자유시간

6년에 걸쳐 실시되어 온 'DESI 레거시 촬상 서베이'의 최종 데이터가 공개됐다. 10억 개 이상의 은하 분포도와 1200개 이상의 중력렌즈의 새로운 발견 등의 성과가 발표되었다.

Giant Map of the Sky Sets Stage for Ambitious DESI Survey - Final data release from DESI Legacy Imaging Surveys issued
https://noirlab.edu/public/news/noirlab2103/

Doubling the Number of Known Gravitational Lenses - Machine learning key to discovery of over 1200 gravitational lenses
https://noirlab.edu/public/news/noirlab2104/

Mapping Our Sun’s Backyard - Astronomers and citizen scientists produce the most complete 3D map of cool brown dwarfs in the Sun’s neighborhood
https://noirlab.edu/public/news/noirlab2105/

'DESI 레거시 촬상 서베이즈(DESI Legacy Imaging Surveys)'는 여러 지상망원경과 우주망원경이 6년 세월에 걸쳐 실시해 온 프로젝트다. 북천을 중심으로 전천의 약 3분의 1을 탐사해 커버영역의 넓이, 관측감도의 수준, 은하의 수라는 점에서 최고 레벨의 데이터가 얻어지고 있다.

DESI 레거시 이미징 서베이즈에서 얻은 데이터에서 생성된 은하의 2차원 분포도에는 10억 개 이상의 은하가 포함되어 있다. 총 화소수는 10조 픽셀 이상, 정보량은 1페타바이트(1000조 바이트)에 달하는 방대한 것이다. 여기에서 3500만 개의 은하와 240만 개의 퀘이사가 선택되어 향후 5년간 분광관측으로 천체의 거리와 후퇴속도가 측정된다. 이러한 정보로부터 생성된 은하의 3차원 분포도는 우주팽창과 암흑에너지의 성질에 관한 연구에 도움이 된다.

또한 DESI 레거시 촬상 서베이즈의 데이터를 이용한 기계학습에서 중력렌즈가 새롭게 1200개 이상 발견되었다. 우주의 팽창률을 나타내는 허블상수 등 우주의 기본적인 특성을 이해하는 데 귀중한 데이터를 얻을 수 있다.

게다가 DESI 레거시 촬상 서베이즈의 데이터는 수천 명이 자원봉사로 참가한 시민과학 프로젝트 '백야드 월즈: 플래닛 9(Backyard Worlds: Planet 9)'에서도 활용되었다. 이 프로젝트는 태양으로부터 65광년 이내의 범위에 대해 새로 발견된 38개를 포함한 총 525개의 갈색왜성의 리스트와 3차원 분포도라는 성과를 얻을 수 있으며 우리은하의 다른 영역에 비해 태양 근방에는 다양한 천체가 존재하고 있음이 확인되었다.

중력렌즈 효과로 인해 복수상으로 보이는 퀘이사를 이용하여 우주의 팽창률을 나타내는 허블상수를 추정한 연구결과가 발표되었다.

Seeing double could help resolve dispute about how fast the universe is expanding
https://newsroom.ucla.edu/releases/quasars-hubble-constant-how-fast-universe-expanding

우주가 얼마나 속도로 팽창하고 있는지를 나타내는 '허블상수'는 먼 은하의 크기와 우주의 연령을 결정하는데 중요한 값이다. 다양한 관측에 의해 그 정확한 값을 아는 연구가 계속되고 있으며 추정치는 67-73km/s/Mpc의 범위에 있지만 확실한 답은 아직 얻지 못했다.

허블상수를 도출하는 방법 대부분은 천체까지의 거리와 그 천체의 후퇴속도(우리로부터 멀어지는 속도)의 두 가지 정보를 바탕으로 하고 있다. 미국 캘리포니아대학 로스앤젤레스 학교의 Simon Birrer 씨 연구팀은 지금까지 허블상수의 거리계산에 이용되지 않은 광원인 퀘이사를 이용한 연구를 실시했다. 퀘이사는 중심의 대질량 블랙홀에 의해 막대한 에너지를 중심부에서 방사하여 밝게 보이는 은하이다.

Birrer 연구팀이 특히 주목한 것은 하나의 퀘이사의 상이 복수처럼 보이는 천체다. 퀘이사와 우리 사이에 다른 은하가 존재하면 중간 은하의 질량이 생성하는 중력렌즈 효과로 인해 퀘이사 이미지가 여러 개로 보일 수 있다. 퀘이사의 밝기가 변동하면 렌즈 효과를 받은 이미지의 밝기가 달라지지만 지구까지 도달하는 빛의 경로가 다르기 때문에 각 이미지의 밝기는 동시가 아니라 시간차로 변동한다. 이 시간차의 정보 등을 기초로 하면 퀘이사와 중간의 은하까지의 거리를 추정할 수 있으므로 거기로부터 허블상수를 계산할 수 있다.

연구팀에서는 'H0liCOW collaboration'이라는 국제 프로젝트의 일환으로 사중 퀘이사상을 이용하여 이 방법을 실증하려고 했지만 사중의 상은 발견 사례가 적기 때문에 우선 이중 퀘이사상으로 연구를 실시했다. 대상이 된 것은 사냥개자리와 큰곰자리의 경계 부근에 존재하는 이중 퀘이사 'SDSS J1206+4332'다.

허블우주망원경과 제미니망원경, 케크천문대의 관측데이터 등을 이용한 연구 결과 Birrer 씨는 허블상수의 값을 72.5km/s/Mpc로 도출했다. 이것은 먼 초신성을 거리지표로 사용한 계산에서 얻은 값과 잘 일치한다. 그러나 이번 값도 초신성 관측에 의한 값도 우주마이크로배경복사의 관측결과에 기초한 값보다 약 8% 크다. "방법에 따라 값이 다른 것이 사실이라면 이 우주는 조금 더 복잡하다는 것을 의미한다"고 Tommaso Treu 씨는 말했다.

이 방법의 장점은 다른 방법과 독립적으로 다른 방법을 보완하는 방식으로 허블상수를 측정할 수 있다는 것으로 연구팀에서는 이미 사중 퀘이사상을 40개나 찾아내었고 곧 이것들을 대상으로 한 해석으로부터 허블상수의 정밀도 향상을 목표로 하고 있다.

중력렌즈 효과를 이용하여 우주의 팽창률을 나타내는 허블상수의 값을 조사한 결과 근방우주의 관측으로부터 구한 상수에서는 기존의 값과의 일치를 보였지만 위성 '플랑크'에 의한 초기 우주 관측에 기초한 값과 일치하지 않는 것이 확인되었다.

重力レンズが裏付け、予想より速い宇宙の膨張
https://www.astroarts.co.jp/article/hl/a/8925_hubble_constant

한 천체의 중력이 렌즈와 같은 역할을 하고 보다 먼 천체로부터의 빛을 구부리거나 증폭하는 현상은 '중력렌즈 효과'로 알려져 있다. 예를 들어 먼 퀘이사 앞에 대질량의 은하가 있으면 은하가 렌즈로 작용하여 퀘이사의 이미지가 여러 개로 나뉘거나 아크 모양으로 늘어난다.

일반적으로 렌즈가 되는 은하는 완전히 구형의 왜곡을 생성할 수 없고 또한 렌즈 은하와 퀘이사는 완전히 일직선으로 늘어서 있지 않기 때문에 퀘이사의 복수의 상으로부터 도달하는 빛은 각각 약간 다른 거리의 경로를 거친다. 그리고 퀘이사의 빛이 시간에 따라 변하면 다른 이미지가 다른 시간에 깜박이는 모습을 볼 수 있으며 그 시간의 지연은 빛이 오는 경로의 길이에 따라 달라진다.

이 지연은 우주의 팽창률을 나타내는 '허블상수'의 값과 직접적으로 관련되어 있으며 여러 이미지 사이의 시간지연을 정확하게 측정하여 높은 정확도로 허블상수를 확인할 수 있다.

독일의 막스·플랑크 물리학연구소 등의 Sherry Suyu 씨 국제연구팀 'H0LiCOW'는 허블우주망원경이나 미 하와이의 스바루망원경 등 복수의 망원경을 이용해 강한 중력렌즈 효과를 일으키는 5개의 은하를 관찰하고 허블상수를 조사하였다. 그 결과 근방우주의 관측으로부터 얻어진 허블상수의 값은 지금까지 초신성이나 케페이드 변광성의 관측으로부터 얻어진 값과 매우 잘 일치했다.

한편 그 값은 유럽우주기관(ESA)의 우주배경복사 관측위성 '플랑크'에 의한 초기 우주의 우주배경복사의 관측에서 얻은 값과 일치하지 않았다. 플랑크에서 확인된 허블상수의 값은 현재의 표준우주론 모델에서 기대되는 값과 잘 맞지만 이번과 같은 국소우주의 다양한 관측에서 구한 값과 일치하지 않는다. 이번 결과는 표준모델에서 기대되는 값보다 빠르게 우주가 팽창하고 있음을 예측한다.

"높은 정확도를 가진 다른 방법으로 우주의 팽창률을 측정하려고 노력하고 있고 현재 우리 우주에 대한 이해를 넘어선 새로운 물리가 이 모순으로 나타날 수 있다”고 Suyu 씨는 말했다.

별이 마지막으로 폭발을 일으키는 현상인 초신성의 형태는 폭죽처럼 둥글지 않은 것이 도쿄대학 수물연계 우주연구기구 등의 연구자들에 의해 처음으로 확인됐다.

이 기구의 마에다 케이이치 특임조교, 노모토 겐이치 주임연구원, 가와바타 히로지 히로시마대학 우주과학센터 조교, 다나카 마사토미 일본학술진흥회 특별연구원 등은 국립천문대 하와이관측소의 대형광학 적외선망원경 '스바루'에서 관측한 15개를 포함한 18개의 초신성 관측데이터에서 이 사실을 발견했다.

초신성은 태양의 약 10배 이상의 질량을 가진 천체가 마지막으로 폭발하는 현상으로 폭발 때문에 흩어진 고온가스의 잔해가 새로운 별의 탄생처럼 보인다. 폭발을 일으키는 원인은 중심을 향해 중력붕괴하기 때문이지만 중력붕괴한 별이 어떻게 폭발에 이르는지에 대해서는 잘 모르고 있다.

연구팀은 스바루망원경으로 폭발로부터 200일 이상 경과한 15개 초신성의 스펙트럼(빛의 파장의 강도 분포)을 관측했다. 지금까지 얻어진 3개의 초신성 데이터를 더해 조사한 결과 5개는 뚜렷하게 '좁은 형태'를 하고 있으며 나머지 4개도 그 징후를 나타내는 것으로 나타났다. 이것은 산소휘선이 어느 방향에서도 똑같이 검출되는지, 방향에 따라 다르게 검출되는지로 판정할 수 있는데 관측결과는 폭발로 인해 흩어진 고온가스는 전 방향으로 고르게 분출하는 것은 아니라 찌그러진 것 같은 형태로 특정 방향으로 더욱 강하게 흩어져 있는 것을 나타내고 있었다.

찌그러진 모양으로는 보이지 않은 나머지 초신성도 관측방향으로 인해 우연히 둥글게 관측되었다고 생각되기 때문에 이러한 결과는 모든 초신성이 폭죽놀이처럼 보이지 않고 찌그러져 있다는 것을 세계에서 처음으로 관측으로 확인했다는 것을 의미한다.

초신성 폭발의 원리에 한층 다가가는 관측결과로서 향후 초신성 연구와 감마선 버스트의 연구에 큰 영향을 미칠 것이라고 연구팀은 말했다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 超新星は丸くなかった
https://scienceportal.jst.go.jp/newsflash/20080204_01/index.html

지구로부터 약 90억 광년이나 떨어져 있고 태양의 1000억 배 밝기를 발하는 초고휘도 초신성의 빛이 실은 지구와의 사이에 있는 은하 등의 대질량의 천체로 인해 공간이 왜곡되는 '중력렌즈 효과'로 집광되어 실제의 약 30배나 밝게 보였던 것으로 나타났다. 도쿄대학 국제고등연구소 카부리 수물연계 우주연구기구인 로버트 퀸비 특임연구원팀이 지금까지 어려웠던 중력렌즈 효과로 인한 증광율 측정에 성공했다. 앞으로 또 다른 천체의 중력렌즈 효과를 측정함으로써 우주에 충만하는 암흑물질이나 암흑에너지, 블랙홀 등 빛으로 직접 관측할 수 없는 존재들의 규명으로 이어질 것으로 기대된다.

이 초신성은 2010년 8월에 발견된 'PS1-10afx'으로 초신성은 항성이 일생을 마칠 때 대폭발하여 태어나지만 PS1-10afx는 매우 먼 곳에 있으면서 매우 밝기 때문에 '초고휘도 초신성(superluminous supernovae; SLSNe)'의 일종으로 여겨졌다. 그러나 통상의 초고휘도 초신성은 청색으로 밝기의 변화는 비교적 느리지만 PS1-10afx는 적색의 성분이 강하고 밝기의 변화도 통상의 초신성과 같이 빠르다는 특징이 있었다.

퀸비 특임 연구원팀이 PS1-10afx의 데이터를 분석한 결과에서 빛의 파장분포와 밝기의 시간변화는 'Ia형' 초신성의 특징과 정확하게 일치하는 것으로 나타났다. Ia형 초신성은 우주 어디에서 탄생한 것이라도 밝기와 시간변화의 관계가 매우 비슷하다. 따라서 지구와 초신성의 거리를 측정하는 '표준 광원'으로 이용되고 있지만 PS1-10afx는 통상의 Ia형 초신성의 약 30배라는 이상한 밝기로 '표준 광원'과 달랐다.

