[한국과학자의 질문] 경 대박이네

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것.ALMA과 이정은 교수의 이정은 경희대 우주 과학과 교수는 얼마 전 남미 칠레 출장을 2주간 갔다 왔다고 밝혔다. 그는 별의 탄생과 행성 발생을 연구하고 있습니다. 칠레 북단의 내륙 아타카 사막에는 세계 최대의 전파망원경 간섭계(ALMAAtacama Large Millimeter Array)가 설치돼 있다. 온 9월에 방송되는 KBS과학 다큐멘터리 촬영이 이번 이정은 교수의 출장 목적입니다. 이 교수가 ALMA를 이용해 진행하고 있는 최근의 연구를 소개하는 말이 다큐멘터리에 포함되어 있다고 합니다. 이 7월 23일 경기 용인 경희대 국제 캠퍼스의 연구 전문가가 찾아갔더니 ALMA사진이 이 교수 연구실 벽 한쪽에 띈다. 하얀 접시형 안테나가 전파망원경입니다. 이 교수는 "ALMA가 내게는 각별하다"고 했다.ALMA는 해발 5000m의 고지대에 있다. 칠레 북단의 볼리비아와의 국경 지대다. 20일 3년부터 전면 가동되고 전파 망원경 66대로 구성되고 있다. 전파 망원경을 여러 대 자신의 망원경처럼 조작해 우주를 관측하는 시스템을 간섭계라고 합니다.현대의 많은 기초연구는 거대한 시설이 있어야 가능하다. 이를 보여주자는 취지로 방송사 팀과 ALMA 사이트를 방문했다. 남반구에서 가장 유명한 천문대인 제미 자신(Gemini)과 CTIO에도 갔다. 방문 기간 중에 개기 일식이 있었지만 CTIO로 20일 7년 노벨 물리학 상 수상자인 킵 손 교수 인터뷰도 했다."​ 2. 일 때문에 신고 별 다음 이미지

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이 교수가 노트북을 펼쳐 ALMA가 분해능이 얼마나 뛰어난 전파망원경인지를 확인시켜 줬다.분해능은 망원경의 상이 얼마나 뚜렷한지를 보여주는 척도다. 2014년 촬영한 'HL타우(Tau)'라는 이름의 태아별 이제가 노트북 화면에 나왔다. 이 교수는 HL타우의 이미지를 아내의 소리를 봤을 때 나도 시뮬레이션은 이미 알고 있었다. 원시성 주위를 돌고 있는 원반의 실제 모습이라고 소견하기에는 너무 선명했다는 내용이었다.HL타우는 지구에서 456광년(140파ー섹) 떨어진 황소 자리에 있다. ALMA가 찍은 HL타우의 사진을 보면 중심 원시성이 밝고 그 주변에는 나이테와 같은 검은 고리가 있는데 검은 고리를 포함한 부분을 원시행성계 원반(disc)이라고 합니다. 고리 부분이 '원시행성'이 돌고 있는 공간입니다. 검게 보이는 이유는 원시 행성이 공전하면서 궤도 위의 물질을 흡입했기 때문입니다. 검지 않고 흰색으로 보이는 부분에는 물질이 퍼지고 있다. ​ 3.ALMA을 이용한 두건의 주요 연구가 교수는 ALMA을 이용하고 두건의 주목 받는 연구 성과를 냈다. 이 2월에는 태어나는 원시별의 행성 원반에서 유감 정자를 검출했다는 논문을 발표했다. 