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2024-11-22 (금)

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[우주의 속삭임(80)] 블랙홀 둘러싸고 있는 코로나 모양 첫 공개

블랙홀을 둘러싸고 있는 코로나 모양이 처음으로 공개됐다. 지구상에서 개기일식을 관찰하면, 태양을 가린 달 주위를 밝은 빛의 후광이 둘러싸고 있는 현상을 보게 된다. 이는 코로나라고 불리는 것으로, 태양의 확산된 외기권을 말한다. 이 외기권은 너무 얇아서 지구에서 보면 진공으로 생각되지만, 코로나 온도가 섭씨 수백만 도에 달하는 강한 에너지이기 때문에 개기일식 때 볼 수 있다. 우주의 블랙홀 역학에 따르면 블랙홀에도 코로나가 있다. 또한 태양의 코로나와 마찬가지로 블랙홀 코로나도 관찰하기 어렵다. 그런데 최근 천체물리학저널(The Astrophysical Journal)에 실린 연구에서 블랙홀 코로나 영역에 대한 관찰이 이루어졌다고 사이언스얼라트가 전했다. 활성 블랙홀의 경우, 일반적으로는 블랙홀을 둘러싸고 있는 도넛 모양의 가스와 먼지 토러스가 있다. 또 블랙홀의 회전면을 따라 정렬된 가열된 물질의 강착원반(디스크)이 있는 것으로 추정된다. 블랙홀의 극지방에서 흘러나오는 것은 거의 빛의 속도로 빠르게 멀어지는 이온화된 가스 제트이다. 우리가 관측하는 다양한 유형의 활성 은하핵(AGN)은 이 모델로 설명할 수 있다. 이유는 지구를 향하는 블랙홀의 방향에 따라 AGN의 모양이 변화하기 때문이다. 모델에 따르면, 강착원반의 가장 안쪽은 밀도가 진공에 가까운 과열 영역이며, 이는 블랙홀로 흘러 들어간다. 블랙홀 코로나는 태양의 코로나와 비슷하지만, 온도는 태양의 수백만 도에 비해 훨씬 높은 수십억 도에 달한다. 그러나 넓게 확산되어 있기 때문에, 그 빛은 강착원반의 빛에 압도된다. 연구팀은 블랙홀의 코로나를 연구하기 위해 개기일식 중 태양의 코로나를 관찰하는 것과 유사한 기법을 사용했다. 블랙홀이 지구를 기준으로 하는 방향은 일부 블랙홀의 경우 가스와 먼지의 토러스가 강착원반 영역에 대한 우리의 시야를 가리는 반면, 다른 블랙홀의 경우 원반을 직접 볼 수 있다. 이를 가려진 블랙홀과 가려지지 않은 블랙홀이라고 한다. 가려진 블랙홀은 강착원반의 빛이 시야에서 가려지기 때문에 개기일식으로 가려진 태양과 유사하다. 블랙홀의 코로나도 마찬가지이다. 그러나 블랙홀 코로나는 너무 뜨거워서 극도로 높은 에너지의 X선을 방출한다. 이 X선은 토러스의 물질을 산란시키고 우리의 시야로 반사될 수 있다. 연구진은 나사(NASA)의 이미징X선편광측정탐사선(IPXE)에서 얻은 데이터를 사용, 우리 은하의 백조자리 X-1과 X-3, 대마젤란 성운의 LMG X-1과 X-3 등 12개의 가려진 블랙홀 데이터를 수집했다. 연구진은 이들 블랙홀의 코로나에서 산란된 X선을 관찰할 수 있었으며, 블랙홀 사이의 패턴도 감지할 수 있었다. 데이터에 따르면 코로나는 태양의 코로나와 비슷한 구체로 블랙홀을 둘러싼 것이 아니라 강착원반과 비슷한 원반으로 블랙홀을 둘러싸고 있다. 이번 연구는 천문학계에서 블랙홀 모델을 다듬는 데 도움이 될 것으로 기대된다. 또한 블랙홀이 어떻게 물질을 소비하고, 먼 은하에서 관측하는 AGN에 동력을 공급하는지를 이해하는 데 기여할 것으로 보인다.
- IT/바이오
2024-11-20
[우주의 속삭임(78)] 목성에는 단단한 땅이나 바위가 없다…그 이유는?

목성에는 지구에서 밟는 풀이나 흙과 같이 사람이 걷거나 우주선이 착륙할 수 있는 단단한 표면이 없다. 그 이유는 뭘까. 온갖 특이한 현상을 연구하는 물리학계에서도 '표면이 없는 세계'라는 개념은 이해하기 어렵다고 한다. 나사(NASA)의 로봇 탐사선 주노(Juno)가 이상한 행성인 목성 궤도를 9년째 공전하고 있는 지금도 목성의 많은 부분은 여전히 미스터리로 남아 있다. 태양에서 다섯 번째 행성인 목성은 화성과 토성 사이에 있다. 태양계에서 가장 큰 행성으로, 1000개 이상의 지구가 들어갈 만큼 크고 여유 공간도 있다. 태양계의 수성, 금성, 지구, 화성 등 네 개의 내행성은 모두 단단한 암석 물질로 이루어져 있지만, 목성은 태양과 유사한 구성을 가진 가스 행성이다. 소용돌이치고, 폭풍우가 몰아치며, 격렬하게 난기류를 일으키는 가스 덩어리의 거대 구체다. 목성의 일부 지역에서는 바람이 시속 약 640km 이상으로 불고 있다. 이는 지구의 5등급 허리케인보다 약 3배 빠른 속도다. 지구 대기권 꼭대기에서 시작해 약 100km 아래로 내려가면 기압이 지속적으로 증가한다. 궁극적으로는 땅이든 물이든 지구 표면에 부딪힌다. 목성의 경우, 대부분이 수소와 헬륨으로 이루어진 대기권의 꼭대기에서 내려가기 시작하면 지구와 마찬가지로 더 깊이 들어갈수록 압력이 증가한다. 목성의 압력은 엄청나다. 위의 가스층이 점점 더 아래로 밀려 내려감에 따라, 그것은 마치 바다 밑바닥에 있는 것과 같다. 지구의 물 대신 목성은 가스로 둘러싸여 있다. 압력이 너무 강해져서 인체가 붕괴될 것이다. 압력에 눌려 사망하게 되는 것이다. 1600km 아래로 내려가면 뜨겁고 밀도가 높은 가스가 이상하게 작동하기 시작한다. 가스는 액체 수소 형태로 바뀌어 물이 없는 바다를 만들어낸다. 물이 없다는 점은 다르지만, 태양계에서 가장 큰 바다라고 할 수 있다. 약 3만 2000km를 내려가면 수소는 흐르는 액체 금속에 더욱 가까워진다. 이 물질은 너무 이질적이다. 과학자들도 그 때문에 큰 어려움을 겪었으며, 최근에야 실험실에서 이 물질을 재현했다. 이 액체 금속 수소의 원자는 매우 단단히 압축돼 전자가 자유롭게 돌아다닐 수 있다. 이러한 층 전환은 갑작스러운 것이 아니라 점진적으로 이루어진다. 수소 가스에서 액체 수소로, 그리고 금속 수소로의 전환은 천천히 부드럽게 이루어진다. 어떤 지점에도 날카로운 경계나 고체 물질 또는 표면은 없다. 이렇게 내려가면 궁극적으로 목성의 핵에 도달하게 된다. 이것은 목성 내부의 중심 영역이며 표면과 혼동해서는 안 된다. 학자들은 여전히 목성 핵 물질의 정확한 성질에 대해 논쟁하고 있다. 그중에서 가장 호응을 받는 모델은 암석과 같은 고체가 아니라, 액체와 고체의 뜨겁고 밀도가 높은 금속성 혼합물과 비슷하다는 것이다. 목성 핵의 압력은 엄청나서 마치 지구 대기 1억 개가 누르는 것과 같다. 또는 신체의 각 제곱인치 위에 엠파이어 스테이트 빌딩 두 개가 얹히는 것과 같다. 압력만이 유일한 문제는 아니다. 목성의 핵에 도달하려는 우주선은 섭씨 2만 도의 극심한 열에 녹을 것이다. 이는 태양 표면보다 3배 더 뜨거운 온도다. 목성은 이상하고도 무서운 곳이다. 그러나 목성이 없었다면 인간이 존재하지 않았을 수도 있다. 그 이유는 목성이 지구를 포함한 태양계 내행성을 보호하는 방패 역할을 하기 때문이다. 목성은 엄청난 중력으로 수십억 년 동안 소행성과 혜성의 궤도를 바꾸어 놓았다. 목성의 개입이 없었다면 우주 잔해 중 일부가 지구에 충돌했을 수도 있다. 만약 하나의 충돌이 대격변 수준이었다면 지구는 멸종 수준의 사건을 일으켰을 것이다. 공룡의 대멸종을 연상하면 납득할 수 있다. 목성은 지구 생명체의 존재에 도움을 주었을지 모르지만, 목성 자체는 생명체가 살기에 매우 부적합한 곳이다. 그러나 목성의 위성인 유로파는 다르다. 태양계의 다른 곳에서 생명체를 찾을 수 있는 가장 좋은 기회가 될 수 있다. 나사의 유로파 클리퍼(Europa Clipper)는 지난 10월에 발사된 로봇 탐사선으로, 유로파를 약 50회 비행하며, 이를 통해 위성의 거대한 지하 바다를 연구할 계획이다. 탐사선은 2030년 4월에 도착할 예정이다.
- IT/바이오
2024-11-13
[우주의 속삭임(76)] 블랙홀, 우주 팽창의 비밀 쥐고 있나…암흑 에너지 연관성 연구 결과 발표

우주의 팽창을 가속화시키는 미지의 힘, 암흑 에너지의 정체를 밝힐 단서가 블랙홀에 있을 가능성이 제기됐다. 미국 애리조나주립대학교 케빈 크로커(Kevin Croker) 교수 연구팀은 블랙홀이 암흑 에너지와 연관되어 우주 팽창에 영향을 미칠 수 있다는 연구 결과를 발표했다고 사이언스얼라트가 전했다. 현재 이론에 따르면 우주의 초기 성장 시기는 인플레이션 시기였다. 빅뱅 직후 우주는 무(無)에서 상당히 큰 무언가로 순식간에 변했다. 이후 한동안 상대적으로 느리게 성장하다가 약 50억년 전 암흑 에너지에 의해 팽창이 지배되기 시작했다. 연구팀은 암흑 에너지 분광기(DESI)를 이용하여 거대 질량 별의 붕괴로 생성되는 블랙홀의 성장 속도를 분석하고, 이를 우주 팽창 속도와 비교했다. 그 결과 블랙홀의 형성과 우주 팽창 사이에 뚜렷한 상관관계가 있음을 확인했다. 즉, 블랙홀이 생성될수록 우주 팽창 속도가 빨라지는 경향을 보인 것이다. 이러한 현상은 '우주론적 결합(cosmological coupling)' 이론으로 설명될 수 있다. 이 이론에 따르면, 블랙홀은 일반 물질을 암흑 에너지로 변환시키는 역할을 하며, 이 과정에서 우주 팽창이 가속화된다. 연구팀은 블랙홀의 암흑 에너지 변환율을 계산한 결과, 현재 우주에서 관측되는 팽창 속도와 일치하는 것을 확인했다. 또한, 이 연구는 블랙홀이 암흑 에너지의 근원일 가능성을 제시하며, 우주 팽창의 미스터리를 풀 수 있는 중요한 단서를 제공한다는 점에서 학계의 주목을 받고 있다. 연구팀은 향후 추가적인 연구를 통해 블랙홀과 암흑 에너지의 연관성을 더욱 명확히 규명할 계획이다. 이 연구 결과는 우주론 및 천체입자물리학 저널(Journal of Cosmology and Astroparticle Physics)에 게재됐다.
- IT/바이오
2024-11-04
[우주의 속삭임(64)] 허블 우주망원경, 블랙홀 빔이 별의 폭발 촉진 밝혀

