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2024-11-10 (일)

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[우주의 속삭임(48)] NASA, 지구 '양극성 전기장' 세계 최초 발견

미국 항공우주국(나사·NASA)이 최근 인듀어런스(Endurance) 임무를 통해 지구의 양극성 전기장을 밝혀냈다. 이는 지구의 대기 역학을 이해하고 다른 생명체가 살 수 있는 행성을 탐사하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 나사는 홈페이지를 통해 국제 연구팀이 NASA의 준궤도 로켓 관측을 통해 지구의 중력 및 자기장과 함께 근본적인 역할을 하는 것으로 추정되는 '양극성 전기장'을 세계 최초로 측정하는 데 성공했다고 밝혔다. 과학전문매체 사이테크데일리, 라이브사이언스 등은 지구 양극성 전기장에 대해 중점적으로 다루었다. 60여 년 전 처음 감지된 뒤 가설로 제시된 이 전기장은 지구 극지방에서 끊임없이 우주로 방출되는 하전 입자의 흐름인 '극풍(Polar Wind)'의 주요 원동력이다. '양극성 전기장'은 지구의 상층 대기, 즉 극지방에서 발생하는 약한 전기장이다. 이 전기장은 대기 중의 이온과 전자의 움직임에 영향을 주어 극풍이라는 현상을 일으킨다. 극풍은 대기 중의 하전 입자들이 지구의 자기력선을 따라 우주 공간으로 빠져나가는 현상이다. 이 전기장은 양방향 즉 '양극성'인데, 이는 두 방향으로 모두 작동하기 때문이다. 이온은 중력에 의해 가라앉을 때 전자를 아래로 당긴다. 동시에 전자는 이온이 우주로 탈출하려고 할때 이온을 더 높은 높이로 들어올린다. 나사는 "양극성 장은 상층 대기의 대전된 입자를 원래 도달할 수 있는 높이보다 더 높은 곳까지 끌어 올리며 아직 탐구되지 않는 방식으로 우리 지구의 진화에 영향을 미쳤을 수 있다"고 설명했다. 양극성 전기장은 지구의 중력 및 자기장처럼 지구의 근본적인 특성 중 하나로 여겨지지만 그 존재를 직접 측정하기는 매우 어려웠다. 나사는 최근 인듀어런스 임무를 통해 처음으로 양극성 자기장의 존재를 확인하고 그 강도를 측정하는 데 성공했다. 이를 통해 과학자들은 지구 대기의 탈출 과정과 이온층의 형성 과정을 더 잘 이해할 수 있게 됐다. 앞서 과학자들은 이 전기장이 고도 약 250km(약 150마일)에서 대기 중의 원자가 음전하(-)를 띤 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리되기 시작한다는 가설을 세웠다. 전자는 엄청나게 가벼워서 에너지를 조금만 가해도 우주로 날아갈 수 있다. 반면, 이온은 전자보다 최소 1836배 무겁고 땅을 향해 가라앉는 경향이 있다. 중력만 작용한다면 한 번 분리된 두 개체군은 시간이 지남에 따라 서로 멀어질 것이다. 하지만 전자와 이온은 서로 반대 전하를 띠고 있기 때문에 전기장에 형성되어 전하가 분리되는 것을 방지하고 중력의 영향을 일부 상쇄한다. 이 전기장은 상층 대기의 하전 입자들을 더 높은 고도로 끌어 올려 지구의 진화 과정에 아직 밝혀지지 않은 영향을 미쳤을 가능성이 있다. 아원자 규모에서 생성되는 가설의 전기장은 매우 약해서 수백마일 이상에서만 그 효과가 느껴질 것으로 예상됐다. 수십년 동안 이 전기장을 감지하는 것은 기존 기술의 한계를 넘어서는 일이었다. 글린 콜린슨과 그의 팀은 2016년 지구의 양극장을 측정할 수 있는 새로운 기기를 발명하기 시작했다. 나사의 인듀어런스는 2022년 5월 11일 발사돼 약 768km(약 477.23마일) 고도에 도달한 뒤 19분 후 그린란드해에 낙하했다. 인듀어런스는 양극성 자기장 데이터를 수집한 약 518km(322마일) 고도 범위에서 0.55볼트에 불과한 전위 변화를 측정했다. 멜린랜드 주에 있는 나사 고다드 우주빙행센터의 인두어런스 수석연구원이자 이 논문의 주저자인 글린 콜린슨은 "0.55볼트는 거의 아무 것도 아니며 시계 배터리 정도에 불과하다"면서 "하지만 이 정도면 극지방의 바람을 설명하기에 적당한 양이다"라고 설명했다. 극풍에서 가장 풍부한 입자인 수소 이온은 이 전기장에서 중력보다 10.6배 강한 외력을 경험한다. 나사 고다드의 지구력 프로젝트 과학자이자 논문의 공동 저자인 알렉스 글로서는 "이는 중력에 대항하기에 충분하며, 실제로 초음속으로 우주로 발사하기에 충분하다"고 말했다. 콜린슨은 "이것은 마치 대기를 우주로 들어올리는 컨베이어 벨트와 같다"고 덧붙였다. 연구팀은 이번 발견을 통해 지구 대기의 복잡한 움직임과 진화 과정을 이해하고, 지구 역사뿐 아니라 다른 행성의 비밀을 밝히고 생명체 존재 가능성을 판단하는 중요한 단서를 얻을 수 있을 것으로 전망했다. 이번 연구 결과는 2024년 8월 28일 학술지 '네이처(Nature)'에 게재됐다.