메탄올 같은 유감정자는 생명을 만드는 필수재료. 원시행성계의 원반에서 유감정자를 검출했다는 것은 행성이 만들어지고 있는 재료에 유감정자가 들어 있다는 내용이다. 지구에서 생명이 존재하게 된 이유와 접하고 있는 발견입니다. 지구 생명 탄생을 가능한 유감 정자가 어디에서 왔느냐는 것은 생명의 진화와 관련된 '빅 퀘스쳔(big question)'중 1이다.이 교수는 "원시행성계 원반에서 유감정자를 검출했다는 논문 내용을 그때 여러 국가 언론이 보도했다"고 말했다. ALMA을 이용한 다른 주목을 받는 연구는 2017년 7월에 꺼내서 질량이 아주 작은 쌍둥이 별(쌍성), 그것도 이란성 쌍둥이 별의 탄생의 순간을 포착한 것이었다. 우주에는 쌍둥이 별이 많지만, 질량이 가벼운 데 중력으로 묶여 있는 경우가 있다. 가벼워도 딱 맞으면 쌍성계를 형성했을지 모른다. 그러나 질량이 매우 가벼워 두 별이 멀리 떨어져 있는 소리에도 중력으로 묶여 있는 경우가 있다. 이 경우 원래는 별개였으나 나중에 중력으로 별 두 개가 맺어지게 되었습니다라고 소견해 왔으나 이 교수는 그렇지 않고 아주 가벼운 별이 이란성 쌍둥이로 각각의 성간분자운(별 사이에 있는 분자운)에서 태어났다는 정황증거사진을 제시했다.생겨나는 원시성은 짙은 성간 물질에 둘러싸여 있다. 빛이 성간물질을 뚫고 밖으로 나가기 어렵기 때문에 지구에 있는 천문학자가 원시성을 관측하기는 쉽지 않다. 다만 적외선은 파장이 길고 성간 물질 사이를 벗어나서 적외선을 이용하면 원시별을 관측할 수 있다. ​ 4. 별이 태어나는 곳, 성간 분자운

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이정은 교수는 미국 오스틴 텍사스대 천문학과에서 박사 공부를 할 때부터 적외선 망원경으로 원시별 탄생을 연구했습니다. 그때 미국 항공우주국(NASA)이 스피처 우주망원경이라는 적외선 망원경을 지구 궤도에 올렸는데 지도교수 닐 아이번스 교수가 스피처 우주망원경 프로젝트에서 아주 중요한 역할을 했습니다.이 교수는 "별 탄생을 이해하려면 성간운 수축부터 봐야 합니다"라며 자료를 노트북 화면에 띄웠다. 8월에 계획된 경기도 과천의 국립과천과학관에서 진행되는 특강자료라고 합니다. 서울대 지구 과학 교육과 일 99일 학번 출신인 이 교수는 "사범대 출신이어서 그런지 교육에 관심이 있다"라며 웃었다.은하 원반 사진을 봐도 별이 빛과 인하는 부분과 검게 보이는 부분이 있는데 이 검은 부분이 즉석 성간 물질이 들어 있는 곳이다. 성간 물질은 별과 함께 은하를 구성하는 주요 물질이지만 온도가 매우 아침의 가시광선으로는 보이지 않기 때문에 전파망원경으로 봐야 합니다. 성간 물질은 기체와 먼지로 되어 있다. 질량의 기준에서는 기체가 99%, 먼지는 한%이지만, 기체의 75%는 수소이다. 성간물질은 밀도가 아침 소음에도 훨씬 높아 우리의 시야를 가린다. 특히 먼지가 시야를 가린다.

