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[강연] 제임스웹으로 살피는 우주의 첫 번째 별과 은하들 1_by 전명원 | 2025-2026 카오스강연 'Across the Universe' 2강 첫 번째 이야기

제임스 웹 우주망원경은 인류가 우주의 기원을 이해하기 위해 쏘아 올린 거대한 눈입니다. 이 망원경의 가장 중요한 임무 중 하나는 138억 년 전 우주가 탄생한 직후의 모습을 포착하는 것입니다. 우리는 밤하늘에서 아주 먼 은하의 빛을 관측함으로써 시간을 거슬러 올라가는 신비로운 경험을 하게 됩니다. 과거에는 이론적으로만 추측하던 우주 초기 5억 년 전의 모습이 제임스 웹 우주망원경을 통해 하나둘씩 실체를 드러내며 현대 천문학에 큰 충격과 새로운 영감을 주고 있습니다. 제임스 웹 우주망원경이 찍은 단 한 장의 사진에는 무려 만 개에 달하는 은하가 담겨 있습니다. 이 사진은 우주의 아주 좁은 영역을 수 시간 동안 관측한 결과이지만, 그 안에는 138억 년 우주의 역사가 층층이 쌓여 있습니다. 과거 허블 망원경이 2주에 걸쳐 찍어야 했던 영역을 이제는 단 12시간 만에 훨씬 정밀하게 포착해냅니다. 비록 우주 전체를 한꺼번에 볼 수는 없지만, 우주는 어디나 비슷하다는 등방성의 원리 덕분에 우리는 이 작은 사진 한 장으로도 거대한 우주의 보편적인 진화를 엿볼 수 있습니다. 우주의 기원을 이해하는 데 있어 '우주 배경 복사'는 빼놓을 수 없는 열쇠입니다. 이는 빅뱅 후 약 38만 년이 지났을 때 우주 전체에 퍼져나간 빛으로, 우주의 가장 어린 시절을 기록한 사진과 같습니다. 이 사진에 나타난 미세한 밀도 차이는 우주 구조 형성의 씨앗이 되었습니다. 밀도가 상대적으로 높은 지역에는 중력의 영향으로 더 많은 물질이 모여들기 시작했고, 이곳이 훗날 최초의 별과 은하가 탄생하는 요람이 되었습니다. 우주의 은하들은 무작위로 흩어져 있는 것처럼 보이지만, 사실 그 분포에는 숨겨진 패턴이 존재합니다. 초기 우주에서 광자와 일반 물질인 바리온은 서로 뒤엉켜 파동처럼 움직였습니다. 우주가 팽창하며 광자가 자유로워지는 순간, 함께 끌려가던 바리온들이 특정 지점에 멈추게 되는데 이를 '바리온 음향 진동'이라고 합니다. 이 과정을 통해 우주 곳곳에는 마치 꽃밭에 씨앗을 뿌린 것처럼 일정한 간격을 둔 밀도의 언덕들이 형성되었고, 은하들은 이 정해진 위치를 따라 탄생하게 되었습니다. 별과 은하가 만들어지기 위해서는 먼저 암흑 물질이 모여 '암흑 물질 헤일로'라는 구조를 형성해야 합니다. 암흑 물질은 보이지 않지만 중력을 통해 일반 물질을 끌어당기는 역할을 합니다. 중력은 물질을 수축시키려 하고 우주 팽창은 이를 흩어놓으려 하는 치열한 줄다리기 끝에 안정적인 암흑 물질 헤일로가 탄생합니다. 암흑 시대라고 불리는 고요한 시간 동안 우주는 보이지 않는 곳에서 이러한 기초 공사를 차근차근 진행하며 최초의 별을 맞이할 준비를 하고 있었던 셈입니다. 암흑 물질 헤일로가 형성되면 주변의 수소 원자들이 중력에 이끌려 그 중심부로 쏟아져 들어갑니다. 이렇게 모인 물질들의 밀도가 한계치에 도달하고 온도가 상승하면, 드디어 핵융합 반응이 일어나며 어둠을 뚫고 최초의 별이 탄생합니다. 이 '최초의 별'은 우주에 처음으로 빛을 선사한 존재들입니다. 이들은 태양보다 훨씬 거대하지만 수명은 매우 짧아 불꽃놀이처럼 순식간에 사라졌기에, 오늘날 우리가 이들을 직접 관측하는 것은 매우 어렵고도 정교한 도전이 되고 있습니다. 아직 인류는 최초의 별을 직접 보지 못했지만, 중력 렌즈와 같은 우주의 돋보기를 활용해 그 흔적을 찾고 있습니다. 거대한 은하단의 중력이 뒤쪽의 빛을 굴절시켜 밝기를 수천 배까지 증폭해주는 현상을 이용하면, 보이지 않던 태초의 빛을 포착할 가능성이 열립니다. 제임스 웹 우주망원경의 정밀한 관측과 이론적 연구가 결합하면서 우리는 정답지가 없던 암흑의 영역을 밝혀나가고 있습니다. 머지않은 미래에 인류는 우주 최초의 빛과 마주하며 우리의 뿌리에 대한 해답을 얻게 될 것입니다.

