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먼― 우주, 가까운 우주🌌(Across the Universe) 4강 1부 SPHEREx:전 우주를 스캔하는 적외선 지도 제작자🗺️│카오스강연 시즌2

SPHEREx는 한국천문연구원과 미국 NASA가 공동 개발한 적외선 우주 망원경으로, 전 우주를 스캔하는 혁신적인 미션을 수행하고 있습니다. 이 프로젝트는 한국의 우주 관측 기술이 세계적인 수준에 도달했음을 상징적으로 보여주며, 한국 연구진이 국제 공동 연구에 주도적으로 참여할 수 있는 기반을 마련했습니다. SPHEREx는 2025년 3월 11일, 스페이스X의 팰컨 9 로켓을 통해 성공적으로 우주로 발사되어 현재 안정적으로 운영되고 있습니다. SPHEREx의 가장 큰 특징은 하늘 전체를 102가지 적외선 파장으로 촬영하여 3차원 우주 지도를 만드는 데 있습니다. 이 미션은 기존의 허블 우주 망원경이나 제임스 웹 우주 망원경과 달리, 좁고 깊은 영역이 아니라 넓고 얕은 전천 관측을 목표로 합니다. 이를 위해 SPHEREx는 20cm의 작은 주경을 사용하지만, 한 번에 보름달 150개가 들어갈 정도로 넓은 시야를 자랑합니다. 또한, 선형 가변 필터라는 독특한 기술을 활용해 효율적으로 다양한 파장의 빛을 동시에 관측할 수 있습니다. 적외선 관측을 위해 망원경을 우주로 보내는 이유는 지구 대기가 적외선 빛을 흡수하고 방해하기 때문입니다. SPHEREx는 지구 상공 650km 궤도에서 대기의 영향을 받지 않고, 극저온 상태에서 정밀한 관측을 수행합니다. 한국천문연구원은 SPHEREx의 핵심 장비인 검교정 장비(KASI 챔버)를 독자적으로 개발하여, NASA와의 협력에서 중요한 역할을 담당했습니다. 이 장비는 우주 환경을 지상에서 재현해 망원경의 성능을 검증하는 데 필수적입니다. SPHEREx의 관측 방식은 여섯 개의 적외선 검출기와 선형 가변 필터를 활용하여, 한 번의 노출로 다양한 파장의 데이터를 얻는 것입니다. 이로써 2년 동안 전천을 네 번 관측하며, 각 지점마다 빛의 스펙트럼을 세밀하게 기록합니다. 특히 극지방은 더 자주 관측되어 '딥 필드' 연구가 가능하며, 이를 통해 우주의 구조와 은하의 진화, 성간 얼음 등 다양한 천문학적 현상을 분석할 수 있습니다. SPHEREx가 실제로 촬영한 첫 이미지는 과학자들에게 매우 중요한 자료로, 다양한 파장대에서 천체의 특성을 파악할 수 있게 해줍니다. 해상도는 높지 않지만, 102가지 파장으로 얻은 스펙트럼 정보는 은하의 나이, 성분, 움직임 등 우주에 대한 깊은 이해를 가능하게 합니다. 또한, 예측하지 못했던 오로라의 강한 적외선 방출이나 태양계 밖에서 온 혜성의 관측 등 새로운 발견도 이어지고 있습니다. SPHEREx의 데이터는 제임스 웹 우주 망원경과의 시너지 효과를 기대하게 합니다. SPHEREx가 전천에서 새로운 천체나 현상을 발견하면, 제임스 웹 우주 망원경이 이를 더욱 정밀하게 관측할 수 있기 때문입니다. 한국천문연구원은 SPHEREx의 개발과 운용에 약 150억 원을 투자하며, 전체 미션의 10%에 해당하는 기여도를 인정받고 있습니다. 이를 바탕으로 한국 연구자들은 SPHEREx 데이터를 활용한 다양한 과학 연구에 적극적으로 참여하고 있습니다. SPHEREx는 우주의 기원, 은하의 진화, 성간 물질의 분포 등 천문학의 근본적인 질문에 답하기 위해 전천 적외선 스펙트럼 지도를 제작하고 있습니다. 앞으로 SPHEREx가 제공할 방대한 데이터는 우주에 대한 인류의 이해를 한층 더 넓혀줄 것으로 기대됩니다. 한국과 미국의 협력이 만들어낸 이 성과는 미래 우주 과학 연구의 새로운 지평을 여는 중요한 이정표가 될 것입니다.

국립과천과학관과학강연👨‍🏫

천문학

먼― 우주, 가까운 우주🌌(Across the Universe) 3강 2부 제임스웹으로 살피는 별 탄생🌟│카오스강연 시즌2

우주에서 생명이 탄생하려면 단순히 먼지로만 이루어진 행성으로는 부족합니다. 물과 유기 분자가 반드시 필요하며, 이들은 차가운 우주 먼지 표면에서 형성됩니다. 수소와 산소 원자가 먼지에 달라붙어 결합하면서 얼음이 만들어지고, 별이 태어나 주위를 데우면 이 얼음이 기체로 승화합니다. 제임스 웹 우주망원경은 이러한 기체 상태의 물을 관측하여, 원시 행성계 원반의 안쪽에서 물이 존재함을 밝혀냈습니다. 이는 해당 영역에서 만들어지는 행성에 물이 포함될 수 있음을 의미하며, 생명 발현 가능성도 시사합니다. 하지만 생명 가능 지역에 행성이 존재한다고 해서 반드시 생명이 탄생하는 것은 아닙니다. 예를 들어, 태양계의 생명 가능 지역에는 금성, 지구, 화성이 포함되어 있지만, 실제로 생명 현상은 지구에서만 발견됩니다. 외계 행성의 생명 가능성을 확인하려면 행성 대기의 스펙트럼을 관측해야 하며, 이를 통해 대기 중의 물, 오존, 이산화탄소 등 다양한 분자의 존재를 파악할 수 있습니다. 제임스 웹 우주망원경은 외계 행성 대기에서 물, 일산화탄소, 메탄 등 다양한 분자를 관측하고 있지만, 아직 지구와 유사한 암석 행성의 대기를 직접 관측한 사례는 없습니다. 물만으로는 생명 현상이 가능하지 않으며, 유기 분자도 반드시 필요합니다. 유기 분자 역시 차가운 분자 구름 내 먼지 표면에서 얼음 형태로 형성되고, 별이 태어나면서 데워지면 기체 상태로 돌아갑니다. 태양계의 원시 행성계 원반에서는 물과 유기 분자 얼음이 증발하는 경계, 즉 설선이 소행성대에 위치해 있었습니다. 이로 인해 지구형 행성은 메마른 상태로 탄생했으며, 천문학자들은 혜성이 물과 유기 분자를 지구로 운반했을 것이라 추정합니다. 실제로 혜성의 스펙트럼 분석을 통해 물과 다양한 유기 분자가 존재함이 밝혀졌습니다. 원시 행성계 원반에 유기 분자가 포함되어 있는지 확인하려는 시도는 여러 번 있었지만, 대부분 실패로 끝났습니다. 원시별이 대부분 어둡고, 설선이 안쪽에 위치해 기화된 유기 분자의 양이 적기 때문입니다. 그러나 폭발하는 원시별은 주변을 뜨겁게 데워 설선을 멀리 옮기고, 많은 유기 분자가 기체 상태로 존재하게 됩니다. 알마 전파망원경을 이용한 관측 결과, 폭발하는 원시 행성계 원반 V883 Ori에서 23종의 유기 분자와 약 5,000개의 방출선이 검출되었습니다. 이는 별이 만들어지는 과정에서 원반이 필연적으로 형성되고, 그 안에 생명에 필요한 물질이 이미 포함되어 있음을 보여줍니다. 우리가 존재할 수 있었던 것은 우주의 물리 법칙이 만들어낸 필연과, 태양이 적절한 위치에서 태어난 우연이 결합된 결과입니다. 우리 은하의 중심부는 별 탄생률이 높아 생명 발현에 적합하지 않고, 외곽은 원소가 부족합니다. 태양은 원소가 풍부하고 안정적인 환경에 위치해 있어, 다양한 원소로 이루어진 지구와 생명체가 탄생할 수 있었습니다. 별 탄생 과정에서 만들어진 원반에는 이미 생명에 필요한 물질들이 포함되어 있으며, 이는 우주에서 생명이 탄생할 수 있는 조건이 특정 영역에만 존재함을 의미합니다. 외계 생명체의 존재 가능성은 액체 상태의 물이 있는 곳에서 높다고 여겨집니다. 목성의 위성 유로파는 두꺼운 얼음층 아래 바다가 존재할 것으로 추정되어, 생명체 존재 가능성이 높은 후보로 꼽힙니다. 은하 내에서도 생명 가능 지역이라 불리는 적당한 영역에서만 생명 현상이 가능하며, 이곳은 원소가 풍부하고 물리적 조건이 적절해야 합니다. 행성의 모양이나 궤도는 물리 법칙에 따라 대부분 원형을 이루며, 유기 분자의 존재는 스펙트럼 관측을 통해 확인할 수 있습니다. 별의 탄생과 성장 과정은 환경에 따라 다양한 패턴을 보입니다. 원반의 동역학적 불안정성에 따라 폭식과 단식의 패턴이 반복되며, 별이 최종적으로 어떤 질량을 갖고 태어나는지가 그 특성을 결정합니다. 우주 초기에 만들어진 별은 수소와 헬륨만으로 이루어졌으나, 현재는 다양한 원소가 풍부하게 존재합니다. 이는 별이 죽으면서 내부에서 만든 원소를 우주로 흩뿌리기 때문입니다. 천문학은 '우리는 어디서 왔는가'와 '우리는 혼자인가'라는 근본적 질문에 답하기 위해, 외계 행성의 대기 성분과 바이오마커를 관측하며 생명 존재 가능성을 탐구하고 있습니다.

국립과천과학관과학강연👨‍🏫

생명과학
천문학

[강연] 양자역학 그리고 초끈의 눈으로 바라 본 우주 그리고 공간_by이성재 / 2023 가을 카오스강연 'INCREDIBLE QUANTUM' 9강 | 9강

