관리 메뉴

ScienceBooks

별의 탄생을 연구해 태양계와 생명의 근원을 탐구하다 본문

(연재) 최강 과학, 기초 과학

별의 탄생을 연구해 태양계와 생명의 근원을 탐구하다

Editor! 2021. 6. 25. 17:49

지구의 시작은 뜨거운 마그마 덩어리였습니다. 그렇다면 지금 우리를 있게 하는, 지구상 모든 생명의 근간인 물과 유기 분자는 어디서 온 것일까요? 이 질문은 생명의 기원을 연구하는 천문학자에게 가장 흥미로운 주제 중 하나입니다. ㈜사이언스북스와 기초연구연합회가 함께 한국을 대표하는 기초 연구자를 소개하는 「최강 과학, 기초 과학」 연재 5편에서는 별의 탄생을 연구해 태양계와 생명의 근원을 밝히는 경희 대학교 이정은 교수님의 연구를 소개합니다. 이정은 교수님은 ‘폭발하는 원시별’을 오랜 기다림 끝에 세계 최초로 관찰해 행성 형성에 관여하는 유기 물질을 처음으로 검출하는 데 성공한 과학자입니다. 별의 죽음에서 시작해 별의 탄생으로, 그리고 이제는 별과 행성이 탄생하는 비밀의 실마리를 찾아내려고 하는 연구까지. 우리은하 천문학의 주제들을 통합해 가고 있는 이정은 교수님의 연구 세계 속으로 지금부터 함께 여행을 떠나 보시죠.


별의 탄생을 연구해 태양계와 생명의 근원을 탐구하다

이정은 경희 대학교 교수

 

 

1. 더 멀리 우주를 보려는 인간의 노력

 

동서고금을 떠나 사람들은 밤하늘에 반짝이는 수많은 별을 보면서 감탄하고 관찰하고 상상했다. 그리고 지구에 사는 사람들의 운명과 우주의 저 많은 별이 어떻게든 연결된다고 믿었다. 그들은 희로애락을 담은 별자리 신화와 탄생 별자리를 만들었고, 별을 보고 점을 쳤고, 나라의 대소사를 정할 때도 천문 관측 자료를 참고했다. 별 관측은 인간의 문명과 함께 시작되었다고 보아도 좋을 것이다.

 

별이 갖는 매력은 현대에도 그대로지만, 별에 대해 아는 것과 관측하는 방식은 많이 달라졌다. 우리는 뭉뚱그려 별이라고 부르지만, 실제로 우주에는 서로 다른 특성을 가진 여러 천체가 있다. 은하는 보통 별이라 부르는 항성과 그 주위를 도는 행성으로 이루어진 행성계, 2개 이상의 항성이 중력으로 묶여 있는 항성계, 항성 주변에 존재하는 기체와 먼지들로 이루어진 성간 물질, 아직 모르는 것이 많은 암흑 물질 등으로 이루어져 있다. 천문학자들은 우리 은하 밖에도 많은 은하가 존재한다는 사실을 알아냈다.

1576년 덴마크의 벤 섬에 티코 브라헤가 세운 우라니보르크(Uranienborg) 천문대. 우라니보르크란 이름은 그리스 신화에서 천문을 관장하는 여신 우라니아의 성(城)이라는 뜻이다.

 

 

우리가 우주에 대해 아는 모든 것은 조금이라도 더 자세하고 정확하게 관측하려고 과학자들이 애쓴 결과다. 16세기의 천문학자 티코 브라헤(Ticho Brahe)는 맨눈으로 관측했지만, 이후의 천문학자들은 새로 개발된 여러 장비를 썼다. 갈릴레오 갈릴레이(Galileo Galilei) 시기에 렌즈나 곡면 거울로 빛을 모으는 방식의 광학 망원경이 개발되었고 성능이 점점 좋아졌다. 20세기 후반에 기존 광학 망원경의 한계를 넘어서려는 여러 시도가 시작되었고 미국 항공 우주국(NASA)1990년에 제작한 허블 우주 망원경(Hubble telescope)은 가장 극적인 성공 사례였다. 허블 우주 망원경은 대기권 밖에서 천체를 관측하는 지름 2.4미터짜리 원통형 망원경이다. 허블 우주 망원경이 보내온 아름다운 우주 사진은 천문학자는 물론 대중에게도 큰 사랑을 받았다.

 

The Hubble Ultra Deep Field 사진 내 붉고 작은 100여 개의 은하는 광학 망원경으로 촬영된 은하 중 가장 멀리 떨어진 존재다.