카오스재단카오스강연

천문학

[Q&A] '상대성 이론' 9강 Q&A_by 공진욱 / 2023 봄 카오스강연 '상대성 이론'

허블 상수는 이름과 달리 시간에 따라 변하는 변수입니다. 다만 그 변화가 우주의 나이에 달하는 긴 시간 동안 서서히 일어나기에 현재 시점에서는 상수로 취급해도 무방합니다. 뉴턴이 상상했던 무한하고 정적인 우주는 지극히 불안정한 상태였지만, 실제 우주는 팽창이라는 역동적인 과정을 통해 현재의 모습을 유지하고 있습니다. 우리가 관측하는 우주의 팽창 속도는 전 영역에 걸친 평균값으로 도출되며, 이는 우주가 거시적인 관점에서 매우 균질하게 팽창하고 있음을 시사합니다. 빅뱅의 특이점은 공간의 크기가 0에 수렴할 정도로 극도로 작았기에 밀도가 무한히 높았습니다. 이론적으로는 원자 하나만으로도 블랙홀이 될 수 있는 조건이었으나, 우주 초기의 인플레이션(급팽창)과 같은 초기 조건 덕분에 블랙홀로 붕괴하지 않고 팽창할 수 있었습니다. 빅뱅 이전의 공간이나 시간에 대한 질문은 현대 과학에서 큰 의미를 갖지 못합니다. 빅뱅과 함께 우리가 인지하는 시공간이 비로소 정의되었기 때문이며, 그 이전에는 우리가 이해할 수 있는 형태의 공간 자체가 존재하지 않았다고 보는 것이 타당합니다. 암흑 에너지는 우주 전체에 고르게 퍼져 가속 팽창을 일으키는 미지의 힘으로 정의됩니다. 과학자들은 암흑 에너지가 단순히 고정된 우주 상수인지, 아니면 미세한 밀도 차이를 가진 에너지 장인지 연구하고 있습니다. 만약 암흑 에너지에 섭동이 존재한다면 이는 은하들의 분포와 상관관계에 미세한 영향을 미쳤을 것입니다. 은하들이 서로 떨어져 있는 거리를 정밀하게 분석함으로써 과거 우주의 팽창 역사를 재구성할 수 있으며, 이를 통해 암흑 에너지의 본질에 한 걸음 더 다가갈 수 있습니다. 우주의 구조 형성은 암흑물질의 이동 속도와 밀접한 관련이 있습니다. 속도가 느린 암흑물질은 미세한 중력의 굴곡을 모두 받아들여 물질을 모으고, 임계 밀도를 넘어서면 중력 붕괴를 통해 첫 번째 별과 은하를 탄생시킵니다. 반면 매우 빠르게 움직이는 암흑물질은 작은 규모의 중력 차이를 무시하고 지나치기에, 거대한 규모에서만 구조를 형성하게 됩니다. 이러한 차이는 우주 배경 복사 이후 물질들이 어떻게 엉겨 붙어 현재의 은하 지도를 그렸는지를 설명하는 핵심적인 열쇠가 됩니다. 우주 배경 복사는 우주 전체에서 거의 동시에 일어난 사건의 흔적으로, 우리를 중심으로 하는 거대한 구의 표면과 같은 형태를 띱니다. 이는 특정 깊이를 가진 공간이라기보다 138억 년 전의 찰나를 기록한 아주 얇은 껍질에 가깝습니다. 한편 우주가 팽창함에 따라 엔트로피 밀도는 점차 감소하며, 이는 시간의 흐름과 열역학적 변화를 연결하는 중요한 지표가 됩니다. 비록 암흑 에너지와 엔트로피의 정확한 상관관계는 여전히 베일에 싸여 있지만, 이러한 탐구는 자연의 본성을 이해하는 여정이 됩니다.