인류는 아주 오래전부터 밤하늘을 바라보며 우주의 본질을 탐구해 왔습니다. 초기에는 종교적이나 직관적인 이해에 의존했지만, 과학의 발전과 함께 수학이라는 언어로 우주를 설명하기 시작했습니다. 케플러는 정다면체를 이용해 행성의 운동을 설명하려 했고, 이후 뉴턴과 아인슈타인은 이를 더욱 체계화했습니다. 특히 아인슈타인의 일반 상대성 이론은 중력을 시공간의 휘어짐으로 정의하며, 고전 자유 입자가 공간의 곡률을 따라 가장 짧은 경로인 측지선을 이동한다는 사실을 밝혀냈습니다. 고전 자유 입자는 국소적인 경로만을 따라가기에 공간 전체의 구조를 파악하는 데 한계가 있습니다. 이를 극복하기 위해 도입된 것이 양자 자유 입자입니다. 양자역학에서 입자는 파동 함수로 표현되며 공간 전체에 퍼져 존재할 확률을 가집니다. 이러한 전역적인 성질 덕분에 양자 자유 입자는 공간의 전체적인 모습을 느끼게 됩니다. 슈뢰딩거 방정식을 통해 얻은 양자화된 에너지 스펙트럼은 원자를 정의하듯 공간의 고유한 특성을 반영하며, 이를 통해 공간의 형태를 특정하려는 시도가 이어졌습니다. 하지만 에너지 스펙트럼만으로 공간의 모습을 유일하게 결정할 수 있다는 믿음은 수학적 반례에 의해 깨어지게 됩니다. 서로 다른 모양의 공간이 동일한 에너지 스펙트럼을 가질 수 있다는 사실이 증명되었기 때문입니다. 그럼에도 불구하고 물리학자들은 실망하지 않았습니다. 양자역학에는 고전역학에서 볼 수 없는 보손과 페르미온이라는 독특한 입자의 구분이 존재하기 때문입니다. 특히 동일한 입자를 구별할 수 없는 양자적 특성과 파울리 배타 원리는 공간을 이해하는 새로운 열쇠가 되었습니다. 스핀이라는 양자적 성질을 가진 입자를 공간에 던지면, 그 공간에 구멍이 있는지와 같은 위상학적 성질을 파악할 수 있습니다. 에드워드 위튼은 초대칭 양자 자유 입자의 바닥 상태를 조사함으로써 현대 기하학의 핵심인 오일러 지표나 아티야-싱어 지표 정리 등을 재발견했습니다. 이는 현대 기하학의 난제들이 사실상 양자역학의 문제와 맞닿아 있음을 시사합니다. 즉, 입자의 양자적 상태를 분석하는 것만으로도 우리가 직접 관측하기 어려운 공간의 복잡한 위상 구조를 수학적으로 규명할 수 있게 된 것입니다. 현대 물리학은 점입자를 넘어 양자 끈이라는 새로운 기본 단위를 제시합니다. 초끈 이론에 따르면 우주는 우리가 경험하는 4차원을 넘어 10차원의 시공간으로 이루어져 있습니다. 보이지 않는 6차원의 여분 공간은 매우 작게 말려 있으며, 끈은 이 공간을 리치 흐름 방정식을 따라 변형시킵니다. 결국 이 공간은 리치 곡률이 0인 칼라비-야우 공간으로 수렴하게 됩니다. 이 복잡한 여분 공간의 기하학적 성질은 우리 우주에 존재하는 입자의 종류와 상호작용을 결정하는 근본적인 토대가 됩니다. 양자 끈은 점입자가 보지 못하는 공간의 새로운 면모를 드러냅니다. 대표적인 현상이 T-이중성과 거울 대칭성입니다. 끈의 눈으로 보면 반지름이 큰 원과 작은 원이 동일하게 느껴지며, 위상학적으로 완전히 다른 두 칼라비-야우 공간이 물리적으로는 같은 결과를 만들어내기도 합니다. 이는 기존의 위상수학을 넘어서는 '양자 기하학'이라는 새로운 학문의 탄생을 이끌었습니다. 수학적으로는 구별되지만 끈의 관점에서는 동일한 이 기묘한 대칭성은 우주를 바라보는 우리의 인식을 근본적으로 확장시켰습니다. 수학과 물리학은 각자의 방법론으로 우주의 진리를 추구해 왔지만, 결국 하나의 지점에서 만나는 흥미로운 여정을 보여줍니다. 물리학자가 발견한 우주의 신비가 수학자의 정교한 이론이었음이 밝혀지고, 수학적 추측이 물리학의 실험적 영감이 되는 과정이 반복되고 있습니다. 이러한 학문적 교류는 우리가 아직 도달하지 못한 양자 중력의 비밀을 푸는 강력한 동력이 됩니다. 보이지 않는 차원과 미시 세계의 법칙을 탐구하는 이 여정은 앞으로도 수학과 물리의 아름다운 협력을 통해 계속될 것입니다.

이성재

카오스재단카오스강연

물리학

[강연] 가장 순수한 형태의 파동_by 박권 / 2023 가을 카오스강연 'INCREDIBLE QUANTUM' 3강 | 3강

세상을 이해하는 방식에는 여러 가지가 있지만, 물리학은 그 근원적인 원리를 탐구하여 우주의 설계도를 그려내는 학문입니다. 거대한 우주를 가장 작은 단위로 쪼개어 분석하는 환원주의와 작은 요소들이 모여 전체로서 새로운 성질을 발현하는 창발주의는 물리학을 지탱하는 두 개의 거대한 기둥입니다. 아리스토텔레스가 통찰했듯 전체는 부분의 합보다 크며, 이러한 조화로운 상호작용 속에서 우주의 질서가 유지됩니다. 특히 응집물질물리학은 미시적 세계의 개별 입자들이 어떻게 거시적인 현상을 만들어내는지 그 절묘한 연결 고리를 다루며, 우리가 발을 딛고 있는 이 세상의 실체를 과학적으로 규명하고자 노력합니다. 양자역학의 난해하고 추상적인 개념들은 때로 영화라는 예술 매체를 통해 우리에게 더욱 생생하고 친숙하게 다가옵니다. 영화 '컨택트'에서 주인공이 외계 언어를 배우며 미래를 기억하게 되는 설정이나, '인터스텔라'에서 블랙홀 내부의 시공간을 넘나들며 과거의 자신에게 신호를 보내는 장면은 단순한 상상력을 넘어 양자역학적 세계관을 깊이 있게 투영하고 있습니다. 모든 가능성이 중첩되어 열려 있는 파동의 상태에서 관측을 통해 단 하나의 현실로 확정되는 '파동함수의 붕괴'는 영화 속 인물들이 마주하는 운명적인 선택과 맞닿아 있습니다. 일어날 일은 결국 일어난다는 결정론적 시각과 그 안에서 이루어지는 주체적인 결단은 양자역학이 지닌 철학적 무게를 보여줍니다. 양자역학의 핵심을 한마디로 정의하자면 '우주는 파동이다'라고 요약할 수 있습니다. 우주의 모든 존재는 입자인 동시에 파동의 성질을 지니며, 이를 기술하는 파동함수는 특정 위치에서 입자가 발견될 확률을 결정하는 역할을 합니다. 여기서 주목해야 할 점은 파동함수가 단순한 수치가 아니라 방향과 길이를 가진 '양자 시계'와 같은 벡터 형태라는 사실입니다. 각 공간마다 존재하는 이 보이지 않는 양자 시계들이 서로 더해지고 상쇄되는 과정을 통해 간섭 현상이 일어나며, 이것이 우리가 관측하는 물리적 실체를 형성합니다. 결국 눈에 보이지 않는 복소수 공간의 질서가 현실 세계의 확률적 분포를 지배하고 있는 셈입니다. 영의 이중 슬릿 실험은 양자역학의 신비로움을 가장 극명하게 증명하는 사례로 꼽힙니다. 전자를 하나씩 발사하더라도 충분한 시간이 흐르면 스크린에는 파동 특유의 간섭무늬가 나타나는데, 이는 전자 하나가 두 개의 경로를 동시에 통과하는 중첩 상태에 있음을 의미합니다. 입자 하나가 스스로 분신처럼 나뉘어 경로를 지나고, 다시 만나는 지점에서 각자의 '양자 시계'가 합쳐져 확률의 줄무늬를 만들어내는 과정은 고전 역학의 상식을 완전히 뒤엎습니다. 양자역학적 파동은 관측되기 전까지는 실체적인 위치를 갖지 않으며, 오직 확률적인 중첩 상태로 존재하다가 측정의 순간에 비로소 하나의 입자로 그 모습을 드러내게 됩니다. 원자의 구조를 이해하는 과정에서도 양자역학은 결정적인 해답을 제시합니다. 고전 전자기학의 관점에서는 핵 주변을 도는 전자가 에너지를 방출하며 순식간에 붕괴해야 하지만, 실제 원자는 매우 견고하고 안정적인 구조를 유지합니다. 이는 전자의 궤도가 아무 곳에나 형성되는 것이 아니라 특정한 에너지 값으로만 존재할 수 있는 '양자화' 상태이기 때문입니다. 케플러가 행성의 궤도에서 우주의 조화를 찾으려 했던 시도나 티티우스-보데의 법칙처럼, 물리학자들은 수소 원자의 스펙트럼에서 나타나는 불연속적인 숫자들의 배열을 통해 미시 세계의 엄격한 규칙을 발견했습니다. 이러한 불연속성은 우주가 매끄러운 연속체가 아닌 정교하게 격자화된 질서 위에 서 있음을 시사합니다. 아인슈타인의 광양자 가설은 빛이 파동이면서 동시에 입자라는 이중성을 밝혀내며 현대 물리학의 새로운 지평을 열었습니다. 이에 영감을 받은 드브로이는 빛뿐만 아니라 전자와 같은 모든 물질 입자도 파동의 성질을 가질 것이라는 대담한 가정을 세웠고, 이는 실험적으로 증명되었습니다. 전자가 원자핵 주변을 돌 때 자신의 꼬리를 무는 정상파 형태를 유지해야 한다는 조건은 보어가 주장했던 각운동량의 양자화를 수학적으로 완벽하게 뒷받침해 줍니다. 입자의 운동량이 파동의 파장과 직접적으로 연결된다는 이 놀라운 발견은 물질의 본질에 대한 인류의 인식을 근본적으로 뒤바꾸어 놓았으며, 파동역학의 탄생을 이끄는 기폭제가 되었습니다. 우리가 의자에 앉아 있을 때 바닥으로 꺼지지 않는 이유는 원자 내부가 대부분 비어 있음에도 불구하고 '파울리 배타 원리'에 의해 강력한 단단함을 유지하기 때문입니다. 이처럼 양자역학은 단순히 실험실 안의 추상적인 이론에 머물지 않고, 우리가 존재하는 물리적 실체와 일상의 현상을 설명하는 유일하고도 강력한 도구입니다. 슈뢰딩거 방정식으로 대표되는 파동함수의 동력학은 우주의 보이지 않는 비밀을 정교한 수학적 언어로 풀어내며 현실의 근원을 추적합니다. 보이지 않는 파동의 중첩과 확률의 파동 속에서 움직이는 우주를 깊이 있게 이해하는 것은, 곧 우리 자신과 만물을 구성하는 가장 근본적인 원리에 다가가는 숭고한 여정이라 할 수 있습니다.