- IT/바이오
2024-09-02
중국, 미국의 대중 견제에도 AI 최강국 눈앞

미국이 그동안 인공지능(AI) 분야에서 중국의 발전을 저지하기 위해 국가안보를 명분으로 수출 규제를 강화했지만, 중국이 조만간 미국을 넘어 세계 최고의 AI 강국으로 부상할 수 있다는 예상치 못한 전망이 제기되었다. 미국의 경제 및 혁신 정책 연구 기관인 정보혁신재단(ITIF)은 지난 26일(현지시간) 발표한 보고서에서 "중국이 AI에 대한 지속적인 노력과 전략적인 투자를 통해 미국을 따라잡거나 뛰어넘는 것은 시간 문제일 뿐"이라고 예측했다. 보고서는 "수출 규제를 통해 중국의 첨단 기술 접근을 차단하려는 미국의 광범위한 시도는 효과를 거두지 못했다"면서 "이러한 조치들은 오히려 부정적인 결과를 초래하여 중국이 자체 기술 생태계를 구축하도록 유도했다"고 분석했다. 더불어, 미국의 AI 관련 논문이 더 많은 인용과 민간 부문의 참여로 더 큰 파급력을 지니고 있지만, AI 연구 논문 수는 중국이 가장 많고 경쟁력이 높다고 평가했다. 예를 들어, 2023년 기준 AI 연구 논문 발표 건수에서는 중국 정부 소속 연구 기관인 중국과학원과 칭화대가 스탠퍼드대와 구글의 모회사 알파벳을 제치고 각각 1위와 2위를 차지했다. 논문 인용 순위에서는 알파벳과 버클리대가 1위와 2위를 기록했고, 중국과학원은 9위에 머물렀다. 서울대는 7위에 올랐다. AI 특허 보유 건수에서도 중국은 미국을 크게 앞질렀다. 2010년부터 2022년까지 중국은 총 11만 5천 개의 특허를 출원하여 이 중 3만 5천여 개의 특허를 획득했다. 반면 미국은 2만 7천여 개의 특허를 출원하여 1만 2천여 개의 특허를 보유했다. 중국이 미국의 약 3배 수준이었다. 2023년 생성형 AI 관련 특허 보유 순위에서도 중국의 IT 기업인 텐센트가 2천 개 이상의 특허를 보유하는 등 중국 기업과 연구 기관이 1위부터 4위까지를 석권했다. 중국 기업과 연구 기관은 특허 보유 상위 20위 중 13곳을 차지했다. 반면, 미국은 IBM과 알파벳이 각각 500개 정도의 특허를 보유하며 5위와 8위에 머무는 등 상위 20곳 중 단 4곳만 포함되었다. 삼성전자는 알파벳보다 한 단계 높은 7위를 기록했다. 보고서는 특히 칭화대를 중국의 주요 AI 스타트업의 산실로 지목했으며, 투자자들로부터 수십억 달러를 유치하여 연구에 몰두하는, 이른바 중국의 'AI 4대 강자'로 지푸AI, 문샷AI, 미니맥스, 바이촨 등의 AI 스타트업을 주목했다. 또한, 알리바바의 큐원(Qwen) 1.5와 지푸AI의 챗GLM3 등의 AI 모델이 성능 면에서 미국의 일부 모델을 뛰어넘는 등 중국의 거대언어모델(LLM) 생태계가 빠르게 성장하고 있다고 강조했다. 뿐만 아니라, "중국은 미국에 비해 민간 AI 투자가 부족하지만, 사우디아라비아 아람코 등 해외 투자가 증가하고 있다"면서 "정부 주도의 자금 및 재정 지원 또한 민간 투자가 부족한 유망 스타트업을 지원하는 데 효과적인 것으로 나타나고 있다"고 역설했다. 보고서를 작성한 호단 오마르 수석 정책 분석관은 "중국이 단순히 기술을 모방한다는 주장은 틀렸으며 시대착오적인 생각"이라며 "이제 중국은 미국에 버금가는 AI 혁신 생태계를 구축하여 세계적인 경쟁 국가들을 뛰어넘는 최첨단 모델을 개발하고 있다"고 말했다. 그는 "이러한 추세가 지속된다면 미국은 오히려 중국을 따라잡는 입장이 될 수도 있다"며 "AI 연구 및 개발에 대한 민간 투자를 활성화하고, 연방 정부의 자금 지원 절차를 간소화하며, 포괄적인 국가 AI 전략을 수립해야 한다"고 제안했다.