카오스재단석학인터뷰

[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

[질문Q] 이석영 교수가 100만 불짜리라고 감탄한 질문 | 2019 봄 카오스강연 '기원, 궁극의 질문들' 4강

우주는 무질서도가 증가하는 엔트로피 법칙을 따르지만, 중력이라는 거대한 힘은 이를 거스르는 것처럼 보입니다. 가스가 확산하며 흩어지는 대신 중력은 물질을 한데 모으는 역할을 하기 때문입니다. 초기 우주의 아주 미세한 밀도 차이는 중력에 의해 시간이 흐를수록 극대화되었으며, 밀도가 높은 지역은 더 많은 물질을 끌어당기게 되었습니다. 이러한 중력의 상호작용은 오늘날 우리가 보는 거대한 우주 구조를 형성하는 가장 핵심적인 원동력이 되었으며, 우주가 단순히 흩어지지 않게 붙잡아주는 역할을 합니다. 우주의 역사를 이해하기 위해 과학자들은 방대한 시뮬레이션을 수행합니다. 빅뱅 이후 우주의 나이가 절반 정도에 이를 때까지의 과정을 재현하기 위해 수천만 시간의 계산이 필요할 정도로 이 작업은 지난한 과정입니다. 비록 현재까지의 모든 시간을 완벽하게 구현하는 데는 한계가 있지만, 우주의 진화 과정을 수치적으로 증명하려는 노력은 계속되고 있습니다. 이는 단순한 계산을 넘어 우주의 탄생과 성장을 시각화하고 검증하는 일생일대의 도전이며, 과학자로서의 사명감이 담긴 연구라 할 수 있습니다. 인류가 수십억 년 후의 우주를 연구하는 이유는 당장의 실용적인 이득이나 검증 때문이 아닙니다. 우리가 살아있는 동안에는 결코 일어날 수 없는 일이며 후대 인류조차 존재하지 않을 먼 미래의 일일지라도, 그 너머를 알고자 하는 순수한 호기심이 과학의 본질입니다. 질문을 멈추지 않고 미지의 영역을 탐구하는 자세는 인간을 다른 존재와 구분 짓는 중요한 특징입니다. 보이지 않는 미래를 향한 갈망은 과학적 진보를 이끄는 가장 강력한 에너지가 되며, 우리를 더 넓은 세계로 인도하는 등불이 되어줍니다. 은하의 형성과 회전 원리는 오랫동안 베일에 싸여 있었습니다. 구형이었던 초기 은하가 어떻게 피자 반죽처럼 납작한 원반 형태를 갖추게 되었는지, 그리고 무엇이 그토록 빠른 회전력을 제공하는지는 매우 흥미로운 주제입니다. 많은 이들이 은하 중심의 블랙홀을 원인으로 생각하기 쉽지만, 실제로는 훨씬 더 복잡하고 정교한 메커니즘이 작용합니다. 은하가 성장하며 원반을 형성하는 과정에는 우리가 미처 알지 못했던 가스 유입의 비밀이 숨겨져 있으며, 이는 은하의 진화를 이해하는 새로운 핵심 이론이 되고 있습니다. 은하로 유입되는 가스는 산등성이에 내리는 빗줄기가 물줄기를 형성하는 것과 비슷한 방식으로 흐릅니다. 처음에는 무작위로 끌려오는 듯하던 가스들이 특정 채널을 형성하며 집중적으로 유입되기 시작합니다. 이렇게 형성된 가스 채널들은 은하에 지속적인 회전 힘, 즉 각운동량을 공급하며 은하가 일정한 방향으로 돌게 만듭니다. 최근의 시뮬레이션 연구를 통해 밝혀진 이 놀라운 사실은 은하가 어떻게 지금의 모습을 갖추게 되었는지를 설명하는 결정적인 열쇠가 되며, 천문학 연구의 새로운 지평을 열어주고 있습니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[강연] 에필로그: 21세기 천문학 _ by이석영ㅣ 2021 봄 카오스강연 'SPACE OPERA' 10강 | 10강

인류는 아주 오래전부터 근원적인 질문을 던져왔습니다. 화가 폴 고갱이 그의 작품 제목으로 남긴 '우리는 어디에서 왔는가, 우리는 무엇인가, 우리는 어디로 가는가'라는 질문은 비단 예술가뿐만 아니라 모든 인류가 공유하는 궁극적인 화두입니다. 현대 천문학은 이 철학적인 질문에 대해 과학적인 답을 찾아가는 여정입니다. 138억 년이라는 장대한 우주의 역사를 추적하며, 우리는 단순히 밤하늘의 별을 바라보는 것을 넘어 우리 존재의 뿌리를 탐구하고 있습니다. 이러한 탐구는 인류가 우주라는 거대한 무대에서 어떤 위치에 있는지를 깨닫게 해줍니다. 보이저 1호와 2호가 태양계의 경계를 넘어 성간 우주로 나아갔지만, 인류의 직접적인 탐사에는 한계가 명확합니다. 가장 가까운 별인 알파 센타우리까지 현재의 속도로 가려 해도 10만 년이 걸리기 때문입니다. 그래서 우리는 빛과 전파를 통해 우주를 이해합니다. 빅뱅 이론은 우주가 한 점에서 시작되어 급격히 팽창했다는 과학적 바탕을 제공하며, 아인슈타인의 상대성 이론과 함께 현대 우주론의 기틀을 마련했습니다. 이는 우리가 직접 가볼 수 없는 먼 우주까지도 물리 법칙을 통해 조망할 수 있는 지도를 선사했습니다. 우주 초기에서 온 가장 오래된 빛인 우주 배경 복사는 빅뱅 이론의 결정적인 증거입니다. 1948년 가모프의 예언 이후, 펜지어스와 윌슨에 의해 발견된 이 신호는 오늘날 플랑크 우주 망원경을 통해 정밀한 지도로 재탄생했습니다. 지구의 영향을 받지 않는 라그랑주 점 위에서 관측된 이 지도는 우주 전역에서 오는 절대 온도 3도의 미세한 복사 에너지를 보여줍니다. 이 신호 속에는 초기 우주의 밀도 변화와 에너지 구조에 대한 방대한 정보가 숨겨져 있어, 우주의 탄생 비밀을 푸는 가장 강력한 열쇠가 됩니다. 우주 배경 복사 속에 숨겨진 미세한 온도 변화는 마치 악기가 내는 조화 진동과 같습니다. 오보에가 하나의 음을 낼 때 여러 배음이 섞여 아름다운 소리를 만드는 것처럼, 초기 우주의 급팽창 과정에서 발생한 진동은 오늘날 7개의 뚜렷한 신호로 분석됩니다. 이는 우주가 무작위로 형성된 것이 아니라, 정교한 물리 법칙에 따라 조율되었음을 시사합니다. 수학적 분석을 통해 추출된 이 신호들은 우주의 기하학적 구조가 평평하다는 사실과 함께 초기 우주의 팽창 과정을 생생하게 증명하며 현대 우주론의 신뢰도를 높여줍니다. 현대 천문학의 '조화 모형'은 우리가 아는 물질이 우주 전체 에너지의 단 4%에 불과하다는 놀라운 사실을 알려줍니다. 나머지 대부분은 정체를 알 수 없는 암흑 물질과 암흑 에너지로 채워져 있습니다. 비록 눈에 보이지 않지만, 이들은 중력을 통해 우주의 거대 구조를 형성하고 팽창 속도를 조절하는 핵심적인 역할을 합니다. 우리가 인지하는 원자 중심의 세계는 거대한 우주의 아주 일부분일 뿐이며, 보이지 않는 요소들이 조화롭게 맞물려 현재의 우주를 지탱하고 있다는 점은 인간의 지적 호기심과 경이로움을 동시에 자아냅니다. 슈퍼컴퓨터를 활용한 시뮬레이션은 우주론적 가설을 시각적으로 검증하는 강력한 도구입니다. 수천 대의 컴퓨터를 연결해 수년에 걸쳐 계산한 결과, 초기 우주의 미세한 밀도 차이가 거대한 은하와 별들을 만들어내는 과정이 재현되었습니다. 별들은 내부의 핵융합을 통해 탄소, 산소, 철과 같은 필수 원소들을 제조하고, 죽음을 맞이하며 이를 우주로 환원합니다. 태양과 지구, 그리고 우리 몸을 구성하는 원소들은 모두 초신성 폭발의 잔해에서 온 것이기에, 인류는 진정으로 '초신성의 후예'이자 우주가 빚어낸 걸작이라 할 수 있습니다. 21세기 천문학은 제임스 웹 우주 망원경과 거대 마젤란 망원경을 통해 새로운 국면을 맞이하고 있습니다. 이제 우리는 외계 행성을 직접 관측하고 생명체의 흔적을 찾으며, 양자 컴퓨팅과 핵융합 기술을 통해 우주 탐사의 영역을 넓혀갈 것입니다. 천문학은 단순한 과학을 넘어 음악, 미술, 철학이 어우러진 종합 예술인 '오페라'와 같습니다. 인류가 어디에서 왔는지 알아낸 지난 세기를 지나, 이제 우리는 어디로 향할 것인지에 대한 답을 찾기 위해 능동적으로 우주라는 무대 위로 나아가며 새로운 미래를 설계하고 있습니다.