박권

카오스재단카오스강연

물리학

[강연] 우주와 인류를 연결하는 제임스웹 우주망원경 _ by손상모｜제30회 서울대 자연과학대학 공개강연 | 3강

제임스 웹 우주망원경은 단순히 먼 우주를 촬영하는 도구를 넘어, 인류와 우주를 잇는 소중한 매개체입니다. 이 망원경은 우리가 자연의 경이로움을 함께 느끼고 희망적인 메시지를 공유하게 함으로써 사람과 사람 사이의 연결고리 역할도 수행합니다. 미국 볼티모어의 우주망원경 과학연구소(STScI)에서 운영을 총괄하는 이 거대한 장치는 허블의 뒤를 이어 우주의 기원을 밝히는 사명을 띠고 있습니다. 우리가 보는 아름다운 사진들은 단순한 데이터가 아니라 인류의 지적 호기심이 빚어낸 결실입니다. 허블 우주망원경은 30년 넘게 운영되며 천문학의 역사를 새로 썼습니다. 특히 1995년, 아무것도 없어 보이던 텅 빈 하늘을 열흘 동안 관측하여 수천 개의 은하를 발견한 '허블 딥 필드'는 현대 우주론의 새로운 지평을 열었습니다. 이 사진 한 장은 우리에게 더 멀고 선명한 우주를 보아야 한다는 강력한 동기를 부여했습니다. 제임스 웹은 바로 이러한 허블의 위대한 업적을 계승하고 그 한계를 뛰어넘기 위해 탄생했습니다. 보이지 않던 영역을 탐구하려는 모험적인 시도가 지금의 혁신을 이끌어낸 것입니다. 더 먼 우주를 보기 위해서는 거울의 크기를 키워 빛을 더 많이 모아야 하며, 가시광선보다 파장이 긴 적외선을 관측해야 합니다. 우주가 팽창하면서 멀리 있는 은하의 빛은 붉은색으로 변하는 '적색편이' 현상을 겪기 때문입니다. 제임스 웹은 6.5m의 거대한 주경을 통해 허블보다 훨씬 어두운 천체까지 포착할 수 있습니다. 적외선 전용 망원경으로 설계된 덕분에 우주 초기에 탄생한 최초의 은하들을 관측하는 것이 가능해졌으며, 이는 가시광선으로는 결코 도달할 수 없는 영역을 우리 눈앞에 펼쳐 보입니다. 제임스 웹의 주경은 18개의 육각형 조각 거울로 구성되어 로켓에 접어서 실을 수 있도록 설계되었습니다. 거울 표면은 적외선 반사율이 뛰어난 순금으로 도금되었으며, 지구에서 150만 km 떨어진 제2 라그랑주 점(L2)에서 임무를 수행합니다. 이곳은 태양과 지구의 중력이 균형을 이루어 안정적인 궤도 유지가 가능합니다. 또한 테니스장 크기의 5층 구조 태양 차단막은 300도 이상의 온도 차를 견디며 망원경의 정밀한 관측 환경을 보호합니다. 이러한 공학적 설계는 극한의 우주 환경에서 망원경이 생존할 수 있는 핵심 비결입니다. 발사 후 한 달 동안 제임스 웹은 우주 공간에서 복잡한 전개 과정을 거쳤습니다. 꼬깃꼬깃 접혀 있던 태양 차단막과 거울을 펼치는 과정은 한 치의 오차도 허용되지 않는 정밀한 작업이었습니다. 특히 18개의 거울 조각을 하나의 매끈한 면으로 맞추는 거울 정렬 작업에는 약 3개월이 소요되었습니다. 머리카락 굵기의 만 분의 일 단위로 움직이는 액추에이터를 통해 거울을 조정함으로써, 마침내 예상보다 훨씬 뛰어난 성능의 이미지를 얻을 수 있게 되었습니다. 이는 인류가 만든 가장 정교한 거울이 우주에서 완성되었음을 의미합니다. 본격적인 관측이 시작되자 목성의 세밀한 대기와 해왕성의 고리, 그리고 별이 탄생하는 용골자리 성운의 장엄한 모습이 공개되었습니다. 중력 렌즈 현상을 이용해 130억 년 전의 은하를 포착하고, 외계 행성의 대기 성분을 분석하여 수증기와 이산화탄소의 존재를 확인하기도 했습니다. 이러한 결과들은 우주가 어떻게 형성되고 진화해 왔는지에 대한 실마리를 제공합니다. 제임스 웹이 보내오는 데이터는 매일같이 새로운 발견을 쏟아내며 전 세계를 놀라게 하고 있으며, 이는 우리가 우주를 이해하는 방식을 근본적으로 바꾸고 있습니다. 제임스 웹 우주망원경의 여정은 이제 막 시작되었습니다. 약 25년의 수명 동안 이 망원경은 135억 년 전의 빛이 들려주는 이야기를 우리에게 전해줄 것입니다. 지구를 닮은 행성을 찾고 생명체의 흔적을 추적하는 과정은 인류의 근원적인 질문에 대한 답을 찾는 과정이기도 합니다. 우주 과학의 발전은 단순히 지식의 확장을 넘어 새로운 기술 개발의 매개체가 됩니다. 미래의 과학자들이 이 망원경을 통해 자신만의 꿈을 마음껏 펼치기를 기대하며, 제임스 웹이 열어갈 우주의 미래는 우리 모두에게 새로운 희망이 될 것입니다.

손상모

카오스재단서울대자연과학공개강연

천문학

[강연] 우주 얼음과 유기 분자 by 이정은 ㅣ 대학과 함께하는 2022 UN 세계기초과학의 해 한국 선포식 특별강연

우주에서 별과 행성이 탄생하는 과정은 생명의 기원을 찾는 여정과 맞닿아 있습니다. 천문학자들은 별이 만들어지는 물질 속에서 일어나는 화학적 변화를 분석하여, 지구 생명체의 필수 요소인 물과 유기 분자의 존재를 추적합니다. 우주의 물질을 직접 채취하는 것은 불가능하기에 빛의 스펙트럼을 분석하는 방법을 사용하는데, 이는 원자와 분자가 내뿜는 고유한 '지문'을 읽어내는 과정입니다. 전자기파와 양자역학에 대한 이해를 바탕으로 수만 광년 떨어진 곳의 성분을 정확히 파악할 수 있습니다. 별은 영하 260도에 달하는 차가운 성간 분자 구름이 중력으로 수축하며 태어납니다. 이 과정에서 회전 원반 구조인 '원시행성계 원반'이 형성되며, 그 중심에는 아직 핵융합을 시작하지 않은 원시별이 자리 잡습니다. 가시광선으로는 두꺼운 먼지 층에 가려 보이지 않지만, 적외선이나 전파 영역의 빛을 이용하면 이 신비로운 탄생의 현장을 들여다볼 수 있습니다. 이 원반 속의 물질들이 서로 뭉치고 충돌하는 과정을 거치면서, 우리가 살고 있는 지구와 같은 행성계가 서서히 모습을 갖추게 됩니다. 원시행성계 원반은 크기가 작고 온도가 낮아 매우 미약한 빛을 내뿜기에, 이를 관측하려면 여러 개의 안테나를 하나로 묶어 사용하는 전파 간섭계 기술이 필수적입니다. 대표적인 시설인 칠레의 '알마(ALMA)'는 66개의 안테나를 통해 놀라운 분해능을 제공하며 행성 탄생의 생생한 현장을 포착합니다. 실제로 관측된 원반의 나이테 모양 구조는 행성이 궤도를 돌며 주변 물질을 청소하고 있다는 증거입니다. 이러한 첨단 기술 덕분에 인류는 우주의 깊은 곳에서 벌어지는 행성 형성의 비밀을 직접 확인할 수 있게 되었습니다. 원반 내부의 온도 차이는 행성의 성격을 결정짓는 '스노우 라인'을 형성합니다. 별과 가까운 곳에서는 지구형 행성이, 먼 곳에서는 얼음과 가스가 뭉친 거대 목성형 행성이 만들어집니다. 메마른 환경에서 태어난 지구가 생명체를 품게 된 배경에는 외곽에서 형성된 혜성들이 물과 유기 분자를 얼음 형태로 배달해준 역할이 컸을 것으로 보입니다. 로제타 미션과 같은 탐사를 통해 혜성에 다양한 유기 분자가 존재한다는 사실이 밝혀졌으며, 이는 우주가 생명의 씨앗을 품고 있음을 시사합니다. 최근에는 '폭식'하듯 물질을 흡수하며 밝아지는 원시별을 통해 유기 분자 탐사의 새로운 지평이 열렸습니다. 별의 급격한 활동으로 스노우 라인이 확장되면 얼어붙어 있던 유기 분자들이 기체로 승화하여 관측 가능한 스펙트럼을 내놓기 때문입니다. 제임스 웹 우주 망원경과 스피어엑스(SPHEREx)는 이러한 우주의 화학 지도를 더욱 정밀하게 그려낼 것입니다. 기초과학은 '왜'라는 질문에서 시작해 진리를 발견하는 기쁨을 선사하며, 이는 한 국가의 과학적 역량과 문화적 수준을 보여주는 소중한 지표가 됩니다.

이정은

카오스재단카오스크로스

천문학

[스페이스월드] 온라인 천문교실 6교시 '태양스캐너' 만들기

태양은 우리 태양계의 중심이자 생명의 근원입니다. 하지만 인류 중 그 누구도 태양에 직접 가본 적은 없는데, 우리는 어떻게 태양의 성분을 정확히 알고 있을까요? 그 비밀은 바로 빛에 숨겨져 있습니다. 비 온 뒤 나타나는 무지개처럼 태양 빛은 여러 색의 빛이 섞여 있는데, 이를 프리즘에 통과시키면 빨주노초파남보의 연속적인 띠가 나타납니다. 천문학자들은 이 빛의 띠를 '태양 스펙트럼'이라고 부르며 우주의 비밀을 푸는 열쇠로 사용합니다. 태양 스펙트럼을 자세히 관찰하면 중간중간 검은색 선들이 나타나는 것을 볼 수 있습니다. 이를 '흡수선'이라고 하는데, 이는 태양 빛이 지구로 오는 과정에서 태양 대기를 이루는 성분들에 의해 특정 파장의 빛이 흡수되었기 때문입니다. 과학자들은 이 흡수선의 위치와 굵기를 정밀하게 분석하여 태양이 어떤 원소로 이루어져 있는지 알아냅니다. 연구 결과 태양의 대부분은 수소로 이루어져 있음이 밝혀졌으며, 이는 직접 가보지 않고도 우주를 이해하는 놀라운 방법입니다. 이론을 배웠다면 이제 직접 태양의 빛을 관찰할 수 있는 '태양 스캐너'를 만들어볼 차례입니다. 먼저 도면에 있는 여러 구멍을 꼼꼼하게 뚫어주는 것이 시작입니다. 특히 슬릿 부분과 원주 스펙트럼 부위, 그리고 옆면의 작은 구멍까지 정확하게 뚫어야 빛이 올바르게 들어옵니다. 칼선이 미리 들어가 있어 분리하기는 쉽지만, 종이가 찢어지지 않도록 주의해야 합니다. 이 과정에서 가장 중요한 부품인 슬릿과 필름들을 잃어버리지 않도록 잘 챙겨두는 것이 조립의 핵심입니다. 조립 과정에서는 투명 필름과 태양 필터를 정확한 위치에 붙이는 것이 중요합니다. 투명 필름의 검은색 줄 방향이 뚫어놓은 구멍과 일치해야 스펙트럼이 왜곡되지 않고 올바르게 보이기 때문입니다. 필름을 고정할 때는 관측창을 가리지 않도록 테두리에만 테이프를 붙여야 합니다. 이후 번호 순서대로 종이를 접고 끼우는데, 특히 안쪽, 중앙, 바깥쪽 순서를 지켜야 견고한 스캐너가 완성됩니다. 마지막으로 'Push'라고 적힌 슬릿을 밀어 넣으면 관측 준비가 끝납니다. 완성된 태양 스캐너를 사용하면 두 가지 즐거움을 얻을 수 있습니다. 슬릿을 태양 방향으로 향하게 하면 내부에서 아름다운 무지개색 스펙트럼을 관찰할 수 있고, 태양 필터가 붙은 창을 통하면 동그란 태양의 실제 모습을 안전하게 볼 수 있습니다. 비록 간이 도구라 정밀한 흡수선까지 보기는 어렵지만, 빛의 원리를 이해하기에는 충분합니다. 더 자세한 관측을 원한다면 국립과천과학관 천문대를 방문하여 대형 망원경으로 우주의 신비를 직접 확인해보시길 바랍니다.

