[한국과학자의 질문] 경 알아봐요

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1.ALMA과 이정은 교수의 이정은 경희대 우주 과학과 교수는 얼마 전 남미 칠레 출장을 2주간 갔다 왔다고 하더군요. 그는 별의 탄생과 행성의 출범을 연구한다. 칠레 북단 내륙 아타카마사마크에는 세계 최대의 전파망원경 간섭계(ALMAAtacama Large Millimeter Array)가 설치되어 있다. 온 9월에 방송되는 KBS과학 다큐멘터리 촬영이 이번 이정은 교수의 출장 목적이었다. 이 교수가 ALMA를 이용해 진행하고 있는 작금의 연구를 소개하는 내용이 모두 큐멘터리에 포함되어 있다는 얘기일 것이다. 이 7월 23한 경기도 용인 경희대 국제 캠퍼스 연구실에 찾아갔더니 ALMA사진이 이 교수 연구실 벽 한쪽에 띈다. 흰색 접시형 안테나 프티푸치는 전파망원경이었다. 이 교수는 "ALMA는 나에게 각별하다"고 말했습니다.ALMA는 해발 5000m의 고지대에 있다. 칠레 북단의 볼리비아와의 국경지대이다. 2013년부터 전면 가동되고 전파 망원경 66대로 구성되고 있다. 전파망원경 여러 대를 한 개 쁘띠 망원경처럼 조작해 우주를 관측하는 시스템을 '간섭계'로 만들 것이다."현대의 많은 기초연구는 거대한 시설이 있어야 가능하다. 그것을 보여주자는 취지로 방송사 팀과 ALMA 사이트를 방문했습니다. 남반구에서 가장 유명한 천문대 세미나 푸지아이(Gemini)와 CTIO에도 갔다. 방문 기간 중에 개기 하나식이 있었지만 CTIO로 2017년 노벨 물리학 상 수상자인 킵 손 교수 인터뷰도 했습니다."​ 2. 일, 나쁘지 않아는 별 다음 이미지

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이 교수가 노트북을 열어 ALMA가 분해능이 얼마나 자신있는 전파망원경인지 확인시켜주었다.분해능은 망원경 상이 얼마나 자신감에 차 있는지를 보여주는 척도이다. 2014년 촬영한 'HL타우(Tau)'라는 이름의 태아별의 리드하는 것이 노트북 화면에 자신 왔다. "이 교수는 "HL 타우의 끝을 처 sound에서 봤을 때, 자신도 시뮬레이션의 선구라고 생각했다. 원시성 주위를 돌고 있는 원반의 실제 모습으로 보기에는 너무 선명했습니다"라고 말했었습니다.HL타우는 지구에서 456광년(140파ー섹) 떨어진 황소 자리에 있다. ALMA가 찍은 HL 타우의 사진을 보면 중심 원시성이 밝고 그 주변에는 '내 손'과 같은 검은 고리가 있는데 검은 고리를 포함한 부분을 '원시 행성계 원반(disc)'이라고 한다. 고리 부분이 "원시행성"이 돌고 있는 공간이었다.검은 보이는 이유는 원시 행성이 공전하고 궤도에 있는 물질을 들이마신 때문이라고 감지하지 않고 흰색으로 보이는 부분에는 물질이 퍼지고 있다. ​ 3. ALMA을 이용한 2반의 주요 연구 나 교수는 ALMA을 이용 칠로 2반의 주목 받는 연구 성과를 감춘. 이 2월에는 상태, 자기 신고 한 원시별의 행성 원반에서 유기 분자가 검출됐습니다.