이석영

카오스재단카오스강연

천문학

[술술과학] 우주(6): 암흑의 존재들 - 천문학의 암흑시대?

인공위성에서 촬영한 지구의 밤 풍경은 도시의 불빛을 통해 인류의 거주 분포를 선명하게 보여줍니다. 이와 유사하게 우주를 거대한 관점에서 바라보면 별과 은하들이 무작위로 흩어져 있는 것이 아니라, 마치 거미줄이나 그물망 같은 특정한 구조를 형성하고 있음을 알 수 있습니다. 가장 밝게 빛나는 지점은 물질이 밀집된 은하단을 나타내며, 이들을 잇는 필라멘트 구조는 가스와 먼지가 상대적으로 풍부한 영역을 상징합니다. 우주의 빛은 곧 질량의 밀도를 반영하는 지표가 됩니다. 우주 구성 성분 중 우리가 인지하는 보통 물질은 20% 미만에 불과하며, 나머지 80% 이상은 암흑물질이 차지하고 있습니다. 암흑물질은 빛과 상호작용하지 않아 눈에 보이지 않지만, 강력한 질량을 바탕으로 중력 효과를 일으켜 우주의 구조를 형성하는 결정적인 역할을 수행합니다. 즉, 암흑물질이 거대한 중력으로 보통 물질을 끌어당김으로써 별과 은하, 그리고 은하단이 탄생할 수 있었던 것입니다. 보이지 않는 이 거대한 존재가 우주의 골격을 유지하는 실질적인 주인인 셈입니다. 우리 은하 역시 암흑물질의 영향권 아래에 놓여 있습니다. 보통 물질로만 이루어진 우리 은하는 가로 약 13만 광년의 원반 형태를 띠고 있지만, 이를 감싸고 있는 암흑물질 헤일로까지 고려하면 그 규모는 훨씬 거대해집니다. 암흑물질 헤일로는 우리 은하를 공 모양으로 넓게 감싸고 있으며, 그 폭은 약 65만 광년에 달할 것으로 추정됩니다. 태양계를 오르트 구름이 감싸듯, 은하 전체가 암흑물질의 품 안에서 형성되고 유지되고 있다는 사실은 우주의 신비로움을 더해줍니다. 현대 우주론은 암흑에너지와 차가운 암흑물질을 핵심으로 하는 '람다 CDM' 패러다임을 통해 우주를 설명합니다. 과거 코페르니쿠스가 지구가 우주의 중심이 아님을 증명했듯이, 이제는 우리가 아는 보통 물질조차 우주의 주류가 아니라는 사실이 명확해지고 있습니다. 암흑물질과 암흑에너지를 가정하지 않고서는 현재의 관측 결과와 이론적 계산을 일치시킬 수 없기 때문입니다. 우리는 이제 보이지 않는 강력한 존재들을 인정하고 그들의 정체를 밝혀내야 하는 새로운 탐구의 단계에 서 있습니다. 우주 전체 에너지 예산의 약 95%는 여전히 우리가 정체를 알 수 없는 암흑물질과 암흑에너지로 채워져 있습니다. 우리가 관측할 수 있는 빛나는 세계는 전체의 고작 5%에 불과하며, 나머지 광활한 영역은 여전히 미지의 영역으로 남아 있습니다. 이러한 맥락에서 현대는 역설적으로 '천문학의 암흑 시대'라고 불리기도 합니다. 아는 것은 유한하고 모르는 것은 무한하다는 격언처럼, 인류는 보이지 않는 95%의 진실을 찾기 위해 끝없는 우주의 심연을 향해 질문을 던지고 있습니다.