이 모순을 풀기 위해 퀸비 특임 연구원팀은 이 기구의 우주물리학자와 수학자를 총동원해 검토했다고 한다. 그 결과 발견한 것이 '중력렌즈 효과에 의해 초신성의 밝기가 증폭되어 보였다'는 결론. PS1-10afx와 지구 사이에 큰 질량의 천체가 존재하고 있고 우주의 다른 장소에 도달해야 할 빛도 중력렌즈로 집광되어 지구에서 초신성이 매우 밝게 보였다고 한다. 이 현상에서는 효과를 받은 천체의 색이나 파장 분포, 광도변화의 속도는 영향을 받지 않고 천체의 밝기만이 커져 관측된다. PS1-10afx에서는 바로 이 현상이 나타났던 것이라고 한다.

이번 연구에서는 Ia형 초신성의 표준 광원의 성질을 이용함으로써 중력렌즈 효과에 의한 증광율을 직접 측정할 수 있어 중력이론에 의한 계산을 검증하는 것으로 이어졌다. 이 기구가 추진하고 있는 스바루망원경(하와이)에 설치한 초광시야 이미징 장치(Hyper Suprime-Cam) 등의 관측으로 한층 더 많은 중력렌즈 효과를 받은 Ia형 초신성이나 다른 천체가 발견될 것이라고 한다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- “超高輝度”超新星は重力レンズ効果だった
https://scienceportal.jst.go.jp/newsflash/20130424_01/index.html

매우 고밀도이면서 강력한 중력에 의해 빛조차 삼켜 버리는 블랙홀은 지구가 속하는 우리은하에만 약 1억 개 있다고 추정됩니다. 새롭게 미 국립과학재단(NSF)의 국립광적외선 천문학연구소(NOIRLab)가 관리하는 하와이의 제미니천문대(Gemini Observatory)가 지구에 가장 가까운 블랙홀을 불과 1600광년 떨어진 장소에서 발견했습니다.

Sun-like star orbiting a black hole | Monthly Notices of the Royal Astronomical Society | Oxford Academic
https://doi.org/10.1093/mnras/stac3140

Astronomers Discover Closest Black Hole to Earth | NOIRLab
https://noirlab.edu/public/news/noirlab2227/

이번에 발견된 블랙홀은 '가이아 BH1(Gaia BH1)'라고 명명되었으며 태양의 약 10배의 질량에 겉보기 위치는 뱀주인자리 근처에 있습니다. 가이아 BH1은 지구로부터 약 1600광년 떨어져 있으며 지금까지 지구에 가장 가깝다고 알려진 외뿔소자리 X-1의 약 4700광년과 비교해 3분의 1 정도인 가까운 거리에 위치하고 있습니다.

활발하게 활동하는 블랙홀은 인근 항성의 물질을 흡수하여 열을 발생시켜 강력한 엑스레이와 제트를 방출합니다. 한편 이번에 발견된 가이아 BH1은 주변에 흡수할 수 있는 에너지원이 존재하지 않는 휴면상태의 블랙홀입니다. 가이아 BH1과 같은 휴면상태의 블랙홀은 X선 등을 방출하지 않고 있어서 관측이 어렵습니다.

가이아 BH1 관측에 성공한 하버드 스미소니언 천체물리학센터의 천체물리학자인 Kareem El-Badry 씨의 연구팀은 우선 유럽우주기관(ESA)의 가이아 탐사기로부터의 데이터를 분석해 이 연성에 블랙홀이 존재할 가능성을 특정했습니다. 분석한 데이터에는 보이지 않는 거대한 천체의 중력으로 인해 야기된 것으로 보이는 항성의 불규칙한 움직임이 포착되었다고 합니다.

이어 연구팀은 지구가 태양을 주회하는 것과 거의 같은 거리에서 블랙홀이라고 생각되는 천체를 주회하는 항성의 궤도를 제미니천문대에 탑재된 다천체 분광기를 이용하여 상세하게 관측했습니다. 그 결과 이 연성의 중심에 있는 눈에 보이지 않는 천체가 태양의 약 10배의 질량을 가진 블랙홀이라는 사실을 밝혀냈습니다.

가이아 BH1의 근원이 된 항성은 적어도 태양의 20배의 질량을 가지고 있었을 것으로 보이며 수명은 불과 수백만 년이었다고 추정됩니다. 이 연성이 동시에 형성되면 한 별이 팽창하여 다른 별을 삼켜 버릴 것으로 생각되고 있으며 기존 모델로는 연성이 형성되는 메커니즘을 설명하기는 어렵다고 합니다. 이번 발견은 연성계에서 블랙홀의 형성과 진화에 대한 이해에 빈틈이 있음을 보여주고 있으며 연성계 안에 미지의 휴면 블랙홀 집단이 존재한다는 것을 시사하고 있습니다.

El-Badry 씨는 “이 연성이 어떻게 형성되었는가, 그리고 이런 휴면상태인 블랙홀이 우주에 얼마나 존재하는지 우리에게 많은 의문을 던지고 있다”고 말합니다.

목성 주변의 우주공간은 강한 목성의 자기장으로 채워져 태양계 내 최대의 입자가속기가 되었다. 그 입자들이 어떻게 높은 에너지를 획득하고 있는지, 목성의 강력한 자기장에 둘러싸인 영역(목성 내부 자기권)에 있어서 고온의 전자가 목성을 향해 흐르고 있다는 증거를 '히사키'의 관측에 의해 세계에서 처음으로 파악했다. 이것은 전통적인 학설을 뒷받침하는 중요한 증거이다.

목성은 지구의 1000배 이상의 강한 자기장을 가지고 있는데 이 자기력선은 목성 주변의 우주공간을 채우고 목성 자기권을 형성하고 있다. 그 목성 자기권은 우리 태양계에서 가장 큰 입자가속기로 알려져 있다. 실제로 목성 본체에 가까운 내부 자기권에는 방사선 대역이라는 고에너지 전자가 차인 영역이 있다. 그러나 이 영역에서의 전자가속의 메커니즘은 통일적으로 이해되지 않았고 태양계 플라즈마 물리에 대한 논쟁이 계속되었다.

이 문제에 대한 유력한 학설은 다음과 같다. 첫째, 목성 자기권의 외부 영역에는 고온 전자가 있다. 이러한 전자가 자기장의 약한 외부 영역에서 자기장의 강한 내부 영역으로 이동하면 특정 전자기파가 여기된다. 이 웨이브는 공명과정을 통해 전자를 더욱 가속하고 방사선 대전자의 에너지에 도달한다. 이 과정이 정상적으로 계속됨으로써 목성 방사선대가 성립·유지된다는 것이다.

여기서 열쇠가 되는 것이 전자기파를 여기시키는 전자가 충분히 있는지 즉 자기장의 약한 영역으로부터 강한 영역으로 고온 전자가 효율적으로 수송되느냐는 것이다. 자기장은 장벽처럼 행동하는 성질을 가지고 있으며 자기장이 강한 영역으로 전자를 운반하는 것은 쉽지 않다. 그러므로 이 논쟁에 종지부를 찍기 위해서는 목성 자기권의 바깥에서 안쪽으로 향하는 전자를 관측적으로 포착하는 것이 결정적으로 중요하다.

목성 자기권의 전자의 측정에는 그 곳에 탐사기를 보내고 직접 관측하는 수단도 있다. 이것은 탐사기 위치에서 상세한 정보를 제공하는 반면 어느 공간 범위에서의 운송과정을 지속적으로 관측하고 싶은 경우에는 적합하지 않은 면도 있다. 고온 전자의 대국적인 양상을 포착하기 위해서는 원격관측이 더 좋을 수 있다. 그러나 고온 전자를 직접 원격촬영할 수는 없다. 따라서 원격관측에서 간접적으로 전자밀도와 온도를 도출하는 수단이 필요하다.

히사키에는 내부 자기권에 존재하는 '이오플라즈마 토러스'를 스크린으로서 이용했다. 목성 위성 중 하나인 이오는 목성 중심에서 약 6목성 반경만큼 떨어진 궤도 위를 돌고 있다. 이오에는 활화산이 있으며 가스를 우주공간으로 방출하고 있다. 화산가스는 우주공간에서 이온화되어 목성의 자기장에 포착되어 이오의 궤도를 따라 도넛 모양으로 분포한다(이오플라즈마 토러스). 이 토러스를 구성하는 이온(황, 산소 등)은 주위의 고온 전자와의 충돌여기로 인해 복수의 휘선으로 발광한다. 이러한 휘선의 모습을 조사함으로써 여기원인 고온 전자의 온도와 밀도를 알 수 있다. 이 분석방법은 스펙트럼 진단이라고 불리며 원격관측에서 대국적인 전자온도와 밀도를 도출하는 획기적인 방법이다.

이오플라즈마 토러스가 발하는 휘선의 대부분은 극단자외선(Extreme ultraviolet: EUV) 파장영역에 있다. 엡실론 로켓시험기에 의해 발사된 히사키에는 EUV 파장영역의 관측에서 고파장, 공간분해능, 고검출 효율을 실현해 한층 더 행성 전용의 우주망원경으로서 지속적으로 행성관측을 계속할 수 있다는 점에서 전례가 없는 특징을 가지고 있으며 이오플라즈마 토러스에 관해서도 지금까지 없었던 고정밀도의 스펙트럼 진단을 가능하다.

본 연구에서는 히사키가 취득한 목성 자기권의 EUV 데이터에 대해서 스펙트럼 진단을 적용했다. 그 결과 이오플라즈마 토러스에는 외부 자기권 기원의 고온 전자가 수 %의 비율로 존재하는 것으로 밝혀졌다. 또한 그 공간분포로부터 자기권의 외측으로부터 내측을 향해 고효율로 전자의 수송이 일어나고 있다는 것을 알 수 있었다. 이것은 목성 방사선대의 형성·유지에 필요한 고온 전자 수송의 증거를 세계에서 처음으로 파악했다는 것이다.

이 운송은 어떻게 일어나고 있는지에 대한 이번 관측은 이오플라즈마 토러스를 스크린으로서 활용했다. 그렇게 얻은 결과로부터 이오플라즈마 토러스가 있기 때문에 고효율의 수송이 구동되었고 그것이 목성을 태양계 최강의 입자가속기로 만들고 있는 것으로 추정된다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 太陽系最大の粒子加速器（木星磁気圏）を解剖する
https://www.jaxa.jp/press/2014/09/20140926_hisaki_j.html

지구가 속한 우리은하의 중심에 있는 초대질량 블랙홀 '궁수자리A*'의 주위를 광속의 30%라는 경이적인 속도로 주회하는 고온의 가스덩어리가 발견되었습니다. 이 가스덩어리는 수성의 태양 주회궤도와 비슷한 거리를 불과 70분만에 주회하고 있다고 합니다.

Orbital motion near Sagittarius A* - Constraints from polarimetric ALMA observations | Astronomy & Astrophysics (A&A)
https://doi.org/10.1051/0004-6361/202244493

Astronomers detect hot gas bubble swirling around the Milky Way’s supermassive black hole | ESO
https://www.eso.org/public/news/eso2212/

A Weird Blob of Hot Gas Is Whizzing Around Sagittarius A* With 'Mind-Blowing Velocity' : ScienceAlert
https://www.sciencealert.com/a-weird-blob-of-hot-gas-is-whizzing-around-sagittarius-a-with-mind-blowing-velocity

궁수자리A*는 우리은하의 중심에 위치하고 태양의 400만 배의 질량을 가지는 블랙홀입니다. 2022년 5월 전세계에 설치된 8개의 전파망원경을 연계시켜 가상의 망원경을 구축하는 프로젝트 '이벤트 호라이즌 텔레스코프(EHT)'에 의해 궁수자리A*의 화상이 촬영된 사실이 발표면서 화제를 모았습니다.

막스플랑크 전파천문학연구소의 천문물리학자인 Maciek Wielgus 씨 연구팀은 칠레에 있는 아타카마 대형 밀리미터파 서브밀리미터파 간섭계의 관측데이터를 분석했습니다. 그 과정에서 2017년 4월의 관측데이터에서 궁수자리A*의 주변에서 발하는 이상한 빛(플레어)을 검출했다고 합니다.

궁수자리A*에서의 이러한 종류의 플레어는 과거에도 X선망원경과 적외선망원경으로 관측되어 왔으며 블랙홀 근방을 고속으로 주회하는 가스덩어리(핫 스폿)와 관련되어 있다고 추정되었습니다. X선이나 적외선이 아닌 전파관측에서 플레어의 존재가 확인된 것은 이번이 처음이라고 합니다.

연구팀이 플레어를 방출한 가스의 덩어리에 대해 분석을 실시한 결과 수성의 태양 주회궤도와 비슷한 크기의 블랙홀 주회궤도를 불과 70분 만에 주회하고 있는 것으로 판명되었습니다. Wielgus 씨는 “우리는 수성과 비슷한 크기의 궤도에서 궁수자리A*를 돌고 있는 가스의 뜨거운 거품을 보고 있다고 생각하지만 이것은 약 70분 만에 일주하고 있습니다. 이 속도는 광속의 30%라는 경이적인 속도"라고 전했습니다.

또 가스덩어리는 강하게 치우친 비틀린 빛을 방사하고 있었고 싱크로트론 방사의 징후도 확인되었다고 합니다. 이것은 강한 자기장의 조건에서 발생하는 것으로 가스덩어리는 블랙홀의 주위를 소용돌이시켜 물질을 공급하는 magnetically arrested disk(자기적으로 정지한 원반/MAD)에 포함되어 있다는 것을 나타낸다고 합니다.

