자유시간

대질량 블랙홀 퀘이사를 표준시계로 이용한 연구에서 빅뱅 직후의 우주는 현재보다 시간의 흐름이 5배나 느린(현재의 5분의 1의 속도) 슬로우 모션과 같은 상태였던 것으로 밝혀졌습니다.

Detection of the cosmological time dilation of high-redshift quasars | Nature Astronomy
https://doi.org/10.1038/s41550-023-02029-2

Quasar 'clocks' show Universe appears to run five times slower soon after the Big Bang - The University of Sydney
https://www.sydney.edu.au/news-opinion/news/2023/07/04/quasar-clocks-show-universe-appears-five-times-slower-after-big-bang-einstein-relativity.html

Time Dilation - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=3prF2V_a2gY

아인슈타인의 일반상대성이론은 먼 우주, 즉 오래된 우주는 현재보다 훨씬 느린 속도임을 의미하지만 실제로는 시간을 되돌아보는 것은 어렵습니다.

이번 시드니대학의 겔란트 루이스 교수와 오클랜드대학의 블렌던 브루어 교수는 20년에 걸친 퀘이사 190개의 관측 데이터를 상세히 조사했습니다. 다양한 색상과 파장에서 얻은 관측결과를 조합하여 각 퀘이사의 '새겨진 표시(ticking)'를 표준화하여 '퀘이사 시계'라는 것을 만들었습니다.

퀘이사 시계의 데이터에 근거하면 빅뱅 직후부터 약 10억년 후까지의 초기 우주의 시간의 흐름은 오늘보다 훨씬 느린 것이었습니다.

과거에 천문학자는 초신성을 표준시계로 이용함으로써 시간의 흐름이 느린 초기 우주가 우주나이의 약 절반까지 거슬러 올라간다고 추측했는데 이번 연구결과는 그것보다 더 진일보한 내용입니다.

루이스 교수는 “초신성은 단일 섬광처럼 행동하고 연구를 용이하게 하지만 퀘이사는 개최 중인 불꽃놀이처럼 복잡합니다. 이 복잡성을 규명해 우주의 표준시간 지표로 사용할 수 있음을 제시했습니다.”라고 설명했습니다.

또 먼 퀘이사의 시간 지연을 확인할 수 없었던 선행연구를 거론하며 루이스 교수는 “선행연구에 의해 사람들은 퀘이사가 정말 우주론적인 물체인지 우주가 팽창한다는 생각은 옳은지 궁금해했는데 이번 데이터와 분석을 통해 우리는 퀘이사의 포착할 수 없는 '새로운 표시'를 찾아내어 퀘이사가 일반상대성이론으로 예측한 것처럼 운동한다는 것을 알게 되었다”고 말했습니다.

2023년 6월 30일 중력파의 검출을 실시하고 있는 천문학자의 컨소시엄 North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves(NANOGrav)가 배경중력파의 존재를 시사하는 데이터를 특정했다고 발표했습니다. 이 배경중력파의 흔적을 포착한 것은 전세계의 전파망원경으로 전개되는 연구 프로젝트 시설 '펄서 타이밍 어레이(PTA)'입니다.

International Pulsar Timing Array
https://ipta4gw.org/

NANOGrav - 15 Years of Gravitational Wave Research - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=rkdyVA0xiVI

알베르트 아인슈타인이 제창한 일반상대성이론에서는 시공간의 왜곡이 중력파 형태로 퍼지는 것이 예측되었고 중력파 자체는 2016년에 미국의 레이저 천문대 'LIGO'에 의해 검출되어 존재가 입증되었습니다.

NSF’s LIGO Has Detected Gravitational Waves | NASA
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2016/nsf-s-ligo-has-detected-gravitational-waves

Einstein's gravitational waves 'seen' from black holes - BBC News
http://www.bbc.com/news/science-environment-35524440

일반상대성이론에 의하면 태양의 수십억 배의 질량을 가지는 초대질량 블랙홀이 가까워지면 서로 선회하면서 끌어당겨 시공간에 왜곡이 생기고 그 왜곡이 중력파가 되어 빛의 속도로 전해집니다. 물론 이 초대질량 블랙홀은 우주에 많이 존재하고 여러 곳에서 발생한 중력파가 조합되어 우주 전체를 흔드는 배경중력파를 낳습니다.

NONGrev는 "우주의 곳곳에 있는 블랙홀의 연성에서 발생한 다양한 파장의 중력파가 모여 교향곡을 만들어내는데 그것을 "배경중력파"라고 부른다"고 설명했습니다.

NANOGrav는 천문학자와 천문물리학자의 컨소시엄으로, 우주에 숨겨진 수많은 수수께끼를 해결할 목적으로 설립되었습니다. 그 NANOGrav의 연구목적 중 하나는 배경중력파의 조사입니다. 그러나 이 배경중력파의 파장은 무려 수광년(1광년은 약 9조5000억 km)으로 매우 미약하기 때문에 이론적으로 존재는 주장되었지만 10^-8 ~ 10^-9Hz의 저주파로 미약한 중력파를 검출하는 것은 매우 어려운 일이었습니다.

따라서 이 초저주파의 배경중력파를 검출하기 위해 고안된 프로젝트 및 시설이 PTA로, PTA가 포착하는 펄서란 수명을 맞아 초신성 폭발을 일으킨 항성의 고밀도 잔해이며 강한 자기를 가지면서 1~10밀리초로 자전을 하며 전자파를 주기적으로 방출합니다.

PTA는 이 펄서가 방출하는 주기적인 전자파를 거대한 전파망원경으로 감시하는 프로젝트입니다. 마찬가지로 유럽 EPTA, 중국 CPTA, 인도 InPTA, 아프리카 MPTA, 호주 PPTA도 수년 동안 펄서의 전자기파를 관찰했습니다. PTA는 비유하자면 우주의 저편에 위치한 초고정밀 시계를 전파망원경으로 감시하고 있는 것으로, 약간의 어긋남이 생겼을 때 그 원인이 배경중력파일 가능성이 높다는 것입니다.

NANOGrav는 15년에 걸쳐 68개의 펄서를 관측했으며 다른 천체로부터의 간섭이나 노이즈를 제거하고 검증을 거듭한 결과, 지금까지의 중력파보다 훨씬 초저주파이며 초장주기인 배경중력파의 존재를 시사하는 강력한 증거를 얻었다고 합니다.

게다가 이번 NANOGrav와 동시에 CPTA·EPTA·InPTA도 펄서의 관측데이터로부터 배경중력파의 존재를 나타내는 데이터가 발견되었다고 독자적으로 보고했으며, 그 데이터도 주장을 뒷받침하는 것이라고 NANOGrev는 보았습니다.

다만 이번에 발견된 데이터가 실제로 배경중력파를 나타내는 것인 통계적 확실성은 약 3σ로, 물리학의 세계에서는 배경중력파를 발견했다고 주장하기 위해서는 5σ를 넘어야 하는데 NANOGrev는 어디까지나 배경중력파의 존재를 시사하는 증거를 얻었다는 주장에 그치고 있습니다.

그럼에도 불구하고 지금까지 불가능했던 배경중력파의 존재증명에 접근했다는 부분은 과학적으로도 매우 큰 의미를 가지고 있습니다. 또 이번 흔적이 검출된 배경중력파는 초대질량 블랙홀의 연성으로부터 발생했을 가능성이 높고 향후 PTA에서 관측될지도 모르는 저주파 중력파에는 우주의 인플레이션에 의한 급격한 시공간의 가속팽창으로 인한 원시 중력파가 포함될 수 있습니다. LIGO와 같은 중력파 검출뿐만 아니라 PTA에 의해 중력파 검출이 실제로 가능해지면 우주 탄생의 비밀에 다가갈 희망도 보입니다.

중력파의 검출을 실시하고 있는 천문학자의 컨소시엄 North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves(NANOGrav)가 2023년 6월 30일에 중요한 발표 이벤트를 개최한다고 예고했습니다. 15년간의 관측데이터로부터 '배경중력파'의 흔적을 포착한 것으로 보입니다.

The NANOGrav 15-year Data Set: Evidence for a Gravitational-Wave Background
https://doi.org/10.3847/2041-8213/acdac6

Join Us for our Live Briefing! | NANOGrav
https://nanograv.org/news/2023Announcement

질량이 큰 항성은 그 질량이 너무 방대해진 결과 초신성 폭발을 일으켜 중성자별이 될 수 있습니다. 그 중성자별에 강한 자기가 있는 경우 자전과 함께 매우 강한 전자파를 주기적으로 방출하는 '펄서'라는 천체가 됩니다. 펄서에서 방출되는 전자기파는 지구에서도 포착할 수 있어 NANOGrav는 15년에 걸쳐 68개의 펄서 방출 전자파를 관측했습니다.

펄서로부터 방출되는 전자파는 짧은 간격으로 주기적으로 방출되는데, NANOGrav의 연구팀은 그 주기에서 '배경중력파'의 흔적을 발견했다는 프리프린트를 발표했습니다.

예를 들어 초대질량 블랙홀끼리 충돌하면 공간 자체에 왜곡이 생깁니다. 이때 중력장 전체가 물결치고 발생하는 것이 '배경중력파'입니다. 지금까지의 중력파 검출은 초당 수회에서 수천회 주회하는 대질량 블랙홀에서 방출되는 중력파를 검출하고 있었는데 이번에는 펄서의 주기로부터 배경중력파의 흔적을 관측했습니다. 비유하자면 기존의 중력파 검출은 "배 위에서 파도에 흔들렸을 때 파도를 감지하는 것이었지만 이번 NANOGrav의 관측결과는 배 위에서 바다 전체의 파도를 감지하는 수준이라는 것.

배경중력파는 대질량 블랙홀의 충돌에서도 발생하지만 초기 우주가 급팽창을 일으켰다는 '우주의 인플레이션'의 흔적일 가능성도 있습니다. 즉 배경중력파의 흔적을 검출할 수 있었다는 것은 1981년에 제창된 '우주의 인플레이션 이론'을 뒷받침하는 증거가 될 수 있어 그러한 의미에서도 매우 큰 발견이라고 할 수 있습니다.

미국항공우주국(NASA)은 NANOGrav의 발견에 대해 “중력파가 우주에 가득하다는 증거를 검출한 NANOGrav에게 축하드립니다. 우주구조에서 배경중력파는 블랙홀과 같은 거대한 물체가 충돌하기 전에 서로를 돌 때 발생합니다. 이 결과에서 은하가 어떻게 진화하는지 이해할 수 있습니다."라고 평가했습니다.

NANOGrav는 2023년 6월 30일 오전 2시부터 공개 발표 이벤트를 생중계할 예정입니다. 이 발표 이벤트는 지금까지 15년간 수집한 데이터세트의 분석결과와 그 결과의 해석이 보고될 예정이라고 합니다.

NANOGrav - 15 Years of Gravitational Wave Research - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=rkdyVA0xiVI

유럽우주기관(ESA)이 2023년 7월 1일(토)에 발사를 예정하고 있는 유클리드 우주망원경은 우주 질량의 25%를 차지하고 있다는 수수께끼의 물질 '암흑물질'의 정체를 밝힐 것으로 예상됩니다. 유클리드 우주망원경이 어떻게 암흑물질을 조사하는지에 대해 영국의 주요 신문사 The Guardian이 설명했습니다.

Scientists hope Euclid telescope will reveal mysteries of dark matter | European Space Agency | The Guardian
https://www.theguardian.com/science/2023/jun/18/scientists-hope-euclid-telescope-will-reveal-mysteries-of-dark-matter

암흑물질은 관측 가능한 물질로부터 추정되는 질량으로는 회전하는 은하가 항성을 끌어당기기에 충분한 중력을 얻을 수 없다는 연구결과에 근거해 광학적으로 직접 관측은 할 수 없는 것이 존재한다고 생각되는 정체불명의 물질입니다. 주류의 가설에서는 우주의 약 25%가 암흑물질로 구성되어 있으며 70%는 우주의 팽창을 가속하고 있다고 생각되는 암흑에너지, 나머지 5%가 원자 등 알려진 물질입니다.

암흑물질에 대해서는 5차원으로 이동할 수 있는 소립자, 다른 물질을 암흑물질로 바꾸어 증식하는 물질, 음의 질량을 가지는 Dark fluid(암흑 유체)의 일부 등 다양한 가설이 제출되고 있는 한편 암흑물질은 존재하지 않는다고 주장하는 연구자도 있어서 여전히 암흑물질의 정체는 수수께끼에 싸여 있습니다.

그런 가운데 ESA는 10억 유로(약 1조 5500억 원)의 예산을 투입해 유클리드 우주망원경을 이용하여 암흑물질과 암흑에너지의 수수께끼에 대해 밝혀내려고 합니다. 영국 에든버러대학의 천체물리학 교수인 앤디 테일러 씨는 “암흑물질과 암흑에너지의 성질이 수수께끼로 남아 있다면 우주를 이해하고 있다고 말할 수 없으므로 유클리드 우주망원경의 역할은 매우 중요하다"고 말했습니다.

예정되로라면 유클리드 우주망원경은 2022년에 러시아 소유즈 로켓을 사용하여 발사될 예정이었으나 러시아의 우크라이나 침공으로 ESA가 러시아 우주개발기관인 로스코스모스와의 계약을 종료하고 새롭게 일런 머스크 씨가 이끄는 SpaceX와 계약을 체결하면서 계획은 연기되었습니다. SpaceX의 팔콘9 로켓을 이용한 유클리드 우주망원경 발사는 2023년 7월 1일에 실시될 예정입니다.

유클리드 우주망원경은 발사 후 약 1개월에 걸쳐 지구에서 150만km 떨어진 제2 라그랑주점까지 이동한다는 것. 제2 라그랑주점은 태양·지구·달을 배후로 하여 심우주를 관측하는 것이 가능하며 NASA의 제임스웹 우주망원경도 이 지점에 배치되어 있습니다.