 

이후 더 많은 천체 망원경이 등장했다. NASA1999년에 엑스선 파장대를 관측하는 찬드라 엑스선 천문대(Chandra X-ray Observatory)를 세웠고, 2003년에 적외선 영역을 관측하는 원통형의 스피처 우주 망원경(Spitzer telescope)을 우주로 발사했다. 2009년에는 유럽 우주국(SEA)이 허셜 우주 망원경(Herschel telescope)을 발사했다. 이뿐만 아니라 IT 기술의 발전에 힘입어 우주에서 오는 파장 1밀리미터 이하의 준밀리미터(sub-mm)파를 관측하는 제임스 클러크 맥스웰 망원경(James Clark Maxwell Telescope, JCMT)이나 아타카마 대형 밀리미터 집합체(Atacama Large Milimeter/submilimeter Array, ALMA) 같은 전파 망원경이 지상에 속속 건설되었다. 이러한 거대 천체 망원경 건설을 위해서는 엄청난 규모의 돈, 사람, 기술이 필요하기에 선진국도 여러 나라가 힘을 합쳐 공동으로 건설하고 운영하는 것이 보통이다. 천문학계에는 천체 망원경에 접근하지 못하는 천문학자, 이러한 거대 프로젝트에 참여하지 못하는 나라의 과학자를 위한 공유 문화가 형성되었다. 많은 경우 비참여국의 과학자에게도 관측 시간을 일정 비율 배분하는 식으로 운영된다. 또한 해당 관측을 한 과학자가 1년 동안 자료를 독점적으로 연구한 뒤에는 관측 자료가 모든 연구자에게 공개된다.

 

별 탄생에 대한 연구는 거대 천체 망원경의 존재에 힘입어 본격화되었다. 2000년대까지는 별 탄생 이전의 차가운 분자 구름 상태를 보여 주는 전파 영역이나 별 탄생이 이미 끝난 이후 상태를 알려주는 가시광 영역에서 단편적인 관측 정보만 얻을 수 있었기 때문에 별 탄생 연구가 피상적일 수밖에 없었다. 별은 두꺼운 성간 물질에 묻혀 있는 상태에서 탄생하기 때문에 성간 물질을 뚫고 나오는 적외선, 준밀리미터파와 같은 빛을 이용해 고감도의 관측을 해야 탄생 과정을 연구할 수 있다.

 

별 탄생 과정 연구에는 어떤 의미가 있는가? 별의 탄생과 죽음은 우주의 모든 물질의 근원이다. 별은 수소 핵융합 반응을 통해 탄소, 철 등 무거운 원소를 만들고 폭발하면서 우라늄같이 더 무거운 원소를 만든다. 이때 방출된 물질이 모여 성간 분자 구름이 된다. 성간 분자 구름의 밀도가 높아지면 중력 붕괴가 일어나 가스와 먼지가 응축된 상태인 원시별(protostar)이 된다. 중심의 원시별이 중력 붕괴 중인 성간 분자 구름으로부터 물질을 강착(accretion)시키는 방법에 따라 원시별 주변의 물질이 겪는 물리적, 화학적 변화는 달라진다. 원시별로 물질이 유입되는 과정에서 필연적으로 원반이 만들어지는데, 이 원반이 강착 과정을 조절한다. 이 원반이 바로 행성계가 형성되는 장소이기 때문에 이를 원시 행성계 원반이라 부른다. 그러므로 원시 행성계 원반의 물리적 상태와 화학적 성분을 알면 원반에서 생성되는 행성의 크기, 궤도, 대기에 포함되는 원자나 분자 같은 행성 형성 초기 조건을 알 수 있다. 따라서 별 탄생을 연구하면 궁극적으로는 태양계, 지구, 지구상의 생명체가 생성되는 조건과 과정을 이해할 수 있다.

 

이정은 교수는 별 탄생의 역학적 과정을 왕성하게 연구하는 젊은 천문학자다. 그녀는 서울 대학교에서 초신성 폭발로 생긴 성간 물질 연구로 석사 학위를 받았다. 이후 연구 관심사를 별의 탄생으로 바꾸었고 텍사스 대학교에서 태양과 같이 질량이 작은 원시별의 형성을 연구해 박사 학위를 받았다. 이후 여러 적외선 천체 망원경과 ALMA를 비롯한 전파 망원경으로 관측한 결과를 세계 유수의 학술지에 수십 편의 논문으로 발표했다. 이정은 교수의 연구 중에는 원시별에 성간 물질이 강착되는 과정이 간헐적이라는 것(2017)과 원시 행성계 원반 관측을 통해 질량이 작고 멀리 떨어진 쌍성이 성간 분자 구름의 난류에 의해 만들어진다는 것(2017)이 포함된다. 그 후에는 원시 행성계 원반에서 유기 분자를 관측했다. 원시 행성계 원반에서 유기 분자 3개가 관측된 적이 있었다. 그러나 이정은 교수팀은 이전에 관측된 3개에 더해 3개 이상의 새로운 분자를 관측하는 데 성공했고 이를 혜성의 유기 분자와 비교하는 연구를 진행했다(2019). 그녀는 이 연구를 통해 별과 행성의 탄생과 성장에 역학적 분석과 화학적 분석을 통합한 연구의 전망을 제시한다.

 

 

2. 별의 탄생에 이끌리다

 

이정은 교수는 별의 죽음에 대한 연구로 천문학자로서 첫발을 내디뎠다. 그녀는 서울 대학교 학부에서 구본철 교수의 천체물리학 수업을 수강하며 자신이 좋아했던 물리학을 기반으로 여러 천체 현상을 명확하게 설명하는 천문학에 매력을 느꼈다. 석사 과정에서 구본철 교수의 연구 영역이던 초신성 폭발 이후 흩뿌려진 성간 물질 관련 연구를 함께했다.