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천문학
융합

[과학자가 쓴 과학책#18] 고재현 _빛으로 보는 세상 | 빛의 핵심

빛은 우리 세상을 이해하는 가장 중요한 열쇠입니다. 하늘이 파란 이유나 노을이 붉게 물드는 현상 같은 자연의 신비부터, 우리가 매일 사용하는 스마트폰의 디스플레이까지 빛은 어디에나 존재합니다. 인류는 아주 오래전부터 빛에 대한 호기심을 바탕으로 그 원리를 탐구해 왔으며, 이는 현대 광기술의 발전으로 이어졌습니다. 빛의 핵심을 이해하는 것은 단순히 과학 지식을 쌓는 것을 넘어, 우리가 살아가는 세상을 더 깊고 지혜롭게 바라보는 눈을 갖게 해주는 소중한 경험이 될 것입니다. 인류는 문명의 대부분을 무언가를 태워 빛을 얻는 방식으로 보냈습니다. 구석기 시대 동굴 벽화를 그리던 시절의 석등부터 로마의 밀랍 양초, 고래 기름을 쓴 램프에 이르기까지 모두 화학적인 연소 과정에서 동반되는 빛을 이용한 것이었습니다. 19세기에 이르러서야 석탄가스를 이용한 가스등과 최초의 전기등인 탄소아크등이 등장하며 새로운 전기를 맞이했습니다. 특히 아크등은 인공적인 번개를 만들어 조명으로 활용한 획기적인 시도였으나, 강한 소음과 번쩍거림 때문에 주로 실외용으로만 사용되는 한계가 있었습니다. 실내 조명의 본격적인 혁명은 에디슨이 상용화한 백열등에서 시작되었습니다. 백열등은 필라멘트를 섭씨 2,000도 이상의 고온으로 가열해 가시광선을 내는 원리를 이용합니다. 하지만 에너지의 90% 이상이 열로 방출되어 효율이 낮다는 단점이 있었습니다. 이후 등장한 형광등은 유리관 내부의 수은이 내뿜는 자외선을 형광체에 통과시켜 가시광선으로 변환하는 방식을 취했습니다. 형광체라는 특수한 물질을 통해 빛의 색을 자유롭게 조절할 수 있게 되면서, 인류는 비로소 백열등보다 훨씬 효율적인 인공 광원을 갖게 되었습니다. 오늘날 조명의 주역은 반도체 광원인 LED입니다. 1960년대 적색 LED를 시작으로 1990년대 중반 청색 LED가 발명되면서 빛의 삼원색이 완성되었고, 이를 통해 효율적인 백색광 구현이 가능해졌습니다. LED는 기존 광원에 비해 수명이 비약적으로 길고 전력 소모가 적어 현대 광기술의 정점으로 평가받습니다. 청색 LED 위에 황색 형광체를 입히거나 RGB 칩을 조합하는 등 다양한 방식으로 만들어진 백색 LED는 이제 교통신호등부터 실내 조명, 야외 전광판까지 우리 삶의 모든 곳을 밝히고 있습니다. 디스플레이는 정보를 시각적 형태로 전달하는 핵심적인 출력 장치입니다. 화면을 자세히 들여다보면 수많은 화소의 배열로 구성되어 있는데, 각 화소는 빨강, 초록, 파랑의 세 가지 색상을 적절히 조합해 우리가 원하는 컬러를 만들어냅니다. 최근에는 각 색상의 밝기를 1,000단계 이상으로 세밀하게 구분하여 총 10억 개 이상의 풍부한 컬러를 구현하는 수준에 이르렀습니다. 브라운관에서 시작된 디스플레이의 역사는 이제 얇고 가벼운 평판형을 넘어, 실제와 가까운 생생한 색감을 자랑하는 고해상도 시대로 진입했습니다. 현대 디스플레이 기술은 크게 LCD와 OLED로 구분할 수 있습니다. LCD는 스스로 빛을 내지 못해 후면의 백라이트가 필요한 비자발광 방식인 반면, OLED는 화소 자체가 스스로 빛을 내는 자발광 방식입니다. 여기에 나노 크기의 반도체인 양자점 기술이 더해지면서 색의 순도와 채도가 비약적으로 향상되었습니다. 양자점은 입자의 크기에 따라 방출하는 빛의 색깔이 달라지는 독특한 특성을 지닙니다. 이러한 기술적 진보는 돌돌 말리는 롤러블 TV처럼 설계의 자유도가 높은 미래형 디스플레이의 탄생을 가능하게 했습니다. 빛은 과학의 역사 속에서 현미경과 망원경의 발명을 이끌며 미시 세계와 거대 우주를 잇는 가교 역할을 했습니다. 또한 양자역학이나 상대성 이론 같은 현대 물리학의 탄생에도 결정적인 영감을 제공했습니다. 오늘날의 광기술은 IT 문명의 견고한 기반이 되어 우리에게 편리함과 즐거움을 주지만, 동시에 정보 격차와 같은 새로운 사회적 고민거리를 던져주기도 합니다. 빛의 원리와 기술적 맥락을 깊이 이해하는 것은 급변하는 미래 사회에서 새로운 기술을 더욱 지혜롭게 활용하고 아름다운 세상을 향유하기 위한 필수적인 과정입니다.

고재현

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물리학

[관측회] 서울대 천문대 '별 볼 일 있는 밤'

서울대학교 관악 캠퍼스에 위치한 서울대학교 천문대는 2018년 새롭게 개관하며 국내 대학 천문대 중 최대 규모인 1m 반사망원경을 보유하게 되었습니다. 이 망원경은 단순히 별을 보는 것을 넘어 실제 연구에 활발히 사용되는 정밀한 장비입니다. 주경과 부경을 거쳐 모인 빛은 측광기와 분광기로 나뉘어 천체의 밝기와 성분을 동시에 분석할 수 있게 해줍니다. 과거 1969년부터 이어온 천문학적 전통을 계승하며, 현대적인 관측 시스템을 통해 우주의 신비를 밝히는 중요한 거점 역할을 수행하고 있습니다. 천문 관측에서 가장 중요한 요소 중 하나는 '시상'이라 불리는 대기의 상태입니다. 날씨가 맑더라도 대기가 불안정하면 별빛이 번지거나 초점이 맞지 않는 현상이 발생하기 때문입니다. 이를 위해 천문대에서는 북극성을 실시간으로 모니터링하며 대기의 흔들림을 기록하고, 습도와 구름의 양을 전천카메라로 확인합니다. 첨단 제어 시스템은 망원경과 돔의 움직임을 일치시켜 관측 효율을 극대화하며, 연구자들은 모니터를 통해 우주에서 온 미세한 신호를 포착하기 위한 만반의 준비를 갖춥니다. 천문학 연구의 핵심 도구인 분광은 빛을 나누어 그 안에 숨겨진 성분을 확인하는 작업입니다. 프리즘이나 회절격자를 통해 빛을 무지개처럼 펼치면 천체의 온도, 밀도, 화학적 조성을 알려주는 스펙트럼이 나타납니다. 이는 마치 천체의 지문과 같아서, 우리가 직접 가볼 수 없는 먼 우주의 별이나 행성에 어떤 원소가 존재하는지 알려줍니다. 특히 특정 파장에서 나타나는 흡수선과 방출선은 해당 천체의 물리적 상태를 진단하는 결정적인 단서가 되며, 현대 천문학이 우주의 진화를 이해하는 데 필수적인 역할을 합니다. 지구와 가장 가까운 천체인 달과 화성은 태양빛을 반사하여 빛을 냅니다. 달의 스펙트럼을 분석하면 태양의 특성과 함께 지구 대기를 통과하며 생긴 산소와 수증기의 흔적을 발견할 수 있습니다. 화성의 경우, 붉은 표면 아래 숨겨진 극관의 드라이아이스 성분인 이산화탄소 흡수선을 관측함으로써 행성의 환경을 유추할 수 있습니다. 최근에는 퍼서비어런스와 같은 탐사 로버가 화성 표면에서 직접 생명체의 흔적을 찾고 있으며, 지상 망원경을 통한 분광 관측은 이러한 탐사 임무를 보완하는 중요한 기초 데이터를 제공합니다. 별의 일생 마지막 단계에서 탄생하는 행성상 성운인 사자성운은 우주의 경이로움을 잘 보여줍니다. 태양과 비슷한 질량의 별이 가스를 내뿜으며 백색왜성으로 변해가는 과정은 분광 관측을 통해 더욱 선명해집니다. 뜨거운 열기에 의해 이온화된 산소와 수소 가스는 특정한 방출선을 만들어내며 성운의 화려한 모습을 완성합니다. 또한 수만 개의 늙은 별들이 공 모양으로 뭉쳐 있는 구상성단은 은하의 형성과 진화 과정을 담고 있는 화석과 같습니다. 이러한 천체들은 우주가 끊임없이 변화하고 있음을 증명하는 살아있는 증거입니다. 은하는 수많은 별과 성운, 성단이 모여 있는 거대한 종합 선물 세트와 같습니다. 큰곰자리에 위치한 보데 은하와 시가 은하는 약 1억 년 전 서로 충돌하며 폭발적인 별 탄생을 겪었습니다. 특히 시가 은하는 우리 은하보다 10배나 높은 비율로 새로운 별을 만들어내고 있어 '별폭발 은하'라 불립니다. 은하의 스펙트럼은 수많은 천체의 빛이 섞여 있어 복잡하지만, 그 안에서 발견되는 수소 방출선은 은하 내부에서 일어나는 역동적인 활동을 보여줍니다. 이러한 관측은 우주의 거대 구조를 이해하는 중요한 열쇠가 됩니다. 천문학은 단순히 먼 우주를 바라보는 것에 그치지 않고, 인류가 우주 속에서 어떤 존재인지를 깨닫게 해줍니다. 에라토스테네스가 그림자의 길이를 통해 지구의 둘레를 측정했듯이, 현대의 천문학자들도 빛의 파장을 분석하며 우주의 크기와 기원을 탐구하고 있습니다. 외계 행성의 대기에서 생명체의 흔적을 찾고 소행성 탐사를 계획하는 모든 과정은 인류의 지평을 넓히는 도전입니다. 밤하늘의 별을 바라보며 우주와 소통하려는 노력은 과학적 호기심을 넘어 미래 세대에게 무한한 상상력과 꿈을 심어주는 소중한 밑거름이 될 것입니다.

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천문학

[술술과학] 우주(5): 티끌 모아 별

밤하늘을 수놓는 별들은 저마다의 색을 띠고 있습니다. 천문학에서는 이를 'Oh Be A Fine Girl, Kiss Me'라는 문구로 기억하기 쉽게 분류하는데, 이는 별의 스펙트럼형을 나타냅니다. 별의 색깔을 결정하는 핵심 요소는 바로 표면 온도입니다. 가장 뜨거운 별은 푸른색을 띠는 O형이며, 온도가 낮아질수록 백색, 황색을 거쳐 붉은색의 M형으로 변합니다. 이러한 온도의 차이는 결국 별이 탄생할 때의 질량에 의해 결정됩니다. 질량이 크고 무거운 별일수록 내부 압력이 높아져 더 뜨겁고 푸른 빛을 내뿜게 되는 원리입니다. 별들의 세계를 체계적으로 이해하기 위해 천문학자들은 '헤르츠스프룽-러셀 도표', 즉 색-밝기표를 사용합니다. 이 도표의 가로축은 별의 색깔을, 세로축은 별 본래의 밝기인 절대등급을 나타냅니다. 도표를 가로지르는 대각선 영역에는 우주 별의 대부분을 차지하는 '주계열성'이 위치합니다. 우리 태양 역시 이 주계열성에 속하는 평범한 황색 별입니다. 주계열성 내에서는 왼쪽 상단으로 갈수록 크고 밝은 푸른 별이 위치하며, 오른쪽 하단으로 갈수록 작고 어두운 붉은 별들이 자리 잡고 있어 별의 질량과 밝기 사이의 상관관계를 명확히 보여줍니다. 별의 일생은 탄생 시의 무게에 따라 극적으로 달라집니다. 태양과 같은 보통 크기의 별들은 수소 연료를 모두 소진하면 몸집을 수백 배로 불리며 적색거성 단계에 진입합니다. 이때 태양의 표면은 지구 궤도에 육박할 정도로 거대해지며, 이후 외곽의 물질을 행성상 성운으로 방출합니다. 남겨진 중심부는 중력에 의해 수축하여 지구 크기 정도의 백색왜성이 됩니다. 백색왜성은 더 이상 핵융합을 하지 않지만, 엄청난 고온과 고압 상태를 유지하며 서서히 식어갑니다. 이 과정에서 내부의 탄소와 산소가 결정화되어 거대한 다이아몬드와 같은 구조를 형성하기도 합니다. 백색왜성이 형태를 유지할 수 있는 비결은 전자들이 서로 밀어내는 힘인 '전자축퇴압'에 있습니다. 하지만 이 힘으로 버틸 수 있는 질량에는 한계가 있는데, 이를 '찬드라세카르 한계'라고 부르며 태양 질량의 약 1.4배에 해당합니다. 만약 쌍성계에서 동반성의 물질을 흡수하여 이 한계를 넘어서게 되면 백색왜성은 Ia형 초신성으로 강력하게 폭발합니다. 반면, 처음부터 태양보다 훨씬 무거웠던 별들은 초신성 폭발을 거쳐 중성자별이나 블랙홀로 진화합니다. 별의 종말은 단순히 사라지는 것이 아니라, 우주의 물리 법칙이 허용하는 극한의 상태로 변모하는 과정입니다. 우주에서 가장 흔한 별은 작고 어두운 적색왜성입니다. 이들은 질량이 작아 핵융합 속도가 매우 느리기 때문에 수명이 1조 년 이상에 달할 정도로 깁니다. 너무나 긴 수명 탓에 인류는 아직 적색왜성의 죽음을 직접 목격하지 못했으며, 시뮬레이션을 통해 이들이 먼 미래에 청색왜성을 거쳐 흑색왜성으로 변할 것이라 추측할 뿐입니다. 밤하늘의 별들은 겉보기에 비슷해 보일지라도, 그 이면에는 갈색왜성부터 초거성까지 상상을 초월하는 다양성이 존재합니다. 별의 탄생과 죽음을 연구하는 과정은 결국 우주의 거대한 질서와 그 비밀을 풀어가는 인간의 경이로운 여정이라 할 수 있습니다.