카오스재단술술과학

물리학
천문학

[강연] 컴퓨터 시뮬레이션으로 구현한 가상 우주와 은하 _ by신지혜ㅣ 2021 봄 카오스강연 'SPACE OPERA' 8강 | 8강

우주는 인류에게 끊임없는 질문을 던져온 대상입니다. 하지만 은하의 형성과 진화는 수십억 년이라는 방대한 시간 동안 일어나기에, 인간의 짧은 생애 동안 그 과정을 직접 관측하는 것은 불가능에 가깝습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 과학자들은 가상 우주를 구현하는 컴퓨터 시뮬레이션을 활용합니다. 시뮬레이션 속에서 연구자들은 공간과 시간의 제약을 벗어나 은하를 뜯어보고 돌려보며, 우주의 조물주가 된 것처럼 그 진화의 비밀을 파헤칩니다. 우리가 속한 우리 은하의 구조를 파악하는 일은 마치 숲속에서 숲 전체의 지도를 그리는 것과 같습니다. 17세기 갈릴레오가 은하수가 별로 이루어졌음을 발견한 이래, 인류는 별의 연주시차를 이용해 은하의 3D 구조를 측량해 왔습니다. 우리 은하는 약 4~5개의 나선팔을 가진 원반 형태이며, 중심부의 핵 팽대부와 이를 감싸는 별 헤일로로 구성됩니다. 이러한 구조적 특징을 이해하는 것은 외부 은하의 생성 원리를 파악하는 중요한 기초가 됩니다. 우주는 거대한 거미줄이나 거품 같은 독특한 그물망 구조를 이루고 있습니다. 이를 '우주 거대 구조'라 부르며, 은하들이 밀집한 필라멘트 영역과 텅 빈 보이드 영역으로 나뉩니다. 현재의 우주 표준 모형에 따르면, 우주는 대폭발 이후 가속 팽창을 거듭해 왔으며 그 중심에는 눈에 보이지 않는 암흑 물질과 암흑 에너지가 존재합니다. 특히 암흑 물질은 일반 물질보다 5~6배나 많아 중력적으로 우주의 뼈대를 형성하는 결정적인 역할을 수행합니다. 우주 초기의 미세한 밀도 차이는 오늘날 거대한 은하를 탄생시킨 씨앗이 되었습니다. 우주 배경 복사에서 발견되는 10만 분의 1 정도의 미세한 온도 변화는 당시 물질의 밀도 요동을 의미합니다. 중력은 밀도가 높은 곳으로 더 많은 물질을 끌어당겼고, 시간이 흐름에 따라 이 요동은 점점 커져 중력적으로 결박된 거대 구조물을 형성했습니다. 결국 초기 우주의 양자 요동이 수천억 개의 은하가 빛나는 현재의 우주를 만들어낸 근원이 된 셈입니다. 수천억 개의 입자가 상호작용하는 다체 문제를 해결하기 위해서는 막강한 계산 능력이 필수적입니다. 컴퓨터의 연산 능력이 2년마다 두 배씩 증가한다는 무어의 법칙은 우주론 시뮬레이션의 규모를 비약적으로 키워왔습니다. 현대 과학자들은 수천 개의 프로세서를 동시에 사용하는 병렬 처리 기술과 슈퍼컴퓨터를 동원해 가상 우주를 정밀하게 묘사합니다. 이는 단순한 수치 계산을 넘어, 이론적 가설을 실험실에서 검증하듯 우주의 진화를 재현하는 유일한 실험 방식입니다. 은하의 모습을 더욱 사실적으로 구현하기 위해서는 중력뿐만 아니라 가스의 유체역학적 움직임과 별의 탄생 과정을 고려해야 합니다. 특히 초신성 폭발이나 활동성 은하핵에서 방출되는 에너지는 주변 가스를 밀어내어 폭발적인 별 탄생을 조절하는 '에너지 환원' 작용을 합니다. 이러한 복잡한 물리 현상을 수치 알고리즘으로 정밀하게 설계할 때 비로소 시뮬레이션 속의 가상 은하는 실제 망원경으로 관측한 은하와 구분하기 어려울 정도로 정교한 모습을 갖추게 됩니다. 한국 연구진이 주도한 '호라이즌 런 5(HR5)'는 현존하는 세계 최대 규모의 우주론적 유체역학 시뮬레이션 중 하나로 꼽힙니다. 이 프로젝트는 우주 거대 구조와 은하의 형성을 동시에 구현하며 현대 우주론의 신뢰성을 검증하는 데 크게 기여했습니다. 관측 천문학이 우주의 현재와 과거를 포착한다면, 시뮬레이션은 그 인과 관계를 설명하는 이론적 토대를 제공합니다. 두 분야의 유기적인 협력은 인류가 우주의 기원을 이해하는 여정에 가장 강력한 등불이 될 것입니다.