보통 초대질량 블랙홀에 너무 가까이 있는 천체는 압도적인 중력으로 잡혀버리지만 이번에 발견된 가스덩어리는 매우 빠르게 움직이기 때문에 블랙홀 근처에서 안정된 궤도를 유지하고 있다는 것. 그러나 전파망원경으로 플레어를 관측할 수 있었다는 것은 가스덩어리가 에너지를 잃고 차가워져 보다 긴 파장으로 관측 가능하게 되었기 때문일 가능성도 있어 최종적으로 가스덩어리가 감속해 블랙홀에 흡수될지도 모른다고 합니다.

논문의 공동저자이자 네덜란드 라드바우드대학의 천체물리학자인 Monika Mościbrodzka 씨는 “우리는 이러한 플레어의 자기적 기원을 보여주는 강한 증거를 찾아내었고 관측에서 프로세스의 기하학적 형상에 대한 단서를 얻을 수도 있었다”고 평가했고 Wielgus 씨는 “언젠가 궁수자리A*에서 일어나고 있는 현상을 “알고 있다”고 기분 좋게 말할 수 있게 되길 바란다”고 소망을 밝혔습니다.

2022년 가동을 시작한 최신예의 거대 우주망원경 '제임스웹 우주망원경'이 촬영한 오리온 대성운의 사진이 2022년 9월 12일에 공개되었습니다.

Western News - Western researchers among first to capture James Webb Space Telescope images
https://news.westernu.ca/2022/09/jwst-pdrs4all-orion-nebula/

The inner Orion Nebula seen with JWST – PDRs4All
https://pdrs4all.org/pdrs4all-first-images-release/

제임스웹 우주망원경은 지구에서 1350광년 떨어진 오리온 자리에 위치한 산광성운 '오리온 대성운'의 내부 영역을 포착했습니다. 이미지는 탄화수소, 분자가스, 먼지, 산란성광 등의 발광을 복수의 필터를 이용하여 합성한 것입니다.

가장 눈에 띄는 것은 이미지 왼쪽 상단에서 오른쪽 하단에 걸쳐 띠 모양으로 이어진 고밀도 가스로, 중앙에 보이는 가장 밝은 별은 'θ2 Orionis A'라고 불리는 젊은 별입니다. θ2 Orionis A의 왼쪽 상단에 위치한 흐릿한 빛은 항성의 '아기'라는 것. 가스나 먼지가 밀집한 구름은 중력이 불안정해지면 붕괴되어 이런 모습이 되어 서서히 질량을 늘려 핵융합을 일으켜 빛나기 시작한다고 합니다.

오른쪽 상단에 위치한 고치같은 것은 주변에 가스와 칠레의 원반을 휘감는 별입니다. 이 원반은 성단이 가진 강한 방사선장에 의해 소멸 혹은 광증발하며 고치로 보이는 가스의 덩어리를 만들어 내고 있다고 합니다. 이러한 별은 오리온 대성운에만 180개 가까이 확인되고 있어 사진에 찍힌 'HST-10'이라 불리는 별은 그 중에서도 최대급의 것. 사진 하단에 'The orbit of Neptune'이라는 둥근 테두리는 반경 45억km인 해왕성의 공전궤도를 나타냅니다.

참고로 같은 영역을 허블우주망원경으로 촬영한 사진(왼쪽)과 비교하는 이미지도 공개되었습니다. 제임스웹 우주망원경은 보다 고정밀한 적외선 비전을 가지고 있어서 두꺼운 먼지층에서 어두운 별을 찾아내는 것이 가능하다고 합니다.

우주는 굉장히 크고 작은 세계다. '왜 우리가 이 우주에 존재하는가?'라는 문제에 중성미자가 관련되어 있을지도 모른다고 하면 대부분의 사람은 무슨 말인지 전혀 모른다.
 
바라보는 범위를 크게 해 나가면 우주는 어디까지나 끝없이 펼쳐져 있다. 빅뱅으로부터의 빛이 퍼져 있는 범위는 10^27미터 정도의 범위이므로 그 이상은 어떻게 되고 있는지는 아직 잘 모른다. 다만 알고 있는 범위만으로도 29자리의 범위가 있다. 그 정도로 우주는 큰 것이다.

그런데 우주의 연구를 해 나가면 큰 것뿐만 아니라 작은 것도 중요하다는 것을 알게 된다. 원자, 원자핵, 소립자의 세계이다. 지금의 우주는 상상도 할 수 없을 정도로 큰 것이지만 시간을 되감아 보면 이상하게도 우주는 점점 작아져 간다. 그리고 갓 태어난 무렵은 매우 뜨겁고 작았던 것으로 나타났다. 그러므로 우주가 어떻게 태어나 지금의 우주가 되어 왔는가 하는 것을 밝히기 위해서는 작은 세계를 모르면 안된다.

우주는 정체불명의 물질로 가득

이 우주가 무엇으로 되어 있는지도 아직 잘 알고 있지 않다. 2003년에 NASA의 관측위성 WMAP에 의해 이 우주의 에너지의 내역을 측정할 수 있게 되었다. 이렇게 말하면 우주가 무엇으로 만들어졌는지 알게 된 것처럼 들리지만 그렇지 않다.

우주라고 하면 아름다운 별이나 은하를 떠올리지만 그것들을 전부 모아도 우주 전체의 0.5% 정도 밖에 되지 않았다. 중성미자는 0.1~1.5%로 역시 우주 안에서는 소수파다. 게다가 우리 몸을 만드는 보통의 원자로 만들어진 물질은 우주 전체에서 4.4%. 이 모든 것을 합쳐도 5% 정도이며 100%에는 한참 멀다.

우리는 만물은 원자로 되어 있다고 학교에서 배워 왔지만 이 우주에 있는 원자를 전부 모아도 5%도 되지 않기 때문에 실은 사실이 아닌 것이다. 우리는 지금까지 물질이 우주의 중심이라고 생각했다. 그렇지만 실은 물질은 우주 속에서 조금밖에 없는 것이 분명했다.

WMAP의 관측결과에 따르면 우주의 23%는 암흑물질이고 73%는 암흑에너지로 이것들을 더함으로써 눈에 띄는 100%라 할 수 있지만 암흑물질도 암흑에너지도 그 정체를 알고 있지 않다. 정체불명의 수수께끼의 물질이나 에너지라는 임시적 이름으로 붙어 있을 뿐이다.
 
다만 암흑물질은 우주의 시작부터 별이나 은하가 어떻게 만들어 왔는지에 대한 문제와 깊은 관계가 있는 신기한 물질로 우리가 왜 존재하는지와도 깊이 관여되어 있다. 암흑물질의 유력한 후보 중 하나로 중성미자의 친척이 거론된다.

우주는 중성미자로 넘친다

암흑에너지는 이 우주의 미래와 크게 관련되어 있다. 지금 우주는 점점 팽창하고 있는데 과거에는 팽창하는 속도는 점점 느려지고 있다고 생각되었다.

그런데 팽창속도를 잘 조사해 가면 신기하게도 점점 빨라지고 있다는 것을 알았다. 이 우주의 팽창을 빠르게 하고 있는 원인이 암흑에너지가 아닐까 추정하고 있다.

이처럼 우주의 구성요소에서 보면 중성미자는 전체 에너지의 0.1~1.5% 정도밖에 없어 우주 전체에 별로 관여하지 않는 것처럼 느껴진다. 그렇지만 다른 관점에서 보면 어떨까. 앞서 보여준 우주의 구성요소는 에너지였지만, 이번에는 입자의 수를 비교해 보자.

물질을 만드는 입자의 수로 카운트해 보면 이 우주에는 중성미자가 가장 많이 있다. 우리 몸을 만드는 양성자, 중성자, 전자 등은 중성미자의 10억분의 1밖에 없다. 사실 이 우주는 중성미자로 넘쳐났다. 한 입방센티미터당 300개가 있다는 것은 이 우주의 어디를 가도 중성미자가 있다는 것을 의미한다. 게다가 중성미자는 태양과 같은 별에서 많이 나오고 있으며 초당 수백 조의 중성미자가 우리 몸을 통과하고 있다.

그렇게 방대한 수의 중성미자가 통과하고 있음에도 불구하고 우리는 중성미자를 눈치채지 못하고 본 적이 없다. 도대체 왜일까.

사실 중성미자는 매우 소극적이다. 우리가 어떤 장소에 입자가 존재한다는 것을 알기 위해서는 입자가 힘에 반응해야 한다. 양성자와 중성자는 중력에 반응하기 때문에 다른 입자와 부딪히면 존재를 깨닫지만 중성미자는 중력이나 전자기력과는 반응하지 않으므로 우리 몸을 빠져나가 지나쳐 버린다. 그러므로 우리는 자신의 몸을 지나가는 중성미자를 걱정하지 않고 살고 있다.

중성미자를 잡는 방법

태양으로부터의 중성미자를 잡으려고 얼마나 많은 납덩어리를 놓으면 중성미자가 부딪치는지를 계산해 보았다. 그러자 나온 답은 납을 3광년 정도의 두께로 쌓아 겨우 한 번 확실히 부딪친다는 것이었다. 그만큼의 납은 지구상에 없고 쌓을 수도 없을 정도로 다른 것과 반응하지 않고 그 존재 자체를 알 수 없는 유령같은 소립자다.

우리는 우주의 먼지로 만들어진 것으로 알려져 있다. 실은 우주가 원자보다 더 작고 뜨거웠을 무렵 먼지의 기초가 된 물질과 그 반물질이 충돌해서는 사라지고 새로운 물질과 반물질이 태어나서는 사라지는 현상이 반복되고 있었다.

우주의 온도가 조금 내려가자 같은 수만큼 있던 물질과 반물질의 균형이 무너지고 약간의 반물질이 물질로 바뀌어 우리가 존재하는 물질의 세계가 생기면서 우리가 태어났다. 그 열쇠를 쥐고 있는 것이 지금까지 질량이 제로라고 생각되었던 중성미자에 있다.

중성미자의 신비한 성질을 규명하면서 힉스입자와 인플레이션, 그리고 암흑물질과의 관계를 풀어 왜 우리가 이 우주에서 태어났는지 생각해 보자.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 「ものすごく大きく、そして小さい」宇宙という世界の不思議
https://gendai.media/articles/-/34514?imp=0

일본인으로서 처음으로 노벨상에 빛난 유카와 히데키 박사는 오사카제국대학 이학부 강사였던 1934년 중간자의 존재를 예상해 '소립자의 상호작용에 대해'라는 논문을 발표했다. 원자나 그보다 작은 소립자는 양자라고 불리며 입자처럼 또는 파동처럼 운동하는 이상한 성질을 가지고 있다. 그런 극미한 세계를 다루는 '양자역학'은 당시 탄생한지 얼마 안 되어 전세계 학자가 연구에 힘을 쏟고 있었다. 유카와 박사는 이미 존재가 알려져 있던 전자나 양자, 중성자 등 원자핵의 구성요소에 더하여 중간자라는 존재를 가정함으로써 원자핵이 흩어지지 않도록 연결하는 힘의 정체를 설명했다. 획기적인 아이디어로 받아져 1949년 노벨상으로 이어졌다. 전후 피폐해 있던 많은 젊은이를 소립자 연구에 모이게 해 이 분야에서 일본이 중요한 역할을 하는 계기가 되었다.

현대의 연구에서는 '초끈 이론', '이차원 공간' 등 일상생활의 상식과는 별개인 사고방식도 등장했고 우주의 성립에도 관련되어 있다고 추정된다.

우주는 17종류의 소립자로 만들어져 있는가?

물건이 무엇으로 되어 있는지를 탐구하기 위해 점점 분할해 나가면 수소나 산소 등의 원자에 도달한다. 그 원자도 실은 물질의 최소 단위가 아니라 원자핵 주위를 전자가 돌고 있다는 구조가 20세기 초에 밝혀졌다. 그 원자핵을 부수어 보면 양성자와 중성자로 나뉜다. 그럼 양성자나 중성자를 부수면 어떻게 될까. 작아질수록 부서지기 어렵지만 기술이 진보됨으로써 부서지게 되었다. 인류가 지금의 기술로 도달한 가장 작은 알갱이를 소립자라고 부른다. 이론적으로 존재가 예상되었던 톱 쿼크라는 소립자가 1995년에, 힉스입자가 2012년에 발견되었다. 광자(빛의 입자)나 전자도 소립자로 지금까지 발견된 소립자는 17종류, 놀랍게도 인류에게 보이는 우주는 그 17종류의 소립자로부터 거의 만들어졌다. 게다가 1970년대에는 소립자의 표준이론이 완성되어 각각의 소립자가 어떤 법칙으로 움직이는지를 단 하나의 방정식으로부터 이끌어내게 되었다. 우주도 인간사회도 복잡함으로 가득 차 있지만 결국은 이 17종류의 소립자가 달라붙거나 떠나는 법칙으로 환원된다. 그 방정식을 우리는 알고 있다.

우주의 수수께끼는 모두 규명된 것인가?

그렇게 간단하지 않다. 현대 물리학에서는 힘이 입자를 매개로 발생한다고 생각한다. 예를 들어 전자기력은 광자가 매개하는 것으로 알려져 있다. 물건이 끌어당기는 만유인력을 매개하는 중력자가 존재할 것임에 틀림없다고도 생각한다. 그러나 전자기력 등과 비교해 중력은 매우 약하기 때문에 관측이 어렵다. 그래서 아직 실험적으로는 중력자의 존재는 확인되지 않았다.

소립자는 '끈'으로 되어 있다?

그렇다면 중력자가 발견되면 우주의 수수께끼에 종지부가 될까? 이것 또한 그렇게 간단하지 않은 것 같다. 왜 소립자는 이 17종류(중력자를 넣으면 18종류)인가나 왜 빛이나 중력이 존재하는가 등 이런 보다 근원적인 질문이 남는다. 그래서 주목을 받고 있는 것이 소립자는 어떤 종류의 끈으로 되어 있다고 보는 '초끈이론'이다.