암흑물질은 빛을 방출·반사·흡수하지 않는 입자로 구성되어 있을 가능성이 높다고 보여지고 있어서 고성능인 우주망원경이라도 직접 관측할 수 없습니다. 그러나 유클리드 우주망원경은 암흑물질의 질량에 의해 생기는 중력렌즈라는 효과를 포착해 암흑물질을 이해할 수 있을 것으로 기대되고 있다고 합니다.

중력렌즈는 질량이 큰 물질에 의한 중력장을 통과할 때 빛이 굴절되는 현상을 말하며 항성이나 은하 등이 발하는 빛의 진행은 이 영향을 받고 있습니다. 암흑물질에는 질량이 있다고 생각되기 때문에 유클리드 우주망원경이 촬영한 수백만 개의 은하의 이미지를 바탕으로 암흑물질의 질량에 의한 중력렌즈 효과를 분석할 수 있습니다.

다람대학의 마틸드 주작 교수는 “암흑물질이 만들어내는 중력렌즈는 암흑물질이 무엇으로 되어 있는지를 가르쳐 줄 것입니다. 암흑물질이 가벼운 입자로 되어 있는 경우와 매우 큰 입자로 되어 있는 경우 각각에서 다른 종류의 렌즈가 생성될 것"이라고 전망했습니다.

이 우주가 더 큰 '친(親)우주'에 있는 초거대 블랙홀 안에 푹 들어간다는 장대한 이론인 '슈바르츠실트 우주론'에 대해 과학계 뉴스사이트 Live Science가 설명했습니다.

Could Earth be inside a black hole? | Live Science
https://www.livescience.com/space/could-earth-be-inside-a-black-hole

만약 지구가 블랙홀에 삼켜지면 스파게티화 현상에 의해 늘어지고 분쇄되어 결국 흔적도 없이 사라져 버립니다. 따라서 어느 시점에서 블랙홀이 지구를 삼켰을 가능성은 배제할 수 있지만, 사실 지구가 블랙홀 안에 있을 가능성은 아직도 존재합니다. 지구가 위치한 이 우주가 처음부터 블랙홀에서 탄생했다는 시나리오입니다.

슈바르츠실트 우주론, 혹은 블랙홀 우주론이라고 불리는 이 이론에서는 이 우주는 친우주 안인 블랙홀 안에서 팽창하고 있는 중이라고 여겨지고 있습니다. 즉, 러시아의 마트료시카 인형처럼 우주 안에 추가로 우주가 있다는 중첩구조로 되어 있습니다.

미국 로드아일랜드대학의 블랙홀 물리학자인 가우라브 칸나 씨에 따르면 블랙홀은 빅뱅의 역버전과 같은 것으로 수학적으로도 비슷하다고 합니다. 블랙홀이 모든 물질을 삼키는 초고밀도의 작은 특이점에 수렴해 나가는 것에 비해 빅뱅이론에서는 바로 이러한 특이점이 폭발해 모든 물질이 탄생했다고 설명되고 있습니다.

이 가설에서 빅뱅은 처음에 큰 친우주에 있는 블랙홀의 특이점이었다고 가정합니다. "그리고 블랙홀 안에 있는 이 고밀도의 중심부가 압축을 거듭하고 그것이 어떤 순간에 폭발하면 블랙홀 안에 아기 우주가 형성된다"고 칸나 씨는 설명했습니다.

블랙홀 사건의 지평면을 넘어서면 다시 돌아올 수 없기 때문에 이 가설을 증명하는 것도 거의 불가능하지만 만약 이 세계가 블랙홀 안에 있다면 그 블랙홀은 엄청나게 거대한 우주 규모의 블랙홀일 것입니다.

매사추세츠대학 다트머스학교의 수학자인 스콧 필드 씨는 “우리가 블랙홀 안에 있다면 매우 클 것입니다. 지구가 행성 크기의 블랙홀이나 태양계 크기의 블랙홀 속에 갇혀 있다면 과학자들은 좀 더 알고 있을 것입니다. 왜곡, 즉 시간이 느려지거나 물질이 늘어나는 것을 볼 수 있기 때문입니다”라고 말했습니다.

또한 칸나 씨는 “만약 블랙홀 안쪽에 있다면 지구인이 다른 우주로 갈 방법은 없을 것"이라고 보았습니다.

인간이 이용하는 물의 대부분은 풍부한 지하수에 지탱되고 있으며 1993년부터 2010년 사이에 지하에서 끌어올린 물의 양은 2조 톤 이상이라고 추측되고 있습니다. 대량의 물이 인위적으로 이동한 결과 지구의 자전축의 기울기가 변화해 북극점이 약 80cm, 연간 4cm 이상 이동하고 있다는 연구결과가 2023년 6월 15일 과학지 Geophysical Research Letters에 게재되었습니다.

We’ve pumped so much groundwater that we’ve nudged the Earth's spin - AGU Newsroom
https://news.agu.org/press-release/weve-pumped-so-much-groundwater-that-weve-nudged-the-earths-spin

Rampant groundwater pumping has changed the tilt of Earth’s axis
https://www.nature.com/articles/d41586-023-01993-z

행성과 같은 천체가 자전하는 기울기는 안정적이지만 행성의 내부와 표면에서 큰 질량이 이동하면 그 영향으로 자전축도 변동할 수 있습니다. 지구의 경우 가장 큰 요인은 계절적인 것으로 날씨와 계절의 변화에 ​​따른 대기 덩어리의 움직임으로 인해 지축은 매년 미터 단위로 흔들리고 있다고 생각됩니다. 서울대의 지구물리학자인 서기원 교수는 “지구 표면에서 이동하는 모든 질량이 자전축을 변화시킬 수 있다”고 설명했습니다.

지축의 기울기는 물의 움직임에 의해서도 변화하는데 지금까지 이러한 물의 이동은 주로 빙하 등의 융해에 기인하고 있는 것으로 생각되었습니다. 그러나 서 교수 연구팀이 지축의 기울기를 설명하기에 충분한 지구의 물의 움직임을 계산해도 데이터와는 맞지 않았다고 합니다. 빙하와 지표의 물의 이동을 고려해도 문제를 해결할 수 없었던 연구팀이 도달한 답은 지하수의 움직임이었습니다.

다음은 1993년~2010년 사이 지하수 저류량 변화의 합계(왼쪽)와 거기에 따른 해면의 변동(오른쪽)으로 단위는 수주밀리미터입니다. 파란색이 짙어질수록 지하수가 잘 이용되고 있는 것을 나타내고 있는데 특히 북미 서부와 인도 북서부에서 현저했습니다.

연구팀은 관측에 의해 도출된 지구의 회전축의 변화와 물의 움직임을 모델화하고 나서 우선 빙하나 빙상만을 고려하여 계산을 실시한 다음, 지하수의 움직임을 시뮬레이션했습니다. 그 결과 2150기가톤, 즉 2조 1500억 톤의 지하수가 이동한 경우에만 지축의 기울기가 관측결과와 일치하는 것으로 밝혀졌습니다.

이 양의 물은 세계의 해수면을 6.24mm 상승시키기에 충분한 양으로, 만약 지하수의 움직임을 고려하지 않는 경우, 실제 지구의 극점의 움직임과 계산 결과 사이에는 약 78.48cm의 오차가 생겨 버린다는 것.

이 결과로부터 연구팀은 지하수의 이동에 의해 지구의 회전극은 1993년부터 2010년 사이에 동경 64.16도를 향해 약 78.48cm 이동했다고 결론지었습니다. 이것은 지하수의 영향만으로 북극점이 러시아의 노바야 제믈랴를 향해 연간 약 4.36cm 움직이고 있다는 것을 의미합니다.

다음은 관측된 극점의 움직임(빨간색 화살표)을 지하수를 고려하지 않는 경우의 계산 결과(파란색 파선 화살표)와 고려하는 경우(파란색 실선 화살표)와 비교한 그림입니다. 지하수의 이동을 고려한 결과는 관측된 극점의 움직임과 잘 일치하고, 지하수가 지구의 자전축에 미치는 영향은 무시할 수 없는 크기라는 것을 알 수 있습니다.

서 교수는 “회전극의 흔들림의 원인을 규명할 수 있었던 것은 매우 기쁜 일입니다. 한편 지구의 주민으로서, 또 아이를 가지는 아버지로서 지하수의 사용이 해수면 상승의 또 다른 원인이라는 사실을 알게 되어 놀라움과 우려를 느낀다”고 밝혔습니다.

은하의 중심에 존재하고 물질을 기세 좋게 뿜어내면서 1조 개의 항성에 필적하는 파워로 밝게 빛나는 천체가 퀘이사입니다. 때로는 은하를 파괴할 정도의 놀라운 파워를 지닌 퀘이사에 대해 과학을 다루는 YouTube 채널 Kurzgesagt가 애니메이션으로 설명했습니다.

The Black Hole That Kills Galaxies - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=V4Z8EdiJxgk

퀘이사는 비교적 작은 천체이지만 기본적으로 은하의 중앙에 존재하고 1조 개분의 항성에 필적하는 밝기로 빛나며 물질을 뿜어내고 있는 천체입니다.

퀘이사는 현존하는 가장 밝고 강력한 천체로 알려져 있으며 주위의 우주를 완전히 바꾸어 버릴 가능성이 시사되고 있습니다.

그런 퀘이사의 발견은 1950년대에 우주의 곳곳에서 수수께끼의 강력한 전파가 발생하고 있다는 것을 천문학자가 알게 되면서 시작됩니다. 전파의 발생원은 천체망원경에서는 내부구조를 확인할 수 없었고 전파망원경을 이용해야 비로소 관측이 가능한 천체인 것으로 판명되었습니다.

이 천체는 광원이 항성처럼 점으로 보이는 천체였기 때문에 "준항성상 전파원(quasi-stellar radio source)"이라고 명명되었습니다. 또한 약어로 '퀘이사(Quasar)'라고도 합니다.

퀘이사에는 깜박이는 천체와 전파를 방출하는 천체, X선이나 가시광선을 방사하는 천체가 존재하는 것으로 알려져 있습니다.

퀘이사의 스펙트럼은 강한 적색편이를 가지는 데 우주의 팽창에 수반하여 광속의 30% 이상이라고 하는 엄청난 속도로 지구로부터 멀어지는 것처럼 보이는 먼 천체인 것으로 판명되었습니다.

지구로부터 수십억 광년이나 떨어져 있어도 밝고 크게 보이는 원인은 퀘이사의 실제 밝기는 우리은하가 발하는 밝기의 수천 배이기 때문입니다.

천문학자들은 지금까지 총 100만 개 이상의 퀘이사를 발견했으며 모두 지구에서 멀리 떨어져 있는 것으로 밝혀졌습니다.

또 퀘이사 대부분이 먼 곳에 있어 빅뱅으로부터 30억 년 후라는 우주 형성의 초기에 수의 피크를 맞이했던 것으로 추정되고 있습니다.

빅뱅으로부터 30억 년 후라는 미성숙한 우주 초기 단계에서 퀘이사가 격렬하게 빛나는 에너지를 낳을 수 있는 요인은 '초거대 블랙홀'에 있습니다.

대다수 은하의 중심에도 존재하는 것으로 여겨지는 초거대 블랙홀 주위의 가스나 먼지가 흡입될 때 블랙홀의 주위를 돌면서 원반을 형성합니다. 이 원반은 '강착원반(Accretion Disk)'이라고 불립니다.

블랙홀에 흡입되는 물질은 사건의 지평면을 넘어서기 전에 광속에 가까운 속도로 이동하여 엄청난 운동에너지와 함께 블랙홀에 흡수됩니다. 블랙홀에 흡입되는 물질이 방출하는 에너지는 핵융합에서 발생하는 에너지의 약 60배에 달하는 것으로 생각되고 있습니다.

강착원반 내에서는 물질끼리의 마찰로 온도가 섭씨 수십만도 이상으로 상승해 물질이 플라즈마화됩니다. 그 때문에 강착원반으로부터는 X선이나 가시광선, 전파 등의 다양한 전자파가 맹렬한 기세로 방출됩니다.

이처럼 활발하게 활동하는 은하의 중심부분은 '활동은하핵'으로 불리며 퀘이사는 이 활동은하핵의 1종으로 여겨지고 있습니다.

현재의 우주 크기의 약 3분의 1이었던 우주의 초기에는 가스와 먼지가 현재보다 격렬하게 부딪치고 강한 마찰열이 발생했습니다. 그 때문에 활발한 퀘이사가 많이 형성되어 있었다고 생각되고 있습니다.

특히 활발한 퀘이사는 "제트"라고 불리는 수십만 광년의 크기로까지 성장하는 거대한 물질의 빔을 방출하는 것으로 알려져 있습니다.

그러나 격렬한 제트는 별의 형성에 필요한 가스를 과도하게 가열해 버려서 별의 형성이 정지합니다. 뿐만 아니라 제트가 가스를 은하 밖으로 밀어내면 퀘이사뿐만 아니라 은하도 기아상태가 되어 새로운 별의 원료를 잃게 됩니다.

한편으로 발생한 충격파나 퀘이서로부터의 제트에 의해 가스가 압축되어 단기간은 새로운 별을 형성할 수 있습니다. 또 제트에 의해 압출된 가스는 은하계에 들어오는 가스와 섞여 재활용됩니다.

그러나 한번 기아상태에 빠진 퀘이사는 초거대 블랙홀만을 남기고 소멸한다고 생각되고 있습니다.

또한 지금까지 지구가 속한 우리은하에 한때 퀘이사가 존재했는지에 대해서는 밝혀지지 않았습니다.

그러나 우리은하의 중심에 존재하는 '궁수자리A*'가 태양의 400만 배 질량으로 성장했기 때문에 한때 퀘이사가 있었을 가능성이 시사되고 있습니다.