 

석사 과정에서 이정은 교수는 여러 전파 망원경의 관측 자료를 분석하는 경험을 쌓았다. 그때 분석한 관측 자료에는 007 골든아이에 나와서 유명해진 푸에르토리코 아레시보 천문대의 수소선(21센티미터선) 관측 자료, 대덕 전파 망원경의 일산화탄소 분자선 관측 자료, 뉴멕시코 거대 군집 전파 망원경(Very Large Array, VLA)의 관측 자료 등이 있었다. 전파 망원경은 장파장 전파를 측정하므로, 곡면 접시처럼 생긴 파라볼라 안테나의 지름이 클수록 높은 분해능을 가진다. 아레시보 망원경은 지름 305미터나 되어 단일 망원경으로는 세계 최고 규모다. 단일 망원경의 지름을 무한히 크게 만들 수는 없기 때문에 27미터 지름의 안테나를 여러 개 늘어놓고 네트워크로 관측 신호를 잡는 방식을 도입한 것이 VLA. 이런 세계적인 천체 망원경의 관측 자료는 관측된 지 1년 후에는 공개되므로 쉽게 얻을 수 있다. 관측 자료에 대한 1차 분석은 이미 끝났지만, 연구자가 창의적인 방법으로 해석하면 이로부터 의미 있는 연구 결과를 도출할 수 있었다. 반면 대덕 전파 망원경은 지름 14미터로 상대적으로 작은 규모이지만 접근 가능했기 때문에 보완 관측에 도움이 되었다.

이정은 교수가 별의 탄생에 대한 연구를 시작한 것은 2000년에 박사 과정에 진학하면서부터다. 그는 점차 별의 죽음보다 그 죽음의 잔해로부터 별이 탄생하는 순환 과정에 더 흥미를 느끼고 박사 과정에 진학하면 연구 주제를 바꾸기로 마음먹었다. 별의 죽음과 탄생 모두 성간 물질의 분석에 기초하기 때문에 주제는 다르지만, 연구 방법론은 유사해서 주제 변경에 별문제가 없었다.

 

박사 과정에 다니는 동안 이정은 교수는 관측 자료를 분석하는 독자적인 코드와 분자 구름 모델(molecular cloud model)을 개발했다. 대형 천체 망원경의 관측 시간을 배분받기 위한 연구자들의 경쟁은 치열하기 때문에 잘 짜인 관측계획서를 쓰는 것이 좋은 연구의 출발점이다. 그녀는 두 가지 방법으로 이를 돌파하고 관측 기회를 얻었다. 첫째, 사전 연구 자료를 활용했다. 텍사스 대학교는 캘리포니아 공과 대학교(Caltech)가 해발 4,200미터, 하와이 마우나케아 정상에 건설한 지름 10.4미터의 준밀리미터파 천체 망원경의 지분을 10퍼센트 가지고 있었기 때문에 방학마다 이곳을 직접 방문해 사전 관측 연구를 수행할 수 있었다. 둘째, 독자적인 코드와 모델을 개발했다. 당시 많은 과학자는 성간 분자 구름에서 별이 생성되고 있을 때 성간 분자들이 균일하게 분포한다고 가정했다. 그리고 성간 분자 구름에 유체역학적인 상태를 부여하지만, 화학적으로는 변화가 없는(constant) 상태를 부여하는 모델을 써서 계산했다. 이정은 교수는 성간 분자가 균일하게 분포한다는 가정을 버리고 성간 분자 구름의 역학적인 상태가 변할 때 성간 분자의 함량 변화를 계산할 수 있는 모델을 만들었다. 즉 성간 분자 구름의 역학적 상태와 화학적 상태를 동시에 고려하는 모델을 만든 것이다. 이 모델은 분자 구름에서 나타나는 여러 변화를 추가로 통합하는 방식으로 수정 가능하기 때문에 다른 연구에도 이용할 수 있다.

 

덕분에 그는 별의 탄생 연구에 필수적인 전파 망원경 관측 시간을 배분받을 수 있는 선순환 구조를 만들 수 있었다. 그 구조란 이렇다. 우수한 관측계획서를 쓰면 거대 전파 망원경의 관측 시간을 배분받을 수 있고, 그렇게 얻은 관측 자료를 잘 분석해 훌륭한 연구 성과를 내면, 이 연구성과는 다음 관측계획서를 작성해 좋은 평가를 받을 수 있는 토대가 된다. 물론 관측 시간을 배분받았다고 우수한 연구 성과가 보장되는 것은 아니다. 그러나 분석할 관측 자료가 없다면 우수하고 독창적인 연구 성과를 내기란 매우 어렵다. 따라서 일단 좋은 관측계획서를 쓰는 것이 매우 중요하다. 마우나케아에서의 사전 관측 자료 외에 역학적 상태와 화학적 상태를 결합한 그녀만의 성간 구름 모델은 그녀의 관측 계획을 흥미롭고도 실현 가능한 것으로 평가받게 했다.