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이 교수가 오리온자리의 성간물질을 찍은 사진을 보여줬다. 오리온 자리는 내가 초저녁에 들 때 동네 입구에서 어두운 하항 때를 올려다보면 남쪽의 어두운 하항 때 떠 있는 별자리다. 날씨가 꽤 좋은 날을 가끔 봤어. 이 교수가 보여주는 기위지를 보면 오리온 장군의 어깨에 있는 베텔게우스가 선명하다. 베텔게우스는 태양보다 더 큰 적색 거성으로 유명하다. Japan의 아이, 애니메이션'은하 철도 999'에 나오는 열차가 곧 베텔게우스로 가고 있다고 알려졌다.베텔게우스의 오리온 자리 반대쪽, 즉 오리온 장군의 무릎 쪽에 있는 별은 리겔이었다 이 교수는 리겔은 표면 온도가 일만 3000도(태양은 6000도)의 청색 거성으로 했다. 푸른색을 내는 별이 더 뜨겁고, 붉은색을 내는 별은 그렇게 뜨겁지 않다고 말했다. 베텔게우스의 표면 온도는 3600도이다. 베텔게우스와 리겔 사이에 오리온 장군의 띠를 이루는 삼태성이 있는데 그 아래 칼자국을 이루는 별의 중간은 온통 붉은색 성간물질로 가득 차 있다.검은 부분을 채우고 있는 차가운 물질은 뜨거운 물질보다 잘 굳는다. 매우 많은 양의 찬 물질이 굳어지면 자체 질량으로 중력수축 현상이 일어나는데 그런 과정을 거쳐 원시별이 나온다. 물질이 떨어지면 중력으로 그 대지가 열로 대지로 변한다. 이 열에 너로 인해 태어나는 원시별은 약한 빛을 발한다. 이때는 핵융합 반응이 일어나지 않는다. 질량이 커지고 태양의 8%쯤 되면 핵 융합이 시작된다". ​ 5. 원시별 탄생의 동역학 연구의 이정은 교수는 성간 물질의 중력 붕괴 비유가 함몰 등 원시별이 탄생하는 동력학을 주로 연구했다. 서울대 대학원 천문학과에서 초신성의 공부를 하고, 미국 오스틴-텍사스 대학의 박사 과정을 밟고 2003년에 낸 논문이 별의 탄생이 일본어 나는 성간 구름의 동력학 구조에 관한 연구였다. 이 교수는 부군(서기원)서울대 지구 과학 교육과 교수)와 함께 2000년부터 오스틴에서 공부했다.구체적으로 별은 어떻게 태어날 것인가. 이 교수에 따르면 성간운, 아니 성간분자운에서 별이 태어난다. 성간분자구름의 대부분은 수소분자이다. 이후 많은 것 시드(CO)에서 수소 분자가 1개 있으면 CO분자는 1개의 비율로 분포합니다.성간분자구름이 뭉쳐 별이 되고 분자가 별이 되는 지점에 떨어진다. 수소 분자와 CO가 빠른 속도로 끌려간다. 이때 수소 분자가 아니라 CO2의 스펙트럼을 볼 필요가 있습니다. 수소 분자는 같은 원자 두 개로 되어 있어 분자가 회전하면서 빛을 방출할 수 없어 수소 분자의 특별한 스펙트럼을 볼 수 없다.한편, CO는 탄소와 산소라고 하는 다른 두개의 원자로로 구성되어 있기 때문에, 낮은 온도에서도 독특한 스펙트럼을 낸다. 그래서 CO를 이용해 전체 성간분자 구름 함몰(collapse) 속도를 알 수 있다. 또 관측된 스펙트럼의 강도를 보면 CO분자의 총량을 확인할 수 있다. 수소분자와 CO가 우주에 1만 대 1로 존재하는 것을 알기 때문에 CO량을 조사하면 수소분자량을 확인할 수 있다. 결국 그 원시성이 가진 질량을 알 수 있고, 얼마나 큰 별로 자라는지 확인할 수 있다.성간분자구름은 꽤 차가워요. 절대 온도의 날 0도, 섭씨로 말하면 영하 270도 정도의 전부. 이 차가운 우주에 기체분자(수소, CO 등)나 먼지가 있는 것이었다. 