논문은 발표했습니다. 메탄올과 같은 유기분자는 생명을 만드는 필수재료 원시 행성계의 원반에서 유기분자를 검출했다는 것은 행성이 만들어져 있는 재료에 유기분자가 들어있다는 것이다. 지구에서 생명이 존재하게 된 이유와 닿고 있는 발견이었다, 지구의 생명 탄생을 가능하게 한 유기분자가 어디서 왔는지는 생명의 진화에 관련된 "빅 퀘스천" 속 주장이다.이 교수는 "원시 행성계의 원반에서 유기분자를 검출했다는 논문 스토리를 당시 많은 자신으로 언론이 보도했습니다"라고 말했던 바 있습니다. ALMA을 이용한 다른 주목을 받는 연구는 2017년 7월에 꺼내서 질량이 아주 작은 쌍둥이 별(쌍성), 그것도 이란성 쌍둥이 별의 탄생의 순간을 포착된 것이다.우주에는 쌍둥이의 별이 많지만, 질량이 가벼운데 중력으로 묶여있는 경우가 있다. 가벼워도 딱 쌍성계를 형성하고 있을지도 모른다. 그래서 질량이 매우 가볍고 두 개의 별이 멀리 떨어져 있는 sound에도 서로 중력으로 묶여 있는 경우가 있다. 이 경우, 원래 따로 태어난 자신 안에서 중력으로 두 개의 별이 묶이게 되었다는 견해를 보여 왔지만, 이 교수는 그렇지 않고 매우 가벼운 별이 이란성 쌍둥이로, 각각의 성간 분자운(성간에 있는 분자운)에서 나왔다고 한다. 원시성은 진한 성간 물질에 둘러싸여 있다. 성간 물질을 뚫고 밖으로 자신을 내보내기 어렵기 때문에 지구에 있는 천문학자가 원시성을 관측하는 것은 쉽지 않다. 다만 적외선은 파장이 긴, 성간 물질 사이를 빠져나가기 때문에 적외선을 이용하면 원시별을 관측할 수 있다. ​ 4. 별이 태어나는 장소 성간 분자운

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이정은 교수는 미국 오스틴 텍사스 대학 천문학과에서 박사를 공부할 때부터 적외선 망원경으로 원시별 탄생을 연구했습니다. "당시 미국항공우주국(NASA)이 스피처 우주망원경이라는 적외선망원경을 지구궤도로 날려보냈는데, 지도교수 닐" 아이번스 교수가 스피처 우주망원경 프로젝트에서 매우 중요한 역할을 했습니다.이 교수는"성간의 탄생을 이해하기 위해서는 별 사이의 구름 수축으로 봐야 한다"고 말하고 자료를 노트북 화면에 올렸다. 8월에 계획된 경기도 과천. 과천 국립과천과학관에서 하는 특강 자료라고 한다. 서울대 지구 과학 교육과의 한 99개의 학생 출신의 이 교수는 "사범대 출신이어서 그런지 교육에 관심이 있다"라며 웃었다.은하의 원반 사진을 봐도 별이 빛나는 부분과 검게 보이는 부분이 있는데, 이 검은 부분이 바로 성간물질이 들어가기 쉬운 곳이었다. 성간물질은 별과 함께 은하를 구성하는 주요 물질이지만 온도가 매우 낮아 가시광선에는 보이지 않기 때문에 전파망원경으로 볼 필요가 있다. 성간 물질은 기체와 먼지로 만들어져 있다. 질량의 기준에서는 기체가 99퍼센트, 먼지는 하나 했지만 기체의 75%는 수소이다. 성간 물질은 밀도는 낮음에도 부피가 부풀어올라 우리의 시야를 가린다. 특히 먼지가 시야를 가린다.