천문학자들이 NASA/ESA(미 항공우주국/유럽우주국) 허블 우주 망원경을 통해 거대한 은하의 중심에 있는 초거대 블랙홀에서 토치처럼 분출하는 제트 빔이 별의 폭발을 촉진하는 것으로 보인다는 사실을 발견했다. '신성(novae)'이라고 불리는 이 별은 제트 빔 인근에 존재하면서 빔과 밀접하게 상호 작용하는 것으로 보인다. 이 연구는 arXiv에 게재됐다. 연구팀을 이끈 스탠포드 대학의 알렉 레싱 박사는 "무슨 일이 벌어지는지는 불확실하지만 매우 흥미로운 발견이다. 이것은 블랙홀 제트 빔이 주변 천체와 상호 작용하는 방식에 대한 새로운 시각을 제공한다"고 말했다. 신성의 폭발은 노후화된 정상적인 별이 타버린 백색 왜성 동반성 위로 수소를 쏟아붓는 이중성계에서 일어난다. 왜성이 1마일(1.6km) 깊이로 수소 표층을 가득 채우면, 그 표층은 거대한 핵폭탄처럼 폭발한다. 단 왜성은 신성 폭발로 인해 파괴되지 않는다. 폭발로 표층의 수소를 분출한 후 원상태로 돌아가 신성 폭발 주기가 다시 시작된다. 연구팀은 허블 망원경을 통한 조사기간 동안, 거대 은하의 다른 곳보다 제트 빔 근처에서 두 배나 많은 신성 폭발을 발견했다. 제트 빔은 소용돌이치는 물질로 이루어진 원반으로 둘러싸인 65억 태양 질량의 중앙 블랙홀에 의해 발사된다. 블랙홀은 거의 빛의 속도로 우주를 가로지르는 3000광년 길이의 플라스마 제트 빔을 발사했다. 높은 에너지의 빔에 걸린 것은 무엇이든 끓거나 타오를 것이다. 빔에 걸리지 않아도 근처에 있는 신성과 같은 존재들이 위험한 것은 마찬가지다. 제트 빔 근처에서 두 배나 많은 신성이 발견되었다는 것은 빔 근처에 신성을 형성하는 이중성계가 두 배 많거나, 이들 행성계가 은하계의 다른 곳에 있는 유사한 성계보다 두 배 더 분출한다는 것을 의미한다. 레싱 박사는 "제트 빔이 주변 지역을 떠도는 별에 뭔가 영향을 미치고 있음은 분명하다. 제트 빔이 수소 연료를 백색 왜성에 쏟아부어 왜성이 더 자주 분출하게 하는 것일 수도 있다"고 추정했다. 연구팀이 추정한 또 다른 시나리오는 제트 빔이 왜성의 동반성을 가열해 왜성으로 더 많은 수소를 공급한다는 것이다. 그러나 연구팀은 이 정도로는 신성 폭발을 일으킬 만큼의 충분한 수소 공급이 이루어지지 않는다고 결론지었다. 1990년 허블 관측이 시작된 직후, 천문학자들은 1세대 카메라(FOC)를 사용해 괴물 블랙홀이 숨어 있는 M87의 중심부를 관측했다. 당시에도 학자들은 블랙홀 주변에서 비정상적인 일이 일어나고 있다는 것을 발견했었다. 그러나 FOC의 시야가 너무 좁아서 더 이상의 큰 진전은 이루어지지 않았다. 그러나 광시야 카메라로 재무장한 허블 망원경은 1년에 가까운 기간 동안 새로운 정보를 다량 제공했다. 연구팀은 5일마다 M87을 들여다보고 이미지를 촬영했다. 모든 M87 이미지를 통합해 M87의 가장 자세한 이미지를 도출했다. 그 결과 카메라가 포착할 수 있는 M87의 3분의 1의 영역에서 94개의 신성을 발견됐다. 알려진 모든 신성을 M87 이미지에 표시하면 제트 빔을 따라 신성이 대거 집중해 있다는 것이 나타난다. 데이터에 의한 통계 분석과 이미지로 확인된 것이다. ESA 연구원인 키아라 서코스타는 "우리는 흥미롭지만 당혹스러운 현상을 목격하고 있다"면서 "블랙홀의 제트 빔이 은하와 상호 작용하고, 잠재적으로 별 형성에 영향을 미치는 방식을 더 깊이 이해할 수 있다는 점에서 소중한 발견"이라고 강조했다. 신성은 우주에서 매우 흔하게 발생한다. 매일 M87 어딘가에서 신성이 하나씩 폭발한다. 관찰 가능한 우주 전체에 적어도 1000억 개의 은하가 존재하기 때문에, 우주 어딘가에서 매초 약 100만 개의 신성이 폭발하고 있다.
- IT/바이오
2024-09-30
[우주의 속삭임(60)] 달 표면 전체에서 물의 흔적 발견

달은 물에 관한 한 다크호스일 수 있다. 의외의 결과를 가져올 수 있다는 의미다. 달의 광물 지도에 대한 새로운 분석에 따르면, 물과 수소와 산소로 구성된 또 다른 분자인 ‘수산기(산소 원자 하나와 수소 원자 하나로 구성됨)'는 달의 모든 위도와 지형에 걸쳐 여러 위치에서 발견될 수 있으며, 심지어는 태양이 가장 강력하게 비추는 곳에서도 나타날 수 있다고 사이언스얼라트가 전했다. 이는 여러 가지 의미를 내포하고 있는 발견이다. 달의 지질학적 역사와 진행 중인 과정을 이해하고, 지구의 달에 대한 유인 우주 임무에 정보를 제공할 수 있다. 행성과학연구소(Planetary Science Institute)의 로저 클라크 박사는 "미래의 우주인은 달에서 물이 풍부한 지역을 활용하고 달의 적도 근처에서도 물을 찾을 수 있을 것이다. 과거에는 극지방, 특히 극지방의 짙은 그늘진 분화구에서만 물이 발견될 수 있다고 생각했지만 이제는 다르다"고 말했다. 달은 건조하고 습기가 없는 천체로 보인다. 어떤 면에서는 그렇기도 하다. 표면에는 웅덩이에 고여진 물이 없다. 호수나 강도 없다. 그러나 연구에 따르면, 달에는 물이 숨겨져 있다는 사실이 많이 나타나고 있다. 그렇다면 달에는 물이 어디에 숨겨져 있을까. 과거의 연구에 따르면, 고위도의 달 분화구 깊은 곳에 많은 양의 물이 있을 수 있다. 분화구 같은 깊은 곳은 태양의 직사광선과 열에 노출되지 않으므로 수 미터 두께의 얼음이 쌓여 있을 수 있다는 것이다. 최근 다른 연구에 따르면, 달의 다른 부분에도 물이 있을 수 있는 것으로 나타난다. 이번 클라크 연구팀의 분석 결과도 이를 뒷받침한다. 물과 수산기는 달 표면의 암석과 흙을 형성하는 광물에 결합되어 달에서 매우 풍부한 것으로 보인다는 것이다. 연구팀은 2008년과 2009년에 달을 공전한 찬드라얀-1 우주선의 달광물학매퍼(M3) 장비에서 얻은 데이터를 이용해 달의 분광 이미지를 수집했다. 이 데이터로 달에서 반사된 적외선을 기록하여 물과 수산기와 일치하는 스펙트럼의 색상을 찾아냈다. 연구팀은 물과 수산기가 달의 모든 위도에서 찾을 수 있다는 사실을 발견했지만, 달의 암석에서는 분자가 덜 풍부한 것으로 나타났다. 그러나 운석 등의 충돌 중에 파내어진, 물이 풍부한 암석은 충돌이 발생하는 모든 곳에서 발견될 수 있다. 물은 한곳에 영원히 머물지 않는다. 연구진은 달 표면의 물이 분화구 형성 과정에서 노출된 후 수백만 년에 걸쳐 태양풍의 복사에 의해 서서히 파괴된다는 사실을 발견했다. 그러나 이 과정에서 수산기가 남는다. 수산기는 또한 태양풍에 의해 생성되며, 이 태양풍은 달 표면에 태양 수소를 증착시키고, 이 수소는 그곳에서 산소와 결합해 분자를 생성할 수 있다. 클라크는 "모든 증거를 종합해 보면, 달의 표면은 지질이 복잡하며, 지하에는 상당한 양의 물이 있고, 표면층에는 수산기 층이 있다"면서 "분화구 형성과 화산 활동은 모두 물이 풍부한 물질을 표면으로 올릴 수 있으며, 이 모두가 달 데이터에서 관찰됐다"고 지적했다. 연구팀은 또한 화성암의 일종인 휘석의 물 특징이 햇빛이 닿는 각도에 따라 변한다는 것도 발견했다. 이는 달의 수수께끼를 정리해준다. 과학자들은 그동안 이 변화의 특징을 관찰해 왔지만, 그것이 무엇을 의미하는지 알지 못했다. 그것은 마치 물이 달에서 움직이고 있음을 암시하는 듯했다. 팀이 만든 지도는 달의 또 다른 수수께끼인 '달의 소용돌이'에 대한 추가 정보도 제공한다. 이는 달 표면에서 이상하게 소용돌이치는 패턴이며, 전문가들은 확실치 않지만 자기장이 역할을 할 수 있다고 추정한다. 클라크 연구팀은 소용돌이에 물이 거의 없다는 것을 알아냈다. 연구팀은 이 소용돌이가 물의 흔적만 남긴 고대 소용돌이일 수 있다고 보고 있다. 이번 연구는 달의 소용돌이의 실체를 알아내는 데 도움이 될 것으로 기대하고 있다. 행성과학저널(The Planetary Science Journal)에 게재된 이 연구는 달을 탐사하는 우주인들에게 물 공급이 가능할 수 있음을 시사한다. 수산기가 풍부한 미네랄을 처리함으로써 미래의 우주인은 실제로 돌에서 물을 추출할 방법을 찾을 수 있을 것이라는 기대다.
- IT/바이오
2024-09-24
[퓨처 Eyes(51)] 오존층, 서서히 아물고 있다⋯40년 만에 희망의 빛

1980년대, 인간이 만들어낸 오염물질로 인해 지구 오존층에 구멍이 뚫렸다는 충격적인 소식이 전 세계를 강타했다. 하지만 40년이 지난 지금, 마침내 오존층이 회복되고 있다는 희망적인 신호가 포착됐다고 데일리메일과 IFL이 전했다. 오존층은 자연적으로 발생하는 오존 가스의 얇은 층이다. 오존 가스는 세 개의 산소 원자로 이루어진 분자로, 태양의 유해한 자외선을 거의 모두 흡수한다. 오존가스는 지상에서 천식 등 폐질환을 앓고 있는 건강상의 문제를 일으킨다. 반면, 상층 대기에 모이면 오존은 지구에 영향을 미칠 수 있는 UV-B 복사선을 흡수한다. 1985년 영국 남극 조사단에 따르면 남극 상공의 오존층에 거대한 구멍이 뚫렸다는 사실이 밝혀졌다. 매년 남반구에 봄이 다가오면 이 구멍이 다시 열리고 자외선이 남극으로 쏟아진다. 남극 오존 구멍은 일반적으로 8월 중순에서 하순에 잘 형성되고, 1년 주기의 일부로 11월 말에 닫힌다. 올해 남극 오존 구멍, 예상보다 작고 늦게 형성 코페르니쿠스 대기 모니터링 서비스(CAMS)의 최근 관측 결과, 올해 남극 상공의 오존 구멍은 예년보다 늦게 형성되었고, 그 크기도 눈에 띄게 작아졌다. 지난 9월 13일 기준, 오존 구멍의 크기는 최근 몇 년 같은 시기보다 무려 1848만 제곱킬로미터나 줄어들었다. CAMS의 올해 새로운 데이터에 따르면 남극 오존층 구멍 형성은 예년에 비해 훨씬 느렸다. 9월에 다 되어서야 오존 구멍이 형성되기 시작했으며, 그 이후에도 오존 구멍의 크기는 상당히 작은 상태를 유지하고 있다. 올해 남은 기간 동안 CAMS는 오존 구멍이 더 빠르게 줄어들기 시작해 12월 초에는 완전히 닫힐 것으로 예측하고 있다. 전문가들은 이러한 변화가 전 지구적인 기상 패턴의 영향일 수 있다고 조심스럽게 분석하면서도, 몬트리올 의정서를 통한 CFC (클로로플루오로카본, Chlorofluorocarbons) 사용 규제 등 인류의 노력이 마침내 결실을 맺고 있다는 긍정적인 전망을 내놓았다. CAMS 책임자인 로렌스 루일은 "남극 오존 구멍 형성에는 화산 활동부터 기후 변화까지 다양한 요인들이 영향을 미치지만, 몬트리올 의정서를 통해 인류가 오존층 회복의 발판을 마련했다"고 강조했다. 오존층은 지상에서 우주로 확장되는 공기 기둥의 오존 양을 나타내는 돕슨(Dobson) 단위라는 측정법을 사용해서 측정된다. 1 돕슨 단위는 해수면 0℃(32°F)에서 0.01mm 두께의 오존층을 만드는 데 필요한 오존 분자의 수를 말한다. 오존층 파괴, 인류와 지구에 치명적 영향 오존층은 태양에서 방출되는 유해한 자외선을 흡수하여 지구상의 생명체를 보호하는 중요한 역할을 한다. 오존층 파괴는 피부암, 백내장 등 인간 건강을 위협할 뿐만 아니라, 농작물 생산량 감소, 해양 생태계 교란 등 지구 전체에 심각한 영향을 미친다. 특히 남극 생태계는 오존 구멍으로 인해 더욱 심각한 자외선 피해에 노출되어 왔다. 남극의 야생 동물인 물개와 펭귄에게 자회선 피해를 입히고 있는 것. 올해 CAMS 데이터에 따르면 남극 지역에서 대부분이 오존층 파괴의 기준인 220돕슨 단위 이상을 유지하고 있는 것으로 나타났다. 이는 2023년 9월 10일까지 오존층 파괴 면적이 2600제곱킬로미터에 달했던 것에 비해 현저히 줄어든 것이다. 40년 내 오존층 완전 회복 기대, 국제 협력의 힘 1987년, 전 세계는 '몬트리올 의정서'를 체결해 오존층 파괴 물질인 CFC 사용을 금지했다. 하지만 이미 발생한 오존층 파괴는 쉽게 회복되지 않았고, 최근까지도 남극 오존 구멍은 심각한 수준을 유지해 왔다. CFC는 에어로졸 스프레이와 냉장고 냉매, 소화기 등에 사용되는 인공화합물이다. 일부 전문가들은 올해 오존층 파괴 속도가 느려진 것이 회복의 신호로 여기지 않는다. 오히려 기온과 바람 패턴의 자연스러운 변화로 극지방 소용돌이가 교한되었기 때문일 가능성이 높다는 지적이다. CAMS 또한 블로그 게시물에서 "평소보다 추운 날씨가 계속된다고 해서 장기적인 기후 추세를 알 수 없는 것처럼 오존층 파괴가 느리게 시작되었다고 해서 반드시 오존층 회복으로 단정할 수 없다"라고 적었다. 그럼에도 이번 연구 결과는 오랜 기다림 끝에 마침내 오존층이 회복되고 있음을 보여준다. 전문가들은 향후 40년 안에 오존층이 완전히 회복될 수 있다는 희망적인 전망을 내놓았다. 로렌스 루일은 "앞으로 40년 안에 오존층이 더욱 회복될 것으로 기대하며, 이는 국제 협력과 과학적 근거를 바탕으로 한 노력이 지구 대기에 긍정적인 변화를 가져올 수 있음을 보여주는 중요한 사례"라고 말했다. 이는 국제적인 협력과 과학적 노력이 지구 환경 문제 해결에 얼마나 중요한 역할을 하는지 보여주는 좋은 사례다. 오존층 회복은 인류와 지구 생태계를 위한 값진 노력의 결실이 될 것이다.
- 포커스온
2024-09-19
인간 뇌 1㎣, 150억개 연결까지⋯초고해상도 뇌지도 나왔다