- IT/바이오
2024-09-01
[신소재 신기술(102)] 국내 연구진, 플라스틱 생산 미생물 개발⋯석유 기반 플라스틱 대체 가능성 열어

국내 연구진이 석유 기반 플라스틱 산업의 대안으로 생분해성 플라스틱을 생산하는 미생물 개발에 성공했다. 한국과학기술원(KAIST) 연구팀은 플라스틱의 강성과 열 안정성을 높이는 고리형 구조의 폴리머를 생산하는 박테리아를 개발했다. 해당 기술에 대해서는 인터레스팅엔지니어링과 물리학org, 사이테크 데일리 등 다수 외신이 조명했다. 외신에서는 "한국 연구진이 개발한 새로운 '살아있는 플라스틱'은 버려지면 스스로 파괴된다"고 호평했다. 연구를 주도한 KAIST 화학 및 생물분자 연구 책임자인 이상엽 교수는 "(플라스틱) 바이오 제조는 기후 변화와 세계적인 플라스틱 위기를 완화하는 데 중요한 역할을 할 것"이라며 "미래를 위한 더 나은 환경을 보장하기 위해 국제적인 협력을 통해 바이오 기반 제조를 촉진해야 한다"고 강조했다. 일반적으로 고리형 분자는 미생물에 독성을 나타내기 때문에 연구진은 독특한 대사 경로를 설계했다. 이를 통해 대장균은 폴리머를 합성할 뿐만 아니라 폴리머와 그 전구체의 축적을 견딜 수 있게 되었다. 결과적으로 생성된 폴리머는 생분해성이며 약물 전달 시스템과 같은 생물 의학 분야에 유용하게 활용될 수 있는 물리적 특성을 가지고 있다. 최초의 미생물을 이용한 방향족 및 지방족 폴리머 생산 포장과 산업 분야에서 사용되는 대부분의 플라스틱(PET, 폴리스티렌 등)은 고리 모양의 '방향족' 구조를 포함하고 있다. 이전 연구에서는 미생물을 이용하여 방향족 및 지방족(비고리형) 단량체가 혼합된 폴리머를 생산하는 데 성공했지만, 이번 연구는 미생물이 방향족 측쇄(곁가지)를 가진 단량체로만 구성된 폴리머를 생산한 최초의 사례다. 이를 위해 연구팀은 다양한 미생물의 효소를 통합하여 새로운 대사 경로를 만들었고, 이를 통해 박테리아가 페닐락테이트라는 방향족 단량체를 생산할 수 있도록 했다. 그런 다음 컴퓨터 시뮬레이션을 활용하여 이러한 페닐락테이트 단량체를 완전한 방향족 폴리머로 효율적으로 조립할 수 있는 폴리머라제 효소를 설계했다. 이상엽 교수는 보도 자료에서 "이 효소는 자연에 존재하는 어떤 효소보다 폴리머를 더 효율적으로 합성할 수 있다"고 설명했다. 산업용 생산을 위한 규모 확대 연구팀은 박테리아의 대사 경로와 폴리머라제 효소를 개선한 후, 6.6리터(1.7갤런) 발효조에서 미생물을 배양하여 실험 규모를 확대했다. 최적화된 균주는 리터당 12.3g의 폴리머(폴리-D-페닐락테이트)를 성공적으로 생산했다. 그러나 상용화를 위해서는 이 수율을 리터당 최소 100g까지 높이는 것을 목표로 하고 있다. 이 교수는 "그 특성에 근거해 우리는 이 폴리머가 특히 약물 전달에 적합할 것이라고 생각한다"며 "주로 분자량이 낮기 때문에 PET만큼 강하지는 않다"고 말했다. 향후 연구진은 다양한 화학적 및 물리적 특성을 가진 추가적인 방향족 단량체 및 폴리머를 개발할 계획이다. 특히 산업용으로 필요한 더 높은 분자량을 가진 폴리머 개발에 주력할 예정이다. 또한 대규모 생산을 가능하게 하기 위해 공정 최적화 작업도 계속 진행할 계획이다. 이상엽 교수는 "수율을 높이기 위해 더 많은 노력을 기울이면 이 방법을 더 큰 규모로 상용화할 수 있을 것"이라며 "생산 공정의 효율성뿐만 아니라 회수 공정도 개선해 생산된 폴리머를 경제적으로 정제할 수 있도록 노력하고 있다"고 밝혔다. 이 연구는 지난 8월 21일 생명공학 분야의 최신 동향과 미래 전망에 대한 리뷰 논문을 주로 다루는 학술지 '트렌드 인 바이오테크놀로지(Trends in Biotechnology)'에 게재됐다.
- IT/바이오
2024-08-31
[신소재 신기술(101)] 버섯 곰팡이 전기 자극으로 바이오하이브리드 로봇 제어

코넬 대학교 연구진이 곰팡이 균사체를 배양해 여기서 나오는 전기 신호를 활용, 일반 로봇보다 환경에 더 잘 반응하는 '바이오 하이브리드' 로봇 제어 방법을 새로 발견했다고 테크익스플로러가 전했다. 로봇 제조에 시간과 기술, 재료 정도가 필요했다면, 이제는 곰팡이까지 더해질 수 있게 됐다. 로봇 제어 기술 개발은 코넬 대학교 롭 셰퍼드 교수가 이끄는 유기로봇연구실의 아난드 미슈라 박사팀이 주도했으며, 「곰팡이 균사의 전기 생리학적 측정을 통해 매개되는 로봇의 감각 운동 제어」라는 제목의 논문은 '사이언스 로보틱스(Science Robotics)'에 발표했다. 셰퍼드 교수는 "이 연구는 곰팡이가 내는 생체 전기를 사용해 로봇에 환경 감지 및 명령 신호를 제공, 자율성 수준을 향상시키는 첫 번째 성과"라며 "로봇의 전자 장치에 균사체를 배양함으로써, 바이오 하이브리드 로봇이 환경을 감지하고 이에 대응할 수 있도록 할 수 있었다. 이번에는 입력원으로 빛을 사용했지만, 미래에는 화학 물질이 될 것이다. 개발할 미래 로봇은 작물에서 토양의 화학적 성질을 감지하고 비료를 뿌릴 시기를 결정할 수 있을 것"이라고 말했다. 