를 불안정하게 만들어 블랙홀로 떨어지는 가스의 양을 늘렸을 수 있다는 것인데, 이런 퀘이사를 연구함으로써 빅뱅 이후 초기 우주에서 초대질량 블랙홀이 등장할 수 있었던 과정을 이해할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

연구팀은 앞으로 극대망원경(ELT) 등 첨단 망원경이 가동되면 P172+18과 같은 전파가 밝은 퀘이사를 더 많이, 더 멀리서 발견하게 될 것으로 전망했다.

바냐도스 박사는 “이번 관측을 통해 P172+18가 세운 거리 기록이 곧 깨질 것으로 낙관하고, 믿고있으며, 그렇게 되길 희망한다”고 했다.

연합뉴스

[영상·음향+]화성 탐사선 퍼시비어런스 ‘공포의 7분’과 화성의 바람소리

2021.02.23 12:31

NASA 제공

이달 19일 화성에 착륙에 성공한 미국항공우주국(NASA)의 화성 탐사로버 퍼시비어런스가 화성으로 내려가는 순간을 촬영한 동영상이 공개됐다. 퍼시비어런스의 낙하산이 펴지는 장면부터 감속을 위해 엔진을 분사하며 화성의 지표면에 먼지 바람이 이는 장면이 생생하게 잡혔다. 화성의 소리를 담은 퍼시비어런스의 첫 녹음도 공개됐다.

NASA가 23일 공개한 영상에는 퍼시비어런스가 착륙하는 ‘공포의 7분’이 생생하게 담겼다. 영상은 퍼시비어런스를 담은 캡슐이 화성 상층 대기권에 시속 2만 100km로 진입한 뒤 230초 후 시작된다. 화성 표면에서 11km 떨어진 지점이다. 가로 46cm, 세로 66cm로 압축됐던 낙하산이 1초 만에 21.5m 너비로 펴지면서 감속을 시작한다. 이후 화성 대기에 들어가면서 퍼시비어런스를 대기 마찰열로부터 보호한 열 보호 방패가 화성으로 떨어져 나간다. 퍼시비어런스와 로버를 표면에 내려놓을 스카이크레인이 외부로 노출되는 순간이다.

분화구가 곳곳에 퍼져 있는 화성의 표면이 생생하게 보인다. 화성에 점차 다가갈수록 바람 자국이 생긴 화성 표면이 드러난다. 화성 표면에 2130m까지 다가가자 감속을 위해 스카이크레인에 달린 8개의 역추진 엔진이 분사되면서 표면에 먼지 바람이 일어난다. 스카이크레인에 나일론 줄로 매달린 퍼시비어런스의 알루미늄 바퀴가 시속 2.6km 속도로 표면에 접촉하자 스카이크레인이 충돌을 피하려 가속하며 먼 곳으로 떠나는 모습까지 담겼다.

마이클 왓킨스 NASA 제트추진연구소(JPL) 임무책임자는 “우리는 마침내 화성에 착륙하는 동안 ‘7분의 공포’라고 부르는 장면을 맨 앞 열에서 보게 됐다”며 “낙하산이 폭발로 열리는 것부터 착륙할 때 먼지와 파편이 날아가는 장면에 이르기까지 정말 경외심을 불러일으킨다”고 말했다.

화성에 착륙한 퍼시비어런스의 옆 모습을 카메라로 촬영했다. NASA 제공

영상은 캡슐과 스카이크레인, 퍼비시어런스에 있는 5개 카메라에서 촬영됐다. JPL은 로버 하강과 착륙 과정을 보여주는 사진 2만 3000여 장과 30기가바이트 정보를 수집했다고 밝혔다. 다만 로버에 부착한 마이크는 하강 중 소리를 담는 데 실패했다. NASA는 “시각 장애가 있는 우주 팬들의 경험을 향상시키고 전 세계인의 참여를 유도하고 영감을 주기를 바랬다”며 마이크를 차량에 추가한 이유를 밝혔다.

하지만 로버에 달린 다른 마이크는 살아남았다. 퍼시비어런스는 20일 자신이 착륙한 예저로 분화구에서 들리는 소리를 녹음해 지구로 보냈다. NASA가 23일 공개한 분화구의 소리를 들어 보면 퍼시비어런스의 기계음 너머로 화성의 바람 소리가 희미하게 들린다.

퍼시비어런스가 녹음한 화성의 바람 소리와 퍼시비어런스 기계음 포함(https://soundcloud.com/nasa/first-sounds-from-mars-filters-out-rover-self-noise)

퍼시비어런스가 녹음한 화성의 바람 소리(퍼시비어런스 기계음 제거 https://soundcloud.com/nasa/first-sounds-from-mars-filters-out-rover-self-noise)

퍼시비어런스는 착륙 후 항법용 돛대(마스트)를 수직으로 세웠다. 돛대는 수평으로 누인 상태로 발사됐었다. 마스트에는 주변을 고화질로 촬영할 마스트캠-Z가 장착됐다. 로버가 보내온 파노라마 사진을 보면 화성의 지평선이 선명한 가운데 지형 대부분이 바위가 드문드문 있는 흙 바닥인 것이 확인된다.