과학자들이 고해상도 전자현미경을 사용해 인간 뇌조직을 이미지화해 나노 스케일의 3D 지도를 제작했다. 미국 하버드대학교와 구글 연구팀이 인간 뇌 1㎣(1입방밀리미터)의 세포 연결까지 보여주는 초고해상도 뇌지도를 제작했다고 하버드 매거진과 사이테크 데일리 등 다수 외신이 전했다. 이 지도는 뇌의 복잡성을 보여주고, 뇌 기능 이해를 위한 새로운 가능성을 제시한다. 미국 국립보건원(NIH)이 자금을 지원한 이 연구 결과는 '사이언스' 저널에 게재됐다. 하버드 대학교의 제프 리히트만 박사와 구글 리서치의 비렌 자인 박사가 이끄는 연구팀은 전자 현미경(EM)을 사용해 입방밀리미터(1㎣) 크기의 인간 뇌 조직 조각을 고해상도로 이미지화했다. 이 뇌 조직은 뇌전증 수술의 일환으로 환자의 대뇌 피질에서 제거한 것이다. 하버드 매거진에 따르면 리피트만 박사의 연구팀은 10년 동안 대뇌 피질 1㎣를 분석해 인간 뇌의 연결에 대한 최초의 정밀 지도를 제작했다. 뇌 조직 분석 결과 매우 아름답고 목적을 알 수 없는 수 많은 복잡한 구조가 밝혀졌다. 신경 섬유가 다른 세포와 연결되는 경로에 정착하기 전에 마치 제자리에서 맴돌고 있는 것처럼 소용돌이 모양으로 성장하는 모습, 정반대 방향이 두 개의 수용체(수상 돌기)만을 가리키고 연결되지 않은 백질 기저층의 신경 섬유와 연결된 새로운 종류의 뉴런, 신경 섬유가 단일 세포에 50개 이상 연결되는 드문 사례인 다중 시냅스 연결 등이 그것이다. 이들의 관찰은 뇌가 어떻게 연결 되었는지에 대한 가정을 뒤집었다. 리히트만은 "많은 사람들이 과학이 문제를 해결하고, 답을 찾고, 치료할 수 있기를 기대하지만 이 경우에는 단순히 자연을 설명하는 것만으로도 뇌가 '우리가 생각하는 것보다 더 복잡하다'는 것이 밝혀졌다"고 말했다. 연구팀은 먼저 조직을 다이아몬드 칼을 사용해 인간 머리카락의 1천분의 1보다 얇은 5000개 이상의 슬라이스 또는 섹션으로 자른 다음 각 섹션을 EM으로 이미지화했다. 그 결과 약 1.4페타바이트, 즉 1400테라바이트의 데이터가 생성됐다. 팀은 뇌 조직을 5000개 이상의 얇은 조각으로 나누어 각 조각을 전자현미경으로 촬영했다. 이렇게 얻은 1.4페타바이트(PB, 1400테라바이트)의 데이터를 기반으로 3차원 뇌지도를 만들었다. 뇌지도는 5만 7000개 이상의 세포와 약 1억 5000만 개의 시냅스(신경세포 연결 부위)를 포함하며, 이전에는 볼 수 없었던 뇌 구조 세부 정보를 제공한다. 바렌 제인이 이끄는 구굴의 연구팀은 각 슬라이스 내의 객체를 감지하고 일르 연결해 3차원 공간을 렌더링하는 새로운 신경망 기술을 개발했다. 리히트만은 '플러드 필링 신경망' 기술을 사용해 세포, 신경 섬유 및 혈관을 색칠했으며 "기본적으로 여러 섹션에 걸쳐 이러한 객체에 페인트를 붓는 격"이라고 설명했다. 가장 흔한 신경교세포는 신경교세포에 구조적인 지원과 전기적 절연을 제공하는 과립세포였다. 1㎣ 샘플에는 약 230mm의 혈관 세포도 포함되어 있었다. 특히, 연구팀은 재구성을 통해 뇌의 가장 깊은 층에 있는 삼각형 세포들이 서로 마주 보는 두 가지 방향으로 배열되어 있음을 발견했다. 이러한 배열의 의미는 아직 밝혀지지 않았지만, 뇌 기능 이해에 중요한 단서가 될 수 있다. 이번 연구 결과는 뇌 연결체학(뇌 세포 간 연결을 종합적으로 분석하는 학문)의 중요성을 보여주고, 뇌 기능 연구에 새로운 자원을 제공한다. 연구팀은 데이터셋과 분석 도구를 공개하여 다른 연구자들도 이를 활용할 수 있도록 했다. 미국 국립보건원(NIH) BRAIN Initiative 책임자인 존 응아이 박사는 "이번 연구는 신경과학자, 컴퓨터 과학자, 엔지니어 간의 협력이 뇌 기능 이해를 위한 완전한 지도 구축에 얼마나 중요한지를 보여준다"고 말했다.
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2024-08-16
[기후의 역습(32)] NASA, 미국 탄소 배출량 실태 보여주는 위성사진 공개

나사(NASA)가 지구에서 엄청난 양의 이산화탄소가 발생해 대기 중에서 소용돌이치며 움직이는 모습을 보여주는 새로운 영상 자료를 공개했다고 전문 매체 퓨처리즘이 전했다. 이 영상은 2020년 1월부터 3월까지 바람과 대기 순환에 따라 지구 전체로 이동하는 이산화탄소의 농도를 보여주고 있다. 영상에서는 특히 미국에서의 이산화탄소 발생이 많아, 미국이 이산화탄소의 주요 배출원임을 드러내고 있다. 2021년에 미국은 전 세계 배출량의 12% 이상을 차지했으며, 33%에 약간 못 미치는 중국에 이어 두 번째를 기록했다. 나사가 공개한 영상 데이터의 세부적인 이산화탄소 흐름은 놀라운 고화질 수준이다. 발전소, 화재, 도시에서 발생하는 이산화탄소 배출은 물론 이것이 대륙과 바다로 확산되는 모습이 그대로 나타난다. 전문가들은 이 영상 데이터를 활용해 인간 활동에서 비롯된 기후 변화에 직접적으로 영향을 미치는 온실가스의 주요 출처를 식별하는 것 외에도 이러한 다양한 출처가 어떻게 상호 작용하는지를 연구할 수 있다고 지적했다. 나사의 고다드 우주비행센터 기후 과학자 레슬리 오트는 "정책 입안자이자 과학자로서 우리는 탄소가 어디에서 나오는지, 그리고 그것이 지구에 어떤 영향을 미치는지 파악하려고 노력하고 있다“면서 ”이 영상을 통해 이산화탄소가 다양한 기상 패턴에 의해 어떻게 상호 연결되어 있는지 알 수 있다"고 설명했다. 미국과 중국의 경우 중공업, 발전소, 자동차, 트럭 등 인간이 주도하는 활동이 여전히 이산화탄소 배출의 중요한 원인이다. 나사에 따르면 아프리카와 남미에서는 토지 관리 및 산림 벌채를 위해 일부러 일으키는 화재가 이산화탄소 발생의 주요 원인이다. 이 영상 데이터는 시간이 따라 불길이 잦아들고 불타오르는 듯한 매혹적인 패턴의 이산화탄소 방출 및 확산을 보여주고 있다. 식물과 나무도 광합성을 할 때 이산화탄소를 흡수하고 호흡할 때 이를 방출하는 시각적 효과의 역할을 담당한다. 나사는 고다드 지구 관측 시스템(GEOS)이라는 슈퍼컴퓨터 기반 모델을 사용하여 시각 영상을 만들었다. 나사에 따르면 이 기상 모델의 해상도는 일반 기상 모델보다 100배 이상 크다고 밝혔다. 영상은 특히 과학자들에게 전례 없는 모습을 보여주고 있다. 오트는 "이제는 말 할 수 있다. 우리는 정밀 고해상도로 이산화탄소의 발생과 흐름을 따라다니며 지켜볼 수 있다“라며 "종래의 기상 영상 시뮬레이션으로는 결코 볼 수 없었던 것들을 보게 됐다”고 말했다. 이산화탄소의 흐름이 얼마나 지속되는지, 기상 시스템과 어떻게 상호 작용하는지를 보는 것은 놀라운 결과라는 지적이다.
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2024-07-29
[우주의 속삭임(32)] 태양계 최대 소용돌이 '목성 대적반', 크기가 점점 줄어드는 이유는?