엔지니어들은 로봇을 설계하면서 동물계에서 많은 단서를 얻었다. 동물이 움직이는 방식을 모방하고, 환경을 감지하고, 심지어 땀을 통해 내부 온도를 조절하는 기계를 만들었다. 일부 로봇은 근육 조직 세포와 같은 살아있는 조직을 통합했지만, 이러한 복잡한 생물학적 로봇 시스템은 기능적으로 유지하기 어렵다. 로봇의 성능과 기능을 살리는 작업은 쉽지 않다. 균사체는 버섯의 지하 식물체이며, 여러 가지 장점이 있다. 혹독한 환경에서도 자랄 수 있다. 또 화학적 및 생물학적 신호를 감지하고 여러 입력에 반응할 수 있다. 미슈라 박사는 "기존의 수동 센서는 한 가지 목적으로만 사용되지만 살아있는 시스템은 촉각에 반응하고, 빛에 반응하고, 열에 반응하고, 신호와 같은 알려지지 않은 것에도 반응한다"면서 "미래 로봇 제작은 예상치 못한 환경에서 어떻게 작동할 수 있을까에 초점이 맞추어질 것이다. 우리 연구팀이 찾아낸 ‘살아있는 시스템’을 활용하면 알려지지 않은 입력이 들어와도 로봇이 그에 반응할 것"이라고 밝혔다. 그러나 버섯과 로봇의 통합에는 기술에 대한 지식 이상이 필요하다. 기계나 전자공학뿐 아니라 균류학, 신경 생물학, 신호 처리에 대한 배경 지식 등도 요구된다. 이 모든 분야가 모여야 시스템을 구축할 수 있다. 그래서 연구팀은 신경 생물학 및 행동 분야(브루스 존슨 연구원)의 자문을 구해 균사체 막의 뉴런과 같은 이온 채널로 전달되는 전기 신호를 기록하는 방법을 배웠다. 농업 및 생명 과학 대학의 통합 식물 과학부(캐시 호지 박사)는 균류에 전극을 붙일 때 우려되는 오염을 방지하기 위해 깨끗한 균사체 배양 방법을 전달했다. 미슈라가 개발한 시스템은 △ 진동과 전자기 간섭을 차단하고 균사체의 전기 생리학적 활동을 실시간으로 정확하게 기록하고 처리하는 전기 인터페이스 △ 일종의 신경 회로인 중앙 패턴 생성기에서 영감을 받은 컨트롤러로 구성되어 있다. 기본적으로 이 시스템은 원시 전기 신호를 읽고, 이를 처리하고, 균사체의 리드미컬한 스파이크를 식별한 다음, 해당 정보를 디지털 제어 신호로 변환해 로봇의 액추에이터로 전송한다. 이를 바탕으로 연구팀은 거미 모양의 소프트 로봇과 바퀴 달린 로봇 등 두 가지 바이오 하이브리드 로봇을 제작했다. 개발된 로봇은 세 가지 실험을 완료했다. 첫 번째 실험에서 로봇은 균사체 신호에서 자연스럽고 연속적으로 급증하는 스파이크에 대한 응답으로 걷고 구르는 동작을 시연했다. 그런 다음 연구팀은 자외선으로 로봇을 자극하여 보행 패턴을 변화시켜 균사체가 환경에 반응하는 능력을 입증했다. 세 번째로 연구팀은 균사체의 원래 신호를 완전히 무시할 수 있었다. 이는 로봇 공학과 균류학 분야를 훨씬 넘어섬을 의미한다고 연구팀은 전했다. 신호를 받아들이면 무슨 일이 일어나고 있는지도 이해할 수 있다는 점에서, 이는 로봇을 제어하는 것만이 아니라 생명체와 진정한 연결을 만드는 것이라는 지적이다. 사람이 시각화할 수 없는 신호를 로봇은 시각화하고 있다는 것이다. 한편, 이 연구에는 이탈리아 피렌체 대학교의 김재석 연구원도 참여했다.
- IT/바이오
2024-08-30
[기후의 역습(46)] 태양 복사열의 미세한 변화, 지구 기후 대변혁 일으켰다

지구의 주요 열원인 태양 복사열의 지속적 감소가 약 100만 년 전 지구 기후의 재편을 일으켰다는 연구 결과가 나왔다. 지구에 도달하는 태양 복사의 누적된 미세한 변화가 지구의 빙하기를 변화시키는 주요 기후 변화를 촉발하는 데 큰 영향을 미쳤다는 증거가 발견됐다고 SCMP(사우스차이나모닝포스트)가 전했다. 복사는 빛으로 열이 전달되는 것으로 태양이 지구에 열을 전달하는 방식이다. 따라서 태양이 지구로 보내는 빛은 지구 표면에서 복사열 또는 복사 에너지로 지구의 기후에 절대적인 영향을 미치게 된다. 중국 과학아카데미(CAS) 지구환경연구소의 진장둥 박사 연구팀이 수행한 이 연구는 지난 200만 년 동안 지구의 기후를 조사한 것으로, 지구로 유입된 태양 복사가 어떻게 바다를 가열하거나 냉각시켜 기후 변화를 촉진시켰는지의 내막을 밝힌 것이다. 분석 결과 지구로 유입된 태양 복사량은 93만 5000년 전까지 지속적으로 감소했다. 이는 당시 차가운 해수면 온도의 직접적인 원인일 가능성이 높으며, 지구가 더 춥고 더운 기간 사이의 순환 방식을 변화시킨 중요한 과도기적 기후 전환기였다. 일사량이라고 불리는 지구에 유입되는 태양 복사는 지구 기후 시스템의 주요 열원 역할을 한다. 연구팀은 "우리는 누적된 일사량 교란(감소)이 지구 기후 시스템 내의 열 균형을 깨뜨려 플라이스토세(홍적세)의 장기 기후 변화에 영향을 미쳤다고 본다"고 말했다. 플라이스토세는 지구 지질 시대에서 기원전 260만 년부터 기원전 9700년까지 약 257만 년 동안의 시기로, 신생대 제4기의 대부분의 시기를 말한다. 플라이스토세 시대에는 세계 많은 지역에 빙상과 빙하가 광범위하게 반복적으로 형성됐는데, 이것이 당시의 냉각 때문이라는 것이다. 일사량은 기후 변화를 주도하는 것으로 알려져 있지만, 일사량이 장기 기후 변화에 미치는 영향은 여전히 미지의 영역이다. 