[한국과학자의 질문] 경희대 천문학자 이정은 교수

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1. ALMA와 이정은 교수, 경희대 우주과학과 교수는 얼마 전 남미 칠레 출장을 2주간 다녀왔다고 했습니다. 그는 별의 탄생과 행성의 생성을 연구한다. 칠레 북단 내륙의 아타카 사막에는 세계 최대의 전파망원경 간섭계(ALMA·Atacama Large Millimeter Array)가 설치되어 있다. 오는 9월 방송되는 과학다큐멘터리 촬영이 이번 이정운 교수의 출전 목적이었다. 이 교수가 ALMA를 이용해 진행하는 최신 연구를 소개하는 스토리가 다큐멘터리에 담겨 있다고 한다. 올해 7월 23일 경기 용인 경희대 국제캠퍼스 연구실을 찾았더니 ALMA 사진이 이 교수의 연구실 벽 한쪽에 붙어 있었다. 흰색 접시 모양의 안테나는 전파 망원경이었다 이 교수는 “ALMA는 나에게 각별하다”고 말했습니다.ALMA는 해발 5000m 고지대에 있다. 칠레 북단의 볼리비아와의 국경 지대다. 2013년부터 전면 가동됐으며 전파망원경 66대로 구성돼 있다. 전파망원경을 여러 대 하면 자신의 망원경처럼 조작해 우주를 관측하는 시스템을 간섭계라고 한다.현대의 많은 기초연구는 거대한 시설이 있어야 가능하다. 그걸 보여주자는 취지로 방송국 팀과 ALMA 사이트를 방문했습니다. 남반구에서 가장 유명한 천문대 제미 자신(Gemini)과 CTIO에도 갔다. 방문 기간 동안 개기일식이 있었고 CTIO에서 2017년 노벨 물리학상 수상자인 킵슨 교수를 인터뷰했습니다.2. 타고난 별따우 이미지

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이 교수가 노트북을 펴 ALMA의 분해능이 그리 나쁘지 않고 뛰어난 전파망원경인지를 확인시켜 줬다.분해능은 망원경의 상이 얼마나 나쁘지 않았는지를 보여주는 척도다. 2014년 촬영한 HL 타우(Tau)라는 이름의 태아별 이미지가 노트북 화면에 나쁘지 않았다. 이 교수는 “HL타우 이미지를 처음 봤을 때 나쁘지 않아도 시뮬레이션 이미지라고 생각했다. 원시성 주위를 돌고 있는 원반의 실제 모습이라고 생각하기에는 당신 무선명했다고 말했다.HL타우는 지구에서 456광년(140퍼섹) 떨어진 황소자리에 있다. ALMA가 찍은 HL타우의 사진을 보면 중심 원시성이 밝고 그 주변에는 ‘나쁜 아이템’과 같은 검은 고리가 있는데 검은 고리를 포함하는 부분을 ‘원시 행성계 원반(disc)’이라고 합니다. 고리 부분이 ‘원시 행성’이 돌고 있는 공간입니다. 검게 보이는 이유는 원시 행성이 공전하면서 궤도 위에 있는 물질을 들이마셨기 때문입니다. 검지되지 않고, 흰색으로 보이는 부분에는 물질이 퍼지고 있다.3. ALMA 이용한 2건의 주요 조사=이 교수는 ALMA를 이용해 2건의 주목받는 조사 성과를 냈다. 올해 2월에는 태어난 뒤 떨어지지 않은 원시성의 행성 원반에서 유감자를 검출했다는 논문을 발표했다. 