태양계에서 가장 큰 소용돌이 폭풍인 목성의 대적반(Great Red Spot: 대적점이라고도 함)의 크기는 지속적으로 줄어들고 있다. 그런데 이번에 대적반에 대한 연구와 함께 대적반이 줄어드는 이유에 대한 설득력 있는 주장이 나왔다고 PHYS가 전했다. 목성 대적반은 목성 표면의 적갈색 소용돌이로, 6일 동안 1회의 비율로 반시계방향으로 회전한다. 목성의 남반구에 위치한 대적반은 폭이 1만 6000km가 넘는 고압의 붉은 오렌지색 타원형 소용돌이다. 시계 반대 방향으로 시속 320km 이상으로 불고 있다. 기술적으로는 안티사이클론이라고 부른다. 지구의 북반구에서 사이클론은 반시계방향으로 불고 남반구에서는 시계방향으로 회전하는데 목성 대적반은 반대로 돌기 때문이다. 목성 대적반은 과거 한 세기 동안, 특히 지난 50년 동안 지속적으로 줄어들었다. 나사(NASA)의 주노 궤도 우주선 측정 결과, 위도는 상대적으로 일정하게 유지됐지만 경도는 19세기 후반 40도에서 2016년 14도로 축소됐다. 연구는 예일대, 노스캐롤라이나 주립대 등 연합팀이 수행했으며, '이카루스(Icarus)' 저널에 실렸다. 재미있는 것은 이번 연구팀원의 다수는 전문 천문학자가 아니고 예술 등 다양한 분야였다는 사실이다. 대적반에 대한 연구는 광범위하게 진행됐지만, 여전히 핵심 미스터리는 풀리지 않았다. 천문학자들은 대적반이 언제 형성되었는지, 어떻게 형성되었는지, 왜 붉은색을 띄는지, 그 이유를 정확히 파악하지 못했다. 연구팀원인 예일대 칼렙 캐벤니 박사, 노스캐롤라이나 대학 개리 랙크만 박사, 루이빌 대학 티모시 다우링 박사 등은 빈번하게 발생하며 일시적인 작은 폭풍들이 대적반에 미치는 영향에 초점을 맞췄다. 팀은 다우링이 1990년대에 개발한 행성 대기 모델(EPIC)을 사용해 대적반에 대한 일련의 3D 시뮬레이션을 수행했다. 대적반과 다양한 작은 폭풍 사이의 상호 작용에 대한 시뮬레이션 비교 결과, 다른 다양한 폭풍의 존재가 대적반의 크기에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 캐벤니 박사는 "연구팀은 수치 시뮬레이션을 통해 목성에서 발생하는 작은 폭풍이 대적반에 직접적인 영향을 미치면서 크기를 조절할 수 있다는 것을 발견했다"라고 말했다. 연구팀은 부분적으로, 지구 대기권에서 도심지에서 발생하는 '열돔(히트돔)' 현상도 모델링했다. 열돔은 5~7km 상공의 대기권에서 발달한 고기압이 정체해 뜨거운 공기를 지면에 가둬 더위가 극심해지는 현상을 말한다. 열돔 시스템은 지구 중위도를 순환하는 서쪽 제트기류에서 정기적으로 발생해 폭염 및 가뭄과 같은 극심한 기상 현상을 일으키는 중요한 요인이 된다. 이런 열돔 현상은 목성의 대적반과도 밀접한 관련이 있다. 고압 소용돌이 및 고기압의 기상 메커니즘과의 상호 작용 때문이다. 캐벤니 박사는 "지구에서 인근 기상 시스템과의 상호 작용은 열돔을 유지하거나 증폭시키는 것으로 나타났는데, 이는 목성의 유사한 상호 작용이 대적반의 유지에 영향을 미칠 수 있음을 시사한다"고 지적했다. 연구팀은 향후 대적반에 대한 추가 모델링을 통해 새로운 정보를 축적하고 대적반이 초기에 형성된 과정을 밝힐 수 있을 것이라고 기대했다.
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2024-07-22
[기후의 역습(29)] 해빙, 냉각 능력 약화돼 면적 감소 가속화

북극과 남극의 해빙 냉각 능력이 약화됐고 해빙의 태양 반사율이 감소하면서 해빙 감소가 더욱 심화되고 있다고 밝혔다. 미국 미시간 대학교 연구팀이 주도한 새로운 연구에 따르면 , 해빙이 사라지고 반사율이 감소함에 따라 1980년대 이후 북극의 냉각 능력은 약 25%, 전세계적으로는 최대 15% 감소했다고 PHYS.org가 전했다. 1980년부터 2023년까지 위성으로 측정한 구름 덮개와 해방의 태양 복사 반사량을 분석한 결과, 해빙 냉각 능력의 감소율은 북극과 남극 모두에서 연평균 해빙 면적 감소율의 약 2배에 달하는 것으로 나타났다. 이러한 변화로 인한 온난화 효과는 기존 모델 예측치의 상한선에 근접했다. 연구 결과는 학술지 '지구물리학 연구 리서치 레터(Geophysical Research Letters)'에 게재됐다. 특히 북극은 1980년 이후 해빙 냉각 능력이 가장 크게 감소했고, 꾸준한 감소세를 보인 반면 남극은 기후 변화에 비교적 탄력적이었다. 남극의 해빙 면적은 2007년부터 2010년까지 비교적 안정을 유지했다. 그러나 2016년 남극 대륙의 거대한 빙붕 중 하나에서 텍사스 면적보다 큰 면적이 녹으면서 상황이 급변했다. 이후 남극 해빙 냉각 능력은 회복되지 못했으며, 2017년 이후 7년 동안 전 세계 해빙 냉각 효과는 1980년대 초 이후 가장 약했다. 문제는 해빙 면적 감소 외에도 해빙의 반사율도 감소하고 있다는 점이다. 지구 온난화와 강수량 증가로 해빙이 더 얇고 습해졌고, 해빙이 녹아서 만들어진 용융 연못은 태양 복사를 덜 반사하기 때문이다. 이 현상은 북극에서 특히 두드러지게 나타나고 있는데, 일년 중 가장 햇빛이 잘 드는 시기에도 해빙의 태양 반사율이 낮아지고 있다. 이번 연구는 해빙 반사율 감소가 해빙 감소의 주요 요인이 될 수 있다는 가능성을 제시했다. 물리학 박사 과정 학생이자 이 연구의 제1저자인 알리셔 두스파예프는 "2016년 이후 남극 해빙의 변화는 해빙 손실로 인한 온난화 피드백을 40%까지 증가시켰다. 남극 해빙의 복사 효과 변화를 고려하지 않으면 지구 전체 에너지 흡수량의 상당 부분을 놓칠 수 있다"고 설명했다. 연구팀은 해빙 냉각 능력 및 반사율 감소로 인한 기후 피드백에 대한 최신 추정치를 기후 과학 커뮤니티에 제공하기 위해 웹사이트를 통해 새로운 위성 데이터가 나올때마다 업데이트할 계획이다.
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2024-07-19
[우주의 속삭임(23)] 달의 신비한 소용돌이는 '지하 마그마' 때문?

달의 표면은 회색의 여러 반점 모양으로 유명하다. 망원경을 들여다 보면 달의 표면에서는 또한 밝게 보이는 반점도 발견된다. 달 소용돌이로 알려진 이러한 특징적인 반점들이 지난 1600년대에 처음 발견된 이후, 천문학계는 그 기원이 무엇인지를 계속 탐구해 왔다. 학계에 잘 알려진 ‘라이너 감마’ 소용돌이와 같은 밝은색의 반점 영역은 오늘날까지도 수수께끼로 남아 있다. 라이너 감마는 달 표면 밝게 보이는 반점 형상의 평평한 지대다. 그런 가운데 스탠포드 대학교와 세인트루이스 워싱턴 대학교(WUSL) 과학자팀이 반점에 대한 새로운 연구 결과를 내놓아 주목된다고 사이언스얼라트가 전했다. 새로운 이론을 제시한 것이다. 이 연구는 '지구물리학 연구저널: 행성(Journal of Geophysical Research: Planets)'에 게재됐다. 지구와 달리 달은 태양의 하전 입자로부터 자신을 보호하기 위해 자기장을 발생시키지 않는다. 이는 태양풍이 달 표면과 충돌할 때 화학 반응을 일으켜 시간이 지남에 따라 암석이 더 어둡게 만든다. 즉, 달의 일부 반점처럼 보이는 주머니는 작은 자기장에 의해 보호되는 것으로 보인다. 지금까지 학자들이 발견한 모든 밝은 음영의 달 소용돌이는 이 지역의 자기장들 중 하나와 일치한다. 그러나 그 안에 있는 모든 암석이 반사되는 것은 아니며, 달의 모든 자기장이 소용돌이를 포함하는 것도 아니다. 그렇다면 여기에서는 무슨 일이 벌어지고 있는 것일까. 최근 일부 연구에서는 달과 미세 운석의 충돌이 하전된 먼지 입자를 일으킬 수 있으며, 이 입자가 표면에 도달하는 곳마다 국지적인 자기장이 생성되고 이로 인해 태양풍이 반사된다는 주장이 나왔다. 그러나 스탠포드와 WUSL의 연구팀은 그 가설에 대해 이의를 제기했다. 무언가 다른 힘이 달의 소용돌이를 자화시켜 태양풍 입자를 편향시켰다는 것이다. WUSL의 행성 과학자 미하일 크로친스키는 "충돌로 인해 이러한 유형의 자기 이상 현상이 발생할 수 있지만, 충격에 의한 것이라고 확신할 수 없는 모양과 크기의 소용돌이가 있다"고 지적했다. 크로친스키는 이에 대해 "지각 아래로부터의 힘도 작용할 수 있다"고 제안했다. "지하에 용암이 있다는 것이고, 자기장에서 천천히 냉각되면서 자기 이상 현상을 일으켰다"는 것이다. 연구팀은 그 근거로 달 표면 아래에서 한때 암석이 녹아 흐르고 있었던 레이더 영상 증거를 제시했다. 냉각된 마그마의 지하 흐름은 수십억 년 전의 화산 활동 시기를 나타낸다. 연구팀은 이 마그마 냉각 속도 모델을 사용, 달에 풍부하게 존재하고 화산암에서 흔히 발견되는 일메나이트라는 티타늄-산화철 광물이 어떻게 자화 효과를 낼 수 있는지 조사했다. 그들의 실험은 적절한 조건에서 일메나이트의 느린 냉각이 달의 지각과 상부 맨틀 내의 금속 철 및 철-니켈 합금 입자를 자극해 강력한 자기장을 생성할 수 있음을 보여준다. 팀은 "이 효과가 달 소용돌이와 관련된 강한 자기 영역을 설명할 수 있다"고 결론지었다. 이 결론이 입증되기 위해서는 지하 마그마에 티타늄 함량이 충분해야 한다. 그러나 지금까지 달의 국지적 자기장에 대해 알려진 대부분은 공중을 도는 우주선의 레이더를 사용해 얻은 데이터 측정에서 얻어진 것이다. 실제로 정확히 이해하려면 달 표면을 직접 시추해야 한다. 나사(NASA)는 이를 구체적으로 규명하기 위해 2025년 루나 버텍스(Lunar Vertex) 임무의 일환으로 라이너 감마 소용돌이에 탐사선을 직접 보낸다. 향후 수 년 안에 이 수수께끼를 해결할 증거가 수집될 것으로 기대된다.
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2024-07-05
[신소재 신기술(70)] 칩 크기의 초소형 '티타늄 사파이어 레이저' 개발