퍼시비어런스가 마스트캠을 활용해 촬영한 화성의 파노라마 사진이다. NASA 제공

NASA는 퍼시비어런스 시스템과 주변 환경에 대한 초기 관측을 이어갈 계획이다. NASA JPL은 22일 퍼시비어런스에 장착된 7개 장비 중 5개를 확인하고 화성환경역학분석기로 첫 기상 관측을 수행했다.

스티브 주르지크 NASA 국장 대행은 “화성에 어떻게 착륙하는지, 왜 그렇게 어려운지, 또 얼마나 멋진 일인지 궁금해하는 사람들을 위해 우주 탐사 역사상 가장 상징적인 시각 자료를 제공했다”며 “차량을 제작하고 화성으로 가는 데 필요한 놀라운 공학 수준과 정밀성을 강화했음을 보여준다”고 말했다.

데이터 홍수 걱정 없는 저장장치의 차세대 주자들

2021.02.27 09:00

전통적인 영화 필름(왼쪽)과 마이크로소프트에서 개발한 유리판 저장장치의 모습. 손바닥 크기의 유리판 저장장치를 사용하면 필름 4통이 필요한 영화 한 편을 저장할 수 있다. 마이크로소프트 제공

빅데이터와 인공지능(AI)을 일상적으로 활용하게 되면서 막대한 양의 데이터를 다루고 저장하는 기술에도 혁신이 일어나고 있다. 하드디스크드라이브(HDD)와 솔리드스테이트드라이브(SSD)를 넘어서는 미래 데이터 저장 기술을 살펴봤다.

온라인에서 볼 수 있는 사진과 영상, 문자 등의 데이터는 0과 1의 두 가지 숫자를 사용하는 2진법으로 기록된다. 현재 널리 사용되는 저장매체인 하드디스크드라이브(HDD)와 반도체 방식의 저장매체인 솔리드스테이트드라이브(SSD)는 2개의 2진법 데이터를 하나의 단위(비트)로 사용해 정보를 기록한다.

2진법으로 데이터를 기록하는 이유는 데이터의 보관과 처리에 따른 오차를 최소화하기 위해서다. 2진법 데이터는 전류가 흐르면 1, 흐르지 않으면 0으로 표시된다. 3진법으로 데이터를 저장한다면 전류의 세기에 따라 입력되는 데이터가 결정되는데, 0과 2 사이의 1이 입력되는 전류의 세기에 따라 0 또는 2로 잘못 기록될 수 있다.

정보를 단 두 개의 숫자로 표기해야 하기 때문에 저장 공간이 상대적으로 많이 필요하다는 점은 단점으로 꼽힌다. 십진법으로 표기하면 ‘10’이라고 두 글자로 저장하면 되는 정보가 이진법에서는 ‘1010’이라고 네 글자로 표기돼야 한다.

막대한 정보를 실시간으로 다루는 마이크로소프트, 구글 등 정보통신(IT) 기업은 데이터센터 크기를 늘리는 방식으로 대응하고 있다. 이를 위해 이전에는 건설하지 않던 곳까지 데이터센터를 개설하며 공간 문제 해결에 나서고 있다. 2015년 마이크로소프트가 ‘나틱 프로젝트’라는 이름의 데이터센터 건설 계획을 발표한 게 대표적이다. 넓은 부지가 필요한 데이터센터를 공간의 제약이 상대적으로 적은 바다 속에 건설하는 프로젝트로, 저장장치에서 발생하는 열과 소음, 진동까지도 관리할 수 있는 기발한 대안으로 평가받았다.

하지만 이런 노력도 결국 기존 방식의 데이터 저장장치를 사용하는 만큼 기존 저장장치의 근본적 문제점에서 벗어날 수 없다는 한계가 있다. 이에 연구자들은 데이터를 저장할 전혀 새로운 형태의 기술에 주목하고 있다.

자기테이프 저장장치는 필름에 코팅된 물질의 자성의 방향에 따라 데이터를 저장한다. 주로 과거에 사용됐지만, 최근에도 대용량 저장장치로 각광받고 있다. 후지필름/게티이미지뱅크 제공

과거에 사용됐지만 현재는 주류에서 완전히 밀려난 구식 기술이 최근 새로운 저장기술로 다시 주목 받고 있다. 1990년대에 음악과 영상 기록 및 재생을 위해 사용한 자기테이프 저장장치다. 카세트테이프, 비디오테이프라고 불리며 실생활에서 널리 사용됐지만, 컴퓨터와 HDD, SSD가 보급되면서 현재는 거의 사용되지 않고 있다. 