일사량은 플라이스토세 동안 해수면 온도가 섭씨 2.3도 하락한 것을 포함, 장기적인 냉각 추세의 주요인으로는 간주되지 않았었다. 냉각 추세는 중기 플라이스토세 전환으로 이어졌는데, 이는 전 세계 빙하기 사이의 기간을 의미하는 빙하기 주기의 길이를 약 4만 1000년에서 10만 년으로 연장한 주요 기후 사건이었다. 한편 사이언스 저널에 실린 또 다른 논문에서 중국 연구팀은 지구에 도달하는 태양 복사열의 감소에 따른 누적된 영향이 바다의 열을 크게 낮춰 빙상이 성장하는 데 필요한 조건을 만들었다고 밝혔다. 연구팀은 장기적인 기후 변화에 미치는 일사량의 영향을 조사하기 위해 전 세계 해수면 온도에 대한 26개의 기록을 수집하고 일사량 이상치를 정량화할 수 있는 새로운 지수를 도입했다. 연구팀은 일사량의 변화는 작았지만, 지구로 유입되는 태양 복사선의 작은 변화조차도 바다의 열 함량을 변화시켜 열 균형에 영향을 미칠 수 있으며, 누적된 변화는 큰 열 불균형을 초래할 수 있다고 말했다. 지구 표면의 70% 이상을 덮고 있는 바다는 인간이 생성하는 열의 90% 이상을 흡수하는 주요 열 저장소다. 연구팀은 약 90만 년 전 일어난 '기후 시스템의 재편'으로 인해 지구상의 얼음 부피가 증가했다고 밝혔다. 연구팀은 "우리의 시뮬레이션 결과는 누적 일사량의 감소가 '냉각 사건'에 기여했음을 시사한다"고 말했다. 연구팀은 "대기 중 이산화탄소와 기타 측정치를 통합한 추가 시뮬레이션을 통해 장기적인 기후 추세에 대한 더 깊은 지식과 이해를 얻어야 할 것"이라고 지적했다.
- 포커스온
2024-08-21
[우주의 속삭임(44)] 은하수와 안드로메다 은하, 충돌 확률은 얼마?

우리 태양계가 속해 있는 은하수와 안드로메다 은하가 충돌할 가능성은 얼마나 될까. 연구에 따르면 앞으로 100억 년 내에 은하수와 안드로메다가 충돌할 확률은 50%라고 한다. 50%의 확률은 매우 높아 보이지만, 실제 치명적인 충돌이 일어날 가능성은 대단히 낮은 것이라고 라이브사이언스가 전했다. 안드로메다(M31) 은하는 북반구에서 보이는 가장 밝은 나선은하로 우리 은하와 유사한 점이 많다. 약 250만 광년 떨어져 있으며, 초당 110km의 속도로 우리 은하에 접근하고 있다. 이 때문에 천문학자들은 두 은하가 앞으로 수십억 년 안에 필연적으로 치명적인 충돌을 맞이할 것이라고 예측해 왔다. 서로 나선형으로 충돌한 후 합쳐져 새로운 은하를 형성할 것이라는 예측이었다. 그러나 최근 인쇄 전 논문 발표 사이트인 arXiv에 발표된 새로운 연구에 따르면 두 은하는 오히려 서로 빗나갈 가능성이 있다고 한다. 게시된 논문은 "모든 은하의 현재 위치, 운동, 질량의 불확실성은 예상과는 완전히 다른 결과를 초래할 수 있으며, 향후 100억 년 동안 은하수와 안드로메다가 충돌해 합병되지 않을 확률은 50%에 가깝다"고 서술했다. 지난 1912년, 미국의 천문학자 베스토 슬리퍼는 1912년 안드로메다 은하가 우리 은하와 충돌할 가능성이 있음을 발견했다. 추가 연구에서는 향후 50억 년 안에 안드로메다가 우리 은하와 충돌하는 것은 불가피할 것이라고 예측했다. 충돌 과정에서 우리 태양계는 새로 합병되는 은하의 바깥쪽으로 튕겨져 나갈 것이라고 보았다. 그러나 이번 연구에 따르면, 지금까지의 연구에서는 은하수와 안드로메다가 속한 은하군 내의 다른 작은 은하의 중력 효과인 ‘교란 요인’을 고려하지 않았다. 작은 은하들이 일으키는 중력에 의한 교란 요인 때문에 충돌에서 완전히 벗어날 수 있다는 것이다. 연구팀은 가이아와 허블 우주 망원경의 관측 결과를 이용, 국부 은하군 중에서 가장 큰 네 개의 은하의 질량, 움직임 및 중력적 상호 작용을 추정했다. 그 후 이 데이터를 여러 가지 가능한 시나리오에 맞추어 시뮬레이션 모델에 입력해 결과를 추정했다. 네 개의 은하는 은하수, 안드로메다, 삼각형 은하 및 대마젤란운이었다. 이들의 상호 작용을 고려했을 때, 은하수와 안드로메다의 충돌 가능성은 종전에 비해 크게 낮아졌다. 충돌과 합병이 실제로 일어난다 해도 이는 적어도 80억 년 이후에나 가능한 일일 것으로 보인다. 물론 이 연구로 밀코메다에 대해 최종 결론을 내릴 수는 없다는 지적이다. '밀코메다'는 은하수와 안드로메다 은하가 합병해 생겨나게 될 새로운 은하의 이름을 말한다. 연구팀은 더 진보된 결론의 산출을 위해 최근 재보정된 가이아 우주 망원경의 새로운 데이터가 공개되기를 기다리고 있다. 보정된 가이아 망원경 데이터의 공개가 새로운 정보를 제공해 줄 것이라는 기대다. 은하 종말론은 아직 초기 단계이며, 국부 은하군의 운명을 확실하게 예측하기 위해서는 추가 연구가 필요하다는 지적이다. 다만 현재 상황에서 우리 은하의 멸망이 임박했다는 주장은 크게 과장된 것으로 보인다. 결론적으로 국부 은하군 내의 모든 은하가 언젠가는 충돌하고 합쳐지겠지만, 이 과정이 일어나기까지는 우주의 현재 나이보다 몇 배나 더 오래 걸릴 수 있다는 지적이다.