미국 스탠퍼드 대학교 연구팀이 칩 크기의 초소형 티타늄 사파이어(Ti:sapphire)레이저 개발에 성공했다. 이 레이저는 기존 티타늄 이온 도핑 사파이어 크리스탈로 만든 티타늄 사파이어 또는 Ti:사파이어 레이저보다 4배 작고 비용은 3배 더 저렴하며 효율성도 크게 향상되었다고 IFL이 3일(현지시간) 전했다. 기존 티타늄 사파이어 레이저는 높은 가격과 큰 부피, 그리고 구동을 위한 여러 대의 고출력 레이저가 필요하다는 단점이 있었따. 스탠퍼드리포트는 이번에 새로 개발 티타늄-사파이어 레이저에 대해 "'타의 추종을 불허하는 성능'을 가진 것으로 간주된다"고 전했다. 이어 "레이저는 최첨단 양자 광학, 분광학, 신경 과학을 포함한 많은 뷴야에서 없어서는 안 된다. 하지만 그 성능은 엄청난 대가를 치른다"면서 "Ti:sapphire는 부피가 입방 피트9볼링 공 4개 정도의 공간을 차지함)에 달할 정도로 크고 비용도 수십만 달러에 이른다. 또한 3만 달러 이상에 달하는 다른 고출력 레이저가 있어야 작동한다"며 기존 레이저의 단점을 지적했다. 스탠퍼드대 전기공학과 교수이자 칩 크기의 Ti:사파이어 레이저 논문의 시니어 저자인 옐레나 부치코비치(Jelena Vučković)는 "이것은 기존 모델에서 완전히 벗어난 것"리하고 말했다. 그는 "크고 값비싼 레이저 한 대가 아닌, 하나의 칩에 수백대의 레이저를 탑재할 수 있는 시대가 곧 올 것"이라고 전망했다. 연구팀은 티타늄 사파이어를 이산화규소(sio2) 절연체 위에 장착하고 수백 나노미터 두께의 티타늄 사파이어 층을 정밀하게 연마하고 에칭하여 소용돌이 모양의 융기, 즉 도파관을 형성했다. 이 도파관을 통과하는 빛은 소형 히터를 사용해 가열되며 사용자가 필요에 따라 레이저 파장을 조정할 수 있도록 한다. 즉, 연구팀은 마이크로스케일 히터를 통해 방출되는 빛의 파장을 변경해 빛의 색상을 700~1000나노미터(적색에서 적외선까지) 사이에서 원하는 대로 조절할 수 있었다. 또한 레이저 크기 축소는 강도를 높여 효율성을 향상시키는 효과도 있었다. 이 소형 레이저는 양자 광학, 분광학, 신경 과학 등 다양한 분야에 활용될 수 있으며, 넓은 파장 범위에서 에너지를 방출하는 탁월한 이득 대역폭과 1000조 분의 1초마다 빛 펄스를 방출하는 초고속 특성을 가지고 있다. 이는 기존 레이저보다 약 14배 빠른 속도다. 부치코비치 교수와 공동 제1저자인 조슈아 양과 연구팀은 이 새로운 레이저가 다양한 분양에 미칠 영향에 대해 큰 기대를 걸고 있다. 양자 물리학 분야에서는 이 저렴하고 실용적인 레이저가 최첨단 양자 컴퓨터의 소형화를 획기적으로 앞당길 수 있을 것으로 예상된다. 신경 과학 분야에서는 광섬유를 통해 뇌 속 뉴런을 빛으로 조절하는 광유전적 연구에 즉각적인 활용이 가능할 것으로 보인다. 소형 레이저를 활용하면 더욱 작은 프로브(probe, 뇌 활동을 측정하고 자극하는 데 사용되는 도구)를 개발해 새로운 실험 방법을 모색할 수 있다. 안과 분야에서는 노밸상 수상 기술은 '처프 펄스 증폭(chirped pulse amplification)'을 이용한 레이저 수술에 새로운 방식으로 활용되거나, 망막 건강 평가에 사용되는 광 간섭 단층 촬영 기술을 더 저렴하고 작게 만들수 있을 것으로 기대된다. 칩 형태의 레이저는 기볍고 휴대성이 뛰어나며 저렴하고 효율적이다. 그리고 대량 생산이 가능하다. 양 연구원은 "우리는 단일 4인치 웨이퍼에 수 전개의 레이저를 놓을 수 있었다"며 그렇게 되면 레이저당 비용이 거의 0이 되기 시작한다. 이는 매우 흥미로운 일이다"고 말했다. 연구팀은 이번 연구 결과가 티타늄 사파이어 레이저의 대중화에 기여할 것으로 기대하고 있다. 이번 연구 결과는 학술지 '네이처(Nature)'에 게재됐다.
- 포커스온
2024-07-04
[우주의 속삭임(19)] 우주의 새벽에 최초로 병합되는 은하핵 '퀘이사 쌍' 발견

은하계는 광대하지만, 여전히 충돌하고 합쳐지며 겹쳐진다. 그런 가운데 일본 에히메 대학의 마쓰오카 요시키 교수를 필두로 한 국제 천문학자 팀이 지금까지 발견된 것 중 가장 먼 우주 가장자리에서 한 쌍의 퀘이사(Quasar)를 발견했다고 퍼퓰러사이언스가 전했다. 연구팀은 하와이에 있는 지상 제미니 노스(Gemini North) 및 스바루 망원경으로 이를 관측하고 데이터를 분석했다. 발견된 두 개의 은하핵 퀘이사는 먼지와 가스가 중앙의 초거대 블랙홀로 떨어지는 가운데 서로 합쳐(병합)지고 있다. 그 과정에서 이 퀘이사 쌍은 엄청난 양의 빛을 방출했다. 연구팀은 이 빛을 찾아냈고, 이것이 두 개의 퀘이사 쌍임을 밝혔다. 연구팀은 발견된 퀘이사 쌍이 우주의 새벽(Cosmic Dawn: 빅뱅 이후 약 5000만~10억 년), 즉 초창기 우주 여명기에 해당하는 은하핵이라고 말했다. 특히 우주의 새벽 중에서도 우주 암흑기를 끝내고 별과 은하와 같은 요즘과 같은 천체가 구성되기 시작하고 어두운 우주가 처음으로 빛으로 가득 찰 무렵인 ‘재이온화 시기’에 해당하는 천체다. 퀘이사란? 우주는 빅뱅 이후 거의 140억 년 동안 팽창해 왔다. 초기 우주는 지금보다 매우 작았으며 은하계 서로 상호 작용하고 병합될 가능성이 컸다. 퀘이사는 거대 블랙홀이 주변 물질을 집어삼키는 에너지에 의해 형성되는 발광체를 말한다. 블랙홀은 퀘이사의 중심에 있으며, 주위에는 원반이 둘러싸고 있고, 원반 물질은 소용돌이 모양으로 회전하며 블랙홀로 빨려 들어간다. 은하 병합은 가스와 먼지가 초거대 질량의 블랙홀로 떨어지면서 퀘이사를 밝게 빛나게 하는 에너지다. 블랙홀로 떨어지는 원반 물질의 중력 에너지는 빛 에너지로 바뀌고, 여기에서 거대한 빛이 방출된다. 즉, 퀘이사는 지구에서 멀리 떨어진 우주 가장자리에서 발견되는 광원으로서, 멀리 떨어져 있기 때문에 우주 탄생 초창기인 우주의 새벽 시기의 천체다. 재이온화 시대의 의미 천문학자들은 우주의 재이온화 시대를 빅뱅 이후 대략 4억 년으로 잡는다. 우주 탄생 직후 우주 온도가 높았을 때는 수소의 양성자와 전자가 분리돼 이온화된 상태였다. 시간이 지나면서 우주의 온도는 낮아졌고, 양성자와 전자는 중성수소 원자로 결합됐다. 이를 우주 재결합시대라고 한다. 그 후 일어난 우주 재이온화는 중성수소 원자가 양성자와 전자로 다시 이온화되던 시기를 말한다. 천문학자들에 따르면 재이온화 시대 당시의 수소 이온화는 우주 역사에서 매우 중요한 시대였다. 이 시기는 우주의 암흑시대의 종말이며, 오늘날 지구상에서 볼 수 있는 별이 빛나는 은하구조의 시작이었다. 이번에 발견된 방합 중인 퀘이사는 우주 암흑기를 지나 최초의 별과 은하가 나타났던 우주의 새벽 기간, 그 중에서도 우주 재이온화 시대에서 나타난 것이다. 빨간색 광원 퀘이사 쌍의 합병 천문학자들은 우주의 재이온화 시대에 퀘이사가 수행한 정확한 역할을 이해하기 위해 우주의 초기 및 먼 시대에서 퀘이사를 찾고 있다. 마쓰오카 교수는 "재이온화 시대 퀘이사의 통계적 특성은 재이온화의 진행과 기원, 우주의 새벽 동안 초거대 블랙홀의 형성, 퀘이사 은하의 최초 진화 등 많은 것을 말해준다"고 말했다. 재이온화 시대에 약 300개의 퀘이사가 발견됐지만, 쌍을 이루는 퀘이사가 관측된 것은 이번이 처음이다. 연구팀의 퀘이사 발견은 우연이었다. 망원경으로 촬영한 이미지를 검토하다가 희미한 빨간색 광원을 발견했던 것. 팀은 그러나 나타난 붉은 색 광원 두 개가 퀘이사 쌍이었는지를 확신할 수 없었다. 팀은 스바루 망원경과 제미니 노스의 분광기를 사용해 빛을 분석했고, 결국 두 개의 블랙홀을 품은 퀘이사 쌍임을 확인했다 또한 둘 사이에 가스로 이어진 다리 구조도 찾아냈다. 연구팀은 감지된 빛의 일부가 실제로 퀘이사 자체에서 나오는 것이 아니라고 추정했다. 팀은 또한 중앙에 있는 두 개의 블랙홀이 태양 질량의 약 1억 배에 달하는 크기임을 밝혔다. 발견된 현상을 종합해 보면 두 퀘이사는 대규모의 합병을 진행하고 있음을 시사했다. 재이온화 시대의 병합 퀘이사 존재는 오랫동안 예상돼 왔지만, 이번에 처음으로 확인된 순간이었다.
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2024-06-26
[우주의 속삭임(11)] 태양계 6개 행성 정렬 '우주쇼' 6월 초 만난다

태양계의 6개 행성이 일렬로 정렬하는 보기 드문 현상이 지구의 하늘에서 6월 초 포착될 예정이다. 수성, 화성, 목성, 토성, 해왕성, 천왕성 등 태양계의 6개 행성이 2024년 6월 3일 짧은 시간 동안 '행성 퍼레이드'로 알려진 일렬 정렬 현상이 나타날 예정이라고 사이언스얼럿이 전했다. 이번 행성 정렬에는 초승달도 참여하지만 금성만은 유일하게 찾아볼 수 없다. 한 번에 여러 행성이 하늘에 있는 경우는 드물지 않지만, 여러 행성이 일렬로 정렬하는 경우는 흔하지 않다. 5~6개의 행성이 모이는 것을 큰 정렬이라고 하며 5개 행성 정렬이 6개보다 훨씬 더 빈번하게 발생한다. 이러한 정렬은 아래 태양계의 도표나 그림에서 볼 수 있는 것처럼 행성이 우주에 일렬로 늘어선 모습이 아니다. 안타깝게도 우주에서 실제로 일어나는 일은 아니다. 행성 정렬은 태양계의 모든 행성이 황도라는 평평한 평면에서 태양을 어느 정도 공전하기 때문에 발생한다. 일부 행성은 이 횡도보다 약간 위 또는 아래에 있지만 거의 동일하게 나란히 있는 수준이다. 이는 태양을 포함한 별이 형성되는 방식 때문에 관측 가능하다. 물질 구름 속의 아기 별이 회전하기 시작하면 주변의 구름이 소용돌이치며 원반이 되어 아기 별을 먹이로 삼는다. 원반의 잔해에서 행성이 형성되며, 그대로 두면 그 위치에 그 상태로 머물게 된다. 때때로 행성들이 궤도를 따라 이동하면서 태양의 같은 쪽에 위치하게 되므로 우리는 하늘에서 동시에 나란히 서 있는 것같은 행성들을 볼 수 있다. 즉, 이 행성들은 모두 황도에 있기 때문에 일직선상에 있는 것처럼 보이는 것이다. 미국에서는 오는 6월 3일과 4일 사이 일출 약 한 시간 전에 행성 퍼레이드가 일어난다. 수성, 화성, 목성, 토성은 육안으로 볼 수 있을 만큼 밝지만 천왕성과 해왕성은 너무 멀고 희미하기 때문에 관측하기 위해서 쌍안경이나 망원경이 필요하다. 앞으로 몇 달 동안 같은 태양계 행성들의 정렬이 몇 차례 더 예정되어 있다. 2024년 8월 28일과 2025년 1월 18일에는 모두 새벽 시간대에 6개의 행성으로 이루어진 대규모 행성 정렬을 볼 수 있다. 2025년 2월 28일 저녁에는 다른 7개 행성이 모두 동시에 하늘에 나타날 것이다.
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2024-05-28
[신소재 신기술(47)] ETH 취리히, 그래핀 내 전자 소용돌이 최초 감지