소립자를 관찰해 끈처럼 보인다는 실험결과는 지금까지 전혀 없었다. 하지만 끈이라고 가정하면 매우 좋다. 3D 영화를 볼 때 편광안경을 쓰면 입체적으로 보이는데 세로와 가로 편향을 가지는 빛을 좌우의 눈에 따로따로 통과시키기 때문이다. 소립자가 점이 아니라 끈이라고 생각하면 끈의 종횡의 진동의 차이로 편광을 설명할 수 있다. 게다가 끈의 진동 방정식으로부터 전자파(빛)의 운동을 기술하는 맥스웰 방정식이 자동적으로 도출된다. 대단한 것은 중력의 성질을 기술하는 아인슈타인 방정식도 소립자가 끈이라고 가정하면 이끌 수 있다. 이 세상에 왜 빛이 존재하는지, 왜 중력이 존재하는지 등 근원적인 의문을 수학적으로 설명할 수 있다.

다양한 수수께끼를 소립자가 끈이라는 가정으로 간단하게 풀 수 있다. 많은 물리학자가 몰릴 만한 매력에 넘치지만 그 앞에 보이는 광경은 상상을 초월하는 것이다. 우리는 사는 세상은 세로, 가로, 높이의 3차원 공간이라고 생각한다. 그 이유를 해결하는 아이디어로서 9차원 중 6차원은 작게 축소되어 우리에게는 보이지 않는다고 가설이 있다. 줄을 타는 광대를 생각해보자. 그는 줄 위를 앞뒤로 진행하기 때문에 줄은 1차원이다. 그 줄의 표면에 개미가 있다고 가정하면 개미는 줄의 표면을 앞뒤좌우로 움직일 수 있기 때문에 2차원, 줄의 내부에 벼룩이 있으면 벼룩에게는 3차원의 세계이다. 이와 같이 인간은 9차원의 세계에 있는데 3차원밖에 보이지 않을 뿐이라 생각한다.

새로운 과학의 지평을 넓힐까?

믿기 어려운 세계상으로 물리학자라고 해도 그 이론을 의심하는 사람은 많았다. 그러나 우주는 왜 존재하고 있는지, 우주의 시작은 무엇이었는가 등 이런 의문에 대답을 해줄 것 같은 매력에 저항하기 어렵다. 영국의 물리학자 호킹에 의한 블랙홀의 열역학적 연구의 난제가 해결될지도 모른다는 아르헨티나 출신의 물리학자 마르다세나가 제창한 홀로그래피 원리에 따르면 전자기의 운동을 기술하는 맥스웰 방정식을 조금 일반화한 시스템과 중력을 설명하는 아인슈타인 방정식의 시스템은 공간의 차원을 바꾸어 생각하면 같다. 하나는 전자와 광자의 미세한 이야기, 다른 한쪽은 중력이 작용하는 우주의 이야기, 그것을 같은 방정식으로 표현할 수 있다면 여러 힘은 동일한 것일지도 모른다. 17종류의 소립자도 실제로는 하나로 보이는 방법이 다를 뿐일지도 모른다. 전혀 다른 패러다임에 과학을 이끌 가능성을 가지고 있다.

우주관과 물질관을 바꾸어 버리는 초끈이론은 궁극의 이론이라고도 불린다. 하지만 그것을 증명하는 직접적인 실험결과는 아직 없다. 힉스입자를 발견한 대형 하드론 충돌형 가속기(LHC) 등에서도 증거를 찾고 있다. 우리가 살아있는 동안 증거가 발견되고 새로운 과학의 지평이 열리길 기대한다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 素粒子を紐解き、宇宙を知る
https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/story/2020/specialite_002_3

1, 2, 3으로 순서대로 10까지 더한 합계는 55다. 그렇다면 이것이 10이 아니라 무한대라면 어떻게 될까. 유한한 경우의 방법은 사용할 수 없다. 이 답은 놀랍게도 '-1/12'가 되었을 때로 18세기의 수학자인 오일러가 복소수의 해석학을 이용해 도출했다. 이번 숫자 '11차원'을 이끌어내는 중요한 소품이다.

이 차원이란 무엇인가. 한 점의 위치를 결정하는데 필요한 수치의 개수라는 설명이 알기 쉬울 것이다. 1차원은 직선의 세계로 원점으로부터의 거리만으로 위치는 정해진다. 2차원은 평면에서 세로와 가로 2개, 3차원이라면 거기에 높이를 더한 3개의 수치가 있으면 된다. 우리가 사는 공간은 3차원이고 시간을 더하면 4차원의 시공간이 된다. 하지만 5차원 이상은 갑자기 눈에 띄지 않게 된다.

무리해서 말하면 데이터베이스에서 하나의 샘플이 날짜, 장소, 연령, 수량 등 많은 속성(차원)을 가지며 각각의 값을 사용하면 데이터 공간 안의 위치를 특정할 수 있는 것과 비슷할지도 모른다. 무엇보다 데이터의 속성은 서로 무관하고 공간의 차원과는 본질적으로 다르지만...그런 세계를 제시하는 것이 우주의 궁극의 성립을 찾는 초끈이론이다.

물질의 세부사항을 살펴보면 원자, 원자핵, 소립자와 새로운 입자가 나타난다. 그 앞에는 한 종류의 극도로 작은 끈이 있다고 생각하는 발상이 그 이름의 유래다. 끈이 다양한 진동을 하는 것으로 인해 다양한 종류의 소립자가 나타난다.

끈의 진동은 1, 2, 3배…라는 정수배가 된다. 진동은 에너지이기도 해 질량에도 연결된다. 이것을 초끈이론으로 광자의 질량을 구하는 식에 적용한다. 자세한 것을 생략한 식은 아래와 같다.

2+(차원수-1)×(1+2+3+・・・・)×3=0

(1+2+3+…)는 진동수를 나타내는 부분이다. 여기에 앞의 오일러의 답 '-1/12'를 대입한다. 광자의 질량은 0이므로 차원 수는 9가 될 수 있습니다.

하지만 현실의 세계는 3차원. 나머지 6차원은 어디에 있는 것일까. 비유로 사용되는 것이 줄다리기다. 줄다리기를 하는 사람에게는 줄다리는 앞이나 뒤에만 진행할 수 있는 1차원 세계. 하지만 줄다리 위를 기어다니는 개미가 있다면 개미는 전후 좌우와 평면처럼 움직일 수 있는 2차원 세계로 인식할 것이다. 즉 개미가 보고 있는 평면은 줄다리를 하고 있는 사람에게는 숨겨져 있다는 것이다.

이렇게 나머지 6차원의 공간은 매우 작아 인식은 할 수 없지만 이 3차원 공간 안에 존재한다. 수학적으로 보여지는 세계이다.

이 초끈이론의 9차원은 끈과 끈 사이에 작용하는 힘이 강해진 특수한 경우에는 차원이 하나 증가하여 10차원이 되고 시간을 더해 11차원의 시공간이 된다.

공간이 늘어나거나 줄어든다니 상상을 넘어선다. "공간은 환상"이라고 이론물리학자인 오구리 박사는 표현했다.

초끈이론은 아직 이론 단계로 실험에서 확인될 날은 훨씬 미래다. 하지만 100년 전에 아인슈타인이 만들어낸 상대성이론이 지금은 전지구 측위시스템(GPS)의 정확성을 유지하는데 빼놓을 수 없듯이 초끈이론도 언젠가 실제 기술과 연결될지도 모른다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 「11次元」超弦理論による次元の数：数字で見る
https://www.ctc-g.co.jp/bestengine/article/2019/0423a.html

백색왜성이 반려성으로부터 헬륨을 빼앗아 무거워지면 백색왜성 표면에 모인 헬륨의 바닥에서 폭발적으로 헬륨의 핵융합반응이 일어나 최초의 폭발이 시작됩니다. 그 폭발이 방아쇠가 되어 백색왜성도 압축되고 중심 부근에서 탄소의 핵융합반응이 시작되며 그 반응이 별 전체에 퍼져 Ia형 초신성이 됩니다.

도쿄대학 대학원이 학계연구과의 강계안 대학원생, 도이모리 교수, 모야마 슌와 준교수 등의 연구그룹은 미국 하와이에 있는 구경 8.2m의 스바루 망원경을 이용하여 Ia형 초신성이라 불리는 별 폭발 직후에 특이한 현상을 발견했습니다. 게다가 해석 결과 이 현상은 Ia형 초신성 폭발을 일으키는 원리로서 제안되고 있던 가설의 하나에 대한 최초의 확실한 증거인 것을 알 수 있었습니다. 본 연구는 이 폭발원리를 규명하는 첫걸음으로 Ia형 초신성을 우주론적 거리측정의 표준광원으로 이용하는데 있어서 정밀도를 높이는 데도 도움이 될 것으로 기대됩니다.

별들 중에는 마지막으로 폭발하여 끝나는 것도 있습니다. 백색왜성이라고 불리는 고밀도 별은 연성을 이룰 때 상대의 별(반려성)에서 물질을 얻어 질량을 늘리고 자중을 지지하는 한계에 도달하거나 반려성과 합체한 후에 Ia형 초신성 폭발을 일으킨다고 추정됩니다. Ia형 초신성은 매우 밝고 모두 비슷한 광도를 가지므로 우주론적 거리지표로 사용됩니다. 2011년에 노벨 물리학상이 수여된 우주 가속팽창의 발견도 Ia형 초신성의 광도관측을 통해 얻은 성과의 유명한 사례입니다. 그러나 그러한 초신성 폭발이 어떻게 시작되는지는 알 수 없습니다. 지난 수십 년 동안 다양한 가설이 제안되어 왔지만 관측에 의해 검증된 것은 아닙니다.

도이모리 교수 연구그룹은 이러한 검증을 가능하게 하기 위해 폭발 후 며칠 이내의 Ia형 초신성을 포착하기 위해 스바루 망원경에 탑재된 세계에서 가장 뛰어난 광시야 카메라 Hyper-Suprime Cam을 이용한 관측을 2016년에 시작했습니다.

같은 해 4월에 초신성 폭발 직후의 희미한 빛을 포착하는 데 성공하여 관측된 Ia형 초신성의 광도는 최대 광도의 1% 이하였습니다. 그 후 세계 각지에 있는 8개의 망원경의 관측결과로부터 이 초신성은 Ia형임에도 불구하고 최초의 며칠간 과거에 관측된 Ia형 초신성과는 다른 밝기와 색의 변화를 나타낸 것으로 밝혀졌습니다. 이 특이한 현상의 원인을 탐구하기 위해 다양한 이론모델에 기초하여 많은 수치계산을 실시한 결과 이 초신성의 특징은 백색왜성 표면에 쌓인 헬륨층에서 헬륨 핵융합반응이 우선 폭주하고 다음에 그 폭주로 인해 생긴 충격파가 별의 내부에 전해져 중심 부근에서 탄소의 핵융합반응에 점화해 별 전체가 폭발한다는 시나리오(많은 백색왜성은 탄소와 산소로 이루어져 있다)로 설명할 수 있다는 것을 알게 되었습니다. 즉 1980년대 초에 제창된 Ia형 초신성의 폭발원리에 관한 하나의 시나리오가 현실의 우주에서 일어나고 있다는 것을 처음으로 보여준 확실한 증거를 포착한 것입니다.

"이 초신성을 출현 직후에 발견함으로써 Ia형 초신성은 어떻게 폭발을 시작하는지 처음 알 수 있었으며 폭발원리의 규명으로 이어질 것으로 기대된다"고 도이모리 교수는 설명했습니다. “또한 Ia형 초신성을 이용한 우주론적인 관측의 정밀도를 높이기 위해서도 도움이 될 것으로 보인다”고 전망했습니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- A hybrid type Ia supernova with an early flash triggered by helium-shell detonation
https://www.nature.com/articles/nature23908#citeas
- 表面での爆発から星の死への旅立ち
https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/ja/articles/a_00607.html

2021년 12월 발사된 제임스웹 우주망원경이 각종 조정을 마치고 2022년 7월 첫 컬러사진을 촬영한 후 약 2주간 보내져 오는 방대한 양의 데이터를 분석한 과학자들이 수많은 새로운 발견을 한 것으로 보도되고 있습니다.

Two Weeks In, the Webb Space Telescope Is Reshaping Astronomy | Quanta Magazine
https://www.quantamagazine.org/two-weeks-in-the-webb-space-telescope-is-reshaping-astronomy-20220725/

Two weeks in, the Webb Space Telescope is reshaping astronomy | Hacker News
https://news.ycombinator.com/item?id=32224725

◆ 가장 오래된 은하의 발견

지금까지의 관측 결과 우주는 138억 년 전에 탄생했다고 생각됩니다. 그 중에서 우리가 아는 가장 오래된 은하는 2022년 4월에 발견된 빅뱅으로부터 3억 3000만 년 후에 탄생한 'HD1'이었습니다. 이번에 하버드 스미스소니언 천체물리학센터의 로한 나이드 씨가 이끄는 연구팀과 마르코 카스텔라노 씨가 이끄는 로마천문대의 연구팀은 각각 별도로 제임스웹 우주망원경의 관측데이터를 조사해 특히 먼 곳에 있는 2개의 은하를 확인했습니다.

하나는 이전 허블우주망원경에서 관측했던 가장 오래된 은하와 관련된 빅뱅에서 4억 년 후의 은하이고 또 다른 하나는 빅뱅으로부터 3억 년 후에 탄생한 것으로 보이는 'GLASS-Z13'입니다.