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이 교수가 오리온자리의 성간 물질을 찍은 사진을 보여줬다. 오리온자리는 내가 저녁에 집에 들어갈 때 마을 입구에서 낮 하강상을 올려다보면 남쪽 낮 하강상에 떠 있는 별자리이다. 아주 좋은 날 가끔 보았다. 이 교수가 보여주는 이미지를 보면 오리온 장군 어깨에 있는 베텔게우스가 선명하다. 베테르게우스는 태양보다 초과일이 큰 적색포성으로 유명하다. 가 본 애니메이션'은하 철도 999'에 제게 오는 열차가 곧 베텔게우스로 가고 있다고 알려졌다.내 반대편, 즉 오리온 장군 무릎 쪽에 있는 별은 리겔이었다. 이 교수는 리겔은 표면 온도가 하나만 3000도(태양은 6000도)의 청색 거성으로 했습니다. 파란색 빛을 내는 별이 더 뜨겁고 빨간색을 내는 별은 별로 뜨겁지 않다고 하더군요. 베텔게우스의 표면 온도는 3600도이다. 베테르게우스와 리겔 사이에는 오리온 장군의 허리띠를 이루는 삼태성이 있는데 그 밑에 칼집을 이루는 별의 중간이 온통 붉은색 성간 물질로 가득 차 있다."검은 부분을 채우고 있는 차가운 물질은, 뜨거운 물질보다 잘 뭉친다. 방대한 양의 차가운 물질이 모이면, 자기 부담의 질량으로 중력의 수축 현상이 하나가 되어 과하게 되는데, 그러한 과정을 거쳐 원시성이 생겨난다. 물질이 떨어지면 중력에너지는 열에너지로 변한다. 이 열에너지로 인해 태어나 와인은 원시성은 약한 빛을 낸다. 이때는 핵융합 반응이 하나어과가 아니다. 질량은 더 커질, 태양의 8%정도가 되면 핵 융합이 시작된다". ​ 5. 원시별 탄생의 동역학 연구의 이정은 교수는 성간 물질의 중력 붕괴도는 함몰 등 원시별이 탄생하는 동력학을 주로 연구했습니다. 서울대 대학원 천문학과에서 초신성의 공부를 하고, 미국 오스틴-텍사스 대학의 박사 과정을 밟고 2003년에 낸 논문이 별의 탄생이 하나오그와잉눙 성간 구름의 동력학 구조에 관한 연구였다. 이 교수는 부군(벨기에 빠라무 서울대 지구 과학 교육과 교수)와 함께 2000년부터 오스틴에서 공부했습니다.구체적으로 별은 어떻게 생겨날까? 이 교수에 따르면 성간운, 아니 성간분자운에서 별이 나온다. 성간분자구름의 대부분은 수소분자이다. 다음으로 많은 것이 꽃 산화 탄소(CO)에서 수소 분자가 1개 있다면 CO분자는 1개꼴로 분포한다."성간 분자운이 뭉쳐 별이 되고, 분자들이 별이 되는 지점에 떨어진다. 수소분자와 CO가 빠르게 끌려다닌다. 이때 수소 분자가 아니라 CO2의 스펙트럼을 봐야 한다. 수소분자는 같은 원자 두 개로 이루어져 있으며 분자가 회전하면서 빛을 방출할 수 없고 수소분자의 특별한 스펙트럼을 볼 수 없다.한편, CO는 탄소와 산소라는 다른 두 원자로로 구성되어 있기 때문에, moning은 온도에서도 독특한 스펙트럼을 낸다. 그럼으로써, CO2를 이용 칠로 모두 성간 분자 구름의 함몰(collapse)속도를 알 수 있다. 역시 관측된 스펙트럼의 세기를 보면 CO 분자의 총량을 확인할 수 있다. 수소 분자와 CO가 우주에 "한모금가지만 대 하나"로서 존재하는 것을 알고 있어 CO2의 양을 알아내면 수소 분자 질량을 확인할 수 있다. 정내용결국 그 원시성이 갖는 질량을 알 수 있고, 얼마나 큰 별에서 자라과인지 확인이 가능하다."성간분자구름은 매우 차갑다. 절대 온도 하나 0도, 섭씨로 말하면 영하 270도 정도의 전부. 이 차가운 우주에 기체분자(수소,CO 등)와 먼지가 있는 것이었다. "이 교수는 "먼지 먼지를 드라이아이스와 소견하면 된다. 드라이아이스가 주위에 있으면 어떻게 돼? 기체분자가 드라이아이스 표면에 바로 달라붙는 것이다. 성간분자운에 있는 수소분자과인 CO도 마찬가지"라고 적었습니다. CO2는 별이 태어난 중앙부에 떨어질 때 분자의 운동 속도는 중앙부에 갈수록 빨라지고 이에 따른 도플러 효과가 한 입 하나로 된다.지구 관측자가 보기에 빠르게 멀어지는 CO-분자는 "적색 편이(red shift)" 현상을 나타낸다. 