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2강 지구인으로 살아가기: 황정아 박사 1편 본문
한국 물리학회 교육 위원회가 주관하고 (주)사이언스북스가 후원하는 「물리 어벤져스 2019」 두 번째 강연의 주인공은 한국 천문 연구원 책임 연구원 황정아 박사였습니다. 지난 5월 이성빈 카이스트 교수의 강연에 이어 7월 28일(금)에 진행된 강연에서 황정아 박사는 “지구인으로 살아가기: 인공 위성과 우주 날씨”라는 제목으로 태양풍과 인공 위성, 우주 방사선 등에 관해 강연해 주셨습니다. 현장 스케치는 프리랜서 라이터 신연선 작가가 작성했습니다. 모두 2편으로 발행됩니다.
물리 어벤져스 2019 스케치
2강 지구인으로 살아가기: 황정아 박사 1편
한국 천문 연구원 책임 연구원으로 재직 중인 황정아 박사님은 현재 과학 기술 연합 대학원 대학교 캠퍼스 대표 교수, 국가 우주 위원회 위원, 한국 과학 창의 재단 이사로도 활동하고 계시는데요. 2013년 “올해의 멘토상”으로 미래창조과학부 장관 표창, 2016년 포스텍과 동아일보가 공동으로 발표한 “한국을 빛낼 젊은 과학자 30인” 선정이라는 이력도 갖고 있습니다. 그밖에도 『우주 날씨를 말씀드리겠습니다』, 『우주 날씨 이야기』, 『과학자를 울린 과학책』(공저) 등을 출간했고 사이언스북스의 책 『과학 수다 4: 대통령을 위한 뇌과학』에도 공저자로 참여해 대중에게 우주 환경에 관한 재미있는 이야기를 전하고 계시죠. 국내 위성 연구의 최전선에서 활발한 활동을 하고 계신 황정아 박사님이 지난 7월 28일(금) “지구인으로 살아가기: 인공 위성과 우주 날씨”라는 제목으로 흥미로운 강연을 진행했습니다. 지구인으로서 우리는 우주를 얼마나 이해하고 있는지, 우주를 어디까지 알게 될지 가늠해 보는 시간이었습니다.
한편 강연에 앞서 한국 물리학회 회장 이범훈 교수님이 직접 오셔서 인사말을 전하셨는데, “저녁 시간에 자리한 여러분을 보니 우리나라의 과학 문화가 얼마나 성숙되어 가고 있는지를 느낀다.”라고 말했습니다.
지구를 덮치는, 태양풍
황정아 박사님이 강연을 시작하며 보여 준 이미지는 ‘지구 자기권’과 ‘태양풍’의 모습이었습니다. “이 이미지에 오늘 말씀드릴 내용이 축약되어 있다.”라고 말한 황정아 박사님은 강연의 중요한 주제가 될 태양계와 우주 날씨에 관해 간략하게 설명했습니다.
“왼쪽에 보이는 것이 태양이고요. 오른쪽 상단에 있는 것이 지구입니다. 지구를 둘러싸고 있는 이것들은 뭘까요? 바로 ‘지구 자기권’입니다. 지구는 하나의 커다란 자석이죠. 따라서 지구 주변에 자기력선이 형성되어 있습니다. 그런데 보시면 자기력선이 대칭이 아니죠? 한쪽은 작게, 한쪽은 넓게 흩어져 있어요. 이유는 태양에서 뿜어져 나오는 것들에 있습니다. 태양에서 뿜어져 나오는 덩어리가 마치 지구를 덮쳐 오는 것처럼 보이는데요. 이 물질이 바로 ‘태양풍’입니다.”
이 태양풍이 지구의 자기장을 왜곡시켜 태양에 면한 지구의 자기력선은 납작하게, 그 반대쪽의 자기력선은 마치 “혜성의 꼬리처럼” 길게 만드는 것입니다.
그렇다면 태양풍은 무엇으로 이루어져 있을까요? 황정아 박사님은 “태양과 지구 사이의 우주 공간을 가득 채우고 있는 것은 플라스마 상태의 물질”이라고 설명했습니다. 플라스마란 초고온에서 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 기체 상태를 말하죠. 고체에 온도나 에너지를 가하면 액체가 됩니다. 원자 간 거리가 상대적으로 멀어지는 건데요. 여기서 에너지를 더 많이 받아 기체가 되면 원자 간 거리는 더 멀어집니다. 기체가 더 많은 에너지를 가했을 때는? 바로 플라스마 상태가 되는 겁니다.