메탄올 같은 유감자는 생명을 만드는 필수 재료. 원시행성계 원반에서 유감자를 검출했다는 것은 행성이 만들어지고 있는 재료에 유감자가 들어 있다는 스토리다. 지구에서 생명이 존재하게 된 이유와 접하고 있는 발견입니다. 지구 생명 탄생을 가능케 한 유감이 어디에서 왔느냐는 것은 생명의 진화와 관련된 ‘빅 퀘스천(big Question)’ 가운데 처음 있는 일이 아니다.이 교수는 “원시행성계 원반에서 유감자를 검출했다는 논문의 이야기는 당시 많은 나쁘지는 않다. 언론이 보도했다고 말했다. ALMA를 이용한 다른 주목받는 조사는 2017년 7월에 나온 것으로, 질량이 매우 작은 쌍둥이별, 그것도 이란성 쌍둥이성의 탄생 순간을 포착한 것입니다. 우주에는 쌍둥이 별이 많지만, 질량이 가벼운 데 중력으로 묶여 있는 경우가 있다. 가벼워도 가까이 있으면 쌍성계를 형성하고 있을 가능성도 있다. 그러나 깨끗하지 않고 질량이 매우 가볍고 별 두 개가 멀리 떨어져 있는데도 서로 중력으로 묶여 있는 경우가 있다. 이 경우 원래 따로 태어났지만 나쁘지 않아 중간에 중력으로 별 2개가 맺어지게 됐다고 생각해 왔으나 이 교수는 그렇지 않고 아주 가벼운 별이 이란성 쌍둥이였으며 각각의 성간분자구름(별 사이 분자구름)에서 태어났다는 증거사진을 제시했다.태어날 때부터 떨어지지 않은 원시성은 짙은 성간 물질에 둘러싸여 있다. 빛이 성간 물질을 뚫고 나가서 밖에 나쁘지 않아요.마음이 불편하기 때문에 지구에 있는 천문학자가 원시성을 관측하기는 쉽지 않다. 다만 적외선은 파장이 길어 성간물질 사이로 나쁘지 않고 적외선을 이용하면 원시성을 관측할 수 있다.4) 별이 태어나기 싫은 곳, 성간분자구름

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이정은 교수는 미국 오스틴텍사스대 천문학과에서 박사를 공부할 때부터 적외선 망원경으로 원시별 탄생을 연구했습니다. 당시 미국 항공우주국(NASA)이 스피처 우주망원경이라는 적외선 망원경을 지구 궤도에 띄웠는데 지도교수 닐 아이번스 교수가 스피처 우주망원경 프로젝트에서 매우 중요한 역할을 했습니다.이 교수는 “별 탄생을 이해하려면 성간운 수축부터 봐야겠죠”라며 자료를 노트북 화면에 띄웠다. 8월에 의도된 경기도 과천 국립과천과학관에서 진행하는 특강자료라고 할 수 있습니다. 서울대 지구과학교육과 1991학번인 이 교수는 사범대 출신 때문인지 교육에 관심이 많다며 웃었다.은하의 원반 사진을 봐도 별이 빛나는 부분과 검게 보이는 부분이 있는데, 이 검은 부분이 바로 성간 물질의 부착 부분이었다. 성간 물질은 별과 함께 은하를 구성하는 주요 물질이지만 온도가 매우 낮아 가시광선으로는 보이지 않기 때문에 전파망원경으로 봐야 할 것입니다. 성간 물질은 기체와 먼지가 되어 있다 질량 기준으로는 기체가 99%, 먼지는 1%지만 기체의 75%는 수소다. 성간 물질은 밀도는 낮의 sound에도 부피가 커져서 우리의 시야를 가린다. 특히 먼지가 시야를 가린다.