스위스 연방 공과대학교(ETH 취리히)의 연구팀이 최초로 고해상도 자기장 센서를 사용해 그래핀에서 전자 소용돌이를 직접 검출하는 데 성공했다고 과학 웹사이트 phys.org가 지난 14일(현지시간) 보도했다. 금속 와이어와 같은 일반적인 전기 도체를 배터리에 연결하면 도체 내의 전자는 배터리가 생성하는 전기장에 의해 가속된다. 전자는 이동하는 동안 전선의 불순물 원자 또는 결정 격자의 빈 공간과 자주 충돌해 운동 에너지의 일부를 격자 진동으로 변환한다. 이 과정에서 손실되는 에너지는 예를 들어 백열전구를 만질 때 느낄 수 있는 열로 변환된다. 격자 불순물과의 충돌은 자주 발생하지만 전자 간의 충돌은 훨씬 드물다. 그러나 벌집 모양 격자로 배열된 탄소 원자 단일층인 그래핀을 일반적인 철 또는 구리 와이어 대신 사용하면 상황이 달라진다. 그래핀에서 불순물 충돌은 드물고 전자 간 충돌이 주요 역할을 한다. 이 경우 전자는 점성 액체처럼 행동한다. 따라서 잘 알려진 흐름 현상인 소용돌이(와류)가 그래핀 층에서 발생해야 한다. ETH 취리히의 크리스티안 데겐(Christian Degen) 연구원은 고해상도 자기장 센서를 사용해 그래핀의 전자 소용돌이를 처음으로 직접 감지하는 데 성공했다고 '사이언스(Science)' 저널에 보고했다. 고감도 양자 감지 현미경 데겐과 그의 동료 연구원들은 제작 과정에서 폭 1㎛(마이크로미터) 너비의 전도성 그래핀 스트립에 부착한 작은 원형 디스크에 형성된 소용돌이를 연구했다. 디스크의 직경은 1.2㎛에서 3㎛사이였다. 이론적 계산에 따르면 작은 디스크에서는 전자 소용돌이가 형성되지만 큰 디스크에서는 형성되지 않아야 한다. 소용돌이를 가시화하기 위해 연구팀은 그래핀 내부에 흐르는 전자가 생성하는 미세한 자기장을 측정했다. 이를 위해 연구팀은 다이아몬드 바늘 끝에 질소-공동 센터(Nitrogen-vacancy center, NV 센터)가 내장된 양자 자기장 센서를 사용했다. 원자 결함인 NV 센터는 외부 자기장에 따라 에너지 레벨이 변하는 양자 물체처럼 작동한다. 레이저 빔과 마이크로웨이브 펄스를 사용하면 센터의 양자 상태를 자기장에 최대 감도를 갖도록 준비할 수 있다. 연구원들은 레이저를 사용해 양자 상태를 판독함으로써 이러한 자기장의 세기를 매우 정확하게 측정할 수 있었다. 데겐 연구팀의 박사 과정 학생이었던 마리우스 팜은 "다이아몬드 바늘의 크기가 작고 그래핀 층과의 거리가 약 70나노미터에 불과하기 때문에 100나노미터 미만의 해상도로 전자 전류를 볼 수 있었다"고 말했다. 이 분해능은 소용돌이를 관찰하기에 충분하다. 소용돌이 흐름 방향 반전 관찰 연구팀은 측정에서 더 작은 디스크에서 예상되는 소용돌이의 특징적인 징후, 즉 흐름 방향의 반전을 관찰했다. 일반(확산) 전자 수송에서는 스트립과 디스크의 전자가 같은 방향으로 흐르지만, 소용돌이의 경우 디스크 내부의 흐름 방향이 반전된다. 계산에서 예측한 대로 더 큰 디스크에서는 소용돌이가 관찰되지 않았다. 팜은 "매우 민감한 센서와 높은 공간 분해능 덕분에 그래핀을 냉각할 필요도 없었고 상온에서 실험을 수행할 수 있었다"고 말했다. 또한, 연구팀은 전자 와류뿐만 아니라 정공 캐리어에 의해 형성된 와류도 감지했다. 그래핀 아래에서 전압을 가함으로써, 연구원들은 전류 흐름이 더 이상 전자가 아닌 정공이라고도 하는 누락된 전자에 의해 전달되도록 자유 전자의 수를 변경했다. 전자와 정공이 모두 작고 균형 잡힌 농도가 있는 전하 중립점에서만 와류가 완전히 사라졌다. 팜은 "현재 전자 소용돌이의 탐지는 기초 연구이며 아직 미해결 과제가 많이 남아 있다"고 말했다. 연구팀은 전자와 그래핀의 경계면과의 충돌이 흐름 패턴에 어떤 영향을 미치는지, 더 작은 구조에서 어떤 효과가 발생하는지 추가 연구를 진행할 계획이다. 출처: Marius L. Palm 외, '상온에서 그래핀의 전류 소용돌이 관찰', Science (2024). DOI: 10.1126/science.adj2167
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2024-05-16
[우주의 속삭임(5)] '지구의 쌍둥이' 금성에서 물이 사라진 이유는?

행성을 연구하는 콜로라도대학 볼더 캠퍼스(University of Colorado Boulder)의 과학자들이 뜨겁고 사람이 살 수 없는 지구의 이웃 금성이 건조해진 이유를 밝혀 냈다고 PHYS가 보도했다. 연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 사용해 행성 대기의 수소 원자가 ‘해리성 재결합(dissociative recombination)’이라고 알려진 화학반응을 통해 우주로 수분을 날려버렸다는 사실을 발견했다. 이로 인해 금성은 과거의 추정치에 비해 매일 약 두 배의 물을 잃게 됐다고 한다. ‘해리’는 전자의 충돌에 의해 분자가 작게 분해되는 현상이며 해리성 재결합은 그 역작용을 말한다. 이번 연구 결과로 은하계 전역의 수많은 행성에서 물이 어떤 현상을 일으키는지 설명할 수 있다는 평가다. 이 연구 결과는 최신 '네이처' 저널에 발표됐다. 지구상의 모든 물을 토스트에 잼을 바르듯 지구 전체에 뿌리면 약 3km 깊이의 물 층이 생긴다. 같은 방식을 금성에 적용하면 금성은 발가락이 젖을 정도인 3cm 정도가 된다. 연구팀원이었던 대기 및 우주 물리학 연구소(LASP) 연구원 마이클 채핀 박사에 따르면 금성은 크기와 질량이 지구와 같지만, 물은 지구보다 10만 배 적다고 한다. 연구팀은 컴퓨터 모델을 사용해 금성을 거대한 화학 실험실로 가정하고 행성의 소용돌이치는 대기에서 발생하는 다양한 반응을 관측했다. 관측에서 금성 대기층에 있는 HCO+(수소, 탄소, 산소 각각의 원자 하나로 구성된 이온)라는 분자가 금성의 물 상실의 원인일 수 있다는 결과가 나왔다. 연구팀원인 LASP 에린 캔지 박사는 ”이번 발견을 통해 한때 지구와 거의 동일한 것으로 보였던 금성이 오늘날 이처럼 마른 이유에 대한 새로운 힌트를 제시했다“고 말했다. 캔지는 금성이 과거에도 사막이었던 것은 아니라고 지적했다. 과학자들은 수십억 년 전 금성이 형성될 때 금성에도 지구만큼 많은 물이 있었을 것으로 추정하고 있다. 그러나 어느 순간 재앙이 닥쳤다. 금성 대기의 이산화탄소 구름은 태양계에서 가장 강력한 온실효과를 일으켰고, 결국 표면 온도를 섭씨 480도까지 올렸다. 그 과정에서 금성의 모든 물은 증발했고 대부분 우주로 날아갔다. 그러나 당시의 증발은 금성이 오늘날처럼 완전히 건조한 이유나 계속해서 우주로 물을 상실하는 이유는 설명해 주지 못한다. 물병에 담긴 물을 버려도 여전히 일부 물기는 남아 있는데, 금성의 경우 지금은 남은 물방울도 거의 모두 사라졌다. 새로운 연구에 따르면 그 범인은 바로 HCO+라는 것이다. 연구팀은 금성의 상층 대기에서 물이 이산화탄소와 혼합되어 HCO+ 분자를 형성한다고 설명했다. 이전 연구에서도 연구원들은 HCO+가 화성이 많은 양의 물을 잃는 원인일 수 있다고 발표한 바 있다. 금성에서 HCO+는 대기에서 지속적으로 생성되지만, 오랫동안 잔존하지 못한다. 대기 중의 전자는 이러한 HCO+ 이온을 찾아 재결합하여 원자들을 분리한다. 그 과정에서 수소 원자는 우주로 빠르게 빠져나갈 가능성이 높아진다. 즉, 금성에서 물의 두 가지 구성 요소인 수소와 산소 중 하나인 수소를 빼앗아 가는 것이다. 물이 줄어들 수밖에 없는 상황이다. 연구팀은 금성의 건조 상태를 확실하게 설명할 수 있는 유일한 방법은 금성이 대기에 예상보다 많은 양의 HCO+를 보유하고 있는지의 여부라고 판단한다. 아직 금성 주변에서 HCO+의 양을 관측한 사례는 없다. 이번 연구 결과가 사실임이 증명되려면 HCO+가 실제로 금성 대기에서 가장 풍부한 이온이라는 것을 증명하는 것이라고 채핀은 말했다. 화성으로 향했던 우주 미션은 또 다른 변화를 맞이하고 있다. 최근 몇 년 동안 점점 더 많은 우주 프로젝트가 금성을 목표로 하고 있다. 나사(NASA)가 계획한 비활성 가스, 화학 및 이미징에 대한 금성 대기 조사(다빈치, DAVINCI) 임무는 탐사선을 금성의 대기를 통해 금성 표면에 착륙시키는 것이다. 캔지는 "금성에 대한 프로젝트는 많지 않았지만 새로 계획된 임무들은 수십 년의 경험을 활용해 극한의 행성 대기, 진화 및 생명체 거주 가능성을 탐구할 것”이라고 기대했다.
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2024-05-08
[기후의 역습(1)] 남극 얼음에 거대한 구멍 뚫린 이유, 50년 만에 규명

남극 웨들해(Antarctic Weddell Sea)의 해빙에는 때로 거대한 구멍이 만들어지거나 틈이 벌어져 어둡고 차가운 바닷물이 드러난다. 이 구멍을 폴리냐(Polynyas)라고 부른다. 웨들해 근처에는 깊이 1000m에 달하는 물에 잠긴 봉우리 모드 라이즈(Maud Rise)가 있다. 지난 1974년 이 근처에서 폴리냐가 처음 발견됐다. 그래서 이 폴리냐는 ‘모드 라이즈 폴리냐’라고 명명됐다. 모드 라이즈 폴리냐가 어떻게 생성됐는지는 수수께끼였다. 구멍이 매년 드러나지 않기 때문에 과학자들은 구멍을 생성하는 데 필요한 특정 조건을 파악하기 어려웠던 것이다. 수십 년 동안의 연구 결과 마침내 그 퍼즐의 마지막 조각이 맞춰졌다고 과학전문 매체 사이언스얼러트가 전했다. 모드 라이즈 폴라냐는 2016년과 2017년에 다시 나타났다. 이 시기 이후 몇 년 동안 과학자들의 궁금증에 대한 실마리가 나타났다. 위성 이미지, 부유하는 관측기구, 센서가 장착된 물개, 컴퓨터 모델링 등을 조합해 여러 단서가 도출됐던 것이다. 그 중 결정적인 것은 바람이 끌어당기는 해류가 형성하는 에크만 나선(Ekman spiral)이라는 현상이다. 바람이 일정한 방향으로 계속 불면 표면 해수는 일정한 각도로 움직이고, 해수의 움직임은 아래로 전달돼 하층 해수를 이동시킨다. 위와 아래의 흐름이 다르기 때문에 위에서 내려다 보면 흐름이 나선형을 보인다. 이를 에크만 나선이라고 하며, 그 해류의 흐름을 에크만 수송이라 부른다. 해수의 흐름과 용승(에크만 수송으로 표층에서 발산하는 해수를 채우기 위해 하층에서 상층으로 해수가 이동하는 현상) 등에 지대한 영향을 미친다. 폴리냐는 해안 가까이에서는 흔히 볼 수 있는 현상이며, 물개나 고래와 같은 해양 포유류가 숨을 쉬기 위한 창문으로도 사용된다. 그러나 바다로부터 멀리 떨어질수록 보기 힘들다. 모드 라이즈 폴리냐 얼음 구멍은 반세기 전 위성 이미지에서 처음 발견됐다. 1974년 첫 발견 당시에는 구멍의 사이즈가 뉴질랜드와 맞먹을 정도였다. 1975년과 1976년에도 보였지만, 그 이후에는 거의 발견되지 않았다. 그러다가 2016년과 2017년 웨들해 주변에서 다시 강하게 나타났던 것. 2017년의 모드 라이즈 폴리냐는 1970년대 이후 가장 크고 오래 지속된 사례였다. 당연히 과학자들의 관심을 끌었고 연구 대상이 됐다. 연구 결과 한 가지 주요인은 2016년과 2017년에 특히 강했던 웨들해 주변의 순환 해류였다. 그 결과 따뜻하고 특히 염도가 높은 물이 용승했다는 것이다. 연구팀의 스웨덴 예테보리 대학 해양학자 파비앙 로케는 용승은 해빙이 어떻게 녹을 수 있는지를 설명해 준다고 설명한다. 해빙이 녹으면 표면의 물은 신선해지기 때문에, 폴리냐가 지속되기 위해서는 어딘가에서 추가로 소금이 유입되어야 한다는 것이다. 용승이 일어나게 된 원인이 여기에서 설명이 된다. 소금은 물의 빙점을 크게 낮춘다. 따라서 폴리냐의 바닷물이 특히 염도가 높으면 구멍의 지속적으로 유지되는 것이 설명된다. 그래서 팀은 데이터와 바다의 계산 모델을 다시 살펴보고 추가 소금이 어디서 왔는지 알아냈다. 연구팀은 웨들 해류가 모드 라이즈 주위를 흐르면서 생성된 난류 소용돌이가 모드 라이즈의 상층부까지 운반해 준다는 것을 확인했다. 여기에서 에크만 운송이 이어진다. 에크만 운송은 바람이 바다 표면 위로 불어 항력을 생성할 때 발생한다. 물은 옆으로 방향이 바뀌어 나사처럼 나선형을 만든다. 물의 최상층이 바람에 의해 발산하게 되고 그 자리를 대체하기 위해 아래에서 물이 올라오게 된다. 염도가 높은 물의 용승이다. 모드 라이즈 폴리냐는 용승으로 솟아오르는 물이 모드 라이즈 주변에 떠다니는 소금을 축적함으로써 빙점을 낮추고 구멍이 얼어붙는 것을 방지한다. 이 해답은 과학자들이 기후 변화에 대한 심각한 우려 사항인 남극 해빙에 어떤 일이 일어날지 예측하는 데 도움이 될 수 있다. 기후학자들은 이미 남극의 겨울 바람이 더 강해지고 더 빈번해질 것이라고 예측하고 있으며, 이로 인해 앞으로 몇 년 동안 더 자주 거대한 폴리냐가 나타날 수 있다고 예상한다. 결과적으로 이는 세계 해양에 영향을 미치게 된다. 캘리포니아 주립대 샌디에이고 캠퍼스의 기후학자 새라 길리는 폴리냐는 형성된 후 수년 동안 물속에 남아 있을 수 있고, 물이 이동하는 방식과 해류가 대륙을 향해 열을 전달하는 방식을 바꿀 수 있다고 지적했다. 결국 여기서 형성된 물은 전 세계 바다로 퍼져 막대한 영향을 미칠 수 있다는 것이다.
- 포커스온
2024-05-03
지구 온난화로 극지방 얼음 녹아 지구 자전 속도 변화