“플라스마는 물질의 네 번째 상태”라고 설명한 황정아 박사님은 “고체나 액체, 기체는 전하를 띠지 않는다. 여기에 더 많은 에너지를 주면 원자에서 전자가 분리되어 전류가 발생한다. 전자가 자유롭게 날아다니는 상태로, 움직이는 전하에 의해 자기장이 형성된다.”라고 이야기합니다.
“플라스마 상태가 되면 전기와 자기를 동시에 고려해야 하는 상태가 됩니다. 고체와 액체, 기체를 다룰 때는 고전 역학만으로도 충분했는데요. 이 단계가 되면 전자기학 방정식까지 동원해야 물질의 상태를 기술할 수가 있어요. 복잡해진 거죠. 제게 물리학과를 나와서 왜 우주를 연구하고 있느냐는 질문을 종종 하시는데요. 답이 나왔죠. 우주의 99.9퍼센트는 플라스마 상태의 물질로 이루어져 있습니다. 저는 우주 공간에 대한 물리를 연구하는 사람이에요. 공간, 즉 사이에서 일어나는 물질의 운동과 상태를 설명하기 위해서는 당연히 물리학을 공부해야만 하는 겁니다.”
앞의 이미지는 태양을 비유하는 달걀노른자와 태양풍을 비유하는 흰자입니다. 흰자에 흩뿌려진 태양계 행성들의 모습도 보이는데요. 흰자, 즉 플라스마로 이루어져 있는 태양풍의 영향력 아래에 태양계 행성들이 놓여 있다는 사실을 잘 보여 주고 있습니다. 황정아 박사님은 “지금 이 순간에도 쉬지 않고 태양풍이 지구를 때리고 있다.”라고 말하며 ‘솔라테레스티얼(Solar-terrestial, 태양-지구 계)’을 이야기했습니다.
“테레스티얼(terrestial)이란 공간에 대한 이야기입니다. 행성에 주목하는 것이 아니에요. 행성과 행성 사이의 공간에 대해 이야기하겠다는 의미입니다.”
태양이 영향을 미칠 수 있는 가장 먼 곳
우주 공간, 행성과 행성 사이의 공간에 대해 살펴보았습니다. 이제 황정아 박사님은 잠시 인류의 발자국을 떠올려봅니다. “인류가 우주로 보낸 인공적인 물체”, 즉 인공 위성 가운데 현재 지구로부터 가장 멀리 떨어져 이동하고 있는 것은 보이저 1호와 보이저 2호입니다. 보이저 1호에는 55개 나라의 “안녕하세요.”라는 인사말과 바흐 등의 음악, 개 짖는 소리 등이 담긴 ‘골든디스크’가 실려 있는 것으로도 잘 알려져 있죠.
“보이저 1호가 태양권(heliosphere)을 탈출했다는 내용이 《사이언스》 표지를 장식한 것이 2013년 9월의 일입니다. 이미지를 볼게요. 가운데 노란색으로 표시되어 있는 것이 태양입니다. 그 둘레에 태양계 행성들의 궤도면이 표시되어 있어요. 수성, 금성, 지구, 화성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성, 명왕성으로 대표되는 태양계가 이 궤도의 크기겠죠. 이 궤도 반경을 1이라고 한다면 현재 보이저호는 4에 위치해 있습니다. 태양계 반경의 4배 위치에 보이저가 있는 거예요.”
이미지를 다시 주의 깊게 살펴보겠습니다. 태양계 반경의 궤도 바깥에 푸른색으로 표시되어 있는 영역이 있는데요. 이 영역이 “태양권계면(heliopause)”입니다. 태양권은 태양계 행성은 물론 태양이 영향을 미칠 수 있는 가장 먼 곳까지 포함하는 영역을 말하죠.
“태양권계면을 말할 수 있는 근거가 필요하겠죠. 이 공간을 태양권이라고 이름 붙인 이유는 태양풍이 저기까지만 도달하기 때문입니다. 태양권계면 바깥은 태양풍이 더 이상 관측되지 않는 것이죠. 이것을 어떻게 알았을까요. 보이저 1호에서 태양풍을 측정하는 탑재체를 싣고 갔기 때문입니다. 말씀드렸듯이 태양풍은 전자와 양성자로 구성된 플라스마 상태의 물질입니다. 이 물질을 측정할 수 있는 탑재체가 측정을 한 것이고요. 태양권계면 안을 지날 때까지는 태양풍 에너지 범위에 해당하는 입자 검출 결과가 태양권을 지나가는 순간 0으로 된 거예요.”