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이 교수가 오리온자리의 성간물질을 찍은 사진을 보여줬다. 오리온 자리는 내가 첫날 저녁에 집에 들어갈 때 마을 어귀에서 야하항상을 올려다보면 남쪽의 야하항상 별자리다. 날씨가 아주 좋은 날씨를 가끔 보았다. 이 교수가 보여주는 이미지를 보면 오리온 장군의 어깨에 있는 베텔게우스가 선명하다. 베텔게우스는 태양보다 매우 큰 적색 거성으로 유명하다. 일본 애니메이션 은하철도 999에 나오는 열차가 베텔게우스로 향하고 있는 것으로 알려졌다.베텔게우스의 오리온 자리 반대쪽, 즉 오리온 장군의 무릎 쪽에 있는 별은 리겔이었다 이 교수는 리겔은 표면 온도가 1만3000도(태양은 6000도)인 청색 거성이라고 말했습니다. 파란색을 내는 별이 더 뜨겁고, 빨간색을 내는 별은 별로 뜨겁지 않다고 했습니다. 베텔게우스의 표면 온도는 3600도다. 베텔게우스와 리겔 사이에 오리온 장군의 허리띠를 이루는 삼태성이 있는데 그 밑에 칼집을 이루는 별의 중간쯤이 온통 붉은색 성간물질로 가득하다.검은 부분을 채우고 있는 차가운 물질은 뜨거운 물질보다 잘 굳는다. 매우 난량의 찬 물질이 모이면 자체 질량으로 중력수축 현상이 일어나는데 그런 과정을 거쳐 원시별이 나온다. 물질이 떨어져 땅속의 중력에 택지가 열택지로 변한다. 이 열에 택지로 인해 생겨나는 원시성은 약한 빛을 발한다. 이때 핵융합 반응이 일어나지 않는다. 질량이 커져 태양의 8Percent 정도가 되면 핵융합이 시작된다.5. 원시별 탄생의 동역학 연구 이정웅 교수는 성간 물질의 중력 붕괴 또는 함몰 등 원시별 탄생의 동역학을 주로 연구했습니다. 서울대 대학원 천문학과에서 초신성 공부를 하다가 믹 오스틴 텍사스대 박사과정에 들어가 2003년에 낸 논문이 별 탄생이 일어나는 성간운의 동역학 구조에 대한 연구였다. 이 교수는 부군(소바라다서울대 지구과학교육과 교수)과 함께 2000년부터 오스틴에서 공부했습니다. 구체적으로 별은 어떻게 태어나나. 이 교수에 따르면 성간운, 아니 성간분자운에서 별이 태어난다. 성간분자 구름의 대부분은 수소분자이다. 그 후, 많은 것이 일산화탄소(CO2)이고, 수소 분자가 1만개 있다면, CO 분자는 1개의 비율로 분포한다.성간분자구름이 뭉쳐 별이 되고 분자가 별이 되는 지점에 떨어진다. 수소 분자와 CO가 빠른 속도로 끌려간다. 이때 수소분자가 아닌 CO의 스펙트럼을 봐야 한다. 수소 분자는 같은 원자 두 개로 되어 있으며 분자가 회전하면서 빛을 방출하지 않기 때문에 수소 분자의 특별한 스펙트럼을 볼 수 없다.반면 CO는 탄소와 산소라는 다른 두 원자로로 구성돼 있어 오전에는 온도에서도 독특한 스펙트럼을 낸다. 따라서 CO를 이용해 모두 성간분자 구름 함몰(collapse) 속도를 알 수 있다. 또, 관측된 스펙트럼의 강도를 보면, CO 분자의 총량을 확인할 수 있다. 수소 분자와 CO가 우주에 1만 대 1로 존재하는 것을 알기 때문에 CO량을 알면 수소 분자량을 확인할 수 있다. 결스토리 그 원시 별이 가지는 질량을 알 수 있고, 얼마나 큰 별에서 자라고 있는지 확인할 수 있다.성간분자의 구름은 매우 차갑다. 절대온도 10도, 섭씨 영하 270도 정도다. 