자기테이프는 플라스틱 테이프 표면에 산화철 등 자성을 띠는 재료를 코팅한 장치다. 데이터를 저장하고 읽을 때는 전자석 원리와 전자기유도 현상이 사용된다. 자기테이프를 전자석 부근에 통과시키면 자기장이 유도되며 자기테이프가 띈 자성이 한 방향으로 정렬되는데, 자성의 방향에 따라 0과 1의 디지털 데이터가 입력된다. 가령 연속된 자성의 방향이 같으면 0, 다르면 1이 새겨진다.

자기테이프는 반도체 기반 저장장치에 비해 저장용량이 크고 안정성이 우수하다는 게 장점이다. 반도체 기반 저장장치는 정보를 쓰고 읽기 위해 수많은 장치가 필요하지만, 자기테이프는 필름만으로 구성돼 장치도 매우 단순하고, 고장 나거나 데이터에 손실이 생길 위험성도 적다.

이 때문에 일부 기업에서는 여전히 대용량의 데이터를 보관하기 위해 자기테이프를 사용하고 있다. 최근에는 소재의 발전에 힘입어 저장용량이 계속 증가하면서 더욱 활용폭이 넓어지고 있다. 지난해 12월 일본의 정밀화학기업 후지필름과 미국의 IT기업 IBM은 신소재를 이용해 580TB(테라바이트·1TB는 1024GB)에 달하는 저장용량을 가진 자기테이프 저장장치를 개발했다고 발표했다. 이는 현재 가장 널리 사용되는 자기테이프 모델(LTO8)보다 약 50배 용량이 큰 수준이다.

연구팀은 지금까지 자기테이프에 사용된 소재인 바륨 페라이트 대신 더 작은 크기의 나노입자를 만들 수 있는 스트론튬 페라이트를 사용했다. 정보를 저장하는 개별입자가 높은 밀도로 구성되는 만큼 더 많은 비트에 데이터를 저장할 수 있다.

유리판에 데이터를 저장하는 기술도 등장했다. 2019년 마이크로소프트는 2mm 유리판에 수백 년 이상 데이터를 손실 없이 보관할 수 있는 ‘프로젝트 실리카’ 기술을 발표했다. 초미세 가공이 가능한 펨토초 레이저를 이용해 유리판 내부의 구조를 두 가지 형태 중 하나로 영구적으로 변형시키고, 이 변형된 구조를 이용해 2진법 데이터를 저장하는 기술이다. 이 기술은 물리적으로 안정적인 구조를 데이터화하는 만큼 데이터를 장기적으로 보관하는 데 유리하다. 마이크로소프트는 프로젝트 실리카 기술을 이용하면 클라우드에 저장된 정보를 안전하고 효율적으로 관리할 수 있다고 설명했다.

자기테이프나 유리판의 저장성능이 아무리 뛰어나다고 해도 비트마다 2종류의 정보를 적용할 수 있다는 점은 반도체 기반 저장장치와 크게 다르지 않다. 그래서 일부 연구자들은 한 개의 비트에 3종류 이상의 정보를 담아 데이터 저장량을 늘리는 연구를 하고 있다.

대표적인 사례가 생명체의 유전정보를 담고 있는 물질인 DNA를 이용하는 기술이다. 사람을 비롯해 모든 생명체는 DNA에 저장된 정보를 이용해 다양한 특성(표현형)을 나타낸다. 사람은 약 3Gbp(기가베이스페어·염기쌍을 세는 단위. 1Gbp는 염기쌍 10억 개를 의미)의 DNA를 지니고 있다. 디지털 정보로 본다면 약 30억 개의 비트가 저장된 셈이다. 보통 8비트를 1바이트의 디지털 저장용량으로 계산하므로, DNA 1개에는 375MB(메가바이트·1MB는 100만 바이트)의 데이터가 저장될 수 있다.

하지만 DNA는 2진법으로 정보를 저장하지 않는다. DNA를 구성하는 염기는 아데닌(A), 티민(T), 구아닌(G), 사이토신(C) 등 총 4가지가 존재하기 때문에 1개 비트에 총 4개의 정보를 저장할 수 있다. 4진법 데이터 저장장치를 구현하는 셈이다. 단순계산해, 10개의 비트(DNA 염기쌍)에 약 100만 개(410개)의 정보를 저장할 수 있다. 2진법을 쓰는 디지털 저장장치가 10개 비트로 표현 할 수 있는 정보는 1024(210)개뿐이다.