보이저 1호가 태양권계면을 넘어선 것이 2013년, 보이저 2호가 태양권계면을 벗어난 것이 2018년입니다. 덕분에 인류는 태양권계면의 두 점을 확보한 것이죠. 이를 통해 태양권의 범위를 예측할 수 있게 된 것입니다. 황정아 박사님은 보이저 탐사선이 보내온 데이터 일부를 소개했습니다.
“드디어 보이저 1호가 보내온 데이터를 바탕으로 논문이 나오기 시작했습니다. 보이저가 무엇을 보내오든지 이것은 완전히 새로운 것이에요. 인류가 한 번도 보지 못했던 것이죠. 위 이미지에서 왼쪽 표를 보겠습니다. 윗부분은 플라스마 온도, 아랫부분은 양성자 밀도입니다. 두 개의 다른 플라스마 물질이 부딪치면 ‘쇼크(Shock)’가 형성돼요. 표에도 ‘터미네이션 쇼크(Termination shock, 말단 충격파)’와 ‘보 쇼크(Bow shock, 활 모양 충격파)’ 등이 있죠. 플라스마의 온도에 따라 높은 것은 붉은색, 낮은 것은 파란색으로 표현했어요. 그런데 전체를 이렇게 표로 그릴 수는 없습니다. 한 점씩 찍을 수밖에 없기 때문에 선만 나오는 것이죠. 이것은 시뮬레이션이고요. 오른쪽이 실제 데이터입니다. 입자 카운트(Counts(s)) 부분을 보시면 ‘70메가전자볼트(Mev)’ 이상 대역을 찍는 관측기가 2012년에서 2013년 부근부터 갑자기 증가를 하는데요. 계단처럼 형성되는 게 보이세요? 태양권 안에 있던 보이저가 바깥에 나갔다는 가장 강력한 증거입니다.”
보이저 1호가 태양권을 벗어났다는 증거는 또 있습니다. 자기장의 방향성인데요. 데이터 자료에서 자기장이 나가는 것을 ‘“Away” polarity’, 들어오는 것을 ‘“Toward” polarity’라고 표기한 부분을 보겠습니다. 2012년 5월 부근을 보면 입자 카운트와 자기장의 방향성이 동시에 변화하는 모습을 확인할 수 있죠. 데이터에 대한 간략한 설명을 하며 황정아 박사님은 “세 가지 정도의 과학적 증거를 가지고 보이저 1호가 태양권계면을 벗어나려고 하고 있다고 리포트하는 것”이라고 설명했습니다. 이러한 리포트는 2018년 12월 이후 보이저 2호가 보내오는 데이터로도 확인이 가능합니다.
한편 보이저 1호와 2호는 지금도 더 먼 곳을 향해 나아가는 중입니다. “많은 전자 제품의 집합체”인 인공 위성은 필연적으로 수명이 결정되어 있는데요. 전원이 공급되지 않으면 멈출 수밖에 없기 때문입니다. 가령 저궤도 위성의 수명이 1∼2년, 정지 궤도 위성의 수명이 3∼5년 정도죠. 황정아 박사님은 “우리가 알고 있는 지구 궤도의 모든 인공 위성은 태양열로 전원을 사용한다.”라고 설명하며 이와 달리 보이저 1호의 전원 공급은 일종의 ‘핵에너지’임을 설명했습니다.
“보이저 1호는 초소형 원자로를 싣고 갔어요. 지구와 태양 근처를 도는 인공 위성 탐사를 ‘근지구 우주 환경 탐사’, 태양계를 벗어나는 탐사를 ‘심우주 탐사’라고 얘기하는데요. 심우주 미션을 설계할 때는 반드시 방사선 동위 원소를 원료로 하는 RTG 원자력 전지를 싣고 가야 해요. 보이저도 마찬가지입니다. 1977년에 발사했음에도 불구하고 2025년까지 이동할 수 있는 플루토늄을 싣고 있습니다. 원자력 발전소가 조그맣게 있다고 생각하시면 돼요. (웃음)”
우리 은하에 있는 블랙홀은?
잠시 범유럽 연구망 GÉANT의 도메니코 비치난차(Domenico Vicinanza) 박사가 보이저 1, 2호가 보낸 관측 자료를 음표로 환산해 만든 「우주의 음악」을 들려준 황정아 박사님은 우리에게 명왕성 이미지를 보여 주었습니다.