수십억 년 후 우리은하와 안드로메다 은하가 충돌했을 때에는 중심부의 블랙홀끼리가 합체해 새로운 초거대 블랙홀이 형성됨과 동시에 새로운 퀘이사가 탄생할 가능성이 있습니다.

에피메테우스는 크기가 135×108×105km, 야누스는 크기가 196×192×150km로 둘 다 작은 위성입니다. 이 두 위성은 공전궤도를 공유하며 토성에서 15만 1000km의 거리를 17시간에 걸쳐 일주하고 있습니다.

두 위성의 토성과의 거리는 50km 정도 다릅니다. 외부를 공전하는 위성은 내부 위성보다 일주에 시간이 걸립니다. 따라서 내부 위성은 약 4년마다 외부 위성을 따라잡습니다. 그 때 위성끼리의 중력의 상호작용에 의해 내부 위성과 외부 위성이 바뀝니다.

이미지가 촬영된 시기는 2006년 1월 21일에 야누스와 에피메테우스가 교체된 약 2개월 후로 촬영시점에서는 야누스가 토성에 가까운 궤도, 에피메테우스가 먼 궤도를 공전하고 있었습니다.

이미지에서는 에피메테우스와 야누스가 매우 가까이 있는 것처럼 보일 수 있습니다. 그러나 실제로는 야누스 쪽이 에피메테우스보다 4만km 정도 카시니 탐사기로부터 먼 곳에 위치하고 있습니다. 공전궤도가 바뀔 때에도 두 위성은 약 1만 5000km보다 가까워지지 않습니다.

에피메테우스와 야누스는 하나의 위성이 분열되어 생겼을 가능성이 지적되었습니다. 그 경우 표면의 특징 등에서 토성계 역사의 초기에 일어난 것으로 추정되고 있습니다.

또한 두 위성은 모두 물의 얼음으로 이루어져 있다고 생각되지만 밀도는 물보다 훨씬 낮고 많은 파편이 중력으로 느슨하게 결합한 'Rubble pile'이라고 불리는 구조의 천체라고 생각되고 있습니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- Planetary Photojournal
https://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA08170
- NASA Solar System Exploration
https://solarsystem.nasa.gov/moons/saturn-moons/epimetheus/in-depth/

우주가 무대인 SF 작품에서는 선진적인 기술을 가진 우주인이 별의 에너지를 최대한 활용하기 위해 건조하는 다이슨구(항성을 가리는 껍질)가 자주 등장하는 데 실제 지구외 문명탐색 프로젝트에서도 이러한 거대 구조물의 발견이 중요시되고 있습니다. 프랑스 보르도 대학 등의 천문학자들이 U자의 궤적을 그리는 말굽궤도에서 행성을 배치하면 매우 안정되는 것을 발견하고 발달한 문명은 일부러 별을 가리지 않고 대량의 행성을 해비터블 존에 늘어놓을 것이라고 제창했습니다.

Constellations of co-orbital planets: horseshoe dynamics, long-term stability, transit timing variations, and potential as SETI beacons | Monthly Notices of the Royal Astronomical Society | Oxford Academic
https://doi.org/10.1093/mnras/stad643

Aliens Could Reveal Their Location by Packing 24 Planets Into One Orbit
https://www.inverse.com/science/planets-sharing-a-weird-orbit-could-be-evidence-of-alien-architects

보르도 대학의 천문학자인 숀 레이몬드 씨는 2023년 5월에 왕립천문학회 월보에 발표한 연구 중 '항성을 같은 거리에서 주회할 수 있는 행성은 몇 개인가'를 조사한 결과 지구 같은 질량의 행성이 최대 24개 같은 궤도를 장기적이며 안정적으로 공유할 수 있음을 발견했다고 보고했습니다.

이 아이디어는 엉뚱하게 들리지만 자연계에서 이미 관측되고 있는 현상으로 실현 가능합니다. 토성의 위성인 에피메테우스와 야누스는 공전궤도를 공유하며 토성으로부터의 거리는 위성의 직경보다 작은 약 50km밖에 떨어져 있지 않습니다. 그 때문에 한쪽 위성이 다른 한쪽에 따라잡히면 충돌해 버릴 것 같지만 추월하기 직전에 외측 위성은 안쪽으로, 안쪽 위성은 바깥쪽으로 이동함으로써 궤도를 교환해 떠나기 때문에 부딪히지 않고 안정적으로 주회를 계속하고 있습니다.

두 위성은 궤도가 같지만 공전속도는 내부 위성이 약간 빠르기 때문에 외부 위성은 내부 위성보다 늦습니다. 이것을 한쪽 위성에서 보면 다가온 위성이 방향을 바꾸고 원래 온 길을 돌아가 큰 U자형을 그리는 것처럼 보이기 때문에 이 궤도는 '말굽형 궤도'라고 불립니다.

말굽형 궤도를 알기 쉬운 애니메이션으로 하면 다음과 같이 됩니다.

馬蹄軌道、土星の衛星のエピメテウスとヤヌスがやってて、同じ軌道を回ってるけど位置は変化し、前の衛星に追いつくが、ぶつからずに軌道入れ替わって周り続ける
https://twitter.com/i/status/1656986561387577345

행성과 그 위성에서 이것이 가능하다면 항성과 행성에서도 할 수 있을 것이라고 생각한 연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 여러 행성이 서로 말굽형 궤도를 취했을 경우의 거동을 검증했습니다. 그리고 지구와 같은 질량의 행성이 1천문단위(지구에서 태양까지의 거리)로 주성 주위를 주회한다고 가정한 결과, 최대 24개의 행성이 수십억 년간 안정적으로 궤도를 유지할 수 있다는 것을 알게 되었습니다. 이 현상은 태양이 약 50억 년 후의 경우같은 수명이 다가온 항성이 팽창하기 시작한 후에도 마찬가지였다는 것.

지금까지 발견된 말굽형 궤도를 가진 천체는 최대 2개까지입니다. 즉, 3개 이상의 행성이 말굽형 궤도를 취하고 있는 말굽형성계(horseshoe system)가 있었을 경우, 행성을 움직일 수 있을 정도의 기술을 가진 지구외 문명에 의한 것일 가능성이 높다고 합니다.

레이몬드 씨는 “3개 이상의 행성이 있는 말굽형성계를 태양계 밖의 생명을 찾는데 최적의 타겟이라고 하는 것은 꽤 합리적이라고 생각한다”고 말했습니다.

연구팀에 따르면 항성의 빛의 변화를 측정함으로써 행성이 항성을 가로지른 것을 검지하는 트랜짓법을 사용하면 말굽형성계를 특정하는 것은 용이하다고 합니다. 관측에는 10년 정도의 기간이 필요하지만 시도할만한 가치는 있다고 레이몬드 씨는 보았습니다.

암흑물질은 우주의 질량의 80%를 차지하고 있는 수수께끼의 물질로, 그 정체를 포함하여 모든 것이 수수께끼에 싸여 있습니다. 최근 이전에 관측된 블랙홀로 취급되던 천체가 실은 암흑물질의 후보물질로 구성된 별일 가능성을 제기한 논문이 발표되었습니다.

Strange star system may hold first evidence of an ultra-rare 'dark matter star | Live Science
https://www.livescience.com/space/black-holes/strange-star-system-may-hold-first-evidence-of-an-ultra-rare-dark-matter-star

This Star Might be Orbiting a Strange "Boson Star" - Universe Today
https://www.universetoday.com/161290/this-star-might-be-orbiting-a-strange-boson-star/

해당 별은 유럽우주기관(ESA)의 가이아 위성이 관측한 특이한 별계에 위치해 있습니다. 이 별계에 있는 항성은 무게가 태양보다 조금 가벼운 0.93 태양 질량으로 구성물질도 태양과 거의 같은 전형적인 G형 왜성입니다.

그러나 이 별에는 질량이 약 10배나 되는 수수께끼의 반성이 있습니다. 항성과 반성 사이의 거리는 태양과 화성 정도인 1.4 천문단위로 188일마다 공전하고 있습니다. 대부분의 천문학자는 수수께끼의 반성이 전혀 방사선을 발하지 않는 암흑의 별이라는 점에서 그 천체의 정체는 블랙홀이라고 추정하고 있으며, 이 별계는 블랙홀 주위를 항성이 주회하는 단순 사례가 될 것이라는 견해가 대부분입니다.

그러나 이 가설에는 괴상한 점이 있습니다. 블랙홀은 거대한 별이 죽어야 하므로 문제의 별계를 만들려면 태양과 같은 별과 그보다 더 거대한 별이 동시에 탄생해야 한다는 점입니다. 이론적으로 가능하지만 그러한 천체들이 수백만 년에 걸쳐 가까운 거리에서 궤도를 계속 유지한다는 시나리오를 실현시키기 위해서는 탁월한 미조정 필요하기 때문에 다른 가능성을 고려해야 한다고 보았습니다.

이번에 2023년 4월 18일에 프리프린트 서버 arXiv에 발표된 논문 속에서 연구자들은 수수께끼의 천체는 실은 암흑물질의 덩어리일지도 모른다는 가설에 도전했습니다.

암흑물질이란 은하의 질량 대부분을 차지하는 눈에 보이지 않는 물질로, 정체는 아직 알 수 없습니다. 많은 이론모델에서는 암흑물질이 은하에 균등하게 분포되어 있다고 보지만 암흑물질이 모여 덩어리가 된다는 모델도 있습니다.

그러한 가설 중 하나는 '암흑물질이 새로운 종류의 보손'이라는 가설입니다. 보손은 자연계의 힘을 담당하는 입자로, 예를 들어 광자는 전자기력을 담당하는 보손입니다. 소립자물리학의 표준모델로 알려진 보손은 한정되어 있지만 원리적으로는 더 많은 종류의 보손이 우주에 존재할 수 있습니다.

만약 보손 암흑물질이 있다면 그것은 모여 큰 덩어리를 형성하고 하나의 별계 정도의 크기가 되는 경우도 있고 일반적인 천체 크기가 될 수도 있습니다. 그런 천체는 방사선을 전혀 방출하지 않기 때문에 관측자에게는 블랙홀처럼 보입니다. 또한 눈에 보이지 않기 때문에 관측하려면 블랙홀과 마찬가지로 다른 천체와의 상호 작용을 단서로 할 수밖에 없습니다.

연구자들에 의하면 보손 암흑물질의 존재를 가정해 문제의 별계에 있는 블랙홀 같은 천체를 보손 별로 바꾸어 보면 관측 데이터의 많은 부분을 설명할 수 있다고 합니다.

사실 보손 별이 발견될 가능성은 결코 높지 않지만 연구자들은 추가 관측의 필요성을 강하게 주장했습니다. 왜냐하면 수수께끼의 천체의 정체가 보손 별이 아니더라도 항성이 매우 컴팩트하고 고밀도인 물체 주위를 돌고 있는 것은 사실이므로, 추가 조사에 의해 아인슈타인의 일반상대성 이론에 대한 이해를 더욱 깊게 할 수 있기 때문입니다. 또한 만약 보손 별이라면 그러한 이국적인 천체의 완벽한 모델 ​​케이스가 되기 때문에 암흑물질의 정체규명으로 이어질 수 있습니다.

캐나다의 브리티시컬럼비아 대학 등이 참가한 국제연구팀이 새롭게 토성을 주회하는 62개의 위성을 발견했다고 보고했습니다. 토성의 위성 수는 합계 145개가 되어 목성의 95개를 추월해 태양계 최다 위성 보유 행성이 되었습니다.

Scientists discover 62 new moons around Saturn, raising total to 145 — the most in the solar system | Live Science
https://www.livescience.com/space/saturn/scientists-discover-62-new-moons-around-saturn-raising-total-to-145-the-most-in-the-solar-system

Saturn regains status as planet with most moons in solar system | Saturn | The Guardian
https://www.theguardian.com/science/2023/may/12/saturn-regains-status-as-planet-with-most-moons-in-solar-system

2023년 2월 미국의 카네기연구소 팀이 목성을 주회하는 위성을 새롭게 12개 발견했다고 보고해 그때까지 최다였던 토성의 83개를 웃돌았고 태양계에서 최다의 위성을 가지는 행성이 되었습니다. 그 후에도 목성 위성은 추가되어 현시점에서는 95개의 위성을 가지고 있다고 합니다.

그런데 브리티시컬럼비아 대학의 연구팀은 토성에서 새롭게 62개의 위성을 발견했다고 보고했습니다. 사실이라면 토성의 위성 수는 합계 145개가 되어 또다시 목성의 위성 수를 웃돌아 태양계에서 최다가 됩니다.

국제연구팀은 2019년부터 2021년에 걸쳐 하와이의 마우나케아산 정상에 있는 캐나다-프랑스-하와이 망원경이 관측한 데이터를 분석해 미발견 위성을 찾았다고 보고했습니다.

작거나 어두운 탓으로 지금까지 발견할 수 없었던 위성을 특정하기 위해 연구팀은 3시간에 걸쳐 촬영한 다수의 연속 화상을 조금씩 어긋내면서 겹쳐보는 '시프트 스택법'이라는 방법을 이용했습니다. 2년 이상에 걸쳐 다양한 밤에 검출된 물체를 대조한 결과, 연구팀은 새롭게 62개의 새로운 위성을 발견했고 이 위성 중에는 폭 불과 2.5km 정도의 매우 작은 위성도 포함되어 있다고 합니다.

브리티시컬럼비아 대학 재적 중에 연구를 개시해 현재 대만의 중앙연구원 천문급 천문물리연구소의 박사연구원인 에드워드 아슈톤 씨는 “토성의 위성을 추적하는 작업은 점연결 게임과 유사합니다. 데이터 속에 있는 위성의 다양한 모습을 실현 가능한 궤도에 묶어야 하기 때문”이라고 설명했습니다.

새롭게 발견된 62개의 위성은 모두 행성을 멀리 떨어진 타원 궤도와 행성의 자전에 역행한 궤도를 가지는 불규칙 위성이라고 불리는 종류라고 합니다.