 

그녀 자신은 허블펠로우십을 받아 박사후 연구를 할 수 있게 된 것도 이 모델 덕분이라고 생각한다고 한다. 박사후 연구를 한 캘리포니아 대학교 로스앤젤레스 캠퍼스(UCLA)에서는 지질학자들과 공동 연구 경험을 가졌다. UCLA에는 천문학과 외에 행성과학(planetary science) 전공 학과가 따로 설치되어 있기 때문이다. 이 행성과학과에 속한 지질학자들은 운석 분석을 통해 태양계 생성을 연구하고 있었다. 이정은 교수는 자신의 코드를 적용해 운석에서 관측되는 산소 동위원소비를 설명할 수 있었다. 이 연구에 따르면 지금은 소멸해 버린 많은 별이 함께 만들어지는 성단 속에서 태양계가 생성되었다고 가정해야만 운석에서 측정되는 산소 동위원소비를 설명할 수 있다. 또한 지구 형성의 원료가 되는 성간 물질의 탄소 함량비와 비교할 때 지구의 탄소량이 매우 작다는 사실을 발견했고, 그 원인이 무엇인지도 밝혀 학계의 관심을 불러일으켰다. 이 연구 경험은 별의 생성에 집중되었던 그녀의 연구 관심사가 태양계로까지 확대되는 계기 중 하나였다.

 

 

3. IGRINS 관측 - 원시별 주변 뜨거운 기체의 특성 측정

 

이정은 교수는 2007년에 귀국해 세종 대학교 천문학과에서 3년 반 교수로 재직한 뒤 2011년에 현재 속한 경희 대학교 우주과학과로 옮겼다. 경희 대학교 우주과학과는 1985년 신설된 후 꾸준히 성장해 왔고 특히 2008달 궤도 우주 탐사 연구과제가 세계 수준 연구중심대학(WCU) 육성 사업에 선정된 것을 계기로 학과의 규모와 연구 영역도 확대되어 상대적으로 좋은 연구 환경을 제공하는 곳이었다. 그녀는 세종 대학교에 재직할 때부터 원적외선 고분산 분광기, 아이그린스(IGRINS, Immersion Grating Infrared Sepctrograph)를 이용한 연구와 과학 임무 발굴에 참여했다. 그런데 IGRINS 개발의 주체 중 하나가 경희 대학교 우주과학과였다.

 

IGRINS는 한국천문연구원, 텍사스 대학교, 경희 대학교가 협력해 개발하고 텍사스 서부의 맥도날드 천문대에 설치한 관측 기기다. 한국천문연구원과 텍사스 대학교의 과학자들이 기기를 개발하고 설치하는 일을 맡았다. 경희 대학교는 관측 자료 정리(data reduction) 소프트웨어 개발을 담당했다. 당시 한편에서 기기를 개발하는 동안 다른 한편에서는 과학자들이 이 기기를 이용할 연구 과제를 발굴하는 활동을 했다. 이정은 교수는 공식적으로는 IGRINS 개발 프로젝트에 속해 있지 않았다. 그러나 경희 대학교로 오기 이전부터 IGRINS를 이용한 연구 개발에 참여했으며, 현재는 이 기기를 가장 활발하게 사용하고 있는 천문학자다.

 

IGRINS는 이전까지 불가능했던 분광 분해능을 가진 관측 장비로 개발되었고 2014년부터 관측에 이용되었다. 이 장비를 이용하면 지구형 행성의 형성 환경을 연구할 수 있다. 전파간섭계로 관측되는 원시 행성계 원반은 중심별에서 멀리 떨어진 차가운 영역이다. 이런 영역의 원반에서 형성되는 행성은 수소, 헬륨 같은 유체가 주성분을 이루고 있기 때문에 크고 명확한 표면이 없는 목성형 행성이다. 태양계에서 목성, 토성, 천왕성이 이에 속한다. 반면 지구형 행성은 중심별과 거리가 가깝고 상대적으로 온도가 높은 곳에서 형성된다. 중심별 가까이에 있던 암석 덩어리들이 합쳐져서 행성의 재료가 되었기 때문에 주성분은 규산염으로 된 암석이나 금속 등 고체 물질이다. 온도가 높은 영역을 관측하려면 적외선을 이용해야 한다. 그런데 당시 존재하는 적외선 우주 망원경에 장착된 분광기의 속도 분해능은 원반을 역학적으로 연구할 수준에는 못 미쳤다. 특히 원반 기체 성분의 분포와 운동은 이후 만들어질 행성들의 궤도나 질량에 결정적 영향을 끼치기 때문에 좋은 속도 분해능을 가지면서 다양한 분자선을 포함하는 분광기를 이용한 관측이 중요하다. IGRINS는 이러한 수요를 만족시켰다. 이정은 교수팀은 IGRINS를 이용해 원시별 가까이에서 돌고 있는 뜨거운 기체의 궤도 운동 속도를 분해해 중심 원시별의 질량을 추정했다. 또한 다양한 분광선을 분석해 지구형 행성이 만들어지는 위치에 존재하는 기체의 온도, 밀도 같은 물리량을 계산했다.

 

 

4. JCMT 관측 별 탄생 과정의 간헐적 특성 규명

 

별의 탄생에 관한 이정은 교수의 주목할 만한 연구 중 하나는 원시별로 성간 물질이 유입되는 역학적 과정의 특성을 규명한 것이다. 원시 행성계 원반에서 원시별로 물질이 강착되는 과정에서 에너지가 방출되고, 이 에너지는 주변의 성간 분자 구름을 가열하는 효과를 만든다. 천문학자들이 이 방출되는 에너지, 즉 원시별의 밝기 변화를 측정할 수 있다면 별의 성장 과정의 세부 사항을 밝힐 수 있다. 이러한 연구를 수행하기 위해서는 준밀리미터파에도 민감한 전파 망원경을 사용해야 한다. 하와이 마우나케아 천문 관측 단지에 설치된 제임스 클러크 맥스웰 망원경(James Clark Maxwell Telescope, JCMT)을 사용하면 가능하다. JCMT는 지름 15미터의 준밀리미터파 관측용 천체 망원경이다. 준밀리미터파 관측용 단일 망원경으로는 세계 최대 규모다. 맥스웰 망원경은 영국과 캐나다가 설치해 공동 운영하던 것을 중국, 일본, 한국, 대만이 공동 출자해 인수한 뒤 4개국이 참여한 동아시아 천문대(East Asian Observatory)가 공동 운영 중이다.