신지혜

카오스재단카오스강연

천문학

[정말 읽었니?#3] 이석영 교수 "[코스모스] 과학자가 쓴 책 중 가장 과학적이지 않은 책?!"

칼 세이건의 '코스모스'는 단순한 과학 지식의 전달을 넘어 인류 문명과 철학을 아우르는 독특한 위치를 차지합니다. 이 책은 우주를 정밀하게 기술하기보다는 우주라는 거대한 매개체를 통해 저자가 가진 삶과 문화에 대한 통찰을 제시합니다. 천문학자 이석영은 이 책을 과학자가 쓴 가장 과학적이지 않은 책이라 평하며, 칼 세이건을 단순한 연구자가 아닌 사유하는 사상가로 정의합니다. 보이저호가 찍은 '창백한 푸른 점'이 우리에게 인류의 존재 의미를 묻게 했듯, 이 책은 과학의 틀 안에서 형이상학적인 질문을 던집니다. 천문학을 전공하기 전 처음 접한 '코스모스'는 기대와 달라 당혹감을 주기도 했습니다. 당시에는 우주에 대한 명쾌한 해답을 원했지만, 책은 오히려 문명과 존재에 대한 복잡한 사유를 담고 있었기 때문입니다. 하지만 시간이 흘러 다시 마주한 이 책은 타의 추종을 불허하는 저술가로서의 탁월함을 보여주었습니다. 과학자들은 대개 증거에 따라 의견을 바꾸는 데 익숙하지만, 칼 세이건은 자신만의 확고한 철학적 일관성을 바탕으로 우주와 인간의 관계를 정의했습니다. 이러한 태도는 과학이 단순한 데이터의 나열이 아님을 깨닫게 합니다. 천문학의 다양한 분야를 연구하다 보면 결국 도달하게 되는 지점은 '인간이 우주 전체의 결정체'라는 사실입니다. 아인슈타인의 상대성 이론에서 시공간이 연동되듯, 인간 역시 우주와 분리된 존재가 아니라 우주의 산물로서 함께 호흡합니다. 우주를 광대하고 무서운 공간으로만 인식하기보다, 그 거대한 흐름의 최종 결과물이 바로 나 자신이라는 사실을 인지할 때 우리는 스스로를 더욱 소중하게 여길 수 있습니다. 이는 천문학이 우리에게 주는 가장 큰 위로이자 존재론적인 가르침이라 할 수 있습니다. 현대 천문학은 1970년대 칼 세이건이 활동하던 시기에 비해 비약적인 발전을 이루었습니다. 당시에는 미처 알지 못했던 암흑 물질과 암흑 에너지, 그리고 수많은 외계 행성에 대한 발견은 우주에 대한 우리의 이해를 한층 넓혀주었습니다. 만약 오늘날 '코스모스'에 새로운 장을 추가한다면 은하의 형성과 외계 행성 탐사에 대한 현대적 지식이 담겨야 할 것입니다. 비록 과학적 정보는 갱신되어야 할 부분이 있을지라도, 우주를 바라보며 '나는 누구인가'를 묻는 근본적인 탐구 정신은 여전히 유효한 가치를 지닙니다. 결국 코스모스는 외부에 존재하는 관찰 대상이 아니라, 관찰자인 우리 자신과 동일시되는 개념입니다. 내가 존재함으로써 우주가 의미를 갖고, 우주가 존재함으로써 내가 존재할 수 있다는 상호 의존성은 과학과 철학의 경계를 허뭅니다. 천문학자로서 평생을 바쳐 연구하는 궁극적인 목적도 결국 '나는 무엇이며 어떻게 살아야 하는가'라는 원초적인 질문에 답을 얻기 위함입니다. 137억 년의 세월을 품고 400억 광년의 팽창을 함께해 온 우리 모두는 각자가 하나의 소우주로서 거대한 우주의 역사를 몸소 증명하고 있습니다.

이석영

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천문학

[석학인터뷰] [KAOS x KIAS] 무카노프(고등과학원 교수) _ 노벨상? 중요한 게 아니다!!