- IT/바이오
2024-08-21
[먹을까? 말까?(52)] 매일 자두 섭취, 건강에 어떤 이점 있을까?

말린 자두(서양자두)는 소화를 돕고 뼈 건강에 기여하며 심장 건강을 돕는 효과가 있는 것으로 나타났다. 2024년 국제 골다공증 학회지에 발표된 연구에 따르면 1년 동안 매일 자두를 먹은 폐경 후 여성은 자두를 먹지 않은 여성에 비해 뼈 구조와 추정 뼈 강도의 특정 측정치가 보존된 것으로 나타났다고 이팅웰이 전했다. 이 연구는 55~75세 폐경 후 여성 183명을 대상으로 12개월간 진행된 무작위 대조군 임상시험인 '더 프룬(The Prune)' 연구의 일부다. 프룬 연구에서 발표된 여러 논문에 따르면 매일 자두를 섭취하면 노년기의 뼈 손실 완화에 도움이 될 수 있다. 연구를 이끈 레슬리 본치 박사는 "자두에는 뼈 건강에 긍정적인 영향을 미치는 미네랄, 비타민 K, 페놀 화합물, 섬유질, 항염증 성분이 독특하게 조합되어 있다"고 말했다. 또한, 2022년에 발표된 연구에서는 골다공증과 관련하여 자두에 대해 심층적으로 분석했다. 이 연구에 따르면 자두에 함유된 항산화제와 항염증 화합물은 폐경 후 여성의 골 손실을 예방하고 경우에 따라서는 골 손실을 되돌릴 수 있다고 한다. 본치는 자두를 매일 먹는 습관을 들이면 뼈를 보호하는 데도 도움이 될 수 있다고 거듭 강조했다. 최근 영양학 저널에 발표된 연구에 따르면 매일 100g(약 9~10개)의 자두를 섭취하면 신체 중심부, 특히 복부 내장 지방의 지방 분포 변화를 예방할 수 있다고 한다. 자두는 또한 건강한 혈압 수준을 유지하고 전반적인 심장 건강을 지원하는 데 중요한 칼륨의 좋은 공급원이다. 게다가 혈당 수치를 더 건강하게 유지할 수 있다 말린 과일은 종종 당뇨병 관리 시 피해야 할 식품으로 오해를 받았다. 하지만 최근 자두, 말린 살구, 건포도를 이용한 BMC 영양 및 신진대사에 실린 연구에 따르면 이러한 말린 과일을 많이 섭취할수록 제2형 당뇨병 위험이 감소하는 것으로 나타났다. 견과류, 오트밀, 브로콜리와 마찬가지로 자두에 함유된 섬유질은 자연적으로 발생하는 당의 흡수 속도를 늦춰 혈당 수치를 안정시키고 급격한 상승을 방지하는 데 도움이 될 수 있다. 말린 과일은 적당히 섭취하는 것이 가장 좋으며(성인 표준 1회 제공량은 약 ¼컵 또는 자두 4~6개), 신선한 과일과 냉동 과일을 함께 섭취하는 것도 좋다. 식이섬유 함량 높아 미국 농무부에 따르면 성인 표준 1회 제공량인 자두 4개에 함유된 영양 성분은 다음과 같다. 칼로리 90(kal), 탄수화물 24g, 총 당류 14g, 단백질 1g, 비타민 K 23mcg(하루 영양소 기준치 20%), 구리 0.1mg(하루 영양소 기준치 10%), 칼륨 280mg(6%) 등이 포함돼 있다. 또한 자두는 소화를 돕고 포만감을 증진하는 데 도움이 되는 3g의 식이섬유를 공급한다. 아울러 혈액 응고와 뼈 건강에 중요한 미량 영양소인 비타민 K가 특히 풍부하다. 그렇지만 지방과 콜레스테롤, 나트륨은 함유되어 있지 않다. 자두는 대부분의 사람에게 건강하고 안전한 식품으로 간주된다. 그러나 자두의 높은 섬유질과 소르비톨 함량으로 인해 권장 섭취량을 초과해서 많은 양의 자두를 섭취하는 경우, 일부 사람들은 복부 팽만감이나 가스를 경험할 수 있다. 따라서 불편한 증상 없이 효과를 보려면 하루 1회 제공량을 지키는 것이 가장 좋다. 드물기는 하지만 일부 사람들은 자두 알레르기가 있을 수 있다. 알레르기가 의심되는 경우 자두를 섭취하기 전에 반드시 의료진이나 영양사에게 문의해야 한다.
- 생활경제
2024-08-20
구글 딥마인드, 탁구 로봇 개발…인간 제압할까?