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천문학

[강연] 별, 그 위대한 삶의 이야기 _ by김용철ㅣ 2021 봄 카오스강연 'SPACE OPERA' 5강 | 5강

밤하늘을 수놓는 별들은 단순히 빛나는 점이 아닙니다. 천문학에서 별, 즉 항성은 자체 중력으로 뭉쳐진 가스 덩어리이며, 내부의 에너지원을 통해 스스로 빛을 내는 천체를 의미합니다. 우리는 별에 직접 가볼 수 없기에 오직 별빛만을 통해 그들의 이야기를 듣습니다. 빛을 파장별로 나누어 분석하는 분광학은 별의 온도, 성분, 자전 속도 등 수많은 정보를 제공하는 열쇠가 됩니다. 이를 통해 우리는 멀리 떨어진 천체의 물리적 상태를 정밀하게 파악할 수 있습니다. 태양의 빛을 프리즘에 통과시키면 무지개색 띠 사이에 수많은 검은 선들이 나타납니다. 이 흡수선들은 별의 대기를 구성하는 원소들이 특정한 파장의 빛을 흡수한 흔적입니다. 과거에는 우주가 지구와 전혀 다른 물질로 이루어졌다고 믿었으나, 분광 분석을 통해 태양 역시 지구와 같은 원소들로 구성되어 있음이 밝혀졌습니다. 다만 그 비율이 다를 뿐이며, 태양의 대부분은 수소와 헬륨으로 이루어져 있다는 사실은 현대 천문학의 기초가 되었습니다. 별의 색깔은 표면 온도를 나타내는 가장 직관적인 지표입니다. 푸른 별은 붉은 별보다 훨씬 뜨거우며, 이는 물체가 온도에 따라 방출하는 빛의 파장이 달라지기 때문입니다. 천문학자들은 별의 밝기와 색깔을 평면에 나타낸 헤르츠스프룽-러셀도(H-R도)를 통해 별들을 분류합니다. 놀랍게도 대부분의 별은 대각선 방향의 '주계열' 영역에 모여 있는데, 이는 별들이 일생의 대부분을 이 안정적인 단계에서 보내기 때문입니다. 별이 수십억 년 동안 일정한 밝기를 유지할 수 있는 비결은 내부의 핵융합 반응에 있습니다. 중심부의 엄청난 압력과 온도 속에서 수소 원자핵들이 결합하여 헬륨이 되며 막대한 에너지를 방출합니다. 하지만 연료는 무한하지 않기에 별은 필연적으로 죽음을 맞이합니다. 에너지가 고갈됨에 따라 별의 구조는 변하며, 이는 겉모습인 밝기와 색깔의 변화로 이어집니다. 결국 별의 일생은 중력과 내부 에너지가 벌이는 거대한 균형의 역사라고 할 수 있습니다. 별의 운명을 결정하는 가장 핵심적인 요소는 태어날 때의 질량입니다. 태양과 비슷한 질량의 별들은 수명을 다하면 붉고 거대한 적색 거성으로 팽창했다가, 외곽층을 우주로 날려 보내고 중심부에 탄소와 산소로 이루어진 백색 왜성을 남깁니다. 반면 태양보다 훨씬 무거운 별들은 철까지 핵융합을 진행하며 더욱 역동적인 진화를 겪습니다. 질량에 따라 별은 조용한 종말을 맞이하거나, 우주에서 가장 격렬한 폭발을 일으키며 사라지기도 합니다. 철은 핵융합을 통해 에너지를 얻을 수 있는 마지막 단계의 원소입니다. 무거운 별의 중심에 철이 쌓이면 더 이상 에너지를 내지 못하고 중력 붕괴를 일으켜 초신성 폭발로 이어집니다. 이 찰나의 순간에 금이나 은처럼 철보다 무거운 원소들이 만들어지며 우주 공간으로 흩뿌려집니다. 초신성 폭발은 단순한 파괴가 아니라, 새로운 세대의 별과 행성을 탄생시키기 위한 재료를 공급하는 우주의 거대한 재활용 과정이기도 합니다. 우리는 흔히 스스로를 별과 무관한 존재로 여기지만, 우리 몸을 구성하는 탄소, 질소, 산소 등은 모두 과거 어느 별의 내부에서 만들어진 것들입니다. 수십억 년 전 폭발한 별의 잔해인 '별먼지'가 모여 지구를 형성했고, 그 위에서 생명체가 탄생했습니다. 결국 인간은 우주를 관찰하고 이해하는 지적인 별먼지인 셈입니다. 밤하늘의 별을 바라보는 것은 우리 존재의 근원을 확인하는 일이며, 우주와 우리가 하나로 연결되어 있음을 깨닫는 숭고한 경험입니다.

김용철

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천문학

[연구뭐하지] 이시구로 마사테루 교수_서울대학교 '태양계연구실' | 생명과 행성의 신비를 밝히기 위해!

지구라는 행성의 유일무이함은 어디에서 기인했을까요? 서울대학교 물리천문학부 태양계 연구실은 이러한 근원적인 호기심에서 출발하여 생명과 행성의 기원을 탐구합니다. 연구의 주된 대상은 소행성, 혜성, 그리고 태양계 외곽 천체와 같은 소천체들입니다. 이들은 약 46억 년 전 태양계가 형성될 당시의 흔적을 고스란히 간직한 원시 물질들로, 태양계의 탄생과 진화 과정을 이해하는 데 결정적인 열쇠를 제공합니다. 연구실은 지상 망원경을 이용한 관측 데이터와 우주 탐사선의 자료를 결합하여 이 신비로운 천체들의 정체를 밝혀내고 있습니다. 연구실에서는 관측과 이론적 모델을 병행하여 태양계 천체들의 진화 과정을 심도 있게 조사합니다. 구체적으로는 일본의 하야부사 탐사선이 촬영한 소행성 '이토카와'의 자료를 분석하여 천체의 스펙트럼을 구하고 진화 과정을 연구하거나, 혜성의 표면 특성을 조사하기도 합니다. 혜성은 태양 형성 이후 행성으로 성장하지 못한 채 우주 공간을 떠도는 원시적인 파편입니다. 태양에 접근할 때 방출되는 물질의 물리적, 화학적 특성과 궤도 역학을 분석함으로써, 연구자들은 수십억 년 전 탄생의 순간까지 거슬러 올라가는 시간 여행을 수행하며 우주의 역사를 재구성합니다. 국내에서 태양계 천문학을 집중적으로 연구하는 곳은 드물기에, 이곳의 연구 환경은 매우 특별합니다. 교수님과 학생들 사이의 활발한 소통은 연구실의 가장 큰 자산입니다. 특히 이메일을 통한 세밀한 대화와 긴 시간 이어지는 연구 미팅은 학생들의 연구를 하나하나 꼼꼼하게 점검하는 과정입니다. 이러한 지도 방식은 연구의 속도를 높이고 질을 향상시키는 원동력이 됩니다. 교수님이 직접 솔선수범하며 연구에 매진하는 모습은 학생들에게 큰 귀감이 되며, 과학자로서 갖추어야 할 성실함과 책임감을 자연스럽게 배우는 계기가 됩니다. 태양계의 기원이라는 거대한 질문에 답하기 위해서는 열린 사고가 필수적입니다. 다양한 천체를 여러 방법으로 연구하다 보면 각기 다른 결과들을 하나의 큰 그림으로 연결하는 통찰력이 요구되기 때문입니다. 따라서 동료의 연구를 존중하고 수용하는 관용적인 태도가 중요하며, 서로의 지식을 나누며 함께 성장하는 문화가 정착되어 있습니다. 또한 국제적인 협력이 빈번한 분야 특성상 외국어 능력 또한 연구의 지평을 넓히는 데 도움이 됩니다. 이러한 환경 속에서 학생들은 단순한 지식 습득을 넘어 진정한 연구자로서의 자질을 갖추어 나갑니다. 태양계 연구실의 시선은 이제 미래를 향하고 있습니다. 지상 관측을 넘어 직접 탐사선을 보내거나 국제적인 우주 프로젝트에 참여하는 등 연구의 영역을 끊임없이 확장하고 있습니다. 선배 연구자들의 노하우와 젊은 연구자들의 열정이 결합되어 세계적 수준의 연구 성과를 창출하고 있으며, 이는 인류가 가진 근원적인 궁금증을 해결하는 밑거름이 될 것입니다. 젊은 세대 연구자들이 주도할 생명의 기원 탐구와 소천체 연구는 앞으로도 계속될 것이며, 이들의 도전은 태양계의 비밀을 풀고 인류의 지식 체계를 한 단계 더 높은 곳으로 이끌 것입니다.