DNA는 사용자가 원하는 염기서열로 손쉽게 합성하고 복제할 수 있다는 장점도 있다. 이런 특성을 활용해 DNA를 고분자 저장장치 재료로 사용하기 위한 연구가 활발히 이뤄지고 있다.

비록 정보를 저장한 DNA를 전자회로가 아닌 가루 형태로 보관해야 해 정보를 수시로 저장하고 불러오거나 원하는 정보만을 골라 찾는 데 한계도 있지만, 이에 대한 해결책도 연구되고 있다. 권성훈 서울대 전기정보공학부 교수와 박욱 경희대 전자공학과 교수팀은 서로 다른 정보를 디스크에 결합해 보관하는 형태의 DNA 저장장치를 개발해 지난해 7월 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스’에 발표했다. 연구팀은 고분자 섬유로 만든 QR코드 모양의 디스크를 제작했다. 고분자 섬유에는 각각 대동여지도, 훈민정음 해례본 등의 이미지를 저장한 DNA 분자를 화학적으로 결합했다.

그리고 저장된 DNA 염기서열 정보를 복제할 때 복제를 시작하는 역할을 하는 짧은 염기서열인 프라이머 정보는 QR코드에 저장해 QR코드만 스캔하면 저장된 이미지를 읽을 수 있도록 했다. 저장된 데이터를 불러올 때는 세포가 DNA를 복제하는 방법을 그대로 사용했다. 단일가닥 DNA에 프라이머가 결합해 이중가닥 DNA로 복제되면 새로 합성된 DNA 가닥이 분리되고 여기에 다시 프라이머가 결합해 계속해서 DNA 정보가 복제되는 방식이다. 복제된 DNA 가닥을 통해 염기서열을 해독하고 이를 다시 디지털 신호로 번역하면 저장된 이미지를 읽어낼 수 있다. doi: 10.1002/adma.202001249

박 교수는 “DNA 저장장치는 오랜 기간, 많은 양의 데이터를 저장해야하는 분야에서 활용가치가 크다”며 “특히 많은 양의 데이터가 필요한 헬스케어 산업 등에서 중요하게 활용될 수 있다”고 설명했다.

미국 브라운대 연구팀이 개발한 화학분자 저장장치로 저장한 이미지(왼쪽)를 불러오는 데 성공했다. 여기에 사용된 이미지는 피카소의 작품 ‘바이올린’이다. 네이처 커뮤니케이션 제공

DNA 같은 고분자가 아닌 개별 분자를 활용한다면 더 작은 공간에 많은 데이터를 저장할 수 있다. 최근에는 여러 개의 분자를 하나의 분자로 합성하는 우기반응(Ugi reaction)을 이용해 데이터를 화학물질에 저장하는 방식이 연구되고 있다.

제이콥 로젠스타인 미국 브라운대 전자공학과 교수가 이끄는 공동연구팀은 아민, 알데하이드, 카르복실산, 아이소시안화물 등 4종류의 작용기를 가진 분자를 이용해 약 1500종류의 분자를 합성했다. 합성된 분자에는 각각 비트 순서를 부여하고 해당 분자가 존재하는 경우 1을, 존재하지 않는 경우 0의 신호로 해석했다. 1500개 분자를 사용하면 1500비트의 데이터를, 3000개의 분자를 사용하면 3000비트의 데이터를 저장할 수 있는 셈이다. 연구팀은 피카소의 그림 작품을 해당 방식으로 저장했다가 다시 읽어내는 실험을 진행했다.

연구팀은 분자에 저장된 정보를 다시 재현하기 위해 각각의 분자를 구분해 분석할 수 있는 질량분석 방법을 사용했다. 그 결과 저장된 이미지를 오차율 0.11% 이내로 재현하는 데 성공했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’ 지난해 2월 4일자에 발표됐다. doi: 10.1038/s41467-020-14455-1

분자를 이용한 데이터 저장은 단지 한정된 공간에 저장할 수 있는 데이터 양을 늘린 것 이상의 가치를 갖는다. 연구팀은 액체에 녹아있는 화학 분자에 데이터를 저장하는 데 성공한 만큼 유연한 기판이나 3차원 표면에 정보를 입력할 수 있을 것이라고 주장했다. 연구팀은 정보를 3차원으로 저장하게 되면 이미지 인식과 검색 알고리즘 등 인공지능(AI) 관련 최신 연구 분야에 활용가치가 높다고 분석했다.

이 연구에 참여한 김은숙 브라운대 화학과 교수는 “다양한 과학 분야에서 데이터의 중요성이 높아지고 있는 만큼 새로운 형태의 저장장치 개발이 필요해지고 있다”며 “당장은 반도체 기반 저장장치만큼의 효율을 내는 데 어려움이 있지만, 새로운 형태의 저장장치가 폭넓게 사용되는 시대가 올 것”이라고 말했다.