아래의 사진은 제임스웹 우주망원경에 탑재된 근적외선 카메라로 촬영된 사진을 확대한 것입니다.

GLASS-Z13의 발견으로 가장 오래된 은하의 기록은 불과 3개월 만에 바뀐 것인데 과학뉴스사이트 Quanta Magazine은 GLASS-Z13의 기록도 오래가지 못할 것이라고 보았습니다. 덧붙여 우주가 팽창하고 있기 때문에 지구와 GLASS-Z13 사이의 거리는 330억 광년이나 떨어져 있습니다.

이 밖에도 텍사스대학 오스틴교의 천문학자로 우주진화 조기 릴리스 과학조사(CEERS)의 멤버인 레베카 라슨 씨는 빅뱅에서 5억 년 뒤 탄생한 은하를 발견했다는 것. 다만 라슨 씨 연구팀은 아직 정식발표는 하지 않았습니다.

◆ 은하의 구조

2400만 광년 떨어진 곳에 있는 은하 'NGC7496'은 허블우주망원경에서는 먼지나 가스로 희미하게 흐릿한 모습으로서 관측되고 있었습니다. 제임스웹 우주망원경의 관측에서는 새롭게 그 가스의 내부 모습이 밝혀졌다고 미 국립과학재단 NOIRLab의 쟈니스 리 씨가 보고했습니다.

'밤하늘의 보호'를 테마로 조명 배치 계획의 책정 등을 실시하고 있는 컨설팅 회사 Dark SkyConsulting의 천문학자인 존 발렌틴 씨는 제임스웹 우주망원경이 촬영한 거문고자리의 환상성운(NGC6720 )의 사진에서 은하 중앙부의 부푼 구조를 연구할 수 있는 원반은하가 있다는 것을 발견했습니다. 이 은하는 이전에는 환상성운의 일부라고 오인되고 있었는데 발렌틴 씨는 "제임스웹이 촬영하는 거의 모든 이미지는 배경까지 살펴볼 가치가 있다"고 평가했습니다.

NASA가 초고성능 우주망원경 '제임스웹 우주망원경'으로 촬영한 첫 컬러사진을 공개했습니다. 공개된 사진에는 기존의 망원경으로는 관측 불가능했던 심우주의 은하가 선명하게 찍혀 있습니다.

First Images from the James Webb Space Telescope | NASA
https://www.nasa.gov/webbfirstimages

NASA’s Webb Delivers Deepest Infrared Image of Universe Yet | NASA
https://www.nasa.gov/image-feature/goddard/2022/nasa-s-webb-delivers-deepest-infrared-image-of-universe-yet

제임스웹 우주망원경은 허블우주망원경의 후계기로 개발된 우주망원경으로 2021년 12월 우주로 발사되었습니다. 그 후 운석의 충돌이라는 사고에 휩쓸리면서도 주경의 조정이나 각종 기기의 교정이 계속되었고 2022년 7월에는 피사체 추적용 센서 'Fine Guidance Sensor(FGS)'로 촬영한 테스트 화상이 공개되었습니다. 공개된 테스트 이미지는 '피사체 추적용 센서로 촬영', '복수의 노광간 기기의 재조정을 실시하지 않는다'라는 악조건으로 촬영되었음에도 불구하고 훨씬 더 별들이 깨끗이 찍히는 경이로운 성능을 보여주었습니다.

그리고 2022년 7월 11일에는 각종 조건을 정돈한 뒤 제임스웹 우주망원경의 메인 센서 'Near Infrared Camera(NIRCam)'를 이용하여 촬영된 은하단 'SMACS 0723'의 사진이 공개되었습니다.

NASA가 공개하고 있는 고해상도 버전
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/main_image_deep_field_smacs0723-5mb.jpg

'SMACS 0723'의 사진은 12.5시간에 걸쳐 촬영한 데이터를 수주 간에 걸쳐 처리하는 과정으로 현상되었다고 합니다. NASA는 촬영한 컬러사진에 대해 "역사상 가장 깊고 예리하게 우주를 촬영했습니다. 촬영한 사진에는 지금까지 적외선을 이용해 촬영된 것 가운데 가장 어두운 천체를 포함한 수천 개의 은하가 담겼다”며 제임스웹 우주망원경의 압도적인 성능을 설명했습니다.

또한 NASA는 제임스웹 우주망원경의 초기 촬영대상으로 'SMACS 0723' 외에 '카리나성운', 'WASP-96 b', '남쪽 고리성운', '스테판의 다섯 개 은하'를 선정했습니다. 또 2022년 7월 11일 공개된 컬러사진은 초기 촬영 이벤트로 촬영된 사진의 일부이며 한국 시간 2022년 7월 13일(수)의 0시 30분부터 다른 사진 및 분석 데이터가 공개될 예정입니다. 새로운 사진 및 분석 데이터의 발표 모습은 생중계될 예정입니다.

NASA Live: Official Stream of NASA TV - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=21X5lGlDOfg

거대한 천체가 붕괴되어 형성된다고 생각되는 블랙홀은 우리은하 전체에 수억 개 존재하지만 블랙홀은 빛을 발하지 않기 때문에 홀로 존재할 경우 관찰할 수 없습니다. 복수의 연구팀은 중력 마이크로 렌즈법이라고 불리는 관측법으로 단독으로 존재하는 떠돌이 블랙홀(free-floating black hole)을 지구로부터 수천 광년 떨어진 우리은하 내에서 발견했을 가능성을 보고했습니다.

[2201.13296] An Isolated Stellar-Mass Black Hole Detected Through Astrometric Microlensing
https://arxiv.org/abs/2201.13296

[2202.01903] An isolated mass gap black hole or neutron star detected with astrometric microlensing
https://arxiv.org/abs/2202.01903

Astronomers may have detected a ‘dark’ free-floating black hole | Berkeley News
https://news.berkeley.edu/2022/06/10/astronomers-may-have-detected-a-dark-free-floating-black-hole/

일반적으로 블랙홀의 관측은 주위의 물질이 흡입될 때 발하는 X선을 검출하는 방식으로 관측할 수 있지만 주위에 별 등이 없는 떠돌이 블랙홀은 관측하기 위한 빛도 블랙홀의 강한 중력에 빠져 버리기 때문에 관측이 어렵습니다. 대학원생의 케이시 램 씨와 캘리포니아대학 버클리교의 천문학 준교수인 제시카 루 씨가 이끄는 팀은 천체의 강한 중력장에 의해 빛이 왜곡되어 있을 때 먼 별이 더욱 밝아진다는 현상을 이용한 중력 마이크로 렌즈법을 이용하여 떠돌이 블랙홀의 관측을 실시했습니다.

중력 마이크로 렌즈법을 통한 관찰에서는 우주망원경으로 10년간에 걸쳐 특정 항성을 계속 관찰해 그 겉보기 위치가 블랙홀이 없다고 가정했을 경우에 보일 위치보다 극히 약간 어긋난 경우 지구와 항성 사이에 직접 관측할 수 없는 대질량 천체가 있다고 추정할 수 있습니다.

An Isolated Stellar-Mass Black Hole Detected Through Astrometric Microlensing
https://arxiv.org/abs/2201.13296

Rogue black hole spotted on its own for the first time | Space
https://www.space.com/rogue-black-hole-isolated-discovery

버클리교가 이끄는 국제 공동연구팀은 '중력 마이크로 렌즈법'을 통해 태양계가 위치한 우리은하의 중심에 있는 초거대질량 블랙홀의 첫 관측에 성공했습니다. 우리은하에서 주위의 천체로부터 고립된 '떠돌이 블랙홀'이 발견된 사례는 최초로 앞으로 더 많은 수의 블랙홀을 발견하여 우리은하 내에 있는 블랙홀의 대강의 수를 특정하는 작업이 필요합니다.

Berkeley scientists find a way to "see" invisible black holes - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=uXlj1WYDZEg

볼티모어의 우주망원경과학연구소 연구팀은 중력 마이크로렌즈법에 의한 관측 데이터를 연구해 동일한 떠돌이 블랙홀을 발견했습니다. 그러나 우주망원경과학연구소의 천문학자인 카이라시 C 사프 씨의 연구팀은 '태양의 약 7배 크기 블랙홀'이라고 결론 내린 반면 버클리교가 이끄는 국제공동연구팀의 연구자들은 추정 질량을 태양의 2배에서 4배로 블랙홀이 아닌 중성자별일 가능성도 있다고 수정했습니다. 블랙홀이든 중성자별이든 은하를 방황하는 다른 별과 짝을 이루지 않는 외로운 항성의 어두운 잔해로는 최초로 발견되었습니다.

우리은하에 존재하는 항성의 잔해의 수를 파악할 수 있으면 별이 어떻게 진화하고 어떻게 죽는지를 이해하는 데 도움이 되며 블랙홀 중 어느 것이 원시적인 것인지를 분명히 파악할 수 있습니다. 루 씨는 “이번에 처음으로 중력 마이크로 렌즈법으로 떠돌이 블랙홀 또는 중성자별을 발견할 수 있었다"며 연구의 의미를 강조했습니다.

많은 사람은 자신이 지금 있는 곳을 '집', '화장실', '편의점', '공원의 벤치' 등으로 인식합니다. 이런 인식은 우리 몸이 주위의 정보를 수집해 내린 판단에 불과한 것으로 실제로는 인간이 있는 곳은 둥근 지구 위이며 그 지구는 고속으로 자전과 공전을 하고 태양계도 우주공간을 계속 움직이고 있습니다. 이런 사실을 과학계 YouTube 채널 Kurzgesagt가 상세히 설명했습니다.

You Are Not Where You Think You Are - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=Pj-h6MEgE7I

엄밀하게 자신이 어디에 있는지를 생각하는 것은 어렵지만 절대적인 위치라는 개념은 어디까지나 인간이 만들어낸 것이고 위치는 상대적인 것에 지나지 않습니다.

만약 우주에서 별이나 블랙홀 등 모든 존재가 사라져 버린 경우에는 빈 공간만이 남을 것입니다. 주위에 아무것도 없는 공간에서는 모든 것이 균일하게 되어 특정의 위치라는 의미는 없어집니다. 즉 물질은 다른 무언가와의 관계에서만 위치가 정해지는 것이고 상하나 좌우라는 개념도 상대적인 것에 지나지 않습니다.

인간이 밖으로 나와 주위를 둘러보면 세계는 평평하고 상하좌우의 3차원 이동이 가능한 것으로 보입니다. 이 시점은 물리학에서 기준계라고 불리는 것으로, 적어도 본인의 시점에서는 전혀 문제가 없습니다. 그러나 사실 세계는 평평하지 않습니다. 지구는 구형이며 인간의 시점에서는 약 5km 앞의 수평선까지밖에 볼 수 없고 자신을 기준으로 아래의 방향에 살고 있는 사람은 반대로 나의 위치를 아래라고 인식하고 있습니다.

아래는 중력에 의한 영향을 받은 개념이며 기준틀의 착각입니다. 또 사람들은 통상 북쪽이 위인 지도를 이용하고 있기 때문에 북이 위라고 생각하기 쉽지만 더 멀리서 지구를 보고 있는 존재는 이것을 반대로 파악할지도 모릅니다.

지구가 실은 평평하지 않고 구형이라는 사실을 인정해도 끝이 아닙니다. 지구는 항상 자전하고 태양을 공전하고 있어 한 곳에 머무르지 않습니다. 자전과 공전이 매우 정연한 운동이 아니고 실제로는 생각보다 복잡한 움직임을 하고 있습니다. 지구의 공전궤도는 타원을 그리고 있으며 1년 중에서도 태양에 가까울 때나 먼 때가 있고 이동하는 속도도 변화하고 있습니다.

게다가 타원궤도도 10만 년 주기로 어긋나 있는데다 공전궤도도 조금씩 변화하고 있기 때문에 긴 기간으로 보면 아래와 같이 어긋난 공전궤도가 태양 주위를 빙빙 도는 형태가 됩니다.

이 현상에는 지구의 위성인 달의 중력이 영향을 미칩니다. 달은 꽤 거대하고 지구를 당기는 중력을 가지고 있습니다. 지구와 달은 공통의 중심을 주회하고 있는데 이것은 지구의 중심으로부터 약 4700km 떨어진 장소에 있어 지구는 그만큼 흔들리는 궤도를 그리고 있다는 것. 그 때문에 공전궤도는 달의 중력으로 인해 조금 어긋나 있습니다.

덧붙여 태양계의 평면이라는 것은 지구가 주회하는 평면으로서 정의되고 있는데 사실 각 행성은 미묘하게 어긋난 평면을 돌고 있습니다.

또한 태양계조차 부동이 아닙니다. 태양계는 은하계(우리은하)에 속해 있어 은하계의 중심을 주회하고 있습니다. 태양계는 은하계를 약 2억 3000만 년 주기로 주회하고 있는데 태양계의 평면은 은하계의 질량의 대부분이 존재하는 은하면과 일치하지 않고 약 60도 기울어진 상태라는 것. 은하계의 중심에서 보면 태양계의 행성은 나선을 그리면서 주회하고 있는 것처럼 보입니다. 또 은하계를 둘러싼 은하원반의 질량도 태양계의 궤도에 영향을 주기 때문에 태양계는 은하면을 올라가거나 내려가면서 주회하고 있습니다.

태양계가 1회 상하운동을 하는 데는 약 3000만 년 정도 걸릴 것으로 추정되는데 너무 길기 때문에 완전히 매핑되지 않았다고 합니다.

그 은하계는 합계로 약 10만 개의 은하를 포함한 라니아케아 초은하단이라 불리는 초은하단의 한쪽 구석에 위치하며 라니아케아 초은하단은 은하 필라멘트라는 우주 최대의 구조를 구성하고 있습니다. 여기까지 오면 더 이상 지구 위에 살고 있는 인간의 시점이 상대적인 것에 지나지 않는다는 것을 잘 실감할 수 있습니다.