이 교수는 먼지의 먼지를 드라이아이스라고 보면 된다. 드라이아이스가 주위에 있으면 어떻게 될까? 기체 분자는 드라이아이스 표면에 즉시 붙는다. 성간분자 구름에 있는 수소분자나 CO도 마찬가지"라고 말했다. CO2가 별이 태어나고 있는 중부에 떨어지자 분자의 운동 속도는 중부에 점점 빨라졌고 이에 따라"도플러 효과"가 일어난다.지구 관측자들이 보기엔 빠르게 멀어지는 CO 분자는 적색 편이(red shift) 현상을 보인다. 원래 위치에 스펙트럼이 보이지 않고 본래보다 붉은 색 쪽으로 스펙트럼이 이동해 나타난다. 태아별 중부로 갈수록 적색편이 값은 높아진다. 기존 천문학자들은 가장 높은 붉은색 편이값을 확인하면 그곳이 태어난 별이 놓여 있는 중부의 부로 보인다고 해석했지만 이 교수는 그렇지 않다고 말했다.원시성의 중앙부에 마스크 CO 분자가 먼지에 모두 붙어 버린다. 중앙부로 갈수록 온도는 차갑고 밀도는 높아지기 때문이었다. 스펙트럼을 낼 수 없어요. 따라서 지구 관측자가 볼 때 가장 높은 값인 적색편이를 내는 지점은 성간분자 구름의 중앙부가 아니다. 구름 한가운데서 한참 떨어진 부분이었던 바깥쪽 속도인데 가운데 속도라고 그동안 학자들은 잘못 해석해 왔다. 태어나는 별 주변에 CO가 어떻게 분포하는지 학자들이 이해하지 못했기 때문이었다. 별이 태어난 성간분자 구름의 중앙부에는 CO분자가 없을 수 있음을 밝혀냈다."이 교수는 "이것이 성간(interstellar) 화학"이라며 "성간화학을 이해해야만 별의 탄생동역학을 제대로 알 수 있다는 것을 보여준 것"이라고 말했다. 이 교수는 2004년'별의 탄생의 동역학 이론'과 '성간 화학 계산'을 모두 새로운 모델을 제시했다. 이 교수는 "태어나고 있는 별 주위의 기체 분자 분포가 때때로 어떻게 변화하는지를 보여줬다. 이 연구 덕분에 허블 펠로우가 됐다"고 말했다. 허블 펠로는 미국 NASA가 천문학계의 신예 학자에게 주는 장학금 제도다. 물질이 원시성 한가운데로 떨어질 때 기체분자와 먼지 사이에 어떤 화학반응이 일어나는지를 계산했다. 관측된 데이터를 설명하기 위해서, 우리는 모델을 만든다. 별 탄생의 동역학과 성간 화학 2개를 합친 것으로 그동안 이해하지 못한 것을 알게 됐다. 태어나고 있는 별 주위의 성간 분자운의 화학적 구조를 다룰 수 있게 되었다. 그렇게 되면 별이 탄생하고 있는 곳의 스펙트럼이 어떻게 보일지 예측할 수 있다. 이 정도의 조건을 가진 성간분자운이 중력 붕괴되었다면 스펙트럼은 이렇게 나타낼 것이라고 시뮬레이션을 통해 제시할 수 있다."​ 7.ALMA원시별 주위 원반까지보이는 이 교수는 "2004년까지는 큰 분 저라고 루 게임을 예상했다. 그런데 20일 3년 ALMA시대로 원시별 주위 원반까지 볼 수 있게 됐다. 천문학자들은 원시행성계의 원반을 이루는 물질이 무엇인지, 유기분자를 비롯한 화학구조가 무엇인지 궁금해했다. 천문학자들은 HL타우를 비롯해 다양한 원시별을 관측했다. 그러나 행성 형성에 관한 유기분자 발견에 모두 실패했다"고 말했다. 관측에 어려움이 있었던 것은 원시별은 광도가 낮았기 때문이다 원시행성계 원반의 대부분 영역에서 기체 분자가 드라이아이스와 함께 차가운 먼지먼지에 얼어붙어 있다. 그래서 유기분자를 검출하기는 어렵다. 강가령 유기분자를 관측하는 데 성공했다고 네이처 같은 학술지에 논문이 출간된 적도 있지만 잘못된 일이다. 