우주의 기원을 이해하는 데 있어 양자역학은 필수적인 열쇠입니다. 초기 우주는 극도로 작은 상태였기에 미시 세계의 법칙이 거시적인 구조를 결정짓는 결정적인 역할을 했습니다. 양자역학의 핵심 원리에 따르면 자연에는 완벽한 정지 상태가 존재할 수 없으며, 하이젠베르크의 불확정성 원리에 의해 끊임없는 양자 요동이 발생합니다. 이러한 미세한 양자 요동이 시간이 흐름에 따라 증폭되어 오늘날 우리가 목격하는 거대한 은하와 은하단의 씨앗이 되었다는 사실은 현대 우주론의 가장 놀라운 성과 중 하나로 꼽힙니다. 과거에는 이러한 이론적 가설이 실제 관측과 연결될 것이라고 기대하기 어려웠습니다. 1980년대만 하더라도 우주의 양자적 기원은 순수한 이론적 탐구의 영역에 머물러 있었으며, 이를 증명하는 데 수천 년이 걸릴지도 모른다는 회의적인 시각도 존재했습니다. 그러나 1990년대 후반부터 시작된 전파 천문학의 혁명과 다양한 우주 탐사 임무는 반전을 가져왔습니다. 우주 탄생 초기인 30만 년 시점의 모습을 포착한 관측 데이터는 양자 기원설의 예측과 놀라울 정도로 일치했으며, 이는 이론 물리학이 실제 우주의 구조를 정확히 설명할 수 있음을 입증했습니다. 과학자에게 가장 큰 보람은 명예나 상이 아니라, 복잡한 계산이 풀리고 자연의 비밀이 밝혀지는 순간의 즐거움에 있습니다. 이론이 실현될 것이라고 상상하지 못했던 시절에도 연구를 지속할 수 있었던 원동력은 순수한 지적 호기심이었습니다. 자신의 이론이 교과서에 실리고 전 세계적으로 인정받는 것은 분명 기쁜 일이지만, 그보다 본질적인 가치는 연구 과정 자체에서 느끼는 행복입니다. 과학적 발견은 때로 운과 시기적절한 기회가 맞물려야 하지만, 그 기회를 포착할 수 있는 명민함과 끈기 또한 연구자가 갖추어야 할 중요한 덕목입니다. 물리학을 꿈꾸는 젊은 세대에게 가장 필요한 태도는 마음이 시키는 대로 호기심을 따르는 것입니다. 단순히 전문가가 되기 위해 혹은 생계를 유지하기 위한 수단으로 학문에 접근한다면 진정한 학문적 성취를 이루기 어렵습니다. 이론 물리학은 마치 예술과 같아서, 자신이 하는 일을 진심으로 사랑하고 평생을 바칠 수 있다는 확신이 들 때 비로소 그 길을 걸어야 합니다. 주변의 기대나 사회적 압박에 흔들리지 않고 자신의 내면이 말하는 목소리에 귀를 기울이는 것이야말로 불행을 피하고 진정한 과학자로 성장하는 유일한 방법입니다. 기초 과학은 모든 실용적 응용의 뿌리와 같습니다. 아리스토텔레스나 소크라테스 같은 고대 철학자들이 그러했듯, 우리는 실용적인 이득을 따지기보다 자연의 작동 방식을 이해하려는 순수한 열정으로 돌아가야 합니다. 만약 사회가 당장의 실용적인 결과물에만 집중한다면 과학의 발전은 멈추게 될 것입니다. 모든 나무가 열매를 맺기 위해 튼튼한 뿌리가 필요하듯, 인류의 미래를 바꿀 기술적 혁신은 자유로운 탐구 시스템 아래에서 이루어지는 기초 연구라는 토대 위에서만 가능합니다. 따라서 우리는 근원을 탐구하는 연구자들의 자유를 보장해야 합니다.

Viatcheslav Mukhanov(비아체슬라프 무카노프)

카오스재단석학인터뷰

물리학
융합

[석학인터뷰] 윤성철_ 천문학은 단순히 수익성의 문제가 아니라 가치의 문제예요 | 2019 봄 카오스강연 '기원, 궁극의 질문들'

과학자라고 하면 흔히 어린 시절부터 남다른 천재성을 보였을 것이라 오해하곤 합니다. 하지만 위대한 연구를 수행하는 과학자들 중에는 의외로 평범한 학창 시절을 보낸 이들이 많습니다. 특별한 신화나 일화가 없더라도 과학에 대한 열정만 있다면 누구나 좋은 연구자가 될 수 있다는 사실은 많은 이들에게 희망을 줍니다. 이는 과학이 특정 계층의 전유물이 아니라, 보편적인 호기심을 가진 사람이라면 누구나 도전할 수 있는 학문임을 시사하며 평범함 속에서도 위대한 발견이 시작될 수 있음을 보여줍니다. 우주의 진화 과정에서 초신성은 매우 결정적인 역할을 수행합니다. 별이 수명을 다해 발생하는 초신성 폭발은 단순히 파괴에 그치지 않고, 별 내부에서 합성된 산소, 질소, 탄소와 같은 필수 원소들을 우주 공간으로 널리 퍼뜨립니다. 우리가 숨 쉬고 살아가는 데 필요한 물질들이 사실은 머나먼 과거 초신성 폭발을 통해 공급된 셈입니다. 이러한 원소의 순환은 우주가 생명력을 유지하고 새로운 천체를 형성하는 근간이 되며, 만물의 기원을 설명하는 핵심적인 열쇠가 됩니다. 초신성 폭발은 막대한 에너지를 방출하며 주변 우주 구조에 강력한 영향을 미칩니다. 이 과정에서 공급된 에너지는 새로운 별이 탄생하는 기폭제가 되기도 하며, 은하 전체의 진화 방향을 결정짓기도 합니다. 따라서 초신성의 폭발 과정을 정밀하게 이해하지 못하면 은하가 어떻게 형성되고 변화해 왔는지 파악하기 어렵습니다. 결국 초신성 연구는 우주 진화의 전반적인 흐름을 읽어내기 위한 필수적인 과정이며, 우주의 거대한 역사를 재구성하는 데 있어 결코 빼놓을 수 없는 주제라고 할 수 있습니다. 천문학은 당장의 경제적 이익을 창출하는 실용 학문은 아닐지 모릅니다. 그러나 인간이 가진 근원적인 질문, 즉 '우리는 어디에서 왔는가'에 대한 해답을 제시한다는 점에서 그 가치는 헤아릴 수 없습니다. 우주와 지구, 그리고 인간을 구성하는 물질의 기원을 탐구하는 과정은 인류의 지적 지평을 넓혀줍니다. 이러한 가치 중심의 접근은 우리가 세상을 바라보는 관점을 변화시키며, 존재의 의미를 깊이 있게 성찰하게 만듭니다. 우리만의 시각으로 우주를 해석하는 것은 지적 종속에서 벗어나는 길이기도 합니다. 우리가 마주하는 모든 사물과 원소에는 저마다의 유구한 역사가 깃들어 있습니다. 수소나 산소 같은 원소들이 현재의 모습으로 존재하기까지 거쳐온 수많은 과정을 추적하다 보면, 그것이 곧 우주의 역사임을 깨닫게 됩니다. 물질의 기원을 밝히는 작업은 단순히 과거를 돌아보는 것이 아니라, 우주가 어떤 방식으로 진화하여 지금의 우리에게 도달했는지를 이해하는 과정입니다. 이를 통해 우리는 거대한 우주의 흐름 속에서 자신의 위치를 확인하고, 우리를 구성하는 작은 원소 하나하나에 담긴 우주적 가치를 발견하게 됩니다.