토성의 불규칙 위성은 궤도의 기울기에 따라 여러 그룹으로 분류되며, 각각 북유럽 신화, 갈리아인 신화, 이누이트 신화의 이름이 붙여져 있습니다. 이번에 발견된 위성도 궁극적으로 이러한 신화의 이름이 붙여질 예정이라는 것.

비슷한 궤도를 가진 토성의 불규칙 위성그룹은 약 1억 년 전에 붕괴된 큰 위성에서 유래한 것으로 여겨지는데, 브리티시컬럼비아 대학의 천문학 교수인 브렛 글래드먼 씨는 “현대 망원경의 한계에 도전하면서 토성을 역방향으로 돌고 있던 중형 위성이 약 1억 년 전에 파괴되었다는 증거가 늘고 있다”고 설명했습니다.

태고의 지구상을 지배하던 공룡은 운석의 충돌로 발생한 열파에 의한 세계적인 대화재와 상공에 날린 입자가 햇빛을 차단하면서 일어난 급격한 한랭화에 의해 멸종했다는 가설이 유력시되고 있습니다. 이 지구의 생명사를 ​​뒤흔드는 일대 사건은 장기적인 한랭기인 '운석의 겨울(핵겨울과 비슷한 현상)'로 이어졌다고도 생각되었는데, 새로운 연구에서 한랭화는 극히 단기간이었을 가능성이 높은 것이 밝혀졌습니다.

Steady decline in mean annual air temperatures in the first 30 k.y. after the Cretaceous-Paleogene boundary | Geology | GeoScienceWorld
https://doi.org/10.1130/G50588.1

Dinosaur-killing asteroid did not trigger a long 'nuclear winter' after all | Live Science
https://www.livescience.com/animals/dinosaurs/dinosaur-killing-asteroid-did-not-trigger-a-long-nuclear-winter-after-all

지금부터 6600만 년 전의 봄, 유카탄 반도에 폭이 10km 정도인 소행성이 낙하해 지상의 풍경을 일변시켰습니다. 칙술루브 충돌체라고 불리는 이 운석의 충돌은 대량 멸종의 방아쇠가 되었고 공룡을 포함한 지구상의 생물의 4분의 3이 사라졌다고 합니다.

시뮬레이션 기술의 발달로 충돌 당일에 무슨 일이 일어났는지에 대해서는 이해가 진행되고 있는데, 충돌 후에 일어난 운석의 겨울이 어떠한 것이었는가에 대해서는 통일적인 견해가 없었습니다.

이번 연구에서 네덜란드의 위트레흐트 대학의 지구과학자인 로렌 오코너 씨 연구팀은 칙술루브 분화구를 만든 운석의 낙하 전, 낙하시, 낙하 후의 지층을 분석해 석탄샘플에 포함된 화석화된 박테리아를 비교하는 연구를 실시했습니다.

연구팀이 박테리아에 주목한 이유는 기온변화에 따라 세포벽을 두껍게 하거나 얇게 하는 생태로부터 당시의 기후변화를 추측이 가능하기 때문입니다. 오코너 씨는 온도와 세균의 세포벽 변화에 ​​대해 "담요를 걸치거나 벗는 것 같다"고 비유했습니다.

세균을 분석한 결과, 운석충돌로부터 수천 년간 세균이 운석의 겨울에 대비해 세포벽을 두껍게 하고 있던 흔적은 없었다는 것. 게다가 5000년간 온난화했고 기온의 변동은 비교적 빠른 단계에서 안정화했다고 합니다. 이 현상은 백악기가 끝날 즈음 수천년 동안 초거대 화산이 대기 중에 이산화탄소를 방출한 결과일 것이라고 연구팀은 추정했습니다.

장기적인 '운석의 겨울'은 일어나지 않았을지도 모르지만 이 실험으로 한랭이 전혀 일어나지 않았다는 것을 의미하지는 않습니다. 텍사스대학 오스틴교의 지구물리학자로 이번 연구에는 직접 참가하지 않은 숀 고릭 씨는 과학계 뉴스사이트 Live Science의 취재에서 “생태계가 영향을 받는데 그다지 긴 기간은 필요하지 않고 몇 달 동안 햇빛을 받지 않으면 전세계 식물 대부분이 시들어 버린다”고 지적했습니다.

몇 개월에서 수년 정도라도 태양광이 끊어지면 식물이 사멸하고 초식동물도 아사해 버립니다. 이로 인해 먹이사슬이 근저에서 무너지면 더 큰 육식동물도 죽어 버립니다. 즉, 공룡을 멸망시킨 운석이 일으킨 한랭화는 지금까지 생각했던 것보다 극적이고 순간적인 사건이었을지도 모른다는 것입니다.

이번 연구결과는 거대한 운석 낙하 후 기온이 비교적 빨리 회복되었음을 의미하며 지구가 지금까지 생각했던 것보다 빨리 기후변화에서 회복할 수 있는 가능성을 보입니다. 연구팀은 앞으로 더 많은 장소의 석탄샘플을 조사하고 칙술루브 충돌체의 낙하나 화산활동의 영향에 대해 조사할 예정이라고 합니다.

블랙홀은 우주공간에 존재하는 초고밀도의 천체이며 강한 중력 때문에 빛조차 흡입하는 것으로 알려져 있는데 초대질량 블랙홀은 물질을 흡입할 뿐만 아니라 플라즈마 가스 등을 고속으로 제트분사하는 것으로 추정됩니다. 최근 국제적인 천문학 연구팀이 세계 최초로 블랙홀과 제트분사를 하나의 이미지에 담는 작업에 성공했습니다.

First direct image of a black hole expelling a powerful jet | ESO
https://www.eso.org/public/news/eso2305/

Astronomers snap 1st direct image of black hole blasting out a jet | Space
https://www.space.com/black-hole-jet-first-direct-image-m87

Black hole image captures jet of material launching into space | CNN
https://edition.cnn.com/2023/04/26/world/black-hole-jet-direct-image-scn/index.html

이번에 제트분사와 함께 촬영된 블랙홀은 처녀자리의 M87 은하 중심에 있는 초대질 블랙홀입니다. 2019년에 복수의 전파망원경을 결합시킨 이벤트 호라이즌 텔레스코프(ETH)를 이용해 세계 최초로 블랙홀이 촬영된 블랙홀이기도 합니다.

블랙홀은 물질을 흡입할 뿐만 아니라 플라즈마 가스 등을 광속에 가까운 속도로 제트분사하고 이 제트가 복수의 은하에 걸쳐 별의 형성을 촉진하고 있다는 연구결과도 있습니다.

이전에도 블랙홀의 제트분사는 이벤트 호라이즌 텔레스코프로 촬영되었으나 블랙홀의 그림자라는 빛이 존재하지 않는 부분과 제트분사를 하나의 이미지에 담은 사례는 없었습니다.

연구팀은 2018년 칠레의 알마망원경과 그린란드망원경이 참여하는 전파망원경 네트워크 '글로벌 밀리미터파 VLBI 관측망(GMVA)'을 이용해 M87의 중심부를 자세히 관측했습니다. ETH는 1.3mm의 파장대에서 관측을 실시하는 것에 비해 GMVA는 3.5mm의 파장대에서 관측을 실시하고 있어 시력은 상대적으로 떨어지지만 감도와 시야가 ETH보다 뛰어나다고 합니다.

2018년의 관측데이터를 이용해 작성되어 이번에 새롭게 공개된 M87의 초대질량 블랙홀과 제트분사를 동시에 포착한 이미지를 살펴보면 왼쪽 하단에 블랙홀 그림자가 있으며 그 주변에 링모양의 구조(강착원반)의 양단에서 제트분사가 성장하고 있는 모습을 확인할 수 있습니다.

논문의 필두저자이자 상하이천문대의 루센 루 주임연구원은 “지금까지는 블랙홀과 거기에서 멀리 떨어진 제트를 별도의 이미지로 보고 있었지만 새로운 파장대를 이용해 블랙홀을 둘러싼 상세한 구조와 제트를 한 장의 파노라마 사진 안에 동시에 담을 수 있었다”고 설명했습니다.

제트분사가 강착원반에서 어떻게 방출되는지를 이미지에 담은 덕에 초대질량 블랙홀 주변에서 일어나는 복잡한 메커니즘을 규명하고 제트분사의 메커니즘을 이해할 수 있으로 기대됩니다.

연구팀의 멤버인 막스플랑크 전파천문학 연구소의 토마스 크리히밤 박사는 “GMVA에 알마망원경과 그린란드망원경을 조합함으로써 향상된 관측성능은 블랙홀이 구동하는 제트 형성 메커니즘에 대해 심지어 새로운 관측적 지견을 가져왔다”고 보았습니다.

같은 연구소의 에두아르도 로스 박사는 "향후 M87의 중심에 있는 블랙홀 주변의 영역을 다른 전파 파장으로 관측하고 제트분출을 더 연구해 나갈 예정으로 몇 년내 우주에서 가장 수수께끼로 둘러싸인 영역 근처에서 무슨 일이 일어나고 있는지 더 자세히 알 수 있을 것"이라고 전망했습니다.

일반적으로 무로부터 유를 생성하는 것은 불가능한데, 예를 들어 질량을 갖지 않는 입자인 광자가 질량을 갖는 다른 입자로 변화할 수 없습니다. 그러나 우주가 탄생한 초기의 매우 극단적인 세계에서는 중력의 파동으로부터 빛이 발생했을 가능성이 있다는 연구결과가 보고되었습니다.

Graviton to photon conversion via parametric resonance - ScienceDirect
https://doi.org/10.1016/j.dark.2023.101202

Gravity can transform into light, mind-bending physics paper suggests | Live Science
https://www.livescience.com/physics-mathematics/particle-physics/astronomers-found-a-way-for-gravity-to-create-light-new-study-suggests

지금까지 알려진 중력의 성격과 운동의 대부분은 알베르트 아인슈타인이 세운 일반상대성이론을 통해 이해되고 있습니다. 그 중에는 중력이 발생하는 시공의 왜곡이 입자의 운동에 영향을 미치는 경우에도 중력 자체가 입자를 생성하는 것은 일반적으로 상정되지 않습니다. 그러나 중력은 중력자라는 눈에 보이지 않는 입자에 의해 전달되고 있다고 생각되고 있으며 이 중력자가 다른 소립자처럼 행동하거나 다른 입자로 변화하는 경우도 있다는 견해도 있습니다.

2023년 3월 28일 프리프린트 서버인 arXiv에 공개한 논문을 살펴보면 연구자들은 중력 그 자체가 다른 입자로 변화하는지를 검증하기 위해 우주탄생 직전인 극초기 우주에 주목했습니다. 이 시기의 우주는 아직 작고 고온이며 밀도도 매우 높기 때문에 모든 물질과 에너지가 엄청난 규모로 응축되고 있으며 그 상태는 최신 기술로 건조된 입자충돌형 가속기에서도 재현할 수 없을 정도로 추정됩니다.

이러한 우주에서는 중력파가 지금보다 더 중요한 역할을 하고 있었다고 봅니다. 현재의 우주에서 중력은 자연계를 지배하는 4가지 기본적인 힘 중에서 가장 약하기 때문에 행성이나 항성과 같은 큰 질량에서 발생하는 것이 아니라면 눈에 보이는 작용을 미치지 않습니다.

그러나 초기의 극단적인 상태의 우주에서는 중력파는 더욱 강하고 다른 모든 존재에 중대한 영향을 주고 있었을 가능성이 있다고 합니다. 이 초기 우주에서는 중력의 파동이 서로 부딪쳐 증폭되어 가며 이윽고 우주의 모든 존재가 파동에 이끌려 공명효과를 일으킵니다. 그리고 중력파가 펌프와 같은 역할을 하고 물질을 긴밀한 덩어리로 반복적으로 압축해 갔습니다.

중력파는 현대에서는 블랙홀의 충돌 등으로 관측되지만 중력파에는 시공의 파문으로서의 성질이 있기 때문에 그 영향은 거대한 질량끼리의 충돌이라는 상호작용에 한정되지 않고 전자기장에도 영향을 줄 수 있습니다. 이 이해를 바탕으로 연구자들은 중력파의 공명에 의한 압축이 방사선을 극단적인 고에너지 상태로 만들어 광자가 자연발생했을 것이라는 중력이 빛을 낳는 메커니즘을 떠올렸습니다.

계산에 의하면 이 프로세스는 매우 비효율적이기 때문에 급속하게 팽창하는 초기의 우주에서는 오래 지속되지 않는다고 합니다. 그러나 초기 우주에 충분한 물질이 있었다면 마치 공기 중이나 수중을 진행하는 빛이 진공보다 느려지는 것처럼 중력파가 길게 체류할 수 있게 되어 광자를 대량으로 발생시킬 가능성도 있습니다.

초기 우주에 관한 연구는 걸음마 단계이지만 이번 연구로 중력이 빛을 낳을 가능성이라는 새로운 지견이 나타났습니다. 이 작용에 의해 만들어진 방대한 빛은 물질의 형성과 우주의 진화에도 영향을 미친다고 생각되기 때문에 초기 우주에 대한 이해에 새로운 혁명이 일어날 수 있을 것으로 기대됩니다.

일론 머스크 씨가 이끄는 항공우주 기업인 SpaceX가 현지 시간인 2023년 4월 20일 9시 33분에 우주선 '스타쉽'을 탑재한 세계 최대의 로켓 '슈퍼 헤비'의 발사테스트를 실시했습니다. 발사된 스타쉽은 부스터의 분리에 실패해 상공에서 지령파괴되었지만 이륙에 성공했다며 SpaceX는 실험성공을 선언했습니다. 기체가 폭발했을 때에는 관광객으로부터 환성과 박수를 쳤고 미디어들도 부분적인 성공이라고 보도했습니다.