기후 변화로 극지방 얼음이 녹으면서 지구의 자전 속도에 영향을 미친다는 연구 결과가 나왔다. CNN은 지난 27일(현지시간) 앞으로 몇 년 안에 1초를 잃는 음의 윤초 현상이 나타나게 될 것이라며 북극의 얼음이 녹으면 자구의 자전 속도가 바뀌고 그로 인해 시간 자체가 바뀐다는 새로운 연구가 나왔다고 보도했다. 이날 학술 저널 '네이처(Nature)' 저널에 발표된 연구에 따르면 지구 온난화의 영향으로 윤초가 나타날 가능성이 크다. 보고서는 북극 얼음이 녹으면서 윤초가 3년 늦어져 2026년에서 2029년으로 늦춰진다고 밝혔다. 하루를 결정하는 시간과 분은 지구의 자전에 의해 결정된다. 그러나 그 회전은 일정하지 않아서, 지구 표면과 중심의 핵에서 일어나는 현상에 따라 조금씩 변할 수 있다. 거의 눈에 띄지 않는 이같은 시간의 변화는 세계의 시계를 때때로 '윤초(1초를 더하거나 빼는 것)'로 조정해야 함을 의미하며, 이는 컴퓨팅 시스템에 큰 영향을 미칠 수 있다. 실제로 2017년은 365일하고도 1초가 더 있는 해였다. 한국 시간으로 2017년 1월 1일에 1초가 추가됐다. 세계협정시(UTC)는 세슘 원자의 진동수를 기준으로 측정하기 때문에 오차(3000년에 1초)가 거의 없다. 원자시에 따르면 하루는 정확히 8만6400초다. 그런데 온난화 영향으로 인류는 처음으로 1초를 빼야할 위기에 처한 것. 1972년부터 26초의 윤초가 추가됐고 2017년 1월에 추가된 윤초는 27번째였다. 지금까지 음의 윤초가 실시된 적은 없다. 사상 첫 '음의 윤초' 도입할 수도 1972년부터 지금까지 윤초로 인해 27초가 추가됐으며 오랜 기간 둔화 추세를 보인 끝에 지구 중심 핵의 변화로 인해 지구의 자전 속도가 이제 빨라지고 있다. 그로 인해 음의 윤초를 실시해야 할 때가 다가온다는 지적이다. 프랑스 국제 도량형국 시간 부서의 일원인 파트리샤 타벨라(Patrizia Tavella)는 연구에 첨부된 글에서 "음의 윤초는 추가되거나 테스트된 적이 없으므로 이로 인해 발생할 수 있는 문제는 전례가 없다"라고 적었다. 캘리포니아 대학교 샌디에고 지구물리학 교수이자 이번 연구의 저자인 던컨 애그뉴(Duncan Agnew)는 "지구 시간을 측정하는 과정에서 예상되는 변화들을 파악하는 것은 지구 온난화가 미치는 영향을 이해하는 데 달려 있다"고 말했다. 1960년대 후반부터 전 세계는 세계협정시(UTC)를 사용해 시간대를 설정하기 시작했다. UTC는 원자시계의 정확성에 기반하지만 지구의 자전 속도도 반영한다. 그러나 지구 자전의 불규칙성으로 인해 UTC와 지구 자전 기반의 시간 차이에 미묘한 차이가 발생한다. 이 차이를 조정하기 위해 때때로 '윤초'를 추가해야 한다. 장기적으로 보면, 지구의 자전 속도 변화는 주로 해저의 조수 마찰에 의해 영향을 받아 왔으며 이는 자전 속도의 저하로 이어졌다. 애그뉴 교수는 최근 인간이 화석 연료 사용으로 인한 열이 북극 얼음이 녹는 것에 커다란 영향을 미쳤으며, 이 현상은 지구의 자전 속도에 중대한 영향을 미치고 있다고 지적했다. 얼음이 바다로 녹아내리면, 이 녹은 물이 극지방에서 적도 쪽으로 이동하면서 지구의 자전 속도가 더욱 느려진다는 설명이다. 그는 극지방의 얼음이 녹는 현상이 지구의 회전에 전례 없는 방식으로 영향을 미쳤다며 "인간 활동이 지구의 자전을 변화시킬 수 있다는 사실이 정말 놀랍다"고 말했다. 그러나 보고서에 따르면 얼음이 녹아 지구의 자전 속도가 느려질 수 있지만 지구의 핵과 같은 다른 요소도 세계의 시간 측정에 영향을 미치고 있다. 이는 지구 자전 속도 변화의 복합적인 원인을 시사한다. 지구의 핵, 외부 지각과 독립적으로 회전 액체상태인 지구의 핵은 단단한 외부 지각과 독립적으로 회전한다. 애그뉴는 지구 핵의 회전 속도가 느려지면 단단한 지각의 속도가 상대적으로 증가해 전체적인 추진력이 유지된다고 설명했다.그리고 이것이 바로 현재 발생하고 있는 현상이라고 지적했다. 지구 표면 아래 약 2897km(약 1800마일)에서 발생하는 현상에 대해서는 거의 알려진 바가 거의 없으며 핵의 회전 속도 변화 원인 역시 분명하지 않다. 애그뉴는 이에 대해 "근본적으로 예측이 불가능하다"고 말했다. 연구 결과 분명한 것은 극지방의 얼음이 녹는 것이 지구 자전 속도를 늦추는 영향에도 불구하고 전반적인 지구의 자전 속도는 빨라지고 있다는 것이다. 이는 세계가 음의 윤초, 즉 1초를 제거해야 하는 상황에 처음으로 직면해야 할 수도 있음을 의미한다. 1초는 짧은 시간처럼 보일 수 있지만 증권 거래와 같은 민감한 활동을 위해 설계된 컴퓨팅 시스템은 1000분의 1초까지의 정확성을 요구한다. 대부분의 컴퓨터 시스템은 1초를 추가할 수 있는 소프트웨어가 있지만 1초를 제거할 수 있는 기능을 갖춘 시스템은 드물다. 음의 윤초가 도입되면 많은 시스템이 새로운 프로그래밍을 필요로 하게 되며, 이는 오류를 유발할 가능성이 있다. 애그뉴 교수는 "지구의 자전 속도가 윤초를 제거해야 할 정도로 빨라질 것이라고 예상한 사람은 거의 없다"고 말했다. 콜로라도 대학교 볼더 빙하학자인 스캄보스(Scambos) 박사는 이 연구에서 주목할 점으로 "지난 10년 간 지구의 핵 변화가 극지방의 증가하는 얼음 손실 추세보다 더욱 두드러진 경향을 보이고 있다"고 지적했다. 애그뉴는 "얼음이 지금처럼 많이 녹아 지구의 자전 변화가 실제로 측정할 수 있는 수준에 이르렀으면 '이건 정말 심각한 문제다'라고 느껴질 것"이라고 말했다. 극소용돌이 궤도 변화 한편, 지난 27일 라이브사이언스에 따르면 3월 초, 대기권의 기습적인 온난화로 인해 북극의 극소용돌이의 궤도가 변경됐다. 이는 최근 발생한 가장 극단적인 대기권 변화 중 하나로 기록됐다. 라이브사이언스는 차가운 공기를 담은 극소용돌이가 잘못된 방향으로 회전하고 있으며, 이로 인해 발생하는 '오존 급증'이 전 세계 기상 패턴에 영향을 미칠 수 있다고 전했다. 과거, 북극을 둘러싼 차가운 공기의 회전 덩어리인 극소용돌이의 붕괴는 미국의 전역에 걸쳐 극심한 추위와 폭풍을 초래했다. 극소용돌이의 방향이 갑자기 바뀌면서 북극 상공에서는 기록적인 '오존 증가' 현상이 관측됐다. 극소용돌이는 주로 겨울철에 가장 두드러지며 지표면에서 약 50km(약 30마일) 위까지 대기의 두 번째 층인 성층권까지 확장된다. 영국 기상청에 따르면, 이 소용돌이는 시계 반대 방향으로 회전하며 최대 풍속은 약 250km/h로, 5등급 허리케인과 비슷한 속도다. 유사한 극소용돌이 현상은 남반구의 겨울 동안에 남극 주변에서 발생한다. 기상청은 극소용돌이는 때때로 일시적으로 방향을 바꾼다고 설명했다. 이러한 현상은 갑작스러운 성층권 온난화(SSW)에 의해 발생할 수 있으며, 이때 성층권의 온도가 화씨 90도(섭씨 50도)만큼 상승할 수 있으며 짧게는 며칠, 몇 주 또는 길게는 몇 달 동안 지속될 수 있다. 음의 윤초 도입에 앞서 지속 가능한 방식으로 온실 가스 배출을 줄이고, 기후 변화에 대응하기 위한 국제적인 노력이 더욱 시급한 때라고 할 수 있다.
- IT/바이오
2024-03-29
대서양 순환, '기후 시스템 붕괴' 위기 임박