 

마우나케아 산에 설치된 제임스 클러크 맥스웰 망원경의 모습(사진 중앙) 사진 출처: Denys (CC BY 3.0)

 

아시아 4개국에 캐나다, 영국이 합류한 국제 공동 연구팀은 맥스웰 망원경을 이용해 흥미로운 연구 프로젝트를 시작했다. 준밀리미터파로 형성 중인 별의 밝기를 장기간에 걸쳐 모니터링해 물질의 강착 과정을 알아보기로 한 것이다. 이를 위해 8개의 별이 생성되는 영역(galactic stellar nurseries)3년간 관측하기로 했다. 이것은 일반적인 연구 방식은 아니었다. 그러나 SCUBA-2 같은 이미징 기술의 진보와 정확한 눈금 조정(calibration)과 측정을 가능하게 한 새로운 데이터 처리 방법 덕분에 시도할 수 있었다. 이정은 교수팀도 이 국제 공동 연구에 참여했다.

 

연구를 시작한 지 1년 반 만에 한국의 연구팀은 예상치 못했던 현상을 발견했다. 연구팀의 유현주 씨(충북대 대학원)가 생성되고 있는 여러 별을 포함한다고 알려진 Serpens Main을 매달 관측한 결과를 세세히 분석한 끝에 EC53의 밝기가 18개월에 한 번씩 변하는 것을 찾아낸 것이다. 이 발견을 설명하려면 별의 생성 과정에 대한 새로운 접근이 필요했다. 원시별에 성간 물질 강착이 연속적으로 일어난다고 가정하면 나타날 수 없는 현상이기 때문이다. 이정은 교수는 이때의 발견에 대해 내 눈을 사로잡은 것은 이전 관측에서 존재하지 않았던 갑작스러운 밝음을 보여 주는 새로운 데이터였다. 나는 유니크하고 흥미로운 무엇인가가 이 생성 중인 별 주변에서 일어나는 게 분명하다는 것을 알았다.”

 

이 연구의 결론은 다음과 같다. 원시별의 밝기가 간헐적으로 변하는 것은 강착, 즉 원시별로의 성간 물질 유입이 간헐적으로 일어난다는 말이다. 그런데 이러한 현상이 18개월마다 한 번씩 발생하므로 강착에 변화를 일으키는 요인은 무엇인가 주기적인 특징을 가진다. 이정은 교수를 비롯한 국제 공동 연구팀은 원시별의 주기적인 밝기 변화는 원시별의 숨겨진 행성이 공전하면서 일으키는 효과 때문일 것으로 해석했다. 그리고 행성은 지금까지 천문학자들이 생각하고 있던 것보다 더 이른 시점에 형성될 가능성이 있음을 보여주었다. 국제 공동 연구팀은 현재 다양한 후속 프로그램을 가동 중이다.

 

 

5. ALMA 관측 작고 멀리 떨어진 쌍성의 생성 기작 규명

 

전파 망원경의 분해능을 높이려는 노력은 VLA 이후에도 계속되었는데, 2018년 현재까지 가장 성공적인 것은 ALMA. VLA은 센티미터파를 관측하는 데 비해 ALMA는 밀리미터파를 관측할 수 있다. 칠레의 아타카마 사막에 건설된 ALMA는 지름 12미터와 6미터 안테나 66개로 구성되어 있다. ALMA는 간섭계 관측이 주 임무이므로 이 안테나들을 네트워크로 연결해 관측하는데, 간격을 조정해 최장 16킬로미터까지 확장될 수 있다. ALMA는 가시광선보다 1,000배나 긴 파장의 빛을 포착할 수 있기 때문에 우주 깊숙이 온도가 낮은 영역까지 관측 가능하다. 또한 성간 물질에 존재하는 메탄올이나 설탕 등 아미노산의 기초가 되는 유기 분자도 관측 가능하다. ALMA의 각 안테나가 수신한 신호는 중간 주파수대로 변환된 뒤 디지털 정보로 저장되어 초고속 광송신망으로 전송되었다. 이렇게 보내진 데이터를 종합 재구성해 전체 이미지를 만든다. ALMA는 제작에 10억 달러 이상의 자금이 들었고 개발되는 데 10년이 걸린 거대과학 프로젝트다.