SpaceX's 1st Starship launches on epic test flight, explodes high in sky | Space
https://www.space.com/spacex-starship-first-space-launch

SpaceX's Starship rocket lifts off for inaugural test flight, but explodes midair | CNN
https://edition.cnn.com/2023/04/20/world/spacex-starship-launch-thursday-scn/index.html

SpaceX가 20일 비행시험을 실시한 '스타쉽'은 화성진출을 목적으로 한 유인 우주비행을 위해 개발된 우주선으로 1단 부스터 부분인 '슈퍼 헤비'는 33기 엔진을 갖춘 역사상 가장 큰 로켓입니다. 당초 17일 발사를 예정했지만 기체 문제로 연기되었습니다.

20일에 실시된 발사의 모습은 아래 동영상의 44분 58초 근처에서 볼 수 있습니다.

Starship Flight Test - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=-1wcilQ58hI

텍사스주 위치한 SpaceX의 발사장 'Starbase'에서 발사 최종 준비가 진행된 스타쉽은 큰 불꽃과 연기를 내품으며 이륙했습니다.

로켓은 원만이 상승하다 몇 개의 엔진이 멈추고 기체가 불안정해지기 시작했고 이륙으로부터 약 4분 후 상공 39km에 이른 시점에서 로켓은 지상으로부터의 신호에 의해 폭파했습니다.

이번 시험 비행에 대해 SpaceX는 공식사이트에서 “스타쉽은 발사대와 해안에서 날아가 멕시코만 상공 약 39km까지 상승했지만 복수의 엔진이 멈추고 옆으로 기운 후 낙하를 시작했기 때문에 부스터와 우주선에 비행종료 시스템의 명령이 내려졌다”고 설명했습니다.

연방항공국(FAA)은 "상승 중 스테이지 분리 전에 이상이 발생하여 기체가 손실되었고 부상자나 공공물의 피해는 보고되지 않았다"고 발표했습니다.

여러 해외 미디어도 SpaceX의 시험은 대개 성공이었다고 보도했습니다. The Washington Post는 'SpaceX의 스타쉽 폭발이 소소한 성공인 이유'라는 제목의 기사에서 "세계에서 가장 강력한 로켓으로 여겨지는 스타쉽의 규모를 생각하면 발사 성공은 그 자체가 위업”이라고 찬양했습니다.

뉴욕타임즈는 "계획에 따르면 스타쉽은 약 150 마일(약 241km)의 고도에 도달하고 약 90분 후에 하와이 해안 태평양에 착수할 예정이었다"고 지적한 뒤 “대규모 수리가 필요한 '발사대에서의 폭발'이라는 최악의 결과를 회피했다”고 보았습니다. 또한 SpaceX의 "빨리 실패하고 빨리 배워라"는 모토를 소개하며 이번 발사가 스타쉽 프로젝트에 많은 지견과 교훈이 가져왔다고 평가했습니다.

일론 머스크 씨에 따르면 다음 발사시험은 몇 개월 후가 될 예정입니다.

2019년에 사상 처음으로 블랙홀이 촬영되었습니다. 이 때의 이미지는 꽤 흐릿한 것이었지만 PRIMO(주성분 간섭 모델링)라는 새로운 기계학습 기술로 현실의 모습에 가까운 충실한 이미지의 재구축이 이루어졌다고 발표되었습니다.

1st-ever black hole image gets a sharp new AI makeover | Space
https://www.space.com/first-ever-black-hole-image-ai-makeover

The Image of the M87 Black Hole Reconstructed with PRIMO - IOPscience
http://dx.doi.org/10.3847/2041-8213/acc32d

Iconic image of M87 black hole just got a machine-learning makeover | Ars Technica
https://arstechnica.com/science/2023/04/iconic-image-of-m87-black-hole-just-got-a-machine-learning-makeover/

2019년 4월, 지구 규모로 가상적으로 초거대 망원경을 구성하는 프로젝트 '이벤트 호라이즌 텔레스코프(EHT)'가 블랙홀의 촬영에 사상 처음으로 성공했습니다. 블랙홀의 모습은 CG 합성이나 시뮬레이션 결과가 아닌 실제 관측결과로 얻은 것이어서 높은 가치가 있었습니다.

프린스턴 고등연구소 Lia Medeiros 씨는 공개된 M87 은하의 블랙홀 이미지를 만드는 데 사용된 2017년에 수집된 원본 데이터에 대해 PRIMO라는 기계학습 기술을 사용하여 이미지의 누락된 부분을 채웠습니다.

PRIMO는 컴퓨터가 대량의 트레이닝 자료에 근거해 룰을 생성할 수 있도록 하는 사전학습으로, 블랙홀에 사용하기 위해 블랙홀이 어떻게 가스를 흡입하는지를 보여주는 시뮬레이션 영상을 3만 패턴 학습했습니다.

이 시도에 대해 Medeiros 씨는 "물리학을 사용하고 기계학습을 사용하여 이전에 수행되지 않은 방식으로 누락된 데이터의 영역을 채우는 이 기술은 계외행성이나 의학 등 넓은 분야에서 역할을 하는 간섭법에 중요한 진보를 가져올 가능성이 있다"고 보았습니다.

PRIMO를 이용하여 이미지를 고해상도화함으로써 질량이나 크기, 물질을 삼키는 속도 등 대질량 블랙홀의 특성을 보다 정확하게 추정할 수 있습니다.

Medeiros 씨는 “2019년의 이미지는 시작에 불과했고 해당 이미지의 근원에 있는 데이터에는 더 많은 이야기가 있습니다. PRIMO는 그 통찰력을 끌어내는 데 중요한 도구가 될 것"이라고 전망했습니다.

양자물리학의 법칙에 따르면 물질의 상태가 변화해도 그 '정보'가 손실되지 않고 변화 후 형태에 저장된 정보로부터 과거의 상태를 알 수 있습니다. 그러나 거대한 천체가 붕괴되어 형성되는 블랙홀은 원래의 정보가 없어져 버리는 '블랙홀 정보 패러독스'가 생깁니다. 이 패러독스에 대해 영국의 서섹스 대학의 물리학 교수인 자비에르 카르멧 씨가 블랙홀 정보 패러독스를 해결하는 방법을 발견했다고 보고되었습니다.

Quantum gravitational corrections to particle creation by black holes - ScienceDirect
https://doi.org/10.1016/j.physletb.2023.137820

‘Quantum hair’ could resolve Hawking’s black hole paradox, say scientists | Black holes | The Guardian
https://www.theguardian.com/science/2022/mar/17/quantum-hair-could-resolve-stephen-hawking-black-hole-paradox-say-scientists

블랙홀은 탈출할 수 없는 초고밀도 대질량의 천체가 질량, 전하, 각운동량이라는 3가지의 물리량만으로 특징지을 수 있습니다. 이를 블랙홀 털 없음 정리(no-hair theorem)라고 합니다.

블랙홀은 통상의 천체와는 다른 존재이지만 양자물리학적으로 생각하면 정보는 불멸이기 때문에 블랙홀이 되어도 정보가 손실되지 않을 것입니다. 그러나 블랙홀에 흡입되면 물리적 정보가 손실되기 때문에 영국의 이론물리학자 스티븐 호킹 씨는 블랙홀에서 정보를 보존하지 않는 열적방사(호킹방사) 가 있을 것이라며 이 방사로 정보가 우주에서 상실되는 현상을 '블랙홀 정보 패러독스'라고 명명했습니다.

블랙홀 정보 패러독스는 많은 과학자의 연구로 그 해결책에 대해 다양한 가설이 검토되어 왔습니다. 카르멧 씨는 "블랙홀 정보 패러독스는 양자물리학에서 인정되지 않았습니다. 양자 물리학은 블랙홀의 '평생'을 되감을 수 있다고 가정합니다. 그리고 최종적으로 별을 다시 만들 수 있다고 본다”고 설명했습니다.

카르멧 씨는 동료 스티브 수와 함께 2021년부터 블랙홀 정보 패러독스 연구에 임해 왔습니다. 그리고 2023년 3월 호킹 씨가 검토하지 않은 '양자중력 이론'의 영향을 고려한 연구결과를 발표했습니다.

연구팀은 물질이 블랙홀에 의해 붕괴될 때 그 중력장에 희미한 흔적을 남길 것으로 생각합니다. 이 흔적은 블랙홀 털 없음 정리를 고려해 'quantum hair'라고 불리고 있으며 블랙홀의 붕괴할 때에 정보가 보존되는 메카니즘이 된다는 것. 이번에 발표된 이론에 의하면 다른 2개의 블랙홀은 비록 질량과 반경이 같더라도 그 중력장에 매우 미묘한 차이가 있다는 것.

카르멧 씨는 “양자중력에 의한 보정은 극히 적지만 블랙홀의 방사를 고려하는 데는 중요합니다. 우리는 양자중력의 효과가 호킹방사를 바꾸고 방사선이 비열적이게 된다는 점을 제시하는 데 성공했습니다. 즉, 양자중력을 고려하면 호킹방사는 정보를 포함할 수 있습니다"라고 설명했습니다.

현시점에서는 호킹방사를 측정하기에 충분한 장비가 없기 때문에 천체관측을 통해 카르멧 씨의 이론을 테스트하는 확실한 방법은 없습니다. 카르멧 씨는 이 이론을 발전시키는 한 가지 방법으로 지구 상의 연구소에서 블랙홀의 시뮬레이션을 연구하는 것을 제안했습니다.

또한 영국 임페리얼 칼리지 런던의 이론물리학자인 토비 와이즈먼 씨는 카르멧 씨의 논문을 "좋은 결과물"이라고 평가하면서도 블랙홀에 의해 상실되는 정보 전체를 설명하는 것은 아니라며 "그들이 보여주지 않은 것이 역설의 핵심으로 이 역설을 해결하기 위해서는 양자역학과 중력이 어떻게 연결되는지 완전히 이해할 필요가 있다"고 보았습니다.

혜성으로서 관측 사상 처음으로 태양계 밖에서 날아온 보리소프 혜성(2I/Borisov)은 2019년 12월 태양에 접근했는데 이 혜성이 항성에 접근한 것은 이번이 처음일 가능성이 있다.

지금까지 발견된 혜성은 단 하나의 예외를 제외하고 모두 태양계의 외연부에서 탄생한 것으로 생각되고 있다. 혜성이 태양에 접근하여 얼음이 증발하면 탄생 이래 계속해서 혜성에 갇혀 있던 가스나 먼지가 방출되어 꼬리로 관측된다. 그런 의미에서 혜성은 태양계가 태어났을 때의 정보를 가져오는 원시적 천체라고 볼 수 있다.

그런 혜성도 반복해서 태양에 접근하면 태양으로부터의 방사나 태양풍에 노출되어 성분이 변화해 가기 때문에 원시적 상태가 없어져 간다. 지금까지 발견된 혜성 중에서 가장 원시적이었다고 볼 수 있는 것은 1997년에 태양에 접근한 대혜성 헤일-밥 혜성(C/1995 O1)으로 1997년 이전에는 한 번만 태양에 접근했다고 생각된다.

2019년 8월에 발견되어 같은 해 12월에 태양에 접근한 보리소프 혜성(2I/Borisov)은 태양계 밖에서 날아온 것으로 밝혀진 최초의 혜성이다. 그리고 이번에 아일랜드 아머천문대의 Stefano Bagnulo 씨의 연구팀이 밝힌 바에 따르면 보리소프 혜성은 그 이전에 다른 항성에 접근한 적이 없는 진정한 의미의 원시적인 혜성으로 추정된다.

Bagnulo 씨는 유럽 남천천문대(ESO)의 초대형 망원경 VLT를 이용하여 보리소프 혜성의 스펙트럼과 편광을 상세히 조사하였다. 그 결과 보리소프 혜성의 편광특성은 헤일-밥 혜성 이외의 어느 혜성과도 다른 것을 알 수 있었다. 보리소프 혜성이 헤일-밥 혜성처럼 원시적 혜성임을 나타내는 결과이다.

혜성의 스펙트럼도 함께 분석하면 보리소프 혜성은 헤일-밥 혜성보다 더 원시적이며 태양계에 날아오기 전에 단 한 번도 항성에 접근한 적이 없을 가능성이 높다고 한다. 보리소프 혜성은 탄생했을 때의 정보를 전혀 손대지 않은 채 태양계로 날아온 것이다.

“2개의 혜성이 매우 닮아 있다는 것은 보리소프 혜성이 태어난 환경과 태양계 초기의 환경이 조성이라는 점에서 그다지 크게 다르지 않다는 것을 시사하고 있다”고 토리노 천문대의 Alberto Cellino 씨는 보았다.

ESO의 Bin Yang 씨 연구팀이 알마망원경과 VLT의 관측데이터를 이용하여 보리소프 혜성에서 방출된 먼지입자를 조사한 결과에서 크기 1mm를 넘는 작은 자갈 정도의 덩어리가 발견되었다. 또한 혜성이 태양에 접근함에 따라 관측되는 일산화탄소와 물의 비율이 극적으로 변화하고 있음을 알 수 있었다. 연구팀에 따르면 이것은 보리소프 혜성이 행성계의 다른 장소에서 유래하는 물질로 구성되어 있는 증거라고 한다. 즉, 보리소프 혜성은 탄생 직후 중심의 별에서 가까운 곳과 먼 곳 사이에서 이동하고 있었다.

Yang 씨 연구팀은 보리소프 혜성의 고향에서는 행성계의 물질이 거대한 행성의 중력으로 흐트러진 것으로 추정했다. 유사한 공정은 태양계 형성 초기에도 일어났을 가능성이 지적되었다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 最初の恒星間彗星は最も始原的な彗星
https://www.astroarts.co.jp/article/hl/a/11933_borisov

관측기술의 진보로 태양계 밖에도 지구와 같은 행성이 많이 존재하는 것을 알게 되었으며 지구외 생명체 발견에 대한 기대가 높아지고 있습니다. 그러나 다른 별에 흔히 있는 지구형 행성을 태양계에 배치한 컴퓨터 시뮬레이션에서 태양계는 천문학자의 생각 이상으로 절묘한 밸런스 위에 성립되고 있다는 사실을 알 수 있었습니다.