제자리에 스펙트럼이 보이지 않고 본래보다 붉은 색 쪽으로 스펙트럼이 이동하여 광태가 있다. 태아별 가운데로 갈수록 ,"빨간색 편이" 값은 높게 오간다. 지금까지 천문학자들은 가장 높은 빨간색이 값을 확인하면 그곳이 태어난 별이 있는 가운데부라고 해석했지만 이 교수는 "그렇지 않다"고 말했습니다.원시성 가운데 타는 COM 분자들이 먼지 먼지에 다 붙어 버린다. 중간에 갈수록 온도는 차가웠고 밀도는 높아지기 위해서였다. 스펙트럼을 낼 수 없다. 그리하여 지구의 관측자가 보기에 가장 높은 값의 "적색편이"를 내는 지점은 성간분자구름의 한가운데가 아니다. 구름 한가운데서 꽤 떨어져 있는 부분이었다. "외측의 속도이지만, 가운데 속도다"고 지금까지 학자가 잘못 해석해 왔다. 태어난 별 주위에 CO가 어떻게 분포되어 있는지 학자들이 이해하지 못했기 때문이었다. 별이 태어난 성간 분자구름 가운데 중부에는 CO분자가 없을 수 있다는 것을 알아냈다" 이 교수는 "요한 것이 성간(interstellar) 화학"이라면서 "성간 화학을 이해해야 성간 탄생동력학을 제대로 알 수 있다는 것을 보여준 것"이라고 내용했습니다. 이 교수는 2004년'별의 탄생의 동역학 이론'과 '성간 화학 계산'을 모두 new모델을 제시했습니다. 이 교수는 태어과인 별 주위의 기체분자 분포가 시각에 따라 어떻게 변화하는지 보여줬다. 이 연구 덕분에 허블펠로우가 되었습니다"라고 적었습니다. 허블펠로는 미국 NASA가 천문학계의 신예 학자에게 주는 장학금 제도다. "물질이 원시성의 한가운데 떨어질 때, 기체분자와 먼지 사이에 어떤 화학반응이 하나어과인지 계산했습니다. 우리는 관측된 자료를 설명하기 위해 모델을 만든다. 별 탄생의 동력학과 성간화학이라는 두 가지를 합친 것으로, 지금까지 이해하지 못했던 것을 알게 되었습니다. 태어난 별 주위의 성간 분자구름의 화학적 구조를 다룰 수 있게 되었습니다. 그렇게 되면, 별이 탄생하고 있는 곳의 스펙트럼이 어떻게 볼 것인가, 라는 예측을 할 수 있다. 이 정도의 조건을 가진 성간 분자구름이 중력 붕괴되고 있다면 스펙트럼.는 이렇게 양가와 시뮬레이션을 통해 제시할 수 있다."​ 7.ALMA원시별 주위 원반까지 보이는 이 교수는 "2004년까지는 큰 분 저라고 르 다음을 이야기했습니다. 그런데 20하나 3년 ALMA시대로 원시별 주위 원반까지 볼 수 있게 되었습니다. 천문학자들은 원시 행성계의 원반을 이루는 물질이 무엇인지, 유기분자를 비롯한 화학구조는 어떤지 궁금해 했습니다. 천문학자들은 HL타우를 비롯해 다양한 원시성을 관측했습니다. 과인 행성 형성과 관련된 유감자 발견에 모두 실패했습니다"라고 내용했습니다. 원시성은 광도가 Moning기 때문이었다. 원시 행성계의 원반 대부분의 영역에서 기체 분자가 드라이아이스처럼 차가운 먼지 먼지에 얼어붙어 있다. 그 때문에, 기름 느낌자를 검출하기 어렵다. 가끔 유기분자를 관측하는데 성공했습니다.그리고 네이처 같은 학술지에 논문이 출판되기도 하는데 그건 잘못된 일. 행성이 만드는 곳이 아니라 원반 바깥쪽 표면으로 관측한 것.원시성에서 별로 변하기 위해서는 수소핵융합을 하나로 만들수록 질량이 커져야 한다. 그러기 위해서는 원시성이 분자구름에서 물질을 추가로 흡입해야 한다. 이때 물질이 원시별 표면에 떨어져 충돌하면 충격파가 발발하고 에너지가 방출된다. 이 방출된 에너지는 원시성 주위를 돌고 있는 원시 행성계의 원반을 따뜻하게 한다. 하면 원시 행성계 원반이 2개 영토에 동전을 들으면, 원시 행성계 원반이 두 영토이다. 원시성으로부터 가까운 부분에서는 물과 CO와 같은 분자가 기체로 존재하고, 별에서 멀리 떨어져 있는 부분에서는 이들 분자가 오르소리 상태로 존재한다. 이 두 영토를 구분하는 선을 스노우라인(Snow Line)이라고 한다. 이 근처가 간지러운 설명입니다. 태양계 행성에 대한 많은 정보를 찾고 있었기 때문이었다8. 태양계의 암석형 행성과 기체형 행성.