 

 

세계 최대 간섭계 전파 망원경 ALMA 사진 출처: ESO/C. Malin (CC BY 4.0)
ALMA 관측 지원 과제 수 추이 ⓒESO

 

그러므로 세계의 내노라하는 천문학자들이 ALMA를 이용해 관측하고 싶어 하는 것은 당연한 일이다. ALMA 이용 권한의 10퍼센트는 ALMA가 위치한 칠레에 있고 나머지는 수월성을 기준으로 선정된 세계의 모든 연구자에게 주어진다. ALMA 건설에 참여한 국가의 과학자들을 특별히 고려하는 경우는 있을 수 있지만, 절대적인 것은 아니다. 2013ALMA가 운영되기 시작한 해부터 관측 신청 건수는 꾸준히 증가하고 있다. 20184월에 마감한 제6(201810월부터 20199월까지 관측) 공모에는 1,800건 이상의 관측계획서가 접수되었다. 이는 5기 공모의 1,661건보다 7.7퍼센트 증가한 것이다. 한 사람의 연구 책임자가 여러 개의 관측계획서를 접수할 수 있다고 하더라도 ALMA의 관측 시간 자체가 한정되어 있기에 어마어마한 경쟁률임은 틀림없다. 이정은 교수팀은 2013년 제1기부터 매년 ALMA 관측 시간 확보에 성공해 원시 행성계 원반을 계속 탐사하고 있다. 6기에도 3건의 관측계획서가 선정되어 약 15시간의 관측 시간을 확보했으므로 그녀의 연구가 계속 이어질 것으로 기대된다.

 

이정은 교수팀이 ALMA 관측을 통해 이룬 성과 중 질량이 매우 작은 쌍성의 생성 기작을 밝힌 것은 특히 중요하다. 우리 은하의 절반 이상의 별들은 쌍성이지만, 그 생성 기작은 잘 알려지지 않았다. 쌍성의 탄생에 관해서는 여러 가설이 제기되었다. 그중에서도 쌍성 간의 거리가 먼 경우, 주성(primary star)에서 반성(secondary star)이 튕겨 나가 두 별의 사이가 멀어진다는 견해가 많았다. 일반적으로 두 별 중 질량이 크고 밝은 별이 주성, 질량이 작고 어두운 별이 반성 혹은 동반성(companion star)이다. 이러한 견해는 별의 질량이 태양보다 큰 경우에 적용되었다. 반면 질량이 아주 작은 쌍성에 대해서는 제대로 밝혀진 바가 없었다. 매우 작고 어두워서 관측이 어렵기 때문이다. 가장 가능성 있는 가설은 성간 분자 구름의 난류에 의해 멀리 떨어진 두 지점에서 작은 중력 붕괴가 일어나 쌍성이 생성된다는 것이다. 이 경우 쌍성의 두 별이 하나의 원반에서 생겨난 뒤 시간이 지남에 따라 멀어졌을 가능성을 배제하기 위해서 관측 대상은 생긴 지 얼마 되지 않은 매우 어린 쌍성이어야 한다. 그런데 당시까지 이 가설은 입증되지 않았다.

 

연구팀은 ALMA 관측을 통해 이 가설을 입증하는 자료를 얻었다. 이들은 쌍성 IRAS 04191+1523를 관측했다. 쌍성을 이루는 두 원시별은 지구와 태양 사이의 거리보다 860배나 멀리 떨어져 있고 형성된 지 50만 년도 안 되었기 때문에 쌍성 형성 초기 단계를 조사하기에 적절했다. 연구팀은 ALMA를 이용해 이 쌍성에서 각각의 원반을 분해하는 데 성공했다. 그뿐만 아니라 두 원반의 회전축의 방향이 엇갈려 있고 두 회전축이 77도 어긋나 있음을 발견했다. 만일 이 쌍성이 한 원반에서 형성되었다면 두 별의 원반 회전축이 같다. 그리고 이 회전축의 상태는 상당히 오랫동안 지속되기 때문에 이 쌍성의 나이에 해당하는 시간 동안 회전축의 방향이 변해 서로 어긋난 상태가 될 수는 없다. 또한 원반의 일산화탄소 분자의 신호를 분석해 회전 속도를 확인한 결과 원시별의 질량이 태양 질량의 10퍼센트 수준으로 매우 작다는 것도 확인되었다. 따라서 멀리 떨어져 있고 질량이 아주 작은 쌍성도 질량이 큰 일반적인 쌍성처럼 난류에 의해 성간 분자 구름이 분열되면서 형성된 것이라는 결론을 얻었다. 은하에서 절반 이상의 별이 쌍성으로 만들어지므로 이 연구는 질량이 작은 별의 탄생 과정에 이론적으로 다가갈 수 있는 계기를 제공할 것이다. 분석 결과는 막 창간된 네이처 애스트로노미(Nature Astronomy)(2017)에 게재되었다.

 

이정은 교수팀이 관측한 원시 쌍성 IRAS 04191+1523 이미지 ⓒALMA (ESO/NAOJ/NRAO)
원시 쌍성 IRAS 04191+1523의 회전축이 어긋나 있음을 보여주는 관측 결과 ⓒALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Lee et al., ESA/Herschel/PACS.

 

ALMA 관측에서 얻은 또 하나의 연구 성과는 세계 최초로 원시 행성계 원반에서 다양한 유기 분자를 확인한 것이다. 연구팀은 성간 물질의 유기 분자 함량이 혜성의 유기 분자 함량과 유사하다는 결론을 얻었다. 이정은 교수는 이 연구가 지구에 여러 물질이 유입되는 궤적, 지구 생명의 기원을 탐구하는 데 실마리를 줄 것으로 기대하고 있다. 원시 행성계 원반의 물질들이 혜성이 되고 혜성은 지구와 충돌할 때 물과 유기 분자를 공급했을 것으로 예상되기 때문이다.