Ishiguro Masateru(이시구로 마사테루)

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천문학

[강연] 당신의 맹점을 경험해보세요 | 광산란이 드러내는 미시세계와 극한세계의 비밀 _ 고재현 교수_3강 | 2018 카오스 마스터클래스 '물리' | 3강 ③

분광학은 빛을 파장이나 진동수별로 나누어 그 안에 담긴 물리적인 정보를 분석하는 학문입니다. 우리가 눈으로 보는 세상 너머, 미시 세계나 극한 환경의 비밀을 파헤치는 강력한 도구가 됩니다. 빛을 분해하면 광원의 특성뿐만 아니라 빛이 거쳐 온 물질의 성질까지 파악할 수 있습니다. 예를 들어 OLED 조명의 스펙트럼을 분석하면 어떤 색의 비중이 높은지 알 수 있고, 이를 통해 조명의 색감을 예측할 수 있습니다. 이처럼 분광학은 현대 과학의 여러 분야와 접점을 형성하며 보이지 않는 세계를 이해하는 열쇠 역할을 합니다. 인간의 눈은 매우 정교한 광학 검출기입니다. 망막에는 어두운 곳에서 작동하는 막대세포와 색상을 감지하는 원추세포가 존재합니다. 특히 원추세포는 빨강, 초록, 파랑을 각각 감지하는 세 종류로 나뉘어 우리가 다채로운 색을 느끼게 합니다. 흥미로운 점은 인간의 뇌가 시각 정보를 단순히 수용하는 데 그치지 않고, 맹점의 빈틈을 주변 정보로 채우거나 보색 잔상을 만들어내는 등 능동적으로 해석한다는 사실입니다. 우리가 보는 색은 물리적 스펙트럼 그 자체가 아니라, 세 종류의 원추세포가 자극받는 상대적 비율에 따른 심리적 결과물이라 할 수 있습니다. 하늘이 파랗게 보이고 노을이 붉게 물드는 현상은 빛의 산란으로 설명됩니다. 대기 중의 아주 작은 공기 분자들은 파장이 짧은 푸른빛을 더 강하게 산란시키는데, 이를 레일리 산란이라고 합니다. 낮에는 이 산란된 푸른빛이 우리 눈에 들어와 파란 하늘을 만듭니다. 반면 해 질 녘에는 태양빛이 두꺼운 대기층을 통과하며 푸른빛은 대부분 흩어지고, 산란되지 않은 붉은빛 위주로 도달하여 노을을 형성합니다. 이처럼 빛과 물질의 상호작용은 우리가 매일 마주하는 자연의 아름다움 속에 숨겨진 과학적 원리를 드러냅니다. 구름이 하얗게 보이는 이유는 공기 분자보다 큰 물방울이나 먼지에 의한 미 산란 때문입니다. 미 산란은 파장에 관계없이 모든 색의 빛을 고르게 산란시키기 때문에 우리 눈에는 흰색으로 인지됩니다. 이러한 산란 원리는 실생활에서도 유용하게 활용됩니다. 반도체 공정의 클린룸에서는 레이저를 이용해 미세먼지가 일으키는 산란광을 측정함으로써 공기 중 입자의 개수를 파악합니다. 또한, 구름의 두께에 따라 밝기가 달라지는 현상 역시 빛이 입자들과 여러 번 충돌하며 산란되는 정도의 차이에서 비롯된 결과입니다. 빛이 물질과 만날 때 색깔이 변하는 비탄성 산란 현상도 존재합니다. 대표적인 것이 분자의 진동에 의해 입사광의 에너지가 변하는 라만 산란입니다. 모든 분자는 고유한 진동 방식을 가지고 있어, 라만 산란 신호를 분석하면 마치 지문을 확인하듯 물질의 정체를 정확히 파악할 수 있습니다. 이 기술은 탄소나노튜브나 그래핀 같은 첨단 소재 연구부터 생체 조직 분석, 심지어 위조 미술품 판별에 이르기까지 폭넓게 쓰입니다. 보이지 않는 분자의 떨림을 빛의 색 변화로 읽어냄으로써 물질의 미세 구조를 탐구하는 것입니다. 물질 내부의 음파, 즉 원자들의 자발적인 떨림에 의해서도 빛의 색이 변하는데 이를 브릴루앙 산란이라고 합니다. 음파의 속도에 따라 빛의 진동수가 미세하게 변하는 도플러 효과를 이용하면, 물질의 탄성이나 강도를 비파괴 방식으로 측정할 수 있습니다. 예를 들어 술의 알코올 함량에 따른 음속 변화를 측정하거나 거미줄의 위치별 강도를 분석하는 데 활용됩니다. 심지어 수십 광년 떨어진 외계행성의 대기에서 부는 마하 7의 강력한 바람 속도를 측정하는 데도 이 원리가 적용되어, 우주 탐사의 지평을 넓히고 있습니다. 분광학은 지구 내부의 핵과 같은 극한 압력이나 수조 도에 달하는 초고온 환경을 연구하는 데 필수적입니다. 다이아몬드 앤빌 셀을 이용해 대기압의 수십만 배에 달하는 압력을 가하면서 라만이나 브릴루앙 산란을 측정하면, 극한 조건에서 물질의 성질이 어떻게 변하는지 실시간으로 관찰할 수 있습니다. 또한 나노구슬의 고유 진동을 측정하는 '나노 음악' 연구는 거대한 지구가 지진으로 인해 진동하는 방식과 물리적으로 동일한 원리를 공유합니다. 이처럼 분광학은 가장 작은 나노 세계부터 거대한 우주까지 관통하는 보편적인 과학의 언어입니다.

고재현

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물리학

[강연] 우주는 수인가 모양인가? by김민형 | 2018 여름 카오스 콘서트 '수학과 과학 42' 1부 | 1부

구글은 현대인에게 단순한 검색 엔진 이상의 의미를 지닙니다. 데이터 과학자 정하웅 교수는 이 거대한 플랫폼이 가진 정보의 힘에 주목하며, 우리가 일상에서 마주하는 수많은 질문과 고민을 해결해 주는 데이터의 가치를 강조합니다. 디지털 시대의 정보는 멀리 있는 존재가 아니라, 우리 손안의 스마트폰과 컴퓨터 화면 속에 상주하며 우리의 모든 궁금증을 실시간으로 해결해 주는 핵심적인 자원이 되었습니다. 이러한 정보의 흐름은 우리의 사고방식과 삶의 양식을 근본적으로 변화시키고 있습니다. 우리가 구글에 입력하는 검색어는 단순한 단어의 나열이 아닙니다. 그것은 우리의 욕망, 불안, 그리고 현재의 상태를 가장 솔직하게 드러내는 지표입니다. 친구나 가족에게도 말하지 못하는 은밀한 고민부터 사소한 궁금증까지, 구글은 인류의 집단지성과 개별적인 행동 양식을 고스란히 기록합니다. 이러한 방대한 데이터는 개별적으로는 파편화되어 보이지만, 이를 거시적으로 분석하면 인류 전체의 흐름을 읽어낼 수 있는 강력한 도구가 됩니다. 데이터는 이제 인간을 이해하는 새로운 언어가 되었습니다. 구글의 데이터 권력을 상징적으로 보여준 사례가 바로 '구글 독감 트렌드'입니다. 2008년 구글은 사람들이 독감 증상을 검색하는 빈도를 분석하여, 미국 질병통제예방센터보다 훨씬 빠르게 독감 유행 지역을 예측해 냈습니다. 전통적인 방식이 병원 보고를 집계하는 데 수주가 걸렸던 반면, 구글은 실시간 검색 데이터를 통해 즉각적인 결과를 도출했습니다. 이는 데이터가 이론이나 가설을 넘어 현실의 문제를 해결하는 강력한 수단이 될 수 있음을 증명한 사건이었으며, 빅데이터 시대의 서막을 알렸습니다. 빅데이터의 핵심은 '왜'라는 인과관계보다 '무엇이' 일어나는지에 대한 상관관계에 집중하는 데 있습니다. 구글은 독감이 왜 발생하는지 연구하는 대신, 독감에 걸린 사람들이 어떤 단어를 검색하는지에 주목했습니다. 이러한 접근 방식은 복잡한 현상을 단순화하여 빠르게 결론에 도달하게 해 줍니다. 데이터 과학은 수많은 변수가 얽힌 현실 세계에서 유의미한 패턴을 찾아내고, 이를 통해 미래를 예측하는 새로운 통찰력을 제공하며 학문의 패러다임을 바꾸어 놓았습니다. 이는 효율성을 극대화하는 현대 과학의 특징을 잘 보여줍니다. 그러나 데이터의 전지전능함에는 분명한 한계가 존재했습니다. 구글 독감 트렌드는 시간이 흐르면서 실제 독감 발생률을 과도하게 높게 예측하는 오류를 범하기 시작했습니다. 이는 검색 알고리즘의 변화와 사용자들의 행동 양식 변화를 데이터가 온전히 반영하지 못했기 때문입니다. 데이터는 과거의 기록일 뿐, 변화하는 미래를 완벽하게 보장하지는 않습니다. 기술적 결함이나 데이터의 편향성은 언제든 예측의 정확도를 떨어뜨릴 수 있으며, 이는 데이터 맹신에 대한 경종을 울리는 계기가 되었습니다. 결국 데이터 과학의 본질은 숫자가 아닌 인간에 대한 깊은 이해에 있습니다. 데이터는 인간의 활동이 남긴 흔적이며, 그 이면에는 복잡한 심리와 사회적 맥락이 숨어 있습니다. 데이터를 분석하는 과정에서 인간의 직관과 비판적 사고가 배제된다면, 우리는 숫자가 만들어낸 환상에 빠질 위험이 있습니다. 진정한 통찰은 방대한 데이터 속에서 유의미한 가치를 발견하고, 그것이 현실 세계와 어떻게 연결되는지를 파악하는 인간의 지혜로부터 나옵니다. 데이터는 결코 인간의 판단을 완전히 대체할 수 없습니다. 우리는 이제 데이터가 지배하는 세상을 살아가고 있습니다. 데이터가 우리 삶에 깊숙이 침투해 있다는 사실은 부정할 수 없는 현실입니다. 하지만 데이터는 도구일 뿐, 그 도구를 어떻게 활용하고 어떤 방향으로 나아갈지를 결정하는 것은 결국 인간의 몫입니다. 기술의 발전이 가져다주는 편리함을 누리되, 데이터 뒤에 숨겨진 진실을 탐구하려는 노력을 멈추지 말아야 합니다. 그것이 바로 인공지능과 빅데이터의 시대에 우리가 갖추어야 할 진정한 지성이며, 미래를 준비하는 올바른 자세일 것입니다.