행성이 만들어지는 곳이 아니라 원반 바깥쪽 표면부터 관측한 것이다.원시별에서 별로 변하기 위해서는 수소핵융합을 일으킬 정도로 질량이 커져야 합니다. 그러기 위해서는 원시 별이 분자 구름에서 물질을 추가로 흡입할 필요가 있습니다. 이때 물질이 원시별 표면에 떨어져 충돌하면 충격파가 발생해 에그 대지가 방출된다. 이 방출된 에그 대지는 원시성 주위를 돌고 있는 원시 행성계의 원반을 따뜻하게 한다. 그럼, 원시 행성계 원반이 2개 지역으로 나뉜다. 원시별에서 가까운 부분에서는 물이나 CO와 같은 분자가 기체로 존재하고, 별에서 멀리 떨어져 있는 부분에서는 이들 분자가 얼음상태로 존재합니다. 이 두 지역을 구분하는 선을 스노 라인(Snow Line)이라고 합니다. 이 부분이 관심있는 설명이다.. 태양계의 행성에 관한 많은 정보를 따르고 있기 때문이었다8. 태양계의 암석형 행성과 기체형 행성

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눈은 잘 굳는다. 반면 모래는 굳지 않는다. 스노 라인 안쪽에 있는 태양계 행성이 작고, 스노 라인 바깥쪽에 있는 태양계 행성이 큰 이유가 바로 이 때문입니다. 태양과 가까운 수성, 금성, 지구, 화성은 우주 모래로 만든 암석형 행성입니다. 크기가 작다. 태양에서 멀리 떨어져 있기 때문에 물 분자가 얼어 있는 지상에 있는 목성과 토성은 크다. 눈과 모래 알갱이를 뭉쳐 만든 큰 가운데 핵을 가진 기체형 행성이라고 한다. 암석형 행성과 기체형 행성 사이에 소행성대가 있다. 이 소행성대가 태양계에서는 스노라인에 해당한다고 보면 된다.그동안 이 교수를 비롯한 천문학자들은 HL타우와 함께 원시성 스노라인이 별에 가까워 원시행성계의 원반을 이루는 물질을 알아내는 데 어려움을 겪었다. HL타우의 경우 스노 라인이 불과 수 AU(지구에서 태양까지의 거리)밖에 되지 않았다. 그래서 이 교수가 착안한 것은 '폭발하고 있는 원시별'입니다. 원시성은 몸을 크게 할 때 물질을 계속 끌어들이지 않는다. 지금까지 알았던 것과는 달리 원시성은 간헐적인 폭식과 장기간 단식을 하고 있는 것으로 나타났다. 폭식 기간은 하나 00년 단식 기간은 수천년에서 수만년 1도 모른다. 이정은 교수는 이 중 폭식 중인 원시성을 찾았다. 폭식 중인 원시성에서는 스노우 라인이 확대되기 때문입니다. 원시성 한가운데에서 가까운 스노 라인 안에서는 먼지에 얼어있던 분자들이 기체 상태에 빠져 자신감을 갖기 위해 스펙트럼으로 관측할 수 있다. 이 교수는 인내심을 랑갓과 바랐던 것이 ALMA에서 'V883 Ori'라는 별을 관측했다. 폭식했고, 스노우 라인이 크게 확장된 이 원시별로 유기 분자가 5종이 있다는 것을 확인했다.이 교수는 대학 2학년 때 별의 탄생을 공부하게 감정 먹었다고 했다. 사람 몸 속의 원소가 별에서 만들어졌다는 것에 별이 태어나자 신고 죽는 과정이 있었기에 내가 여기 있다는 사실을 깨닫는 순간이었다. 그는 천문학은 배고픈 학문이라는 잘못된 인식이 우리 사회에 있다. 사실이 아니다. 좋아하는 것을 연구하면서 행복하게 살 수 있다고 예고했다. 이정은 교수는 행복해 보였다.끝.참고: 월터 앨버레이즈의 책 '이 모든 것을 만든 멋진 우연들'을 이정운 교수가 ジェ이정환 서울 서대문과학관장과 함께 번역, 출판했다.

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