사실 인간에게 이러한 사실은 큰 문제가 아닙니다. 인간이 지구상의 어딘가에 존재하고 있다는 사실은 변하지 않고 자신이 작은 우주의 중심에 있다고 생각해도 달라질 것은 없습니다.

2021년 12월 우주에 발사된 제임스웹 우주망원경 운영팀이 2022년 5월 9일 망원경에 탑재된 4개의 관측기기 조정이 완료되었다고 보고했습니다. 여름 공식 운용 개시를 앞두고 테스트 촬영된 우주의 이미지를 살펴보면 제임스웹 우주망원경이 구형 망원경에 비해 압도적으로 높은 정밀도라는 것을 한눈에 알 수 있습니다.

MIRI’s Sharper View Hints at New Possibilities for Science – James Webb Space Telescope
https://blogs.nasa.gov/webb/2022/05/09/miris-sharper-view-hints-at-new-possibilities-for-science/

James Webb Space Telescope is 'perfectly aligned,' NASA says | Live Science
https://www.livescience.com/james-webb-telescope-perfectly-aligned

James Webb Space Telescope's optical alignment "perfect," NASA says - CBS News
https://www.cbsnews.com/news/james-webb-space-telescope-nasa-optical-alignment/

NASA에서 제임스웹 우주망원경 프로젝트를 담당하는 Michael McElwain 씨는 발표에서 "망원경의 정렬이 예상보다 우수한 성능으로 완료되었다"며 조정작업이 순조롭게 끝났음을 보고했습니다.

아래의 이미지는 관측할 준비완료를 증명하기 위해 프로젝트팀이 게시한 이미지입니다. 대마젤란성운에 있는 천체를 관측한 것으로 2020년 1월에 운용종료한 스피처 우주망원경 이 촬영한 것(왼쪽)과 제임스웹 우주망원경이 촬영한 것(오른쪽)을 비교하면 크고 작은 다양한 별의 빛과 성운의 정교함이 차원이 다르다는 것을 알 수 있습니다.

NASA는 “제임스웹 우주망원경의 중적외선관측장치(MIRI)로 성간가스가 상세하게 파악되었습니다. 특히 다환방향족 탄화수소 즉 성간가스의 화학작용 등에 중요한 역할을 하는 탄소와 수소 분자의 방사를 확인할 수 있습니다. 제임스웹 우주망원경이 정식 가동을 시작하면 이러한 관측을 통해 별과 원시 행성의 탄생에 관한 새로운 통찰을 가져올 것”이라고 설명했습니다.

NASA에 따르면 제임스웹 우주망원경은 2022년 여름 관측 개시를 향한 마지막 준비에 들어갔으며 2개월에 걸쳐 이루어지는 조정작업에서는 4기 탑재된 기기의 교정이나 17종류의 동작모드를 확인하는 테스트 관측과 데이터 수집 등이 예정되어 있습니다. 그리고 7월에는 제임스웹 우주망원경이 관측한 조기 릴리스 관측 결과(early release observations：ERO)가 공개될 계획이 예정되어 있습니다.

메릴랜드주 볼티모어에 위치한 우주망원경 과학연구소인 Klaus Pontoppidan은 “초기 우주의 모습, 은하의 시간적 변화, 별의 삶, 그리고 더 먼 세계까지 제임스웹 우주망원경의 모든 과학적 테마의 하이라이트가 되는 최초의 사진을 7월에 공개할 예정"이라고 밝혔습니다.

우주는 대부분은 진공이며 음파가 전해지는 매개체가 존재하지 않기 때문에 우주공간에서는 소리가 들리지 않습니다. 그러나 소리가 존재하지 않는 것은 아니라서 대량의 가스가 포함된 은하단에서는 수천 개의 은하를 감싸는 가스를 매개체로 하여 음파가 전해집니다. 2003년에 페르세우스 은하단의 블랙홀에서 음파가 관측된 이후 이 블랙홀은 소리와 관련되어 연구되고 있었는데 인간의 가청영역을 크게 넘은 블랙홀의 소리를 가청화한 소리데이터를 NASA가 Youtube에 공개했습니다.

Quick Look: Black Hole Sonification Remix - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=jiideYPlOYY

Chandra :: Photo Album :: Sonification Collection :: May 4, 2022
https://chandra.si.edu/photo/2022/sonify5/.

2022년 5월 2일부터 6일 동안 열린 NASA의 블랙홀 위크에서 공개된 영상은 찬드라 X선 관측위성(CXO)이라는 X선 망원경 탑재 인공위성으로 촬영한 페르세우스자리의 초거대질량 블랙홀의 데이터로 블랙홀의 중심에서 전송된 압력파가 고온가스에 파문을 일으킨 것을 소리로 변환한 것입니다. 이 소리는 10옥타브 정도라고 불리는 인간의 가청영역의 중앙부보다 57옥타브 낮아 사람은 들을 수 없습니다. 따라서 CXO에서 추출한 음파를 실제 피치보다 57~58옥타브 위로 스케일업해 재합성한 소리입니다.

영상에서는 중심으로부터 레이저광이 빙빙 돌면서 소리를 내는 것처럼 들리는데 이것은 레이더가 다양한 방향으로 방사된 음파를 듣고 있다는 것을 시각화한 것으로 레이더의 움직임에 따라 낮게 예리한 소리가 울립니다.

또 페르세우스 은하단 외에도 2019년 4월 블랙홀의 모습을 파악하기 위한 국제 프로젝트 '이벤트 호라이즌 텔레스코프(EHT)'가 관측이미지를 공개한 처녀자리 은하단의 'M87'의 블랙홀에서 가청화한 소리가 공개했습니다.

영상에서는 위로부터 보라색 선, 청색 선, 오렌지 선이 그려진 3개 층을 합쳐 소리로 표현했습니다. 위의 보라색이 CXO로부터의 X선이며 중앙의 청색이 NASA의 허블우주망원경으로부터의 빛, 아래의 오렌지색은 칠레의 아타카마 대형 밀리미터파 서브밀리미터파 간섭계(전파)의 관측데이터를 나타내고 있습니다. 또 이미지의 왼쪽에 있는 가장 밝은 부분이 블랙홀의 관측된 위치이며 거기에서 오른쪽 위로 제트가 생성되어 있습니다. 이 중심에서 바깥쪽으로 스캔한 X선·광·전파의 파장을 매핑해 다른 범위에서 가청화한 것이 동영상 후반부의 소리라고 합니다.

블랙홀에서 전해지는 음파는 은하 사이를 떠도는 가스가 플라즈마를 통해 에너지를 수송할 때에 가스를 가열하는 메카니즘으로 여겨지고 있으며 그 온도가 별을 형성하기 위한 조절에 도움이 되기 때문에 음파가 은하단의 진화에 중요한 역할을 하고 있을 가능성이 있습니다. 관측한 시각데이터를 소리로 바꾸는 작업은 우주에 대한 호기심을 채워줄 뿐만 아니라 과학적인 가치도 기대되고 있습니다.

지구가 360도 회전하는 데 정확히는 24시간이 아니라 23시간 56분이 걸린다. 지구는 항상 태양 주위를 공전하고 있기 때문에 360도의 회전이 끝나면 지구상의 다른 지점이 태양의 정면에 온다. 태양이 정확히 같은 위치에 도달하려면 지구가 한 번 더 회전해야 합니다.

우리는 지구의 정확한 회전이 아니라 하늘의 태양의 위치에서 시간을 측정하는 방법을 취하고 있습니다. 엄밀히 말하면 2가지의 다른 타입의 하루이다. 지구가 360도 회전하는 시간을 '항성일'이라고 부르며 태양의 위치에 근거한 1일은 '태양일'이라고 부른다. 후자는 전자보다 4분 길고 우리가 익숙한 24시간이다.

“태양일이 24시간인 것은 태양 주위를 공전하고 있기 때문”이라고 일본의 우주항공연구개발기구(JAXA)에 소속 중인 행성과학자 제임스 오드노휴(James O'Donoghue) 씨는 말한다. 그는 이 메커니즘을 설명하기 위해 아래의 동영상을 만들었다.

Sidereal Day versus Solar Day
https://www.youtube.com/watch?v=WWw4JY2dNXM

달력에서는 태양일을 기준으로 하고 있어서 1년을 365일로 세고 있지만 실제로는 지구는 1년에 366회의 자전(항성일)을 하고 있다.

오드노휴 씨는 이 두 종류의 하루의 차이를 지구 자전의 기준이 되는 배경 선택의 문제로 설명하고 있다. 태양의 위치를 기준으로 자전하는 것이 태양일이며 다른 모든 항성의 위치를 기준으로 자전하는 것이 항성일이다.

"만약 우리가 항성일을 사용하고 있었다면 태양은 매일 약 4분 일찍 뜰 것이다. 반년 후에는 태양은 12시간 일찍 뜨게 된다"고 오드노휴 씨는 말한다. 그는 “우리는 매일의 리듬을 별이 아니라 태양에 맞추기로 한 것이다. 별은 우리의 선택으로 매일 약 4분 빨리 하늘에 뜨게 되었다”고 덧붙였다.

2021년 12월에 발사된 제임스웹 우주망원경은 2022년 1월에 주경의 전개에 성공한 이후 주경의 정렬을 계속했습니다. 그리고 2022년 3월 17일에는 주경의 정렬이 거의 완료되어 별을 선명하게 촬영한 사진이 공개되었습니다. 공개된 사진에는 촬영대상의 별뿐만 아니라 훨씬 먼 은하까지도 선명하게 찍혀 있습니다.

NASA’s Webb Reaches Alignment Milestone, Optics Working Successfully | NASA
https://www.nasa.gov/press-release/nasa-s-webb-reaches-alignment-milestone-optics-working-successfully

제임스웹 우주망원경은 허블망원경의 후계기로서 개발된 망원경으로 우주공간에서 운용되는 망원경으로서는 처음으로 복수 세그먼트로 나뉘어진 주경을 탑재하고 있습니다. 이 때문에 제임스웹 우주망원경으로 우주를 관측하기 위해서는 18장으로 나뉘어진 주경의 정렬을 실시할 필요가 있었으며 2022년 1월에 주경이 전개된 이후 정렬작업이 계속되고 있었습니다.

아래 사진은 2022년 2월 11일에 정렬작업 중이던 제임스웹 우주망원경이 촬영한 것입니다. 큰곰자리의 HD 84406을 촬영한 것으로 주경의 각도조정이 완료되지 않았기 때문에 1개의 별이 18개로 흩어져 찍혀 있습니다.

그 후 2022년 2월 18일에는 6각형으로 조정된 사진이 공개되었습니다.

2022년 2월 25일에는 위치조정이 진행되어 선명해진 사진이 공개되었습니다.

2월 25일 시점에서 18장의 세그먼트의 빛이 하나로 모이도록 설정해 촬영한 사진.

그 후도 각 세그먼트의 나노미터 단위의 조정이 진행되었고 2022년 3월 17일에는 매우 선명하게 별이 보이는 사진이 공개되었습니다. 이 별은 '2MASS J17554042+6551277'라는 별로 그 주위에 비치는 섬세한 점들은 훨씬 먼 은하라는 것. 이 사진은 NASA에 의해 붉은 필터가 더해져 있습니다.

NASA에 따르면 제임스웹 우주망원경의 관찰능력은 기대를 웃돌고 있고 주경의 조정은 향후에도 계속되어 2022년 5월 초순에 광학계의 조정이 완료되면 여름 무렵에는 풀해상도의 사진이나 과학 데이터가 공개될 예정이라고 합니다.

적도를 따라 7개의 거대한 고리가 주회하는 토성은 태양계 중에서도 특이한 행성이다. 이미지에서는 곧 알 수 없지만 토성의 링을 구성하는 얼음이나 바위는 음속의 70배에 달하는 속도로 움직이고 있다. 게다가 각각의 고리는 다른 속도로 움직이고 있다.

일본의 우주항공연구개발기구(JAXA)에 소속된 행성과학자 제임스 오드노휴(James O'Donoghue) 씨는 “토성의 고리는 어떤 의미에서 미니 태양계”라고 설명했다.

토성에 가까운 물체일수록 고속으로 주회하고 있다. 그렇지 않으면 토성에 낙하해 버리기 때문이다. 한편으로 멀리 주회하는 물체는 천천히 움직일 수 있다.

애니메이션에서는 synchronous orbit(동기 궤도)라고 표기된 선이 토성의 자전과 동기하고 있어서 고리의 상대속도를 알 수 있게 되어 있다.

The orbit(s) of Saturn's rings
https://www.youtube.com/watch?v=u3rpAHKVh84

토성의 가장 바깥쪽을 주회하는 고리는 속도가 가장 느려 시속 3만7000마일(초속 약 16.4㎞)로 주회하고 있다. 이것은 토성의 자전보다 느리다. 가장 안쪽의 고리를 형성하는 얼음이나 바위의 덩어리는 시속 5만 2000마일(초속 약 23.2㎞)로 주회하고 있다.

토성의 고리를 가까이에서 관찰하면 인접한 궤도를 주회하는 얼음입자끼리의 속도는 서로 초속 수 센티미터밖에 차이가 없다.

오드노휴 씨는 "이것은 30분마다 한 걸음 정도라는 속도로 러시아워의 도로정체와 비슷하다"며 "그 때문에 충돌은 그다지 드라마틱하지 않다"고 트윗했다.

초고속으로 회전하는 것 외에도 토성의 고리는 매우 길고 얇습니다. 토성의 고리를 똑바로 펼쳐 보면 태양계의 행성 모두를 충분히 늘어놓을 정도의 거리가 된다.