윤성철

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물리학
지구환경과학

[석학인터뷰] 이필진_ 다중우주요? 우리가 생각하는 다중우주는 그게 아니에요 | 2019 봄 카오스강연 '기원, 궁극의 질문들'

초끈 이론은 아인슈타인이 꿈꿨던 모든 근본적인 힘을 하나의 체계로 통합하려는 시도에서 탄생했습니다. 이는 단순한 이론을 넘어 새로운 물리 법칙들을 담아낼 수 있는 거대한 패러다임으로 평가받습니다. 현대 물리학이 직면한 가장 큰 과제인 중력과 양자역학의 결합을 가능하게 한다는 점에서 이 이론은 여전히 과학계의 핵심적인 연구 대상으로 남아 있습니다. 우주의 근본 원리를 이해하려는 인류의 노력이 집약된 이 체계는 우리가 우주를 바라보는 방식을 근본적으로 바꾸어 놓았습니다. 대중 매체에서 묘사하는 다중우주와 달리, 물리학자들이 말하는 다중우주는 광활한 바다에 흩어져 있는 고립된 섬 우주들과 같습니다. 우리 우주는 그 수많은 섬 우주 중 하나에 불과하며, 각 섬 우주는 서로 너무 멀리 떨어져 있어 일반 상대성 이론에 따르면 어떠한 교류도 불가능합니다. 심지어 다른 섬 우주에는 우리와 전혀 다른 물리 법칙이 적용될 수도 있습니다. 비록 우리가 관측하거나 도달할 수는 없지만, 이러한 다중우주는 우주의 전체적인 구조를 이해하려는 현대 물리학의 중요한 흐름 중 하나로 자리 잡고 있습니다. 우주의 탄생 초기에는 미세한 밀도 요동이 존재했습니다. 이러한 양자 요동은 중력의 작용을 통해 시간이 흐르며 거대한 변화를 일으켰습니다. 중력은 물질이 많은 곳으로 더 많은 물질을 끌어당기는 성질이 있어, 밀도가 높은 곳은 점점 더 무거워지고 낮은 곳은 빈 공간이 되었습니다. 이러한 과정을 거쳐 은하와 별, 행성이 형성되었으며 결국 우리와 같은 생명체가 존재할 수 있는 환경이 만들어졌습니다. 즉, 우리 존재의 근원은 우주 초기의 아주 작은 양자 요동에 맞닿아 있습니다. 만약 우주 초기에 이러한 밀도 요동이 없었다면, 빅뱅 이후 137억 년이라는 시간은 은하가 만들어지기에 턱없이 부족했을 것입니다. 양자 요동이 없었다면 우주는 아무것도 없는 텅 빈 상태로 남았을지도 모릅니다. 다행히도 지난 40여 년간의 이론 물리학 연구와 정밀한 관측 결과는 이러한 가설들이 실제 우주의 모습과 매우 잘 일치함을 보여주고 있습니다. 중력과 양자역학이 우주 형성 과정에서 수행한 역할에 대한 새로운 이해는 인류에게 우주를 바라보는 완전히 새로운 시각을 제공했습니다. 일반 상대성 이론은 발표 이후 수많은 검증을 거치며 그 정당성을 입증해 왔지만, 양자역학과의 결합이라는 근원적인 미제는 여전히 남아 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해 지난 수십 년 동안 일반 상대성 이론을 어떻게 수정하고 보완해야 하는지에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔습니다. 이번 논의를 통해 우리는 현대 물리학의 기초가 되는 이론들이 어떻게 발전해 왔는지, 그리고 우주의 비밀을 풀기 위해 과학자들이 어떤 질문을 던지고 있는지 깊이 있게 살펴보고자 합니다.

이필진

카오스재단카오스강연

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