The Dynamical Consequences of a Super-Earth in the Solar System - IOPscience
https://doi.org/10.3847/PSJ/acbb6b

The planet that could end life on Earth: Experiment demonstrates solar system's fragility
https://phys.org/news/2023-03-planet-life-earth-solar-fragility.html

캘리포니아 대학 리버사이드교의 천체물리학자인 스티븐 케인(Steven Kaine) 씨는 독립된 오픈 액세스 저널 Planetary Science Journal에서 가상의 행성을 태양계에 배치한 시뮬레이션 결과에 관한 논문을 발표했습니다.

케인 씨가 이 연구를 시작한 것은 태양계에 있는 두 개의 '갭'을 조사하는 것이 목적이었습니다. 문제의 갭의 첫 번째는 태양계에 있는 '지구형 행성'과 '가스 행성'의 크기의 갭입니다. 태양계 최대 크기의 암석행성은 지구이며 태양계 최소 크기의 가스행성은 해왕성인데 해왕성은 지구의 4배 크기와 17배 질량을 가지고 있습니다.

태양계의 행성을 실제 크기비로 나타낸 이미지를 살펴보면 지구나 화성 등의 암석행성과 목성 등 가스행성의 크기 차이를 한눈에 알 수 있습니다.

케인 씨에 따르면 태양계는 다른 별에 비해 지구형 행성과 가스행성의 크기에 너무 갭이 있다고 합니다. 다른 별에는 이 갭을 메우는 질량을 가진 행성이 많이 있으며 천문학자들은 지구보다 큰 질량을 가진 이 암석행성을 슈퍼어스라고 부른다고 합니다.

그리고 두 번째 갭은 화성과 목성 사이의 간격입니다. 태양계의 행성을 실제 거리의 비율에 따라 배치한 이미지를 살펴보면 화성을 포함한 내행성계(Inner planets)부터 바깥쪽은 행성과 행성의 거리가 크게 멀어져 있습니다. 케인 씨에 의하면 천문학자는 자주 이 화성과 목성 사이에 다른 행성이 있으면 좋을 것으로 생각한다는 것.

이러한 태양계의 특징적인 격차를 메우면 어떻게 될지 확인하기 위해 케인 씨는 다양한 크기의 행성을 화성과 목성 사이에 배치하고 그것이 지구와 같은 행성의 궤도에 어떤 영향을 미치는지 분석했습니다.

그 결과 화성과 목성 사이에 슈퍼어스가 있으면 지구가 궤도를 벗어나 태양계에서 벗어난다는 사실을 알 수 있었습니다. 지구뿐만 아니라 수성과 금성과 같은 내행성계의 행성도 튕겨져 나올 가능성이 있었고 천왕성과 해왕성의 궤도도 불안정해졌습니다.

이러한 치명적인 사태를 초래하는 직접적인 원인은 슈퍼어스가 목성의 궤도를 어긋나게 하기 때문으로 목성은 지구의 318배의 질량을 가진 거대 가스행성이므로 약간의 궤도가 바뀌어도 다른 행성에 심각한 영향을 미칩니다.

이 연구결과는 태양계외 행성에 생명이 존재할 수 있는지를 생각하는데 있어서도 중요합니다. 항성에서 멀리 떨어진 가스행성인 '목성형 행성'이 다른 별에서 발견될 가능성은 겨우 10% 정도인데 이 목성형 행성이 있는지에 따라 지구형 행성이 안정된 환경을 얻을 수 있는지가 크게 좌우되기 때문입니다. 이런 식으로 지구형 행성의 궤도를 안정시키는 데 도움이 되는 목성형 행성을 'Good Jupiter'라고 부릅니다.

이번 시뮬레이션 실험에 대해 케인 씨는 “태양계는 내가 이전부터 생각했던 것 이상으로 미묘하게 조정되고 있다는 것을 알게 되었고 태양계의 행성은 마치 시계의 기어처럼 정교하게 맞물려 있어 불필요한 기어가 늘어나면 모든 것이 망가져 버린다"고 보았습니다.

가나자와대학과 암스테르담대학은 우주의 암흑물질에서 발생할 수 있는 다양한 종류의 우주선을 시뮬레이션하여 현재의 우주선 관측데이터가 가지는 암흑물질의 수명측정 감도를 밝혔다.

우주에는 별이나 은하 등을 구성하는 통상의 물질 외에 암흑물질이라는 물질이 존재하는 것이 우주관측에서 밝혀졌다. 일반적인 물질의 정체는 기본입자 표준이론에 의해 밝혀졌지만 암흑물질의 정체는 알려지지 않았다.

연구그룹은 지구에 끊임없이 쏟아지는 우주선을 관측함으로써 암흑물질의 정체를 탐구하고 있다. 지구에 쏟아지는 우주선은 양성자, 빛(감마선, X선, 자외선, 가시광, 적외선, 전파), 전자 외에 반양성자와 양전자 등의 반물질, 중성미자, 반중성미자를 들 수 있다.

반물질이나 중성미자의 관측이 가능해져 최근의 우주선 관측에 큰 진전이 되었을 뿐만 아니라 양성자나 빛의 관측에 대해서도 매우 넓은 에너지영역에서의 관측감도가 향상되고 있다. 이러한 진전에 의해 넓은 에너지영역에 있어서 다양한 우주선 입자의 관측데이터가 축적되었고 이를 이용한 우주의 수수께끼를 풀어내려는 '멀티 메신저 천문학'이 주목을 받고 있다.

본 연구에서는 멀티 메신저 천문학을 암흑물질 탐색에 응용하는 연구를 실시했다. 그 결과 우주선 중에서도 감마선과 중성미자의 관측이 암흑물질의 수명을 탐구하기 위해 가장 좋은 감도를 가진다는 사실을 발견했다.

멀티 메신저 천문학을 활용한 암흑물질 탐색은 소립자물리학 분야와 우주물리학 분야라는 2개의 학문영역을 넘는 연구로 양측의 지견을 결집함으로써 암흑물질의 정체를 해명하기 위해 앞으로 더욱 발전할 것으로 기대된다고 한다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 金沢大ら，暗黒物質の寿命測定感度を明らかに
https://optronics-media.com/news/20200618/65220/

탐사기 하야부사 2가 소행성 류구에서 가져온 시료에 왼손형의 아미노산과 오른손형의 아미노산이 거의 동수 포함되어 있었다고 규슈대와 우주항공연구개발기구(JAXA) 등의 연구팀이 23일자 미 과학잡지 과학전자판에 발표했다.

지구의 생명의 기원은 류구와 같은 소천체가 우주에서 옮긴다는 '우주기원설'이 있다. 만약 류구의 시료에 왼손형 아미노산이 많으면 우주기원설의 근거가 되었을 가능성이 있었다. 팀은 "이번 성과에서는 결론은 말할 수 없지만 우주기원설을 부정하는 것은 아니다"고 밝혔다.

유기물에는 같은 화학식이지만 거울에 비친 것처럼 구조가 반전하고 있는 것이 있다. 그것을 좌우의 손에 비유하여 왼손형, 오른손형이라고 부른다. 수백 종류의 아미노산의 일부도 이 특성을 가지고 있다.

일반적으로 아미노산을 합성하면 왼손형과 오른손형이 같은 수 형성되지만 지구의 생물은 대부분이 왼손형의 아미노산만을 사용하고 있어 생명탄생의 큰 수수께끼로 여겨진다.

연구팀은 류구의 시료에서 추출한 아미노산 중 왼손형, 오른손형을 판별할 수 있는 것을 조사했다. 대부분은 생물이 사용하지 않는 아미노산이었지만 알라닌 등 생물이 사용하는 아미노산도 있었고 모두 좌우의 수는 거의 같았다.

연구팀의 나라오카 히로시 규슈대 교수는 “'왜 지구의 생명이 왼손형만을 사용하는가'라는 수수께끼는 풀리지 않았지만 앞으로 다양한 천체의 시료에서도 아미노산을 찾을 필요가 있다”고 말했다.

또 히로시마대 등의 연구팀은 류구 시료의 유기물 대부분이 흑색 고체였다는 연구성과도 같은 날의 사이언스 전자판에 발표했다. 검은 천체로 여겨지는 류구의 흑색 요인에 해당하는 것으로 모천체에서 물과 유기물, 광물이 화학반응한 흔적도 발견했다.

하야부사2의 시료를 조사하고 있는 총 6개 팀의 연구성과는 이번에 모였고 JAXA는 가까이 시일 내 성과를 정리할 예정이다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 小惑星リュウグウのアミノ酸は左右同数　生命誕生「宇宙起源」言えず
https://mainichi.jp/articles/20230223/k00/00m/040/088000c

2020년 12월에 지구에 귀환한 JAXA(우주항공연구개발기구)의 탐사기 '하야부사 2'가 가져온 소행성 '류구'의 모래로부터 아미노산이 20종류 이상 발견되었다고 합니다.

아미노산은 우리 몸의 약 20%를 차지하는 단백질을 만듭니다. 생명의 근원인 아미노산이 지구뿐만 아니라 우주에도 존재하고 있음이 증명되었습니다.

아미노산은 우리 몸에 많이 포함되어 있으며 생명을 유지하는 데 필요한 성분입니다. 아미노산이 원시 지구상에 존재하고 있었던 것이 '생명의 기원'의 하나라고 생각되고 있습니다. 아미노산은 우리의 생명 자체를 만들어내는 중요한 물질입니다.

생명의 탄생에 대해서도 지구외 기원설, 원시 대기 기원설, 원시 해양 기원설 등 몇 가지 가설이 있지만 '생명의 근원은 아미노산'이라는 점은 공통입니다.

지금까지 '머치슨 운석'을 비롯해 우주에서 날아온 운석에 아미노산이 존재하는 것으로 밝혀졌습니다. 아미노산은 우주에도 존재한다고 생각되었지만 운석이 지구에 낙하했을 때 지구의 아미노산이 혼입된 것이 아니냐는 의혹도 남아있었습니다.

머치슨 운석이란 1969년 호주 머치슨에 낙하한 운석에서 미량의 글리신, 알라닌, 글루타민산, 베타알라닌이 확인되어 지구 이외의 우주에도 생명체가 존재한 흔적이라고 생각되었습니다. 또 5억 년 전의 삼엽충의 화석에서는 알라닌 등의 아미노산이 검출되는 등 현재도 화석이나 운석의 아미노산으로부터 생명 기원의 수수께끼를 푸는 연구가 계속되고 있습니다.

이번에는 하야부사 2로 소행성에서 직접 채취된 모래를, 지구의 아미노산이 혼입하지 않는 엄중한 조건으로 운반해 분석된 샘플에서 아미노산이 발견되었습니다. 이로 의해 소행성에 아미노산이 존재하고 있다는 것이 처음으로 증명된 것입니다.

우주에서 합성된 아미노산이 지구에 들어왔는지, 비슷한 반응이 지구에서 일어나 아미노산이 합성되었는지는 향후 아미노산의 기원에 대한 연구의 진전이 기대됩니다.

아미노산은 생명의 탄생이나 유지에 필수인 성분이지만, 아미노산만으로는 생명이 탄생지 않기 때문에 이번 발견으로 우주인이 존재할지 어떨지는 모릅니다
생명의 탄생에는 아미노산이 연결되어 생기는 단백질이나 DNA, RNA 등이 필요합니다. 인간을 비롯하여 지구상 생물의 기원에 대해서도 단백질, DNA, RNA 중 어느 것이 먼저 생겨나 진화해 갔는지에 대해서는 여러 가설이 있다고 합니다.

향후 연구의 진전으로 우주에도 단백질, DNA, RNA가 존재하는지, 지구와 같이 생명체가 존재하는지, 그리고 그 생명체가 아미노산을 이용하고 있는지 등 다양한 수수께끼가 풀려나갈 것으로 기대되고 있습니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 宇宙でアミノ酸発見！ってこれどういうこと？研究者にきいてみた
https://story.ajinomoto.co.jp/rd/008.html

우주공간에 존재한다고 여겨지는 암흑에너지는 별이나 은하의 관측에서 존재가 추측되고 있었지만 그것이 무엇이며 어디에서 오는지는 모릅니다. 새로운 연구를 통해 우주 대부분을 구성하는 수수께끼의 에너지는 블랙홀이 설명해 줄 가능성이 있는 것으로 나타났습니다.

A Preferential Growth Channel for Supermassive Black Holes in Elliptical Galaxies at z ≲ 2 - IOPscience
https://doi.org/10.3847/1538-4357/acac2e

Observational Evidence for Cosmological Coupling of Black Holes and its Implications for an Astrophysical Source of Dark Energy - IOPscience
https://doi.org/10.3847/2041-8213/acb704

Scientists find first observational evidence linking black holes to dark energy | University of Michigan News
https://news.umich.edu/scientists-find-first-observational-evidence-linking-black-holes-to-dark-energy/

인간의 친밀한 세계를 구성하는 물질은 우주에 존재하는 모든 것의 불과 5%에 불과합니다. 나머지 약 27%는 암흑물질이고 나머지 68%는 암흑에너지라고 추정되고 있습니다.

미시간 대학의 물리학 교수인 그레고리 탈레 씨 연구팀이 중심으로 진행한 연구에서는 블랙홀의 성장이 우주의 팽창과 관련되어 있으며 블랙홀에 암흑에너지의 일종인 '진공에너지'가 포함될 수 있다고 보았습니다.

해외 미디어 The Conversation에 따르면 이 생각은 특별히 새로운 것이 아니고 1960년대부터 적극적으로 논의되고 있었다고 합니다. 그러나 이번 연구에서는 우주가 팽창함에 따라 진공에너지가 시간경과에 따라 증가한다고 가정하고 암흑에너지가 이것에 얼마나 기인하고 있는지를 계산했기 때문에 블랙홀과 암흑에너지를 관련시키는 첫 조사결과가 보고된 것으로 주목받고 있습니다.