김민형

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수학

[강연] LED를 통해 본 전자기의 세계 _ 고재현 교수_1강_ | 2018 여름 카오스 마스터클래스 '물리' | 3강 ①

전자기학의 역사는 인류가 자연의 근본적인 힘을 이해해 온 과정이며, 그 종착점은 우리가 매일 마주하는 '빛'입니다. 고대 그리스 시대의 마찰 전기 현상부터 시작된 탐구는 전하와 자기, 그리고 이들이 서로를 유도하는 복잡한 상호작용을 밝혀내는 여정으로 이어졌습니다. 마이클 패러데이가 직관적으로 제시한 력선의 개념은 이후 제임스 클라크 맥스웰에 의해 정교한 수학적 체계인 전자기파 이론으로 완성되었습니다. 이 이론은 전기와 자기가 별개의 현상이 아니라 하나의 통합된 전자기장 안에서 파동처럼 퍼져나가는 존재임을 증명하며 현대 물리학의 초석을 다졌습니다. 전기 현상의 핵심인 전하는 입자들이 가진 내재적 속성으로, 이들 사이에는 거리에 반비례하고 전하량에 비례하는 쿨롱의 힘이 작용합니다. 과거에는 이 힘이 시간의 지체 없이 즉각 전달되는 원격 작용으로 여겨졌으나, 패러데이는 전하 주변의 공간 성질이 변한다는 '장'의 개념을 도입했습니다. 전하가 형성한 전기장은 공간상의 모든 점에 벡터 성질을 부여하며, 다른 전하가 이 영역에 들어올 때 비로소 전기력을 느끼게 됩니다. 이러한 관점의 전환은 힘이 전달되는 데 일정한 시간이 걸린다는 사실을 시사하며, 전자기학이 전자기파 이론으로 나아가는 중요한 징검다리가 되었습니다. 자기 현상 또한 전기와 마찬가지로 공간에 형성된 자기장을 통해 힘을 전달합니다. 자석은 항상 N극과 S극이 쌍으로 존재하며, 이를 수학적으로 표현한 것이 자기장에 대한 가우스 법칙입니다. 흥미로운 점은 정지한 전하는 자기장의 영향을 받지 않지만, 움직이는 전하는 자기장 속에서 '로렌츠 힘'이라는 특별한 힘을 받는다는 사실입니다. 이 힘은 전하의 이동 방향과 자기장 방향에 모두 수직으로 작용하여 입자의 궤도를 휘게 만듭니다. 이러한 원리는 과거 브라운관 TV의 전자빔 조절부터 현대의 가속기 실험에 이르기까지 전하의 움직임을 제어하는 핵심 원리로 널리 활용되고 있습니다. 전기와 자기가 서로 긴밀하게 연결되어 있다는 사실은 외르스테드와 앙페르, 그리고 패러데이의 실험을 통해 명확히 밝혀졌습니다. 도선에 흐르는 전류가 주변에 자기장을 형성한다는 발견은 전기가 자기를 만들 수 있음을 보여주었고, 반대로 변화하는 자기장이 회로에 전류를 유도한다는 패러데이 전자기 유도 법칙은 자기가 전기를 유도할 수 있음을 증명했습니다. 맥스웰은 여기서 한 걸음 더 나아가 시간에 따라 변하는 전기장이 자기장을 유도한다는 가정을 추가함으로써 전자기학의 대칭성을 완성했습니다. 이로써 전기와 자기는 서로가 서로를 끊임없이 생성하며 공간을 나아가는 파동의 형태로 통합되었습니다. 맥스웰이 정리한 네 개의 방정식은 인류 역사상 가장 아름다운 물리 공식 중 하나로 꼽힙니다. 그는 이 방정식들을 연립하여 전자기파의 속도를 계산해냈고, 그 결과가 당시 알려진 빛의 속도와 일치한다는 사실을 발견했습니다. 이는 인류가 오랫동안 별개의 학문으로 다루어 온 전기학, 자기학, 그리고 광학이 사실은 하나의 뿌리에서 나온 것임을 선언한 역사적 사건이었습니다. 빛은 결국 시간에 따라 진동하는 전기장과 자기장이 서로를 유도하며 진공 속을 가로지르는 전자기파의 일종입니다. 이 발견은 뉴턴의 역학적 세계관을 넘어 현대 전자기 문명의 이론적 토대를 마련했습니다. 전자기학의 원리는 현대 반도체 소자인 LED의 작동 방식에서도 구체적으로 확인할 수 있습니다. LED는 p형 반도체와 n형 반도체를 접합한 구조로, 외부에서 전압을 가하면 전자와 정공이 접합면으로 이동하여 결합하게 됩니다. 이때 전자가 가진 높은 퍼텐셜 에너지가 낮은 상태로 전이되면서 그 차이만큼의 에너지가 빛의 형태로 방출되는 것입니다. 반도체의 재료를 조절하여 방출되는 빛의 파장을 바꾸면 빨간색, 녹색, 파란색 등 다양한 색상을 구현할 수 있습니다. 이는 전하의 이동과 에너지 변환이라는 전자기학적 과정을 통해 우리가 원하는 빛을 인공적으로 만들어내는 정밀한 기술의 산물입니다. 전기와 자기는 관찰자의 운동 상태에 따라 서로 모습을 바꾸는 동일한 현상의 두 측면입니다. 아인슈타인의 상대성 이론에 따르면, 한 관찰자에게는 자기력으로 보이는 현상이 다른 관찰자에게는 전기력으로 해석될 수 있습니다. 이는 전자기학이 단순히 고전적인 물리 법칙에 머무는 것이 아니라, 시공간의 본질과 깊이 연관되어 있음을 보여줍니다. 맥스웰은 인간의 유한함에 갇히지 않고 우주의 무한한 진리를 추구하며 전자기 통합이라는 위대한 업적을 남겼습니다. 그의 방정식은 오늘날 무선 통신과 디스플레이 기술 등 현대 문명을 지탱하는 보이지 않는 힘으로 우리 곁에 살아 숨 쉬고 있습니다.

고재현

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물리학

[강연] 빛의 역사 : 우리는 별에 다다르기 위해 죽는다 by윤성철 교수 | 2016 겨울 제 8회 카오스 콘서트 '빛 색즉시공' 3부 | 3부 ①

밤하늘의 별을 바라보는 행위는 인류 역사에서 가장 오래된 탐구 중 하나입니다. 갈릴레오 갈릴레이가 망원경을 통해 지구가 우주의 중심이 아님을 밝혀낸 이후, 우리는 광활한 우주 속에 수천억 개의 은하와 별이 존재한다는 사실을 깨닫게 되었습니다. 이러한 발견은 인류에게 스스로의 정체성에 대한 근원적인 질문을 던지게 했으며, 현대 천문학은 그 실마리를 찾기 위해 빛의 본질을 파고들기 시작했습니다. 우리가 발을 딛고 있는 지구가 우주의 중심이 아니라는 자각은 과학 혁명의 시작이었으며, 이는 곧 우주 전체를 구성하는 물질에 대한 호기심으로 이어졌습니다. 태양빛을 프리즘에 통과시키면 나타나는 스펙트럼 속에는 '흡수선'이라 불리는 수많은 검은 선이 존재합니다. 20세기 초 양자역학의 발전은 이 선들이 원자 내부 전자의 '양자 도약'에 의해 발생한다는 사실을 밝혀냈습니다. 전자가 특정 에너지 준위로 이동하며 특정 파장의 빛을 흡수할 때 생기는 이 패턴은 원소마다 고유한 지문과 같습니다. 이를 통해 우리는 직접 가볼 수 없는 먼 별들이 어떤 원소로 이루어져 있는지 지구상에서 정확히 분석할 수 있게 되었습니다. 빛의 입자성과 파동성을 이해하는 과정은 우주의 비밀을 푸는 열쇠가 되었습니다. 과거 사람들은 태양이 지구와 비슷한 암석이나 용암 덩어리일 것이라고 믿었습니다. 하지만 여성 천문학자 세실리아 페인은 별의 온도에 따라 흡수선이 변한다는 사실을 발견하며 이 통념을 뒤엎었습니다. 그녀의 연구를 통해 태양의 대부분이 수소와 헬륨으로 구성되어 있으며, 철이나 마그네슘 같은 중원소는 극히 일부에 불과하다는 혁명적인 사실이 드러났습니다. 이는 우주와 지구를 구성하는 원소의 성분비가 근본적으로 다르다는 새로운 의문을 던지는 계기가 되었으며, 하늘과 땅의 물질이 같다는 수천 년 된 믿음을 과학적으로 재정립하게 했습니다. 우주에 왜 수소와 헬륨이 압도적으로 많은지에 대한 해답은 빅뱅 이론에서 찾을 수 있습니다. 초기 우주에서 생성된 수소는 별의 내부에서 핵융합 과정을 거쳐 헬륨과 탄소, 산소, 그리고 철과 같은 중원소들로 변모합니다. 거대한 별들이 초신성 폭발을 일으키며 이 원소들을 우주 공간으로 흩뿌리면, 그것들이 다시 모여 새로운 별과 행성, 그리고 생명체를 구성하게 됩니다. 즉, 우리 몸을 이루는 원자들은 과거 어느 이름 모를 별의 심장에서 빚어진 결과물입니다. 이러한 원소의 순환은 우주가 정체된 공간이 아니라 끊임없이 진화하는 유기적인 시스템임을 보여줍니다. 현대 천문학은 인류가 단순히 우주를 관찰하는 관찰자가 아니라, 우주의 거대한 화학적 진화 과정 속에서 탄생한 역사적 산물임을 일깨워 줍니다. 미시 세계의 법칙을 통해 거시 우주를 이해하는 과정은 물질과 빛이 서로 긴밀하게 연결된 순환의 장임을 보여줍니다. 언젠가 태양과 지구가 수명을 다해 사라지더라도, 우리를 구성했던 물질들은 다시 우주로 돌아가 새로운 별의 일부가 되어 또 다른 생명을 밝히는 빛이 될 것입니다. 우리는 별에서 왔으며, 다시 별로 돌아가는 여정 위에 서 있습니다. 이 거대한 우주의 역사는 지금 이 순간에도 우리 각자의 존재를 통해 계속해서 흐르고 있습니다.

윤성철

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천문학

[강연] 빛, 색을 밝히다 (2) _석현정 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 10강 | 10강 ②

우리가 일상에서 마주하는 태양은 하나이지만, 대낮의 밝은 빛부터 노을 지는 붉은 빛까지 시시각각 다른 색으로 우리 주변을 물들입니다. 이는 태양의 표면 온도가 변해서가 아니라, 태양빛이 지구의 대기층을 통과하며 산란되는 과정에서 우리 눈에 도달하는 방식이 달라지기 때문입니다. 과학적으로는 이를 '흑체 궤적'과 '색온도'라는 개념으로 설명합니다. 흑체의 온도에 따라 발산하는 빛의 색이 달라지는 원리를 이용해, 우리는 별의 색을 보고 그 표면 온도를 유추하거나 조명 기구의 색감을 켈빈(K) 단위로 구분하여 선택할 수 있게 되었습니다. 빛의 색을 규정하는 것은 단순히 시각적인 즐거움을 넘어 실생활에서 매우 중요한 역할을 합니다. 국제조명위원회(CIE)는 표준 광원을 정의하여 사물의 색이 왜곡되지 않고 본래의 색으로 보이도록 기준을 세웠습니다. 이를 '연색 지수(CRI)'라고 하는데, 광원이 태양광과 얼마나 유사하게 물체의 색을 재현하는지를 나타내는 척도입니다. 연색성이 낮은 조명 아래에서는 신선한 과일이 맛없어 보이거나 피부색이 어색하게 느껴질 수 있습니다. 따라서 양질의 분광 분포를 가진 조명을 사용하는 것은 우리가 사물을 객관적이고 정확하게 인지하기 위한 필수적인 조건이 됩니다. 최근에는 RGB LED 기술의 발전으로 조명의 자유도가 비약적으로 높아지면서 '감성 조명'이라는 분야가 주목받고 있습니다. 이는 단순히 어둠을 밝히는 기능을 넘어, 특정 상황에 맞춰 인간의 감성을 자극하거나 심리적 안정감을 주는 역할을 합니다. 예를 들어 슈퍼마켓에서 바나나를 더 노랗고 먹음직스럽게 보이게 하거나, 정육점에서 고기를 더 붉게 보이게 하는 조명이 이에 해당합니다. 이러한 기술은 소비자에게 시각적인 만족감을 주기도 하지만, 한편으로는 사물의 실제 상태를 오인하게 할 수 있다는 점에서 정보의 정확성과 감성적 가치 사이의 논의를 불러일으키기도 합니다. 조명의 변화는 학습 효율성에도 직접적인 영향을 미칩니다. 실제 연구 결과에 따르면, 수학 문제를 풀거나 집중력이 필요한 활동을 할 때는 높은 색온도의 밝고 푸른빛 조명이 효과적이며, 자유로운 토론이나 창의적인 활동을 할 때는 낮은 색온도의 따뜻한 노란빛 조명이 적합합니다. 한국의 초등학교에서 진행된 실험에서도 교과 내용에 맞춰 조명의 밝기와 색온도를 조절했을 때 학생들의 성취도가 눈에 띄게 향상되는 결과가 나타났습니다. 이는 조명이 단순한 환경 요소를 넘어 인간의 인지 능력과 행동을 최적화할 수 있는 강력한 도구가 될 수 있음을 시사합니다. 미래의 조명은 에너지 효율이나 색 재현력을 넘어 사람의 감성에 호소하는 방향으로 진화할 것입니다. 우리 눈은 주변 광원이 변하더라도 사물의 본래 색을 유지하려는 '색채 항상성'과 특정 색에 적응하는 '색 순응' 능력을 갖추고 있습니다. 수술복이 청록색인 이유도 붉은 피를 오래 본 의사의 눈에 생기는 잔상을 상쇄하기 위한 과학적 원리가 숨어 있습니다. 이처럼 빛의 분광 분포를 이해하고 활용하는 것은 일상의 감성적 가치를 풍요롭게 만들 뿐만 아니라, 인간 중심의 환경을 설계하는 데 있어 핵심적인 경쟁력이 될 것입니다.