그러나 토성의 고리의 총 질량은 달의 약 5000분의 1이다.

토성의 고층 대기를 연구하는 중에 오드노휴 씨와 공동연구자는 토성의 고리가 천천히 소멸하고 있다는 것을 발견했다.

"토성 고리의 시스템은 결코 안정적이지 않다. 항상 존재헀던 것이 아닌 오래 전 달이나 혜성이 토성에 너무 가까워져 파괴된 일시적인 파편 필드로 보인다”고 오드노휴 씨는 말했다.

지금 이 순간도 지구를 비롯한 태양계의 모든 행성은 헤아릴 수 없는 속도로 태양 주위를 돌고 있다.

행성과학자 제임스 오드노휴(James O'Donoghue) 씨는 이 상상의 움직임을 이미지화했다. 일본의 우주항공연구개발기구(JAXA)에 소속된 오드노휴 씨는 사적인 시간을 이용해 태양계의 복잡한 물리학을 알기 쉬운 몇 가지 애니메이션으로 정리해 왔다.

이번 2개의 애니메이션은 각각의 행성이 얼마나 빨리 이동하고 있는지를 나타내고 있고 태양에 가까운 행성은 경이적인 속도로 이동하는 반면 멀리 떨어진 행성은 한가롭게 움직이는 것처럼 보인다.

이는 태양에 가까운 물체가 그 중력에 끌려 타오르는 것을 피하기 위해서는 빨리 움직여야 하기 때문이다.

"태양 주위를 안정된 궤도로 돌고 있는 천체가 있다는 것은 그들이 태양의 중력에서 벗어나기에 충분한 속도로 돌고 있다는 것을 의미한다"고 오드노휴 씨는 설명한다.

첫 번째 애니메이션은 각 행성이 각 궤도에서 태양을 공전할 때의 속도를 보여줍니다. 태양에 가장 가까운 수성은 초속 47.4㎞로 이동한다. 해왕성은 겉보기에 느려 보이지만 초속 5.4㎞로 진행 중이다. 이것은 총탄의 약 6배의 속도다.

Relative orbital velocities – planet motions, rotations and tilts to scale
https://www.youtube.com/watch?v=F4h2h0RhaMI

그 외에도 오드노휴 씨는 공전 횟수를 보여주기 위해 두 번째 애니메이션을 만들었다. 화면의 우측에 공전 횟수(number of orbits)가 표시되어 있다. 행성이 화면을 횡단할 때마다 태양 주위를 1회 돌고 있다.

Relative orbital periods of the planets: orbital periods rather than orbital velocities
https://www.youtube.com/watch?v=9NoS4yqa-z4

"태양에 가까운 행성은 필연적으로 빨리 공전하고 있다"고 오드노휴 씨는 말한다.

그 결과 수성은 지구의 1년 동안 몇 차례 공전한다. 한편 해왕성은 지구의 164년 가까이 걸려 태양 주위를 한 바퀴 돌고 있다.

태양계의 위성 중 직경이 1,000km를 넘는 것은 15개 있습니다. 그 중에서 역방향(오른쪽)으로 공전하는 위성은 해왕성의 위성 트리톤뿐입니다. 다른 위성들은 모두 왼쪽으로 돌고 있습니다.

한편으로 행성으로부터 멀리 떨어진 곳을 도는 위성은 대체로 직경이 작고 우회전을 하는 것도 많습니다.

대형 위성이 근방에 많고 거의 좌회전인 것은 우연일까요? 위성이 모두 태양의 인력에 끌려 낙하해 온 것으로 낙하의 도중에 각각의 행성에 포착되었다고 상정하면 위성은 모두 황도면의 연장면상부터 태양을 향해 낙하해 온 것에 한정됩니다. 그 이외는 태양에 흡수되었거나 태양을 도는 혜성이 되었거나 혹은 토성 밖을 타원궤도로 도는 심우주역 소행성이 됩니다.

낙하해 오는 소천체는 태양에 가까워짐에 따라 빨라지고 수성이나 금성은 이동속도가 빠르기 때문에 위성이 탄생하기는 어려웠을지도 모릅니다. 목성, 토성, 천왕성, 해왕성은 태양으로부터 멀리 위치해 있고 공전속도도 상대적으로 느리면서 질량도 커 위성을 포착하기 쉽다고 생각됩니다.

태양이 향하던 소천체가 도중에 목성을 만난 경우 이 소천체가 직경 1,000km 이상의 비교적 큰 것이라면 목성의 공전궤도에 대해 직각으로 진입해 온 경우에는 직진하는 관성도 크기 때문에 위성이 될 수 없을 것입니다.

그러나 혜성과 같은 궤도를 그리면서 같은 진행방향으로 바깥쪽에서 목성의 공전궤도에 가까워지고 게다가 목성이 진행되는 전방으로 진입하는 경로라면 목성의 인력을 보다 장시간 받으면서 소천체의 진행방향을 보다 변화시킬 것입니다.

또 태양의 인력과 목성의 인력을 가산하여 받는 시기가 있다는 점도 더해질 것입니다. 지구에서 발사한 우주기기의 가속방법에 스윙바이라는 방법이 있습니다, 목성에 접근하는 소천체도 이것과 다소 비슷한 접근이 되면 가속, 감속, 방향도 크게 변화시킬 것으로 생각됩니다. 특히 진행방향 앞을 통과해 가는 감속 스윙바이는 소천체를 주회궤도에 포착하는 경우가 있을 것

반대로 뒤로 진입해 왔을 때는 목성의 인력을 받는 시간이 짧아 오른쪽에 목성, 왼쪽에 태양이라 소천체는 그 궤도를 다소 변화시킬지도 모르지만 결국은 떠나버릴 것입니다.

소천체가 목성의 전방으로 떨어지는 경우는 충돌의 가능성도 높지만 위성으로서 포착될 가능성도 높지 않을까요. 모든 행성은 좌회전을 하고 있기 때문에 이 만남에서 포착된 위성은 모두 좌회전이 됩니다.

미소한 천체는 질량도 작기 때문에 자신의 진행방향을 목성 등에 의해 변경되기 쉽고 통과 직후에도 목성의 인력에 위성이 될 가능성이 있습니다. 마찬가지로 옆으로의 돌입에 대해서도 위성이 될 가능성이 있다고 생각됩니다. 미소한 천체는 오히려 전방에서 접근하면 진로가 변경되기 쉬워 흡수되어 버릴 것입니다.

해왕성은 태양계의 최외측에 있어 공전속도도 제일 느리고 태양으로부터 멀기 때문에 낙하하는 트리톤의 속도가 그다지 증가하지 않아 뒤쪽에서 간신히 위성에 도입된 것으로 추정됩니다.

명왕성은 원래 연성이었는지 태양계에 참가한 후 카론을 포착했는지, 어느 쪽이 포착했는지 모르기 때문에 행성과 위성의 관계가 아닌 것 같습니다.　　

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 衛星の公転はなぜ左回り
http://home.ajisai.ne.jp/~suisen/onboro/body08.html

우리는 초속 600km라는 맹렬한 속도로 우주공간을 돌진하고 있다. 지구는 태양을 공전하고 태양은 은하(은하계)의 중심을, 은하는 빅뱅에서 방출된 방사선의 흐름 속을 질주하고 있기 때문이다.

행성과학자인 제임스 오드노휴(James O'Donoghue) 씨는 단순한 애니메이션으로 그 속도를 비교할 수 있도록 했다.

Relative Cosmic Velocities [wide screen, more info]
https://www.youtube.com/watch?v=npq_yb-xLmw

애니메이션의 왼쪽의 숫자는 지구의 자전속도, 지구가 태양을 공전하는 속도, 태양계가 은하의 중심을 주회하는 속도, 은하가 우주공간을 질주하는 속도를 나타내고 있다. 오른쪽으로 움직이는 점은 각각이 150km를 진행하는 상대적인 속도를 나타낸다.

애니메이션을 보면 알 수 있듯이 지구의 자전은 상대적으로 느리다. 한편 은하는 초속 600km의 속도로 우주공간을 질주하고 있다.

“많은 은하가 우리의 은하와는 상대적으로 다른 속도로 움직이고 있기 때문에 그것들과 비교하는 것이 아니라 생각할 수 있는 것 가운데 최대이면서 움직이는 물질인 CMB와 비교하기로 했다”며 오드노휴 씨는 우주 마이크로파 배경 방사선(cosmic microwave background: CMB)을 언급했다. 이것은 빅뱅의 잔존을 나타내는 희미한 방사선으로 우주공간을 채우고 있다.

"측정에서 CMB는 특정 방향에서 나오며 바람처럼 흐르고 있는 것으로 나타났다"고 오드노휴 씨는 덧붙였다.

모든 것이 움직이기 때문에 속도는 상대적으로 나타납니다. 지구는 태양 주위를 초속 29.8km로 공전하고 태양은 은하 주위를 초속 230km로 주회하고 있지만 CMB와 비교했을 때의 태양계가 움직이는 속도는 초속 370km가 된다. 게다가 은하가 CMB를 질주하는 속도는 초속 600km가 된다.

물론 지구에 있으면 그렇게 빨리 움직이고 있다고는 느껴지지 않는다. 일론 머스크(Elon Musk)는 이 애니메이션에 대해 "속도가 아니라 가속밖에 느끼지 않는다는 것을 잘 알았다"고 트윗했다.

즉 우리가 느낄 수 있는 것은 속도의 변화뿐이다. 비록 시속 130km로 차를 타고 있어도 속도는 느껴지지 않는다. 물론 차창을 흐르는 경치를 바라볼 수 있다. 천문학자가 별을 바라보고 지구의 움직임을 관측하듯. 브레이크나 가속을 밟지 않는 한 속도를 체감하지는 않는다.

그와 마찬가지로 지구의 자전이나 은하를 주회하는 태양계의 맹렬한 속도를 우리는 느끼지 않는다. 이러한 속도는 항상 일정하고 애니메이션에서 표현한 것처럼 상대적인 것이기 때문이다.

태양은 나이를 먹을수록 질량이 줄어들고 서서히 중력이 약해져 가기 때문에 태양계 행성의 궤도는 넓어지고 있다. 그 관계를 이용하여 수성의 궤도 변화로부터 태양의 질량 감소 및 기타 파라미터가 직접 측정되었다.

NASA Team Studies Middle-aged Sun by Tracking Motion of Mercury
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2018/nasa-team-studies-middle-aged-sun-by-tracking-motion-of-mercury

Solar system expansion and strong equivalence principle as seen by the NASA MESSENGER mission
https://www.nature.com/articles/s41467-017-02558-1

수성의 근일점(궤도 상에서 가장 태양에 접근하는 위치)은 시간이 지남에 따라 이동하는 것으로 알려져 있지만 그 요인의 대부분은 다른 행성으로 인한 중력이고 두 번째로 큰 영향은 태양의 중력으로 인한 시공의 왜곡이다. 아인슈타인이 발표한 일반상대성이론은 이 수성의 움직임을 잘 설명할 수 있어 설득력을 강화했다는 경위도 있다.

게다가 이들 2가지보다는 영향이 작지만 태양의 내부구조나 다이나믹스도 수성의 근일점 이동에 기여한다. 즉 수성의 움직임을 자세히 살펴보고 다른 영향을 빼면 태양의 내부구조 등을 알 수 있다.

NASA 고다드우주센터의 Antonio Genova 씨는 수성의 움직임 관측을 바탕으로 태양 질량의 감소를 직접 계측하는 연구를 실시했다.

Genova 씨는 우선 NASA의 수성탐사기 '메신저'의 전파추적 데이터를 이용하여 수성의 위치추산 정밀도를 향상시켰다. 메신저는 2008년과 2009년에 총 3회의 수성 플라이바이(접근 통과)를 실시했고 2011년 3월부터 2015년 4월까지 수성의 주회탐사를 실시하고 있다. 그 때 얻은 데이터로 수성의 움직임의 미묘한 변화로부터 역산하면 태양의 물리 파라미터가 수성의 궤도에 미치는 영향을 조사할 수 있다.

여러 태양 매개변수를 상대론적 효과와 분리하는 위치추산 데이터를 기반으로 한 이전 연구에서는 달성할 수 없었던 것이었는데 이 연구는 실현에 성공했다. 탐사기와 수성의 궤도를 병행하여 다루는 것으로 태양 내부의 진화나 상대론적 효과 등에 관련된 불명확한 부분을 일거에 해결하는 새로운 수법을 개발해냈다고 말할 수 있다.

지금까지의 이론연구에서는 100억 년간 태양질량의 0.1%가 손실될 것으로 예측되어 왔다. 이것은 행성의 궤도가 1천문단위(약 1.5억km)당 연간 약 1.5cm 태양으로부터 멀어진다는 것을 의미한다. 한편 태양질량이 손실되는 속도를 이론이 아닌 관측에서 추정한 이번 연구에서는 종래의 이론보다 조금 낮은 값이 요구되었다.

태양질량 손실률의 정밀도 향상은 중력상수의 안정성 향상에도 기여한다. 중력상수는 정해진 수치라고 생각되어 왔지만 실제로 불변인지 여부는 물리학에서 근본적인 문제가 되고 있다. 이번 연구로 안정성이 달의 움직임 연구로부터 얻어진 값과 비교해 10배 향상되어 이 점에서도 중요한 성과다

매사추세츠 공과대학의 Maria Zuber 씨는 “이 연구는 태양계 전체에서 행성의 궤도변화를 측정함으로써 미래에 태양과 행성의 본질, 우주의 기본적인 작용에 대한 발견이 가능하다는 것을 보여준다”고 평가했다.