“왼쪽에 픽셀로 보이는 것이 망원경으로 지상에서 관측한 명왕성입니다. 그런데 인류의 과학 기술 진보는 왼쪽의 명왕성을 오른쪽 이미지처럼 보이도록 했습니다. 명왕성에 간 인공 위성이 ‘뉴 호라이즌스 호’죠. 정말로 새로운 지평선을 열었어요. 뉴 호라이즌스 호 발사가 2006년입니다. 명왕성에 도착한 것이 2015년이니까 10년이 걸린 건데요. 이 미션을 설계한 분과 만난 적이 있어요. 설계까지 10년, 제작에 5년, 가는 데 10년, 데이터 분석에 5년, 총 30년을 한 미션에 바쳤다고 해요. 대단하죠. 한편 알록달록하게 색을 표현한 것은 대기 성분을 다르게 표시한 것입니다. 탑재체가 명왕성의 대기를 분리해 낼 수 있기 때문에 이런 그림이 가능한 거예요.”
이어 2019년 4월 전 세계가 열광했던 이미지, 바로 블랙홀의 이미지가 등장합니다. 황정아 박사님은 “전 세계 많은 과학자들이 이 이미지 하나를 만들기 위해 전파 망원경을 통해 연구한 결과”라고 설명했는데요. 흡사 도넛 같기도 한 이 블랙홀이 실제로는 얼마나 큰지 가늠해 보기 위해 다음과 같은 이미지를 보여 주었습니다.
“가운데 태양이 있고요. 태양 주위를 감싼 작은 원이 명왕성의 궤도입니다. 현재는 명왕성이 태양계 행성 지위를 박탈당하긴 했지만 이 궤도까지를 태양계라고 해 볼게요. 태양계 반경의 4배에 보이저 1호가 있죠. 그러니까 태양계 반경의 4배 위치 정도에 ‘사건의 지평선(event horizon)’이 있는 크기의 블랙홀을 발견한 거예요.”
사건의 지평선. 블랙홀 이미지를 보면 가운데가 검정, 주변이 붉은색입니다. 블랙홀은 가운데 검은색 부분으로, 블랙홀이 엄청난 중력을 갖고 있고 심지어는 빛조차 빨아들여서 검정으로 보인다고 생각하는 것이죠. 여기서 사건의 지평선이란 “블랙홀의 중력이 미치는 영역, 경계”를 의미합니다.
“모든 사건이 그렇듯 영향력이 무한대로 이어질 수는 없어요. 엄청나게 강한 중력이 구심이 되는 물체가 있다 치더라도 그곳으로부터 어느 정도 멀어지면 그 영향력이 미치지 못하지 않겠습니까. 중력의 힘이 미치는 경계가 있겠죠? 그 경계가 사건의 지평선입니다. 이미지에는 사건의 지평선이 사실 뚜렷하게 보이지 않는 상태예요. 이유는 이렇습니다. 이 블랙홀은 ‘M87’인데요. 이 블랙홀의 뒤에 있는 빛이 보는 사람, 나에게 오면서 많이 꺾입니다. 중력의 영향을 받기 때문이죠. 꺾여 오는 빛이 많이 겹칠수록 밝은 색으로 보여요. 아랫부분이 더 많이 꺾여 들어오는 상태인 겁니다. 블랙홀 자체를 정확하게 측정할 수는 없기 때문에 그로부터 오는 빛을 모두 더해 이미지를 만들다 보니 경계 자체는 불분명해진 거죠. 이것을 더 선명하게 그리기 위해서는 더 많은 데이터가 필요합니다. 더 큰 전파 망원경이 필요하겠죠.”
“이 블랙홀을 발견한 전파 망원경 중에는 한국 천문 연구원이 운영하고 있는 것도 있다.”라며 황정아 박사님은 깜짝 뉴스를 하나 전했습니다. 내년쯤에는 더 선명한 상을 얻을 수도 있을 것이란 이야기입니다. 또한 우리 은하에 있는 블랙홀도 발표 예정이라고 하는데요. 곧 세상에 공개될 새로운 블랙홀이 무척이나 기대됩니다.
(2편에서 계속)
「물리 어벤져스 2019」
4강 “이상한 나라의 ALICE: 원자핵에서 울리는 우주의 속삭임”
「물리 어벤져스 2019」 4강 "이상한 나라의 ALICE: 원자핵에서 울리는 우주의 속삭임"은 9월 27일 금요일 7시 30분에 ‘강남출판문화센터 지하 2층 이벤트홀’에서 진행됩니다.
오시는 길 ▼
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외계 지성체 탐사의 과거, 현재, 미래를 묻는 과학 사상서
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