 

천문학 기초 연구는 우주론, (외부)은하 천문학, 우리은하 천문학으로 나뉜다. 우리은하 천문학에는 우리 은하 내부 성간 물질의 역학적, 화학적 변이 연구, 별의 생성-성장-죽음의 주기를 연구하는 항성천문학, 태양계의 천체를 연구하는 태양계 천문학이 포함된다. 이정은 교수는 별의 죽음 연구에서 출발해 성간 물질과 원시 행성계 원반 관측을 통해 성간 물질의 역학적 붕괴로부터 별의 탄생 과정, 그리고 혜성과 운석에서 관측되는 화학성분을 이해하기 위한 성간 화학 연구를 거쳐왔다. 그리고 세계 유수의 거대 천체 망원경을 이용한 관측, 자기만의 성간 분자 구름 모델과 코드를 도구로 우리은하 천문학의 연구 주제들을 통합하는 연구로 나아가고 있다.

 

 

6. 과학자의 천문학 & 사회 속의 천문학

사진: 이정은 교수 제공.

 

이정은 교수는 세계적으로 인정받는 유망한 한국 천문학자 중 한 명이다. 주요 천문학 학술지에 매년 여러 편의 논문을 발표했고 2000년대 중반부터 스피처 망원경과 허셜 망원경에서 각각 10시간의 관측 데이터를 확보해 분석을 진행 중이고 2014년부터 치열한 경쟁을 뚫고 ALMA 관측 시간을 배분받아 연구를 수행하고 있다. 2018년에도 ALMA3개의 관측계획서가 받아들여져 관측 데이터를 추가로 확보할 수 있게 되었다. 거기에 역학적 방법과 화학적 방법을 통합한 모델을 가지고 원시 행성계 원반과 성간 물질 관측 결과를 계산하는 독자적인 분석 틀을 가지고 있다. 그래서 앞으로 그녀가 별과 행성의 탄생 과정, 별과 행성의 물리적, 화학적 진화 과정, 행성계에서 일어나는 현상이라는 우리 은하 연구의 세 영역을 가로지르는 연구를 하면서 흥미로운 결과를 계속 보여 줄 것으로 기대된다.

 

이제 이정은 교수의 연구실 밖으로 나와 보자. 무엇을 볼 수 있는가? 먼저 그녀는 우리나라에서 독립적인 연구자로서 안정적으로 천문학을 연구하는 몇 안 되는 여성 천문학자다. 우리나라에 천문학을 전공할 수 있는 4년제 대학 자체가 많지 않다는 현실을 고려해도 2018년 현재 천제 천문학 관련 교수 중 여성 교수의 비율은 10퍼센트에도 못 미친다. 이들은 보이지 않는 존재들이다. 그나마 현재 활발하게 연구하고 있는 여성 천문학자들은 대부분 소장 학자들이다. 이들이 국내에서 천문학을 공부할 때는 서울대 천문학과의 이상각 교수, 부산대 지구과학교육과의 강혜성 교수를 제외하면 모범으로 삼을 만한 여성 교수가 거의 없었고 대학원 여성 동료조차 드문 시절이었다. 다른 이공계열의 여성 과학자들과 마찬가지로 소장 여성 천문학자들은 이런 환경에서 자신들의 열정, 의지, 실력으로 살아남은 사람들이다. 그리고 지금은 여성 천문학도들에게 본보기가 되었다. 이것은 한국에서 이정은 교수가 조직하는 연구팀에 유달리 여성 연구원의 비율이 높고 그녀가 몸담은 대학이 아닌 다른 대학의 학생들도 다수 포함된 상황을 설명하는 여러 이유 중 하나일 것이다. 이들이 천문학 연구자로서 남아 지금처럼 계속 우수한 연구를 하려면 동료 과학자와 사회, 정부가 무엇을 해야 할지 생각해 볼 문제다.

 

그다음은 현재의 천문학 연구 환경이다. 우주 천체 관측 천문학은 많은 돈, 장소, 시간, 공간, 인력이 필요한 거대과학이다. ALMA는 건설 계획이 만들어진 뒤 실제 건설될 때까지 10년이 걸렸고 비용도 10억 달러나 들었다. 한화로 1조가 훨씬 넘는 돈이다. 이런 천체 망원경을 독자적으로 건설하고 운영할 수 있는 나라는 미국뿐이라고 할 정도로 극소수다. 그래서 천문학 연구는 국제 공동 연구, 국제 협동 연구의 성격을 띨 수밖에 없다. 엄청난 돈을 투자한 천체 망원경의 관측 시간을 아무 기여도 하지 않는 나라 출신의 과학자에게도 배분하고 관측 자료도 1년이 지나면 공개하는 소위 열린 하늘 정책(open sky policy)’은 이러한 배경에서 나왔을 것이다. 그렇지 않으면 천문학은 부자 나라의 소수 과학자의 전유물이 될 것이기 때문이다.

 

우리나라의 천문학 연구 환경은 어떤가? 그동안 세계 10위권이라는 경제 규모에 비해 이러한 천문학의 대규모 국제 프로젝트 참여가 미약했던 것은 사실이다. 산업발전을 위한 응용 연구와 개발 연구가 강조되었기 때문에 안 그래도 부족한 기초 연구 자원을 천체 망원경같이 소수가 사용하는 비싼 장비에 나눠주기 힘들었을 것이다. 그러나 한국의 천문학자들이 언제까지 다른 나라가 애써 구축한 천체 망원경에 공짜로 올라타 연구할 수는 없다.