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"눈은 잘 뭉친다. 반면 모래는 굳지 않다. 스노라인의 안쪽에 있는 태양계의 행성이 작고 스노라인의 바깥쪽에 있는 태양계의 행성이 큰 이유가 바로 이 때문이었다. 태양에서 가까운 수성, 금성, 지구, 화성은 우주의 모래로 만들어진 암석형 행성이었다. 크기가 작다 태양에서 멀리 떨어져 있는, 따라서 물 분자가 얼어 있는 지상에 있는 목성과 토성은 크기가 매우 높다. 눈과 모래알을 뭉쳐서 만든 큰 복판핵을 가진 기체형 행성이라고 한다. 암석형 행성과 기체형 행성 사이에 소행성대가 있다. 이 소행성대가 태양계에서는 스노우라인에 해당한다고 보면 된다"지금까지 이 교수를 비롯한 천문학자들은 HL타우와 다같이 원시성의 스노라인이 별에 근접해 있어 원시행성계의 원반을 이루는 물질을 알아내는 데 어려움을 겪었다. HL 타우의 경우, 스노우 라인이 불과 수 AU(지구에서 태양까지의 거리)밖에 없었다. 따라서 이 교수가 착안한 것은 "폭발하고 있는 원시성"이었다. 원시성은 몸을 키울 때 물질을 지속적으로 흡수하지 않는다. 이전에 알던 것과는 달리 원시성은 간헐적인 폭식과 장기간 단식을 하는 것으로 밝혀졌다. 폭식 기간은 100년 단식 기간은 수천년에서 수만년 1도 모른다. 이정은 교수는 이 중 폭식 중인 원시성을 찾았다. 폭식 중인 원시별로는 스노라인이 확대되기 때문이다. 원시성의 가운데에서 가까운, 스노우라인 안쪽에서는 먼지 먼지에 얼어 붙어있던 분자가 기체상태에서 떨어져 본인이기 때문에 스펙트럼으로 관측할 수 있다. 이 교수는 인내심을 가토-기대하고 ALMA에서 'V883 Ori'라는 별을 관측했습니다. 폭식했고, 스노우 라인이 크게 확장된 이 원시별로 유기 분자가 5종이 있다는 것을 확인하였습니다.이 교수는 대학 2학년 때 별의 탄생을 공부하기로 마음 먹었다고 했습니다. 사람 몸속의 원소가 별에서 만들어졌다는 것을, 별이 태어난 것, 죽는 과정이 있었기에 내가 여기 있다는 것을 깨달은 순간이었다. "그는 천문학은 굶주린 학문이라는 잘못된 인식이, 국한사회에 있다. "사실이 아니다. 괜찮은 것을 연구하며 행복하게 살 수 있다"고 스토리를 말했습니다. 이정은 교수는 행복해 했다.끝참고:월터 アルバ알바레즈의 책 '이 모든 것을 만든 어처구니없는 우연들'을 이정운 교수가 제부인 이후환 서울 서대문과학관장과 함께 번역, 출간한 적이 있다.

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