탁구는 빠른 판단력과 순발력, 신속한 몸놀림이 필요한 운동이다. 탁구는 생활 운동으로, 또는 올림픽과 같은 대회의 공식 종목으로 인기를 끌어 왔다. 탁구는 로봇이 도전하기 어려웠던 부문이었고, 지난 40년 동안 개발이 진행됐음에도 불구하고 인간을 뛰어넘지 못했다. 그런데 구글 딥마인드(Google DeepMind)가 탁구 로봇을 선보여 주목된다. 이로 인해 탁구에서 인간이 차지했던 우위의 시대가 끝날 지도 모른다고 퍼퓰러사이언스가 전했다. 구글 AI 개발자 팀은 최근 발표된 논문에서 아마추어 수준의 탁구 실력을 발휘하는 탁구 로봇 시스템을 설계했다고 밝혔다. 또한 탁구 로봇 프로토타입도 만들어 시연하는 동영상도 제작해 공개했다. 지금까지 AI 개발자들은 체스나 바둑 등 두뇌를 사용하는 정적인 게임 부분에서 AI 역량을 극대화했다. 이미 오래전 이야기지만 한국 이세돌 9단과의 바둑 대결은 세기의 관심을 끌었었다. 그러나 로봇 산업에서 미래 전략과 실시간의 물리적 동작을 결합하는 측면에서의 표준은 탁구다. 개발자들은 40년 이상 탁구 로봇을 개발하면서 인간과의 경쟁을 무수히 많이 진행해 왔다. 탁구는 동적인 변수, 복잡한 동작, 타이밍에 대한 빠른 적응 등 막대한 연산 및 물리적 요구 사항이 수반되기 때문에 진행은 더뎠다. 탁구 경기에서도 알 수 있듯이 작은 공은 사람 눈으로 따라가기 어려울 정도로 빨리 튀어오른다. 구글 딥마인드는 X(구 트위터)에 올린 게시글에서 "탁구 로봇은 공을 되받아치는 가장 기본적인 기술은 물론 상대편을 꺾기 위한 전략 수립, 스코어에 맞는 장기 계획 수립 등 고수준 기술까지 능숙해야 한다“고 설명했다. 구글 엔지니어들은 고도로 발전된 탁구 로봇을 개발하기 위해 먼저 위치, 스핀, 속도에 대한 정보를 포함한 탁구공 상태의 대규모 데이터 세트를 모아 조합했다. 그리고 물리적으로 정확한 가상 시뮬레이션에서 AI 시스템에 이 데이터 세트를 사용, 서브 반환, 백핸드 조준, 포핸드 탑스핀 등의 기술을 학습하도록 했다. 그런 다음 학습된 AI 시스템을 복잡하고 빠른 움직임이 가능한 로봇 팔과 연계해 사람과 대결시켰다. 로봇에 탑재된 카메라로 촬영한 탁구공의 시각 정보를 포함한 데이터는 시뮬레이션에서 다시 분석해 학습의 ‘지속적인 피드백 루프’를 만들었다. 구글 딥마인드는 이 로봇을 실전에 투입해 토너먼트를 개최했다. 구글은 초보자, 중급자, 고급 실력자, 선수급 등 네 가지 기술 수준에 맞추어 29명의 탁구 선수를 모집해 트랙에 장착된 로봇과 경기를 가졌다. 연구원들에 따르면, 탁구 로봇은 전체 중 총 13경기, 즉 게임의 45%에서 승리, ‘아마추어 수준으로는 훌륭한 수준의 성과’를 보여주었다. 그러나 탁구 로봇의 실력이 매우 우수하다는 평가는 내려지지 않았다. 탁구 로봇은 모든 초보자 수준의 선수들을 이겼지만 중급 상대자와의 경기에서는 55%만 이겼고, 두 명의 고급 실력자를 대상으로는 한 번도 이기지 못했다. 물론 이 정도 수준의 탁구 로봇이 개발된 것은 큰 의미를 갖는다는 평가다. 토너먼트에 참여한 사람들은 향후 개선된 차세대 로봇과의 재경기에 대해 압도적인 관심을 표명했다.
- IT/바이오
2024-08-14
[신소재 신기술(94)] 물로 작동하는 스마트 붕대, 치료 효과 30% 향상

전자 부품이 없이 물 한 방울로 작동하는 스마트 붕대(드레싱)가 개발돼 당뇨병 환자 등의 만성 상처 치유 효과를 높일 것으로 보인다. 미국 노스캐롤라이나 주립대(NCSU) 과학자들이 전기장을 이용해 만성 상처의 치유 속도를 높이는 저렴한 스마트 드레싱(WEPDs)을 개발했다고 메디컬 익스프레스와 데일리 메일 등 다수 외신이 보도했다. '만성 상처'는 치유가 더디거나 아예 치유되지 않는 상처를 말한다. 예를 들어 일부 당뇨병 환자에게서 발생하는 상처는 만성 상처라고 할 수 있다. 이러한 상처는 치유 후에도 종종 재발하고 절단 및 사망 위험을 크게 증가시키기 때문에 문제가 된다. 만성 상처는 또한 치료비가 매우 비싸서 환자에게 추가적인 문제를 일으킬 수 있다. 연구팀이 개발한 '물로 작동하는 전자 부품 없는 드레싱(WPEDs)'은 일회용 붕대로, 한쪽 면에는 전극이, 다른 면에는 작고 생체 적합성이 뛰어난 배터리가 부착돼 있다. 이 드레싱을 상처에 붙인 후 물 한 방울을 떨어뜨리면 배터리가 활성화되어 몇 시간 동안 치유를 촉진하는 전기장이 생성된다. 동물 실험 결과 이 붕대로 치료한 상처는 기존 붕대보다 30% 빠르게 치유됐다. 이번 연구를 주도한 NCSU 전기 및 컴퓨터 공학 아마이 반도드카 교수는 "우리의 목표는 만성 상처 환자의 치유를 가속화하면서도 훨씬 저렴한 기술을 개발하는 것이었다"며 "환자들이 병원 뿐만 아니라 집에서도 쉽게 사용할 수 있도록 하는데 중점을 두었다"고 설명했다. 연구의 공동 1저자이자 NC 주립대의 박사후 연구원인 라자람 카베티는 "이 드레싱에서 전기장은 매우 중요하다. 전기장이 만성 상처의 치유를 가속화한다는 것은 잘 알려진 사실이기 때문이다"라고 말했다. 연구팀은 당뇨병 쥐를 대상으로 WPEDs의 효과를 실험했다. 그 결과, WPEDs를 사용한 쥐들은 일반 붕대를 사용한 쥐보다 약 30% 빠르게 치유됐으며, 새로운 혈관 형성 촉진 및 염증 감소 효과도 확인됐다. WPEDs의 전극은 붕대와 함께 구부러지고 만성 상처의 표면에 맞춰질 수 있도록 설계됐다. 그로 인해 WPEDs는 빠르고 쉽게 부착할 수 있으며, 환자들은 붕대를 붙인 상태에서 자유롭게 움직이며 일상 생활을 할 수 있다. 이는 환자들이 집에서 편리하게 치료 받을 수 있게 해 치료 순응도를 높일 것으로 기대된다. 연구팀은 향후 WPEDs의 인체 적용 가능성을 확인하기 위해 추가 연구를 진행할 계획이다. 연구 결과는 「상처를 전기적으로 자극하여 상처를 빠르게 봉합하는 물로 구동되는 전자 장치 없는 드레싱」이라는 논문으로 지난 8월 7일 오픈 액세스 저널인 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 개재됐다.