석현정

카오스재단카오스강연

융합

[강연] 우리는 빛을 어떻게 인지할까? - 빛의 인식 (2) _최철희 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 3강 | 3강 ②

전자기파의 스펙트럼은 매우 넓지만 인간은 그중 아주 좁은 영역인 가시광선만을 볼 수 있습니다. 이는 우리가 지구라는 환경에서 진화하며 얻은 필연적인 결과입니다. 태양에서 방출되는 에너지 중 가장 큰 비중을 차지하는 것이 가시광선이며, 지구 대기는 자외선이나 X선 같은 고에너지 광선과 적외선 같은 저에너지 광선을 상당 부분 차단합니다. 결국 지표면에 도달하는 가장 풍부한 빛의 재료가 가시광선이었기에, 생명체는 주변에서 쉽게 얻을 수 있는 이 빛을 활용해 세상을 인지하도록 최적화된 것입니다. 빛을 인지하기 위해서는 빛이 물질과 상호작용을 해야 하는데, 가시광선은 그 에너지가 생물학적으로 매우 적절합니다. 적외선이나 마이크로파처럼 에너지가 낮은 빛은 분자를 진동시켜 열을 발생시킬 뿐 전자의 궤도를 바꿀 만큼의 힘이 없습니다. 반대로 자외선 이상의 고에너지 빛은 전자를 궤도 밖으로 튕겨내는 이온화 현상을 일으켜 세포와 유전자에 치명적인 손상을 입힙니다. 가시광선은 물질의 상태를 적절히 변화시키면서도 생체 구조를 파괴하지 않는 최적의 에너지 대역을 가지고 있어 시각의 중심이 되었습니다. 자외선은 우리 몸에 해로울 수 있지만, 인체는 멜라닌 색소를 통해 이를 흡수하고 완충하며 스스로를 보호하는 기전을 가지고 있습니다. 이러한 자외선의 특성은 의료 현장에서 유용하게 활용되기도 합니다. 특정 약물을 투여하면 암세포가 자외선을 받았을 때 붉은색 형광을 띠게 되는데, 이를 통해 의사는 수술 중 암 조직과 정상 조직을 명확히 구분할 수 있습니다. 특히 뇌암 수술처럼 정밀함이 요구되는 상황에서 빛의 형광 반응은 환자의 존엄성을 지키며 암세포만을 정확히 제거하는 데 결정적인 역할을 수행합니다. 가시광선보다 에너지가 낮은 비이온화 복사선들은 주로 진단 장비에 응용됩니다. 전파를 이용하는 MRI는 몸속 깊은 곳의 정보를 상세히 영상화하며, 적외선은 열을 감지하여 염증 부위를 찾거나 혈중 산소 포화도를 실시간으로 모니터링하는 데 쓰입니다. 또한 가시광선 자체도 레이저 형태로 에너지를 집중하면 라식 수술처럼 정밀하게 각막을 절삭하는 도구가 됩니다. 이처럼 에너지가 낮은 빛들은 세포를 파괴하지 않으면서도 우리 몸의 상태를 세밀하게 관찰하고 교정하는 다양한 의학적 기술의 토대가 되어줍니다. 반면 X선이나 감마선 같은 고에너지 광선은 그 파괴적인 특성을 역이용하여 질병을 치료하는 데 사용됩니다. 뼈와 조직을 투과하는 성질을 이용한 CT 촬영은 내부 장기의 단면을 정밀하게 보여주며, 여러 방향에서 감마선을 쏘아 특정 지점에 에너지를 집중시키는 감마나이프는 수술 없이도 암세포를 파괴할 수 있게 합니다. 결국 전자기파의 넓은 스펙트럼은 인간의 시각적 한계를 넘어, 각 파장이 가진 고유한 물리적 성질에 따라 현대 의학의 진단과 치료라는 핵심적인 영역에서 폭넓게 기여하고 있습니다.

최철희

카오스재단카오스강연

물리학
생명과학

[강연] 별빛이 우리에게 밝혀준 것들 - 태양과 별 (1) _윤성철 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 2강 | 2강 ①

고대인들에게 밤하늘은 변하지 않는 신성한 질서의 상징이었습니다. 지상에서는 지진이나 화산 폭발 같은 예측 불가능한 재난이 끊이지 않았지만, 별들은 언제나 제자리를 지키며 평화롭게 반짝였기 때문입니다. 플라톤과 아리스토텔레스 같은 철학자들은 천구가 불변하며 영원한 이데아의 영역이라고 믿었습니다. 하지만 혜성이나 초신성 같은 '손님별'의 등장은 이러한 믿음에 균열을 내기 시작했습니다. 하늘 역시 지상처럼 변화하고 움직이는 공간일지도 모른다는 두려움 섞인 호기심이 현대 천문학의 출발점이 되었습니다. 16세기 말부터 시작된 '천문학의 99년'은 우주에 대한 인류의 관념을 근본적으로 뒤흔들었습니다. 티코 브라헤는 초신성을 관측하며 천구가 고정된 것이 아님을 증명했고, 갈릴레오 갈릴레이는 망원경을 통해 태양의 흑점과 달의 분화구를 발견했습니다. 이는 신의 영역이라 믿었던 천체가 결코 순수하거나 매끄럽지 않으며, 지상과 마찬가지로 '오염된' 흔적을 지니고 있음을 시사했습니다. 은하수가 수많은 별의 집합이라는 사실이 밝혀지면서, 우주는 질서정연한 껍데기가 아닌 광활하고 복잡한 구조물로 재정의되었습니다. 빛에 대한 이해 또한 혁명적인 변화를 겪었습니다. 과거에는 흰빛을 순수한 것으로, 색이 있는 빛을 오염된 것으로 여겼으나 뉴턴은 프리즘 실험을 통해 색의 분리가 빛 자체의 고유한 성질임을 밝혀냈습니다. 현대 과학에 이르러 빛은 전자기파의 일종으로 정의되었으며, 파장에 따라 가시광선뿐만 아니라 감마선, X선, 적외선 등 다양한 형태로 존재한다는 사실이 드러났습니다. 천문학자들은 이제 눈에 보이는 빛 너머의 다양한 파장대를 관측함으로써, 우주가 보내는 다채로운 신호를 해석할 수 있는 여러 개의 창을 갖게 되었습니다. 19세기 초, 태양빛을 정밀하게 분해하자 무지개색 사이로 수많은 검은 선인 '프라운호퍼선'이 발견되었습니다. 이 지저분해 보이는 흡수선들은 사실 우주의 비밀을 푸는 결정적인 열쇠였습니다. 양자역학의 발전은 원자 내 전자의 에너지 준위 차이에 의해 특정 파장의 빛이 흡수된다는 원리를 밝혀냈고, 이는 각 원소마다 고유한 지문을 남긴다는 사실로 이어졌습니다. 별빛 속에 새겨진 이 미세한 흔적들을 분석함으로써, 우리는 직접 가볼 수 없는 먼 별들이 어떤 물질로 이루어져 있는지 지구상에서 정확히 판별할 수 있게 되었습니다. 여성 천문학자 세실리아 페인은 별빛의 흡수선을 정량적으로 분석하여 우주의 구성 성분에 대한 기존의 상식을 뒤엎었습니다. 당시 학계는 태양이 지구와 비슷한 성분일 것이라 믿었지만, 그녀는 태양의 70% 이상이 수소로 이루어져 있다는 사실을 증명해냈습니다. 이 발견은 태양 에너지의 근원이 핵융합임을 이해하는 토대가 되었을 뿐만 아니라, 우주 초기 원소 비율을 예측하는 빅뱅 우주론의 강력한 증거가 되었습니다. 결국 '오염된 빛'이라 치부되던 별빛의 미세한 틈새들이 인류에게 우주의 기원과 진화를 알려주는 가장 거대한 이정표가 된 셈입니다.

윤성철

카오스재단카오스강연

천문학

[강연] 빛, 너의 정체는 무엇이냐? - 빛의 본질 (2) _오세정 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 1강 | 1강 ②

19세기 초, 영국의 과학자 토마스 영은 이중 슬릿 실험을 통해 빛의 본질에 대한 오랜 논쟁에 종지부를 찍었습니다. 당시 과학계는 빛을 입자로 보았던 뉴턴의 견해와 파동으로 보았던 호이겐스의 견해가 팽팽하게 대립하고 있었는데, 영의 실험은 빛이 파동임을 결정적으로 증명했습니다. 두 개의 좁은 틈을 통과한 빛이 스크린에 밝고 어두운 무늬를 만들어내는 현상은 입자설로는 결코 설명할 수 없는 결과였습니다. 이는 과학사에서 매우 중요한 전환점이 되었으며, 빛의 파동설이 주류로 자리 잡는 결정적인 계기가 되었습니다. 이중 슬릿 실험에서 나타나는 간섭 무늬는 파동의 고유한 성질인 간섭 현상 때문에 발생합니다. 두 파동이 만날 때 위상이 일치하면 진폭이 커져 밝은 부분이 생기고, 위상이 반대이면 세기가 약해져 어두운 부분이 생기는 원리입니다. 만약 빛이 야구공과 같은 입자였다면 구멍을 통과한 두 군데에만 빛이 집중되었겠지만, 실제로는 스크린 전체에 걸쳐 복잡한 패턴이 나타났습니다. 이러한 현상은 빛이 공간을 퍼져 나가는 파동의 성질을 가졌음을 여실히 보여주는 증거이며, 입자와는 완전히 다른 물리적 특성을 지니고 있음을 증명하는 사례입니다. 우리가 일상생활에서 빛의 파동성을 쉽게 느끼지 못하는 이유는 관찰하는 스케일의 차이에 있습니다. 빛의 파동 현상이 뚜렷하게 관찰되려면 장애물의 크기가 빛의 파장과 비슷해야 하는데, 가시광선의 파장은 머리카락 굵기보다 훨씬 작습니다. 따라서 우리 주변의 커다란 물체들 사이에서 빛은 그저 직진하는 것처럼 보이며 선명한 그림자를 만듭니다. 하지만 아주 작은 슬릿을 이용해 미시적인 세계를 관찰하면 빛이 장애물을 돌아 들어가는 회절 현상이나 간섭 현상이 분명하게 드러납니다. 결국 빛의 본질은 관찰하는 척도에 따라 다르게 느껴질 뿐입니다. 빛의 파동성은 비 온 뒤 도로 위의 기름막이나 비눗방울에서 볼 수 있는 무지개색 무늬를 통해서도 확인할 수 있습니다. 이는 얇은 막의 앞면과 뒷면에서 반사된 빛들이 서로 상호작용을 일으키며 특정 파장의 색상이 강조되거나 약해지기 때문에 나타나는 현상입니다. 막의 두께가 빛의 파장과 비슷한 수준일 때 발생하는 이 현상은 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 파동의 증거입니다. 비누막 자체에는 아무런 색이 없지만, 빛의 간섭이라는 물리적 현상이 우리 눈에 아름다운 색채의 향연을 선사하는 것이며 이는 오직 파동설로만 설명이 가능합니다. 빛에 대한 파동설은 제임스 맥스웰에 의해 전자기파 이론으로 완성되었습니다. 맥스웰은 전기와 자기의 상호작용을 연구하던 중 전자기파의 존재를 예측했고, 그 속도가 빛의 속도와 일치한다는 사실을 발견하여 빛이 곧 전자기파임을 밝혀냈습니다. 우리가 보는 가시광선은 전체 전자기파 스펙트럼 중 아주 일부분에 불과하며, X선, 자외선, 적외선, 라디오파 등이 모두 같은 본질을 가진 파동입니다. 오늘날 우리는 이러한 전자기파를 통신, 의료, 천문학 등 현대 문명의 거의 모든 분야에서 핵심적인 도구로 활용하며 그 혜택을 누리고 있습니다.

오세정

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물리학