탈레 씨는 은하의 중심에 있는 초거대 블랙홀에 주목해 관측결과를 과거와 비교했습니다. 블랙홀의 질량이 과거 90억 년에 걸쳐 계속 변화하고 있다는 점은 선행 연구에서 밝혀졌지만 탈레 씨 연구팀이 변화의 과정을 조사한 결과에서 현재의 블랙홀은 90억 년 전에 비해 7~20배로 질량을 늘리고 있던 것으로 판명났습니다.

그러나 비교대상이 된 블랙홀은 주변 물질을 흡수한 후였기 때문에 통상의 프로세스에서는 질량의 증가를 설명할 수 없습니다. 그래서 탈레 씨는 이러한 블랙홀에 진공에너지가 포함되어 있으며 우주의 팽창과 '결합'하고 있기 때문에 우주가 팽창함에 따라 질량도 증가했을 것이라는 가설을 제창했습니다.

탈레 씨는 “만약 결합이 확인된다면 블랙홀은 결코 우리 우주에서 완전히 분리되지 않고 먼 미래까지 우주의 진화에 큰 영향을 미치는 것을 의미한다”고 설명했습니다.

NASA를 중심으로 운용되는 적외선 관측용 우주망원경인 제임스웹 우주망원경이 지금까지 관측된 가운데 가장 차가운 온도의 얼음을 관측한 사실이 Nature Astronomy에서 발표되었습니다. 그 얼음에는 생명의 구성요소로 이어지는 물질도 확인되었으며 인류가 거주 가능한 행성에 대한 이해가 깊어질 것으로 기대되고 있습니다.

Webb Unveils Dark Side of Pre-stellar Ice Chemistry | NASA
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2023/webb-unveils-dark-side-of-pre-stellar-ice-chemistry

The James Webb Telescope detected the coldest ice in the known universe – and it contains the building blocks of life | Live Science
https://www.livescience.com/coldest-cloud-webb-telescope

James Webb Space Telescope discovers coldest interstellar ice ever seen | Space
https://www.space.com/james-webb-space-telescope-coldest-ice

허블 우주망원경의 후계기로 개발된 제임스웹 우주망원경은 2021년 12월에 발사되어 2022년 7월부터 메인 센서를 이용한 관측이 시작되었습니다. 구세대와 비교해 압도적으로 고정밀도의 우주 사진을 촬영할 수 있었고 먼 은하를 선명하게 촬영하는 등 다양한 활약을 선보였고 2023년 1월에는 지금까지 알려지지 않았던 태양계 외행성 'LHS 475 b'를 관측했습니다.

그리고 2023년 1월 23일 천문학, 우주물리학, 행성과학 분야에서 최첨단 연구논문을 게재하는 Nature Astronomy에 발표된 내용에 따르면 제임스웹 우주망원경은 새롭게 지금까지 관측 역사상 가장 차가운 얼음을 성간 분자 구름의 최심부에서 발견했습니다. 얼음의 온도는 화씨 마이너스 440도(섭씨 마이너스 263도)로 절대영도가 되는 화씨 마이너스 459.67도(섭씨 마이너스 273.15도)에 꽤 가까운 값입니다. 연구팀은 이 얼음의 연구 프로그램을 'Ice Age'라고 명명하고 초기 결과를 논문으로 소개했습니다.

과학자팀은 제임스웹 우주망원경의 적외선 카메라를 이용하여 지구에서 약 500광년 떨어진 '카멜레온 I'라는 분자구름을 조사했습니다. 분자구름은 얼어붙은 분자나 가스, 먼지로 구성되어 별이나 행성이 탄생하는 장소가 된다고 생각되고 있습니다. 제임스웹 우주망원경이 검출한 이 분자구름 중에는 황화카르보닐 , 암모니아, 메탄, 메탄올 등의 분자가 동결되어 있는 것이 확인되었습니다. 연구자에 따르면 이들 분자는 언젠가 성장하여 별의 고온핵의 일부가 되고 이후에는 태양계 외행성의 일부가 될 가능성이 있다고 합니다. 또 거주 가능한 행성을 생각할 때 얼음은 탄소나 수소, 산소 등의 중요한 요소의 공급원이 되는 불가결한 존재이기 때문에 이번 발견이 중요한 의미를 가진다고 NASA는 성명에서 밝혔습니다.

네덜란드의 라이덴천문대에 근무하는 천문학자인 메리사 맥루어 씨는 이번 발견에 관한 NASA의 발표에 대해 “우리의 관측성과는 행성을 형성하는 몇 센티미터 크기의 자갈로 성장하는 성간먼지의 얼음에 대한 형성 초기단계에 대한 통찰력을 제공합니다. 따라서 생명의 구성요소를 만드는 데 필요한 분자의 형성경로에 대해 새로운 지식을 얻을 수 있는 발견이라고 말할 수 있다"고 평가했습니다.

또한 연구의 공동저자인 라이덴천문대의 천문학자 윌 로샤 씨는 "카멜레온 I의 분자를 확인하기 위해 분자구름의 다른 쪽에 있는 별의 빛이 분자구름에 있는 먼지 그리고 분자에 어떤 형태로 흡수되는지 패턴을 분석했습니다. 여기서 메탄올이나 에탄올과 같은 복잡한 유기분자를 발견했다는 것은 이러한 특정한 분자구름으로부터 발달하는 많은 별과 행성계가 상당히 복잡화가 진행된 화학물질을 계승해 나가는 것을 시사하고 있다”고 설명했습니다.

아래 이미지는 분자구름의 얼음이 특정 파장을 흡수하여 분석할 수 있는 제임스웹 우주망원경의 스펙트럼 데이터를 그래프로 나타낸 것입니다.

이 관측방법에 대해 연구에 종사한 메릴랜드주 볼티모어에 있는 우주망원경과학연구소 클라우스 폰트피단 씨는 “얼음은 뒤쪽에 있는 별빛에 대한 움푹 들어간 형상으로 나타나는데 온도가 낮고 밀도가 높다. 이 지역에서는 별의 많은 빛이 차단되어 별의 빛을 감지하여 분자구름의 얼음을 확인할 수 있습니다. 이 특정에는 절묘한 감도가 필요하다"며 제임스웹 우주망원경의 관측성능을 높이 평가했습니다.

맥루어 씨에 따르면 이번 발견은 행성의 원시상태에서 얼음이 어떻게 진화해 나가는지를 볼 수 있는 첫 단계에 머물고 있는데 구체적으로 어떤 혼합물로 구성된 얼음이 행성까지 유지되는지, 즉 어떤 원소가 행성의 표면에 도달하는지 등의 향후 중요한 발견으로 이어질 것으로 기대되고 있다고 합니다.

지구 중심의 내핵이라고 불리는 부분은 96%가 고체인 철로 구성되어 있지만 표면의 온도가 태양의 표면 온도보다 높다고 알려져 있습니다. 왜 내핵은 태양보다 온도가 높은데 녹지 않고 고체를 유지하는 원리는 과학자들에게 오랫동안 수수께끼로 여겨져 왔지만 그 수수께끼에 마침표를 찍을지도 모르는 논문이 발표되었습니다.

Stabilization of body-centred cubic iron under inner-core conditions : Nature Geoscience : Nature Research
http://www.nature.com/ngeo/journal/vaop/ncurrent/full/ngeo2892.html

New theory explains how Earth’s inner core remains solid despite extreme heat | KTH
https://www.kth.se/en/aktuellt/nyheter/new-theory-explains-how-earth-s-inner-core-remains-solid-despite-extreme-heat-1.705398

지구의 가장 중심에 가까운 내핵은 철 등의 결정체로 달만큼의 크기입니다. 상상도 할 수 없을 정도로 큰 내핵의 원자 수준의 결정구조는 모든 금속과 마찬가지로 주위의 온도나 압력에 의해 형상이 변화합니다. 통상의 온도나 대기압 아래에서는 철은 입방체형의 단위 격자의 각 정점과 중심에 원자가 위치하는 '체심 입방 격자 구조(BCC)'를 가지고 있지만 극도로 높은 압력이 가해지면 정육각기둥의 천면과 저면의 각각, 육각기둥의 내부에 원자가 위치하는 '육방 최밀 충전 구조(HCP)'로 변화합니다.

지구의 내핵은 대략 지표면의 약 350만 배의 압력이 가해지고 온도는 6000도 이상으로 이 환경 하에서 내핵의 철의 원자구조가 BCC에서 HCP로 변화할 것으로 추정되었지만 2017년 2월에 공개된 스웨덴 왕립공과대학의 연구팀에 의한 논문에서는 내핵에 철의 원자구조가 BCC를 유지하고 있다는 사실이 발표되었습니다. 연구를 이끌었던 아나토리 베로노슈코 박사에 따르면 과거 연구에서 다루어진 철보다 큰 철의 계산모델을 조사한 결과에서 BCC 구조를 가진 철은 내핵 환경 하에서 과거에는 보이지 않았던 원자 확산 패턴을 나타냈다고 합니다.

조사에서는 스웨덴에서 가장 큰 슈퍼컴퓨터 중 하나인 Triolith에서 시뮬레이션을 실시했는데 그 결과 원자의 BCC는 저온에서 불안정해지고 고온에서 안정화되는 것을 알게 되었다고 합니다. 통상 원자는 확산하며 결정구조가 파괴되어 고체에서 액체로 모습을 바꿉니다. 그러나 지구의 내핵 환경 하에서 원자구조는 확산되지만 다른 원자가 있는 곳으로 이동하는 형태로 BCC의 구조를 유지할 수 있다고 합니다.

How Earth's inner core remains solid despite heat - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=lOABzo9II3c

극단적으로 높은 온도와 압력이 가해지면 원자가 확산되기 시작하여 불안정해집니다. 원자가 불안정해지면 결정 구조를 유지하지 않고 액체가 되어 버립니다.

그러나 내핵의 극한의 환경 하에서는 마치 트럼프를 뒤섞었을 때와 같이 원자구조가 불안정하게 되지만 다른 원자와 위치를 바꾸며 결정구조를 유지한다고 합니다. 이로 인해 지구의 내핵의 철은 고체로서 유지되고 있다는 것입니다.

지구는 상부의 지각과 맨틀 아래에 직경 약 7000km의 핵을 가지고 있는데 액체의 외핵이 지하 2900km~5100km, 고체의 내핵이 지하 5100km~6400km에 위치하고 있다고 생각되고 있습니다. 이 내핵은 지구의 다른 부분보다 빠른 속도로 독자적으로 회전하고 있다고 생각되고 있었는데 새롭게 발표된 논문에서는 지난 10년간 내핵의 불가사의한 회전이 정지되었다고 보고되었습니다.

Multidecadal variation of the Earth’s inner-core rotation | Nature Geoscience
https://doi.org/10.1038/s41561-022-01112-z

Has Earth’s inner core stopped its strange spin?
https://doi.org/10.1038/d41586-023-00167-1

Earth's Inner Core May Right Now Be in The Process of Changing Direction : ScienceAlert
https://www.sciencealert.com/earths-inner-core-may-right-now-be-in-the-process-of-changing-direction

덴마크의 지진학자인 잉게 레이먼 씨는 1936년 지구 내부에서의 지진파의 전파(전파)속도가 5100km 부근에서 급격하게 변화하고 있는 것을 발견해 지구의 핵이 외핵과 내핵의 2층으로 나뉘어져 있다는 사실을 발견했습니다. 지구의 가장 중심에 있는 내핵은 달만한 크기로 매우 높은 압력 하에서 96%가 고체인 철로 구성되어 온도는 6000도 이상으로 태양의 표면 온도에 필적하는 것으로 알려져 있습니다. 1996년 당시 일리노이 대학의 연구자였던 Xiaodong Song 씨와 컬럼비아 대학의 Paul Richards 씨는 지구의 내핵은 맨틀보다 빠른 속도로 회전하고 있다는 논문을 발표했습니다. 이 연구결과는 특정 지역에서 발생한 지진파가 수천 km 떨어진 관측지점에 도달하는 시간의 변화를 1960년대 이후의 데이터로 분석한 결과에 근거한 것입니다. 내핵이 움직이지 않으면 지진파의 이동속도는 변하지 않을 것이지만 1960년대~1990년대에 걸쳐 지진파의 이동시간이 변화하고 있었던 것을 Song 씨는 발견했습니다.

후속 연구에서 내핵은 맨틀에 비해 지구 1주 360도에 대해 연간 10분의 1도 정도 빠르게 회전하는 것으로 나타났지만 모든 연구자가 내핵은 맨틀보다 빠르게 회전한다는 이 가설에 동의하는 것은 아닙니다. 또 다른 연구에서는 내핵의 회전은 항상적인 현상이 아니라 일시적인 것으로 제안되었으며 내핵의 고속회전은 없으며 지진파의 변화는 내핵 표면의 물리적 변화로 인한 것이라는 논문도 발표되기도 했습니다.

또 2022년에 발표된 논문에서는 1969~1971년에 걸쳐 미국의 핵실험에서 생성된 지진파의 데이터로부터 지구의 내핵은 이 시기에 역회전하고 있고 맨틀보다 천천히 회전하고 있다고 보고했습니다. 이 논문에서는 1971년 이후로 내핵의 회전속도가 상승하기 시작했다고 추정했습니다.

그리고 새롭게 베이징 대학의 지구물리학 교수가 된 Song 씨와 연구자 Yi Yang 씨는 1995년~2021년에 걸쳐 관측된 지진파의 데이터를 분석한 결과에서 2009년경부터 지진파의 이동시간에 변화가 보이지 않는다는 점을 발견했습니다.