 

다행히 2000년대 이후에는 인식이 바뀌기 시작해 한국천문연구원을 중심으로 IGRINS 건설을 주도적으로 진행하고 거대 천체 망원경 프로젝트에도 참여하기 시작했다. 우리나라는 2009년에 지름 25.4미터의 차세대 거대 광학 망원경인 거대 마젤란 망원경(Giant Magellan Telescope, GMT)을 건설하는 국제 협력 프로젝트에 10퍼센트의 지분으로 참여하기로 결정했다. 칠레의 라스 캄파나스 산 정상에 건설되는 GMT2021년에 1단계 설치를 마치고 관측을 시작하고 2025년에 2단계까지 완공하는 것을 목표로 한다. 전체 건설 예산은 약 10억 달러 수준이 될 것으로 예상된다. 또한 2013년에 한국천문연구원은 일본의 ALMA 지분 25퍼센트 중 5퍼센트의 지분을 구매했다. 이는 ALMA 전체의 1.25퍼센트에 해당하는 지분이다. 2020년대 초가 되면 한국의 천문학자들이 우주의 시작, 별의 탄생 같은 주제를 연구할 수 있는 환경이 지금보다 나아질 것으로 기대된다.

 

별과 행성의 탄생, 우주의 기원, 생명의 기원은 이렇게 많은 자원을 투자하며 연구할 만한 가치가 있는가? 천문학 기초 연구를 하는 이정은 교수가 가끔 받는 질문이다. 그녀는 이렇게 대답한다.

 

천문학은 우주와 우리 자신의 기원에 대한 호기심에 바탕한 활동이다. 짧은 시간에 무엇인가를 만들어 내지는 못한다. 그러나 천문학자들은 그 호기심 때문에 잘 보이지 않는 미약한 별의 신호를 관측하기 위해 방법을 고민하고 상상하고 도전해 왔다. 그 과정에서 만들어진 것들이 긴 시간이 지난 후 예상치 못했던 기술로 이어졌다. 시간축을 길게 잡고 보면 천문학 연구 역시 인간의 삶을 풍요롭게 하는 기술을 만드는 데 보탬이 되었다. 그리고 무엇보다 현대의 인간은 먹고사는 것에만 매달리는 존재가 아니다. 호기심을 충족하려는 욕망은 그에 못지않게 중요하다.”

 

 

 

참고 자료

 

A. N. Krot et al. “Oxygen isotopic heterogeneity in the early Solar System inherited from the protosolar molecular cloud”, Science Advances, vol. 6, issue 42, p. 2724 (2020).

H. Yoo, J.-E. Lee, et al., “The JCMT Transient Survey: Detection of Submilimeter Variability in a Class 1 Protostar EC053 in Serpens Main,” APJ Vol. 849 No. 1 (2017).

J.-E. Lee, et. al,, “Formation of Wide Binaries by Turbulent Fragmentation,” Nature Astronomy Vol. 1, 0172 (2017).

J.-E. Lee, et al., “High Resolution Optical and Nir Spectra of HBC722” APJ Vol. 807: 84(8pp) (2015).

J.-E. Lee et al. “The ice composition in the disk around V883 Ori revealed by its stellar outburst”, Nature Astronomy, Volume 3, p. 314 (2019).

J.-E. Lee et al., “The Solar Nebula on Fire: A Solution to the Carbon Deficit in the Inner Solar System,” The Astrophysical Journal Letters Vol. 710, Iss. 1 (2010).

J.-E. Lee et al., Oxygen isotope anomalies of the Sun and the original environment of the solar system,” Meteoritics & Planetary Science Vol. 43, Iss. 8 (2008).

J.-E. Lee, “Chemical and Dynamical Conditions in Low-Mass Star Forming Cores” (PhD Dissertation: University of Texas, 2005).

ALMA 관련 내용은 http://www.almaobservatory.org/en 참조. (2018810일과 201924일 검색)

JCMT 관측 연구의 진행과 의의에 대해서는 JCMT in the News 참조. (2017111일 검색)

https://www.eaobservatory.org/jcmt/2017/11/18-month-twinkle/

천문연, 세계 최고성능 전파 망원경 지분 구입 추진”, 《동아사이언스》 2013823http://dongascience.donga.com/news.php?idx=2080 (2018818일 검색).

박병곤 거대 마젤란망원경 국제공동건설사업 현황”, 《물리학과 첨단기술》 201512.


이 글은 기초연구연합회의 2018년도 기초 연구 성과 사례 모음을 바탕으로 작성되었습니다. 이 글의 작성은 전북 대학교 부설 한국 과학 문명학 연구소의 김근배 교수님께서 맡아 주셨습니다.

 

참고 링크

Star Formation Group(http://starformation.khu.ac.kr)

 

 

 

함께 읽으면 좋은 책들

 

『날마다 천체 물리』

 

『오리진』

 

『코스모스: 가능한 세계들』

 

『초신성의 후예』

 

『권오철의 코스모스 오딧세이』

 

0 Comments
댓글쓰기 폼
Prev 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Next