이 차가운 우주에 기체분자(수소, CO 등)와 먼지가 있었다. 이 교수는 먼지 먼지를 드라이에기스라고 소견하면 된다. 드라이아기스가 주위에 있다면 어떻게 될까? 기체의 분자는 곧 드라이어기스의 표면에 붙을 것이다. 성간 분자운에 있는 수소 분자나 CO도 마찬가지”라고 스토리하고 있습니다. CO가 별이 태어나고 있는 가운데로 떨어질 때 분자의 체육 속도는 가운데로 갈수록 빨라지고 이로 인해 도플러 효과가 일어난다.지구 관측자들이 보기에는 빠른 속도로 멀어지는 CO 분자는 적방 편이(redshift) 현상을 보인다. 본래의 위치에 스펙트럼이 보이지 않고 원래보다 빨간 색 쪽으로 스펙트럼이 이동하고 나타난다. 태아별 가운데로 갈수록 적색 편이의 값은 높다. 기존 천문학자들은 가장 높은 붉은색이 값을 확인하면 그곳이 태어나 있는 별이 놓여 있는 가운데로 볼 수 있다고 해석했는데, 이 교수는 그렇지 않다고 했습니다.원시별의 한가운데에 타는 CO분자가 먼지에 달라붙어 버린다. 가운데로 갈수록 온도는 차갑고 밀도는 높아지기 때문이었다. 스펙트럼을 낼 수 없다. 따라서 지구 관측자가 볼 때 가장 높은 값인 적색 편이를 내는 지점은 성간분자 구름 가운데가 아니다. 구름 한가운데 상당히 떨어진 부분이었던 바깥쪽 속도지만 가운데 속도라고 그동안 학자들이 잘못 해석해 왔다. 탄생하는 별 주변에 CO가 어떻게 분포하고 있는지 학자들이 이해하지 못했기 때문이었다. 별이 태어나고 있는 성간분자 구름의 한가운데에는 CO분자가 없을 수 있음을 밝혀냈다”이 교수는 “이것이 성간화학”이라며 “성간화학을 이해해야만 성간탄생동역학을 제대로 알 수 있다는 것을 보여준 것입니다”라고 이야기했습니다. 이 교수는 2004년 ‘별 탄생의 동역학 이론’과 ‘성간 화학 계산’을 합쳐 새로운 모델을 제시했습니다. 이 교수는 “태어나고 있는 별들의 기체 분자 분포가 때때로 어떻게 변하는지 보여줬다. 이 연구 덕분에 허블 펠로우가 되었다”라고 스토리했습니다. 허블 펠로는 믹 NASA가 천문학계의 신예 학자에게 주는 장학금 제도다. 물질이 원시별 한가운데로 떨어질 때 기체분자와 먼지 사이에 어떤 화학반응이 일어나는지를 계산했습니다. 관측된 자료를 설명하기 위해 우리는 모델을 만든다. 별 탄생의 동역학과 성간화학이라는 두 가지를 합쳐서 지금까지 이해하지 못했던 것을 알게 됐다. 타고난 별 주위의 성간 분자운의 화학적 구조를 다룰 수 있게 되었다. 그렇게 되면 별이 탄생하고 있는 장소의 스펙트럼이 어떻게 보일 것이라는 예측이 가능하다. 이 정도의 조건을 가진 성간분자운이 중력 붕괴하고 있다면 스펙트럼은 이렇게 보일 것이라고 시뮬레이션을 통해 제시할 수 있다.”7. ALMA 원시별 주위원반까지 보여 준 대 교수는 “2004년까지는 큰 분자 구름을 스토리하고 있었습니다. 그런데 2013년 ALMA 시대가 되자 원시별 주위의 원반까지 볼 수 있게 되었다. 천문학자들은 원시행성계 원반을 이루는 물질이 무엇인지, 유기분자를 비롯한 화학구조가 무엇인지 궁금해 했습니다. 천문학자는 HL타우를 비롯해 다양한 원시별을 관측했습니다. 그러나 행성 형성과 관련한 유기 분자 발견에 모두 실패했습니다”라고 스토리를 하고 있습니다. 관측이 어려웠던 것은, 원시 별은 광도가 오전기 때문이었다 원시행성계 원반의 대부분 영역에서 기체 분자가 드라이어기스처럼 차가운 먼지먼지에 얼어붙어 있다. 