지진파의 이동시간에 변화가 보이지 않게 되었다는 것은 내핵이 맨틀에 대해 고속으로 회전하지 않게 되어 같은 속도로 회전하게 되었다는 것을 시사합니다. 비슷한 결과가 지구상의 여러 지점에서 관측되고 있으므로 Song 씨는 이것이 행성 전체의 현상이며 내핵 표면의 국소적 변화가 아니라고 주장했습니다.

데이터는 내핵의 회전속도가 느려졌을 뿐만 아니라 역회전하는 과정에 있을 가능성도 시사합니다. Song 씨 연구팀은 “내핵 자전이 최근 10년간 거의 멈추고 1970년대 초부터 전기를 맞이해 수십 년 주기의 되풀이를 하고 있을 가능성을 시사하는 놀라운 관측결과가 나타났다"며 내핵의 회전이 약 70년간의 주기성이 보이는 하루의 길이나 자기장의 변화와 관련되어 있을 가능성이 있다고 주장했습니다.

우주는 광속 이상의 속도로 끊임없이 팽창하고 있다고 알려져 있으며 인류는 우주의 끝에 도달하는 것이 불가능하다거나 우주에 끝이 존재하는지 전문가의 의견이 나뉘어지는 등 현대 과학 기술로도 밝혀지지 않은 것이 많습니다. 이러한 우주의 팽창이 어떻게 일어나고 있는지 미국의 우주학자인 폴 사터 씨가 설명했습니다.

What Is Our Universe Expanding Into? - Nautilus
https://nautil.us/what-is-our-universe-expanding-into-258168/

아인슈타인의 일반상대성이론과 실제로 우주를 관측한 결과로 우주는 약 137억 7000만 년 전에 빅뱅이 발생하고 나서 오늘까지 계속 팽창되었다고 추정하고 있습니다. 시간을 약 137억7000만 년 되감으면 우주가 부풀기 전에 존재한 무한히 작은 점에 도달하기 때문에 거기가 퍼져 나가는 우주의 중심이라고 생각될 것 같지만 사실 그 점은 기존의 이론으로 설명할 수 없는 '특이점'이 됩니다. 그러므로 '우주는 퍼지고 있다'고 해도 '우주는 어디를 중심으로 어디를 향해 퍼지고 있는가'를 생각하기 어렵게 되었습니다.

What is a singularity? | Live Science
https://www.livescience.com/what-is-singularity

뉴욕의 스토니브룩 대학에서 우주의 허무공간과 빅뱅의 빛에 대해 연구하는 우주학자인 사터 씨는 과학지 Nautilus가 던진 "우리의 우주는 어디를 향해 퍼져 가는 것일까?"라는 질문에 대해 "매우 좋은 질문이지만 훌륭한 질문은 아니다"라고 답했습니다.

사터 씨에 따르면 "우주는 팽창하고 있다"고 흔히 말하지만 어디를 중심으로 어디의 끝이 늘어나는 것처럼 퍼지고 있다는 것이 아니고 엄밀하게는 "팽창하고 있다"는 표현은 적절하지 않다는 것. 우주의 모든 장소에서 빅뱅이 동시에 일어나 그 모든 장소에서 우주가 계속 퍼져 나가고 있기 때문에 우주가 일정한 넓이를 가지는 공간에서 그 끝이 밖을 향해 뻗어 나가 공간이 넓어지고 있다는 인식은 잘못이라고 지적합니다.

"우주가 팽창하고 있다"는 표현에 대해 "예를 들어 복수의 은하를 매핑하여 은하 간의 거리를 기록할 수 있다면 1년 후에는 그 거리가 늘어나고 있다는 것을 알 수 있을 것"이라며 "우주가 팽창하고 있다"는 것은 "은하 사이의 거리가 시간과 함께 평균적으로 성장하고 있다"는 것을 의미하고 있다고 설명합니다. 그 때문에 '중심도 끝도 없다'는 것이 되어 우주 전체가 어딘가를 향해 퍼지고 있다는 것은 아니라는 사실을 알 수 있습니다.

마찬가지로 지구가 속한 우리은하를 중심으로 생각하면 우주 전체가 우리로부터 멀어지듯 팽창하고 있는 것처럼 보입니다. 그러나 다른 은하를 중심으로 한 경우도 마찬가지로 멀어지는듯 팽창해 보인다며 사터 씨는 "우주는 무엇을 향해 어디서 퍼지는 것이 아닌 우주 그 자체가 확장된다”고 설명했습니다.

허블 우주망원경의 후계기로 개발된 제임스웹 우주망원경은 2021년 12월에 발사되어 2022년 7월부터 메인 센서를 이용한 관측이 시작되었습니다. 그리고 2023년 1월 12일에는 지금까지 알려지지 않았던 태양계 외행성 'LHS 475b'를 관찰한 사실을 보고했습니다.

NASA’s Webb Confirms Its First Exoplanet | NASA
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2023/nasa-s-webb-confirms-its-first-exoplanet

새롭게 발견된 LHS 475b는 지구의 99%의 크기로 적색왜성을 2일의 주기로 주회하고 있다는 것. 이 때문에 LHS 475b의 표면은 지구와 다르게 수백도 고온입니다. 그러나 LHS 475b가 돌고 있는 적색왜성은 태양에 비해 매우 온도가 낮기 때문에 LHS 475b에는 대기가 존재할 가능성이 지적되고 있습니다.

다음은 제임스웹 우주망원경에 탑재된 적외선 분광기 'NIRSpec'에서 관측한 LHS 475b의 투과 스펙트럼을 보여줍니다. 이 관측 결과로부터 LHS 475b가 암석행성임을 알 수 있다는 것. 그러나 LHS 475b의 대기 구성 등은 여전히 불분명하며 NASA는 앞으로도 분석을 진행할 예정이라고 합니다.

블랙홀은 활발한 논의와 발견이 이루어지고 있는 천체인데, 우주가 탄생한 초기에는 '블랙홀 별(Black Hole Star)'이라 불리는 초거대한 천체가 존재했다고 합니다. 그런 블랙홀 별의 성립과 성질에 대해 과학계 YouTube 채널인 Kurzgesagt가 애니메이션으로 설명했습니다.

Black Hole Star – The Star That Shouldn't Exist - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=aeWyp2vXxqA

별의 중심에 블랙홀이 존재하는 블랙홀 별은 우주가 형성된 초기의 짧은 기간에만 존재가 가능했던 천체라고 생각됩니다.

블랙홀 별의 직경은 태양의 80만 배 이상으로 알려진 최대 크기의 항성인 스티븐슨 2-18에 비해 380배로 지금까지 존재했던 천체로서 가장 큰 별이었다고 볼 수 있습니다.

일반적으로 새로운 항성은 수소가스가 모인 거대한 구름 중에서 가장 밀도가 높은 장소에 물질이 모여 큰 열과 압력이 발생하여 핵융합 반응이 발생해 탄생합니다.

이러한 별들은 핵융합에 의한 방사선의 방출과 그것을 밀어 넣는 중력 사이에서 성장하게 됩니다.

무거운 항성이 수명을 다해 핵융합 반응이 정지하면 중력붕괴를 일으킵니다.

한편 블랙홀 별이 존재하고 있던 빅뱅으로부터 수억 년 후의 우주는 현재보다 좁고 고밀도인 고온이었다고 생각되고 있습니다.

초기 우주에서는 암흑물질이 모인 '다크마터 헤일로'라는 거대한 구조가 형성되어 대량의 수소가스를 도입함으로써 최초의 별이나 은하를 낳았다고 합니다.

다크마터 헤일로의 강한 중력에 의해 형성된 별은 반복해서 수소가스가 누적되어 믿을 수 없는 크기로까지 성장했다고 합니다.

질량과 압력이 너무 큰 별은 균형을 유지할 수 없으며 초신성 폭발이 발생해도 별은 파괴되지 않습니다.

그 때문에 이 별의 중심에는 핵이 되는 블랙홀이 존재하고, 이런 과정으로 블랙홀 별이 탄생합니다.

일반적으로 블랙홀에 흡수되는 물질은 블랙홀 주위를 돕니다.

돌던 물질은 입자간의 마찰에 의해 온도가 올라가고 방사선을 내 주위의 다른 물질을 날려버립니다.

그 결과 블랙홀은 느린 성장을 이루게 됩니다.

한편 블랙홀 별에서는 블랙홀 주위의 거대한 압력에 의해 물질이 직접 블랙홀에 밀려들어 갑니다.

매우 과격한 이 과정은 더 많은 에너지가 방출되고 어떤 별의 중심부보다 고온이 될 것으로 추정됩니다.

그 때문에 격렬한 방사압이 방출되어 블랙홀 별은 점점 팽창해 갑니다.

태양계의 30배 이상의 크기가 된 블랙홀 별은 블랙홀의 극에서 플라즈마 제트를 뿜어내고 별을 뚫고 우주로 튀어나옵니다.

최종적으로 너무 활발해진 블랙홀은 블랙홀 별 본체를 날려버렸다고 추정됩니다.

우주 최대의 수수께끼 중 하나인 은하의 중심에 존재하는 초대질량 블랙홀은 현대의 천문학으로는 설명을 할 수 없기 때문에 블랙홀 별의 존재가 인정됨으로써 설명할 수 있을지도 모른다고 생각되고 있습니다.

일반적인 블랙홀은 수십억 년을 거쳐 천천히 성장하는 반면 일부 초대질량 블랙홀은 빅뱅으로부터 불과 6억 9000만 년 후에는 탄생했다고 생각되고 있으며, 블랙홀 별에 의한 블랙홀은 초대질량 블랙홀의 기초가 되었을 가능성이 있다는 것.

제임스웹 우주망원경은 기존에는 관측이 불가능했던 초기 우주의 관측이 가능하다고 여겨지고 있어 블랙홀 별의 존재를 관측할 수 있을 것으로 기대되고 있습니다.

24억 광년 거리의 퀘이사 3C 273에서 분출하는 제트의 최심부 구조가 국제 밀리미터파 VLBI 관측망과 알마망원경을 조합한 전파관측망에 의해 포착되었다.

最高視力で解き明かすクエーサーから噴き出すジェットのすがた
https://alma-telescope.jp/news/press/3c273jet_202211?doing_wp_cron=1669694426.2547020912170410156250

거의 모든 은하의 중심에는 태양의 수백만 배에서 수십억 배의 질량을 가진 초대질량 블랙홀이 존재하는데 일부 은하에서는 이 블랙홀에 대량의 가스가 흘러 들어가 막대한 에너지가 해방되고 있다. 그런 은하에서는 중심핵이 매우 밝게 빛나기 때문에 멀리서는 항성과 같은 점광원으로 보인다.

처녀자리의 방향에 있는 전파원 3C 273도 가시광선에서는 항성처럼 보이지만 실은 멀리 떨어진 은하인 것이 1963년에 판명되었다(현재의 추정 거리는 약 24억 광년). 그 이후로 3C 273과 같은 천체는 '퀘이사'라고 불린다. 3C 273은 발견이 빨랐을 뿐만 아니라 우리에게 가장 가까운 퀘이사 중 하나이기 때문에 활발히 관측되어 왔다.

초대질량 블랙홀로 떨어진 가스의 일부는 광속에 가깝게 가속되어 가늘고 좁은 제트구조를 형성한다. 3C 273에도 제트가 있어 오랫동안 연구가 계속되어 왔지만 제트의 형성과정에는 아직 수수께끼가 많다. 그래서 도쿄대학 오키노 다이키 씨 연구팀은 높은 감도와 분해능의 전파관측으로 3C 273 제트의 근원에 다가갔다. "근방에 위치한 3C 273은 퀘이사에서 분출되는 제트를 연구하는데 가장 이상적인 천체로 자세한 관측은 지금까지 할 수 없었다"고 오키노 씨는 밝혔다.

극도로 높은 감도와 공간분해능을 필요로 하는 이번 관측은 대륙을 넘어 몇몇 전파망원경이 연동하는 글로벌 밀리미터파 VLBI 어레이(GMVA)에 칠레의 알마망원경을 조합한 'GMVA+ALMA'라 불리는 관측망에 의해 실현되었다. 이와 병행하여 구미의 전파관측망인 고감도 어레이(HSA)에서도 관측을 실시해 더욱 넓은 촬영범위에서 제트를 포착했다.

GMVA+ALMA에 의한 이미지에서는 제트의 근원에 가장 가까운 최심부가 처음으로 포착되었다. 그 결과 퀘이사로부터 방출된 가스는 한 번에 좁아지는 것이 아니라 광범위하게 서서히 좁혀지는 것을 알 수 있었다. 압착이 일어나고 있는 영역은 초대질량 블랙홀의 중력이 영향을 주는 영역을 넘어서 훨씬 멀리까지 계속되고 있었다.

"매우 활동적인 퀘이사에서 제트의 강력한 플라즈마 흐름이 광범위하게 점차적으로 좁혀지고 있다는 것은 매우 흥미로운 발견입니다. 이러한 제트의 좁혀진 모습은 근처의 더 어둡고 활동도가 낮은 초대질량 블랙홀에서 지금까지 발견되어 왔습니다. 활동성이 완전히 다른 초대질량 블랙홀에서 어떻게 같은 방식으로 제트가 좁혀지는지가 이번 관측으로 새롭게 떠오른 수수께끼"라고 미 헤이스택천문대의 아키야마 와토쿠 씨는 말했다.

이번 성과는 다양한 초대질량 블랙홀에서 분출하는 제트의 좁히기 과정의 규명을 향해 새로운 문을 여는 것이다. “초대질량 블랙홀에서 분출하는 제트의 최초 발견으로부터 100년 이상이 지났지만 그 형성 메카니즘은 아직 규명되지 않았습니다. ALMA와 GMVA에 의한 이번 관측으로 형성 메카니즘의 이해가 진전했습니다만 앞으로 더 높은 해상도로 관측해 지금까지 이상으로 깊은 이해를 목표로 하고 싶다"고 국립천문대 알마프로젝트 나가이 요 씨는 말했다.