대서양 해류 시스템이 기후 체계와 인류에게 중대한 위협이 될 수 있는 분기점에 접근하고 있다는 연구 결과가 발표됐다. 영국의 일간지 가디언은 지난 8일 지구의 기후를 안정시키는 데 중요한 역할을 하는 해류 시스템의 기능 상실이 예상보다 빠를 수 있으며, 이에 대응하기 어려울 수 있다는 과학계의 경고를 전했다. 이 연구를 진행한 과학자들은 해당 시스템이 붕괴의 길로 접어들면 회복이 어려울 것이라는 점에 대한 연구 결과에 놀랐다고 전하면서도, 정확히 언제 그러한 상황이 발생할지는 아직 명확히 알 수 없다고 말했다. 연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션과 역사적 데이터를 활용하여, 지구의 기후 조절에 결정적인 역할을 하는 ‘대서양 자오선 역전 순환(AMOC·Atlantic Meridional Overturning Circulation)’의 붕괴 가능성을 조기에 감지할 수 있는 지표를 개발하는 데 성공했다. AMOC은 대기 날씨의 변화와 온도 및 염분의 열염분 변화에 의해 구동되는 대서양의 표면 수준 및 심층 해류 시스템이다. 이러한 해류는 주요 해류의 흐름을 포함하는 지구 열염분 순환 의 절반을 집합적으로 구성한다. 대표적인 해수 순환으로는 북반구에서는 대서양 자오선 역전 순환(AMOC)이 있고, 남반구에 '남극 역전 순환'(Antarctic overturning circulation)이 있다. 둘 다 기후 시스템에서 매우 중요한 역할을 한다. 연구팀은 이미 AMOC이 1만 년 이상 일어나지 않았던 급격한 변화를 향해 가고 있으며, 이는 전 세계 많은 지역에 심각한 영향을 미칠 수 있다는 사실을 발견했다. 걸프 해류와 다른 강력한 해류의 일부를 포함하는 AMOC은 열대 지방에서 북극권으로 열, 탄소 및 영양분을 운반하는 해양 컨베이어 벨트로서, 열과 탄소가 식어 심해로 가라앉는 역할을 한다. 이러한 소용돌이는 지구에 에너지를 분배하고 인간이 초래한 지구 온난화의 영향을 조절하는 데 도움이 된다. 하지만, 그린란드의 빙하와 북극 빙하가 예상보다 빠르게 녹아 바다로 담수를 쏟아 붓고 남쪽에서 더 염도가 높고 따뜻한 물이 가라앉는 것을 방해하면서 시스템이 침식되고 있다. 과학자들은 적은 양이라도 담수의 유입량이 늘어나면 AMOC의 전면적인 붕괴와 이에 따른 전 세계 기후 패턴과 생태계 교란, 식량안보 문제를 불러올 수 있는 '티핑포인트(극적인 전환점)로 작용할 수 있다고 우려한다. 영국 엑서터대학의 팀 렌튼 교수는 북대서양으로의 추가 담수 유입이 심각한 우려를 불러일으키는 상황이라고 지적하며, AMOC의 부분적 붕괴만으로도 영국, 서유럽, 북미의 일부 지역, 그리고 사헬 지역(아프리카 사하라 사막 남쪽의 가장자리)에 광범위한 영향을 미칠 수 있다고 분석했다. AMOC는 지구 기후 시스템 내에서 일단 변화가 시작되면 되돌릴 수 없는 중대한 하위 시스템으로 간주되어 왔으며, 일부 연구에서는 그 붕괴가 2025년에 발생할 수 있다고 예상하기도 했다. 해양에서는 극지방의 차가운 물이 깊은 곳으로 가라앉아 저위도 지역으로 이동하는 심해 해류 순환이 발생한다. 이러한 해수 순환은 열, 탄소, 산소, 영양분의 공급뿐만 아니라 해수면 높이와 전 세계 기후 시스템의 변화에도 중요한 역할을 한다. 붕괴가 임박했다는 추측을 불러일으킨 이전 연구에 따르면 AMOC은 1950년 이후 15% 하락했으며 1000년 만에 가장 약한 상태다. 지금까지는 그 정도가 얼마나 심각할지에 대한 합의가 이루어지지 않았다. 작년에 해수면 온도 변화를 기반으로 한 한 연구에서는 티핑 포인트가 2025년에서 2095년 사이에 발생할 수 있다고 제안했다. 그러나 영국 기상청은 21세기에 AMOC의 크고 급격한 변화는 "매우 드물다"고 말했다. 학술지 '사이언스 어드밴스(Science Advances)'에 게재된 새로운 논문은 케이프타운과 부에노스아이레스 사이의 대서양 남단의 염분 수준에서 경고 신호를 찾음으로써 새로운 국면을 맞이했다. 지구 기후의 컴퓨터 모델에서 2000년 동안의 변화를 시뮬레이션한 결과, 그동안의 느린 감소가 100년 이내에 갑자기 붕괴되어 재앙적인 결과를 초래할 수 있음을 발견했다. 이 논문은 이러한 급격한 변화가 가능한지에 대한 "명확한 해답"을 제공했다고 지적했다. 논문의 주요 저자인 위트레흐트 대학 르네 반 웨스틴(Utrecht University의 René van Westen)은 "이것은 지금까지 기후 체계와 인류에게 나쁜 소식이다. AMOC 티핑은 이론적인 개념에 불과했고 티핑은 모든 추가적인 피드백과 함께 전체 기후 체계가 고려되는 즉시 사라질 것이라고 생각할 수 있다"고 우려했다. 또한 아목 붕괴의 결과 중 일부를 지도화했다. 일부 지역에서는 대서양의 해수면이 1미터 상승해 많은 해안 도시가 침수될 것이며, 아마존의 우기와 건기가 뒤바뀌면서 이미 약해진 열대우림이 한계점을 넘어설 가능성이 있다. 연구팀은 전 세계의 기온은 훨씬 더 불규칙하게 변동할 것으로 예측했다. 즉, 남반구는 더 따뜻해질 것이며, 유럽은 기온이 급격히 낮아지고 강우량이 줄어들 것이다. 현재의 온난화 추세와 비교하면 지금보다 10배나 빠른 속도로 변화가 일어나 적응이 거의 불가능할 것이라고 전망했다. 웨스틴은 "우리가 놀란 것은 티핑이 일어나는 속도였다"라며 "이는 엄청난 일이 될 것이다"라고 말했다. 그는 이러한 현상이 내년에 일어날지 아니면 다음 세기에 일어날지 아직 데이터가 충분하지 않지만, 일단 발생하면 인류의 시간 척도에서 돌이킬 수 없는 변화가 일어날 것이라고 우려했다. 웨스틴은 "우리는 그 방향으로 나아가고 있다. 그건 좀 무서운 일이다"라며 "우리는 기후 변화를 훨씬 더 심각하게 받아들여야 한다"고 강조했다. 실제로 2023년에 아마존 열대우림에 발생한 심각한 가뭄은 기후 변화의 파괴적인 효과를 분명히 드러냈다. 이러한 가뭄의 발생 빈도는 지구 온난화로 인해 30배 증가한 것으로 분석됐다. 이번 가뭄으로 인해, 지구상에서 가장 중요한 탄소 저장소 중 하나인 아마존 열대우림의 수많은 나무들이 죽어나가면서 대규모의 이산화탄소를 방출했고, 이는 지구 온도의 추가 상승을 초래할 위험이 있다.
- 산업
2024-02-13
美 칼텍, "지구 내부 '덩어리'는 다른 행성의 '흔적'"

달을 생성한 것으로 추정되는 원시 행성의 흔적이 지구 내부에서 발견되어 큰 관심을 끌고 있다. 최근의 이 발견은 지구와 달의 기원에 대한 이론에 중요한 증거가 될 수 있다. 영국의 과학 전문 매체 사이키(phys.org)는 미국 캘리포니아 공대(칼텍, Caltech) 과학자들이 '네이처' 학술지에 발표한 논문을 인용해 지구 내부에서 원시 지구와 충돌한 행성의 흔적을 발견했다고 보도했다. 이 연구는 두 가지 중요한 과학적 미스터리를 해결할 수 있는 가능성을 제시한다. 하나는 수천 년 동안 인류를 매혹시켜온 달의 기원에 관한 것이고, 다른 하나는 그 충돌이 지구 내부에 어떤 영향을 미쳤는지에 관한 것이다. 주된 이론은 약 45억 년 전, 화성 크기의 행성이 아직 형성 중이던 지구와 충돌하여 달이 생성되었다는 것이다. 수천 년 동안, 달의 기원은 과학자부터 호기심 많은 어린이까지 모두를 매혹시켜왔다. 가장 널리 받아들여지는 이론은 약 45억 년 전, 지구가 형성되는 과정에서 화성 크기의 행성인 '테이아(Theia)'와의 거대한 충돌로 인해 달이 생성되었다는 것이다. 당시 지구는 현재 크기의 약 85%에 불과했으며, 이 충돌로 인한 엄청난 양의 잔해가 우주로 튕겨져 나가 달을 형성했다. 이 이론에도 불구하고, 수십 년 동안 테이아의 존재를 뒷받침할 명확한 증거는 발견되지 않았다. 그러나 최근 네이처에 발표된 미국 연구팀의 새로운 연구 결과는 우리가 테이아에 대해 이해하는 방식에 대해 새로운 관점을 제시할 수 있음을 나타낸다. 이 연구는 과학자들이 테이아의 흔적을 찾는 방식에 대해 재고할 필요가 있음을 시사하고 있다. '원시지구' 충돌 행성 흔적 2곳 추정 1980년대에 지진파를 통해 발견된 지구 표면 아래 약 2900킬로미터(1800마일) 깊이에 위치한 두 개의 거대한 '덩어리'는 지질학자들에게 오랫동안 의문을 제기해왔다. 이 대륙 크기의 물질 덩어리는 지구의 암석 맨틀의 바닥, 즉 녹아 있는 핵 근처에 걸쳐 있다. 하나는 아프리카 아래, 다른 하나는 태평양 아래에 위치해 있다. 과학자들은 이 덩어리들이 주변 암석에 비해 훨씬 더 뜨겁고 밀도가 높다는 것을 발견했다. 그러나 이 덩어리들의 정확한 성질과 기원에 대해서는 여전히 많은 것이 불확실하다. 최근 연구에 따르면, 이 덩어리들은 지구 형성 당시 테이아라는 원시 행성과의 충돌로 지구 내부로 들어온 ‘매장된 유물'일 수 있다. 이 충돌로 인해 테이아의 잔해가 지구의 깊은 내부에 숨겨져 있었을 가능성이 제시되고 있다. 연구팀은 달을 형성시킨 테이아와의 충돌이 지구가 생명을 유지할 수 있는 독특한 행성으로 발전하는 데 중요한 역할을 했을 것이라고 주장했다. 캘리포니아 공과대학의 지구역학 연구원이자 이번 연구의 주 저자인 첸 위안(Qian Yuan)은 AFP와의 인터뷰에서 테이아 충돌의 증거가 아직 발견되지 않은 것이 "매우, 매우 이상하다"고 언급했다. 위안에 따르면, 테이아는 원시 지구와 충돌할 때 초당 10km(약 6마일) 이상의 속도로 이동하고 있었으며, 이 속도로 인해 일부 잔해가 지구의 하부 맨틀까지 침투할 수 있었다고 한다. 맨틀은 지각과 외핵 사이의 암석층을 의미한다. 철분 함량 높아 지구 멘틀에 축적 연구팀이 개발한 시뮬레이션 동영상은 테이아의 맨틀 덩어리가 지구 내부에서 어떻게 움직이는지 보여주고 있다. 이 덩어리들은 수십 킬로미터에 이르는 너비를 가지고 있으며, 지구 내부를 소용돌이치며 이동하고 있다. 과학자들은 녹은 테이아 물질이 냉각되고 굳어지면서, 높은 철분 함량으로 인해 지구 맨틀과 핵의 경계에까지 가라앉았다고 설명했다. 이 물질들은 오랜 시간에 걸쳐 대규모저속지역(LLVP)으로 알려진 별도의 두 개의 덩어리로 축적되었으며, 현재는 각각 달보다 더 큰 크기에 이르렀다. 첸 위안은 이러한 발견에 대해 "지구의 깊은 내부에 대한 이론을 검증하는 것은 매우 어렵고, 모델링이 100% 확실할 수 없다"고 말했다. 이는 지질학적 연구에서 자주 마주치는 복잡성과 불확실성을 반영하는 발언이다. 이 이론이 만약 사실이라면 그 의미는 중대할 수 있다. 지구는 현재까지 알려진 바에 의하면 우주에서 생명이 존재할 수 있는 유일한 행성이다. 첸 위안은 테이아와의 충돌이 지구의 구성을 단 24시간 만에 극적으로 변화시켰을 수 있다고 말했다. 위안은 초기 조건이 지구를 독특하게 만드는 중요한 요소, 즉 다른 암석 행성과 구별되는 이유라고 주장했다. 이전 연구들은 테이아가 생명의 핵심 성분인 물을 지구에 가져왔을 가능성을 제시했다. 또한, 이 덩어리가 맨틀 기둥(마그마 기둥)을 형성하여 지구 표면에 영향을 미치고 초대륙의 진화와도 연관이 있을 수 있다는 관찰이 있었다. 위안은 "테이아는 지구에 중요한 무언가를 남겼고, 이는 지난 45억 년 동안 지구의 진화에 중요한 역할을 했다"고 강조했다. 스코틀랜드 스털링 대학교의 지구 과학 및 행성 탐사 전문가 크리스티안 슈뢰더는 이 이론이 다양한 증거와 일치한다며, 이것이 매우 중요하고 흥미로운 발견임을 강조했다. 슈뢰더는 달의 형성에 대한 미스터리가 여전히 완전히 해결되지 않았다고 언급하면서도, 이번 연구가 테이아 충돌 이론에 무게를 두고 있으며 핵과 맨틀의 경계에서 관찰되는 이상 현상에 대한 신뢰할 수 있는 설명을 제공한다고 말했다. 이처럼 지구 내부에 보존될 가능성이 있는 테이아의 잔해가 오늘날 지구상에서 진행되는 중요한 과정들에 영향을 미쳤을 수 있다는 의견에 힘이 실리고 있다.
- 생활경제
2023-11-16