그래서 유기분자를 검출하기는 어렵다. 간혹 유기분자를 관측하는 데 성공했습니다라고 네이처 같은 학술지에 논문이 출간되기도 했지만 잘못 본 것이었다. 행성이 만들어지는 곳이 아니라 원반 바깥쪽 표면에서 관측한 것이었다.원시별로 별로 변하려면 수소핵융합을 일으킬수록 질량이 커져야 한다. 그러자면 원시별이 분자 구름에서 물질을 더 빨아들여야 한다. 이때 물질이 원시 별표면에 떨어져 충돌하면 충격파가 발발해 에탁지가 방출된다. 이 방출된 에탁지는 원시성 주위를 돌고 있는 원시행성계의 원반을 따뜻하게 한다. 그러면 원시행성계 원반이 두 땅으로 나뉜다. 원시성으로부터 가까운 부분에서는 물과 CO와 같은 분자가 기체로 존재하고, 별과 멀리 떨어져 있는 부분에서는 이들 분자가 정신상태로 존재한다. 이 두 땅을 구분하는 선을 스노 라인(Snow Line)이라고 한다. 이 부분이 흥미로운 설명이었다. 태양계 행성에 대한 많은 정보가 담겨 있기 때문이었다.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 때문이었다. 태양과 가까운 수성, 금성, 지구, 화성은 우주의 모래로 이루어진 암석형 행성이었다 크기가 작다. 태양에서 멀리 떨어져 있는, 그리고 물 분자가 얼어 있는 육지에 있는 목성과 토성은 크다. 눈과 모래 알갱이를 둥글게 만든 커다란 가운데 핵심을 가진 기체형 행성이라고 할 수 있습니다. 암석형 행성과 기체형 행성 사이에 소행성대가 있다. 이 소행성대가 태양계에서는 스노 라인에 해당한다고 봐도 좋다.그동안 이 교수를 비롯한 천문학자들은 HL타우처럼 원시성 스노라인이 별에 접근해 원시행성계의 원반을 이루는 물질을 탐지하는 데 어려움을 겪었다. HL타우의 경우 스노 라인이 불과 수 AU(지구에서 태양까지의 거리)밖에 되지 않았다. 그렇게 이 교수가 착안한 것은 ‘폭발하고 있는 원시별’이었다. 원시성은 몸을 키울 때 물질을 끊임없이 끌어들이지 않는다. 지금까지 알았던 것과는 달리 원시성은 단식과 장기간 단식을 하는 것으로 밝혀졌다. 폭식기간은 100년, 단식기간은 수천년에서 수만년 사이일 수도 있다. 이정은 교수는 이 중 폭식 중인 원시성을 찾았다. 원시별 폭식에서는 스노우 라인이 확대되었기 때문이었다 원시성 한가운데에서 가까운 스노 라인 안쪽에서는 먼지에 얼어붙어 있던 분자가 기체 상태에 떨어져 나쁘지 않아 스펙트럼으로 관측할 수 있다. 이 교수는 인내심을 갖고 희망ALMA로 ‘V883 Ori’라는 별을 관측했다. 폭식 중 스노 라인이 크게 확장된 이 원시별에서 유기분자가 5종임을 확인했다.이 교수는 대학 2학년 때 별의 탄생을 공부하기로 결정했다고 말했다. 사람 몸 속의 원소가 별로 이루어져 있다는 것을, 별이 태어나 아름답지 않게 죽는 과정이 있었기에 내가 이곳에 있음을 깨달은 순간이었다. 그는 천문학은 배고픈 학문이라는 잘못된 인식이 대힌민국 사회에 있다. 사실이 아니다. 좋아하는 것을 연구하면서 행복하게 살 수 있다”라고 스토리했다. 이정은 교수는 행복해 보였다.끝. 참고: 월터 앨버레즈의 책 ‘이 모든 것을 만든 멋진 우연들’을 이정은 교수가 부인인 다음 황 서울 서대문과학관장과 함께 번역·출판하고 있다.