태양은 핵융합으로 불타고 있는데 주요 연료인 수소를 태우는 만큼 질량이 줄어든다. 질량은 정해져 있으므로 언젠가는 모두 소진된다. 다만 엄청나게 거대하여서 불타는 데 수백억 년이 걸린다.

핵융합이므로 수소로부터 헬륨으로, 헬륨이 리튬으로 태양의 내부에서는 철까지가 만들어진다고 한다.

핵융합하면서 빛과 열과 태양풍 등의 가스를 방출한다. 그만큼의 질량이 줄어드는데 질량이 줄어든다는 것은 중력도 줄어든다는 것이다.

지금까지의 이론연구에서는 100억 년간 태양질량의 0.1%가 손실될 것으로 예측되어 왔다. 이것은 행성의 궤도가 1천문단위(약 1.5억km)당 연간 약 1.5㎝ 태양으로부터 멀어진다는 것을 의미한다. 한편 태양질량이 손실되는 속도를 이론이 아닌 관측에서 추정한 연구에서는 종래의 이론보다 조금 낮은 값이 나왔다.

질량이 줄어드는 속도가 100억 년에 0.1%라는 적은 양이지만 지구의 공전궤도는 연간 1.5㎝씩 태양으로부터 멀어지고 있다.

단 1.5㎝라고 생각할지도 모르지만 1만 년에 150m, 100만 년에 15km, 1억 년에 1500km이다. 역산하면 공룡시대는 현재보다 평균 1500km 정도 태양에 가까웠다. 그래도 약간의 차이일 뿐이지만 온난했던 기후는 태양에 조금 가까웠던 거리가 원인이었을지도 모른다.

지구의 자전이 늦어지고 있는 현상과 맞추어 생각해보면 공룡시대는 하루가 짧았고 1년도 조금 짧았으며 태양은 조금 크게 보였을 것이다. 1.5㎝는 짫은 거리지만 1500km의 차이는 기후에도 영향을 줄 수 있다.

태양으로부터의 거리는 지구가 받는 태양에너지의 양과 밀접한 관계가 있다.
지구의 공전궤도는 완벽한 원이 아니라 타원궤도이며 원일점과 근일점에서는 지구의 기온이 바뀐다. 원일점에서는 태양과 지구의 거리는 1억 5200만 킬로, 근일점에서는 약 1억 4700만 킬로. 그 차이는 500만 킬로로 지구 전체의 평균 기온은 근일점에서는 원일점보다 섭씨 약 2도 높다고 한다.

2도의 차이는 기후변화로서 크다고 생각하지만 온난화 문제를 논할 때 근일점인지 원일점인지를 문제로 하는 일이 거의 없다. 근일점과 원일점의 태양광량차는 7%에 불과하기 때문에 영향은 작기 때문이다.

우주 규모에서 보면 연간 1.5㎝의 변화는 현미경 수준이다. 그러나 그 작은 변화의 축적으로 우주는 현재 크게 변모한 것도 사실.

1년의 사이클은 같은 것을 반복하고 있는 것이 아니라 매년 다르다고 하는 것. 100년 전에 비하면 현재는 150㎝ 정도 태양으로부터 멀어졌다. 이 작고 큰 변화가 나비효과를 일으켰을지도 모른다.

지구 규모의 기후변화에 대해서도 근일점과 원일점의 차이나 해마다 태양으로부터 멀어지고 있는 경미한 변화를 무시한다면 예측하는 미래와는 다른 미래가 펼쳐질지도 모른다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 地球は年間1.5㎝ずつ太陽から離れている？
https://isayama.info/archives/6145/amp

태양이 태양계의 중심인 것은 누구나 알고 있다. 태양 주위를 행성이 돌고 더욱 두꺼운 벨트 모양으로 모인 소행성대와 일부 유성군, 때때로 훨씬 멀리서 오는 혜성도 함께 회전하고 있다.

그런데 "태양계의 모든 별은 태양계의 '질량중심'의 주위를 돌고 있다. 태양조차도"라고 일본의 우주항공연구개발기구(JAXA)의 행성과학자 제임스 오드노휴(James O') Donoghue) 씨가 트윗했다.

'질량중심'이란 물체가 완전하게 밸런스를 취할 수 있고 그 질량이 모든 방향에 균등하게 분포하고 있는 점을 중심이라고도 한다. 우주의 2개 이상의 물질 사이에도 중심이 존재하고 그것을 공통중심이라고 한다. 태양계에서는 공통중심이 태양중심에 겹치는 경우는 거의 없다.

이것을 알기 쉽게 보여주기 위해 오드노휴 씨는 애니메이션을 만들어 태양, 토성, 목성이 서로의 위치에 따라 공통중심 주위에서 줄다리기하며 회전하는 모습을 표현했다.

Everything in the Solar System orbits the center of mass (it's rarely in the center of the Sun!)
https://www.youtube.com/watch?v=oauf6W3Uz04

"행성은 태양을 중심으로 돌고 있다고 생각하기 쉽다"고 오드노휴 씨는 말한다.

애니메이션에서는 태양의 움직임은 알기 쉽도록 과장되고 있지만 태양은 불규칙한 나선을 그리고 무게 중심 주위를 때로는 수백만 km나 떨어지면서 돌고 있다.

이 움직임은 대부분 목성의 중력에 의한 영향이다. 태양은 태양계 전체의 질량의 99.8%를 차지하고 0.2%를 목성이 차지한다. 이 목성의 질량이 태양을 완만하게 끌어당기는 것이다.

"실제로 태양은 목성의 궤도에 약간 영향을 받고 있다"고 오드노휴 씨는 말한다.

행성과 위성도 공통중심을 가지고 있다. 지구와 달의 경우 지구 내부에 공통중심이 있기 때문에 단순한 움직임이다.

The Earth-Moon Barycenter: The Moon doesn't orbit Earth's center and Earth doesn't stay still (3D!)
https://www.youtube.com/watch?v=7hMfCCqSdFc

명왕성과 그 위성 카론의 움직임도 비슷하지만 공통중심이 항상 명왕성 밖에 있어 약간 다른 움직임이다.

Pluto and Charon are a fine example of how bodies orbit the center of mass (barycenter)
https://www.youtube.com/watch?v=qF8-DP1PWmk

이와 같이 모든 별은 보이지 않는 점을 중심으로 돌고 있다. 중심에 있는 것처럼 보이는 항성과 행성도 그렇다. 공통 무게 중심은 다른 항성시스템에서 행성을 발견하는 데 도움이 될 수 있다. 천문학자가 공통중심을 조사함으로써 전체 질량을 추계하고 보이지 않는 행성의 존재를 알 수 있다.

지구는 매년 약 5만 톤씩 가벼워지고 있습니다. 매년 유입되는 우주공간의 먼지 약 4만 톤을 상쇄해도 5만 톤씩 가벼워지는 것입니다. 왜 가벼워지고 인류에게 문제가 될 우려에 대해 영국 BBC의 라디오 프로그램 'More or Less'에서 The Naked Scientists의 팟캐스트로 알려진 크리스 스미스 박사가 설명했습니다.

BBC 'More or Less'
http://downloads.bbc.co.uk/podcasts/radio4/moreorless/moreorless_20120127-2350a.mp3

크리스 스미스 박사와 케임브리지대학의 물리학자 데이브 앤셀씨가 실시한 계산에서는 매년 4만 톤의 먼지가 지구의 일부가 되었음에도 지구의 질량은 매년 5만 톤씩 감소하고 있었습니다.

NASA에 따르면 지구는 매년 온난화로 인해 160톤씩 질량을 늘리고 있습니다. 시스템에 에너지를 가하면 질량도 증가한다는 열역학의 원리입니다.

로켓이나 위성을 발사해도 결국 지구에 떨어지기 때문에 질량에 대한 영향은 없습니다.

감소요인 중 하나는 지구의 핵은 시간이 지남에 따라 에너지를 잃고 있다는 것입니다. 핵은 연료를 계속 소비하는 거대한 원자로와 같은 것으로 에너지를 소비한다는 것은 질량도 줄어든다는 것입니다. 그렇게 줄어드는 질량은 매년 약 16톤이 됩니다.

훨씬 큰 감소요인은 매년 약 9만 5000톤의 수소와 약 1600톤의 헬륨이 없어져 간다는 것입니다. 수소와 헬륨은 너무 가벼워서 중력으로 끌어당기지 못합니다.

이처럼 매년 5만 톤이 줄어듭니다. 5만 톤은 꽤 많은 무게처럼 느껴지지만 지구질량의 0.00000000000001%(10경분의 1)에 불과합니다.

또한 수소가 줄어들어도 문제없습니다. 지구 상의 수소는 충분한 양이 있어서 없어져 버리기까지는 앞으로 몇조 년 걸립니다.

다만 헬륨의 감소는 문제가 된다고 합니다. 헬륨은 대기의 0.00052%를 차지하고 있으며 천연가스로부터 분류라는 프로세스를 거쳐 만들어지고 있습니다. 헬륨이라고 하면 풍선을 떠올리지만 그 밖에도 MRI 스캐너의 초전도 전자석의 냉각이나 실리콘이나 게르마늄 결정의 보호 등 다양한 용도가 있어서 희소성이 높아지고 있습니다. 노벨상 수상 물리학자인 코넬대학의 로버트 리처드슨 교수는 헬륨이 들어간 풍선에는 100달러 정도의 가격이 붙어야 한다고 주장했습니다. 또 그는 미국 정부가 헬륨의 가격을 줄이기 위해 모든 비축 헬륨을 매각하는 정책을 결정할 때 그 정책에 대한 반대운동을 했습니다.

그런 이유로 우리가 살아있는 동안 지구가 사라져 버리는 걱정은 없지만 헬륨풍선이 엄청난 가격이 되어 버리는 시대는 곧 다가올지도 모릅니다.

달은 모양을 바꾸면서 옛날부터 인간의 삶에 관여해 왔습니다. 그런 달이 실은 매년 조금씩 멀어지고 있는데 달이 탄생했을 당시에는 지금의 17배 정도의 크기로 보였다고 합니다. YouTube의 과학채널 'SciShow'가 달과 지구의 거리와 그 미래에 대해 설명했습니다.

Will the Moon Ever Leave the Earth's Orbit?
https://www.youtube.com/watch?v=IM_euz9PUiw

달은 지구로부터 38만 4천 킬로미터 상공에서 안정적으로 돌고 있는데 달의 궤도는 매년 조금씩 커지고 있기 때문에 조금씩 멀어지고 있습니다. 평균적으로 일년에 3.8cm 정도로 손톱이 늘어나는 속도입니다.

그러나 이 속도는 45억 년 전에 달이 생겼을 때와 비교하면 크게 다릅니다. 시뮬레이션에 따르면 그 당시는 지금보다 2만2500㎞나 가까웠고 17배나 크게 보였다고 합니다.

이 상태로 달이 멀어져 가면 언젠가 지구의 중력권을 벗어나 버릴 것이라고 생각할지도 모릅니다. 하지만 이 멀어져 가는 움직임은 동시에 사라지는 것이 아니라는 점도 설명하고 있습니다. '각운동량 보존의 법칙'이라고 불리는 것입니다.

물리학에서 각운동량이란 돌기 시작한 것이 계속 돌려고 하는 힘으로 정의됩니다. 피겨스케이트 선수처럼 하나의 물체도 지구와 달처럼 여러 물체가 함께 움직이는 경우에도 성립합니다.

각운동량은 두 가지 요소로 결정됩니다. 질량이 어떻게 분포하고 있는지, 어느 정도의 속도로 도는가입니다. 운동량이 보존된다는 것은 같은 상태를 유지하고 있다는 것입니다. 만약 회전속도가 바뀌었다면 그 속도변화분만큼 질량분포도 바뀌었다는 것입니다.

그 반대도 일어날 수 있습니다. 회전하는 피겨스케이트 선수가 팔을 펼치면 회전속도가 떨어집니다. 이것은 각운동량 보존의 법칙입니다. 팔을 펼치는 것은 팔의 질량이 몸에서 멀어지기 때문에 결과적으로 각운동량이 커져 버립니다. 각운동량을 동일하게 하기 위해서 회전속도가 느려지면서 증가한 분을 채운 것입니다.

같은 일이 지구와 달 사이에서 일어납니다. 현재는 달의 중력이 지구를 끌고 있어서 만조가 발생합니다. 하지만 지구의 자전은 달의 궤도보다 빠르기 때문에 조수의 팽창은 달보다 앞서 나옵니다. 달에 당겨지면 지구의 자전이 느려집니다. 뉴턴이 규명했는데 두 개의 정반대의 힘이 항상 균형을 이루고 있어서 지구는 달을 끌어당기면서 동시에 따라잡으려고 합니다.

이러한 일련의 과정 중 지구는 그 내부에서의 움직임이나 바다의 마찰로 인해 많은 에너지를 잃고 자전속도가 느려집니다.

지구의 자전이 늦어지면 지구와 달의 질점계에서의 질량이 바깥쪽, 즉 달의 쪽으로 이동합니다. 이 지구와 달의 인장이 계속되면 이론적으로는 수백억 년 후에 지구의 자전과 달의 궤도가 일치해집니다. 하루의 길이와 궤도가 멀어진 달의 1개월, 약 6주 정도로 일치해집니다. 달의 한 면밖에 볼 수 없는 상태로 지구도 같은 면을 달에 향한 채 계속됩니다. 이것은 '조수 고정'이라고 부릅니다.

이렇게 되면 지구의 만조가 달의 방향으로 향하게 되어 더 이상 멀어지는 일은 없어집니다. 하지만 불행히도 20억 년 후에는 태양이 붉은 거성이 되어 지구와 달을 삼켜 버릴 것입니다.