- 포커스온
2024-08-12
삼성전자, 우수 AI 논문 세계 14위⋯특허량은 4위

삼성전자가 세계 주요 기업 중 14번째로 많은 AI(인공지능) 논문을 발표했다는 조사 결과가 나왔다. 12일(현지시간) AI 및 금융투자 업계에 따르면 미국 조지타운대의 '안보 및 유망기술 센터(CSET)'는 최근 세계 민간 기업들의 각종 AI 실적을 정리한 결과를 공개했다. CSET 측은 작년 말 기준으로 최근 10년 동안 기업들이 내놓은 AI 논문 중 인용이 많이 된 우수 논문을 따로 추려 업체별 실적을 집계했다. 해당 순위에서 미국 구글의 모기업 알파벳은 해당 기간 3374건의 피인용 우수 논문을 발표해 수가 가장 많았다. 마이크로소프트(MS)가 2762건, 페이스북 운영사 메타는 1120건, IBM이 963건을 내놓아 그 뒤를 이었다. 삼성전자는 293건으로 14위였다. AI 논문의 100위권 순위에 포함된 한국 업체는 삼성전자가 유일했다. 논문 100위권 랭킹은 미국 기업이 61곳으로 절반이상을 차지했으며 중국은 텐센트(5위·948건)와 알리바바(6위·731건) 등 21곳이 포함됐다. 일본은 도요타(13위·313건)와 미쓰비시상사(20위·110건) 등 7곳이 100위권에 진입했다. 삼성전자는 최상위 AI 학술대회에 채택된 논문 수를 집계한 순위에서는 525건으로 세계 11위였다. AI 논문은 연구 전산 설비 등의 비용이 매우 많이 들어 대학보다는 큰 자본을 동원할 수 있는 기업이 주도하는 경우가 많다. 이 때문에 AI 업계에서는 이런 논문 실적이 기업의 AI 연구개발(R&D) 역량을 판단하는 주요 지표로 통한다. AI 분야는 연구 발표 속도가 빠른 특성 때문에 논문이 주요 학술대회에 채택됐는지 여부를 피인용도만큼 중요한 지표로 본다. 최상위 학술대회 논문을 가장 많이 낸 곳은 MS(4305건)였고, 알파벳(4194건)과 중국 텐센트(1880건)가 그 다음이었다. 최근 10년 사이 등록한 AI 관련 특허 수는 삼성전자가 6032건으로 중국 바이두·텐센트와 미국 IBM에 이어 세계 4위였다. 정상 위치의 바이두는 AI 특허가 1만182건에 달했고, 텐센트와 IBM은 각각 9702건과 8724건이었다. 그 외 AI 특허를 많이 보유한 업체로는 화웨이(4220건), 알파벳(3859건), MS(3천728건), 독일 지멘스(2603건) 등이 있었다.
- IT/바이오
2024-08-12
애플, 자사 AI모델에 엔비디아 대신 구글 AI칩 선택

애플이 29일(현지시간) 자사 인공지능(AI) 모델에 구글 AI칩을 이용했다고 발표했다. 이에 따라 시장에서는 AI반도체업계에 지각변동이 일어나고 있다고 분석이 제기되고 있다. 애플은 이날 자사 리서치 블로그에 공개한 ‘애플 인텔리전스 파운데이션 언어모델(AFM)’ 논문을 통해 자사 AI모델 학습에 구글 AI칩을 사용했음을 시사했다. 애플은 논문에서 "AFM 서버 모델을 '클라우드 텐서프로세서유닛(TPU) 클러스터'로 학습시켰다"고 했다. AFM은 지난달 애플이 발표한 AI 시스템의 기반이 되는 AI 모델을, TPU는 구글이 AI 학습을 위해 자체 설계한 반도체를 말한다. 머신러닝을 가속화하기 위해 개발된 TPU는 엔비디아 등이 제조하는 그래픽처리장치(GPU)보다 전력 효율이 뛰어나다. 애플은 지난달 애플 인텔리전스가 작동되는 ‘애플 클라우드 컴퓨트’에 직접 설계한 M시리즈 반도체를 쓴다고 밝혔다. 외신들은 이번 발표가 엔비디아의 AI칩 독점에 균열을 일으켰다고 평가했다. 애플이라는 빅테크 기업이 현재 시장에서 압도적인 점유율을 자랑하는 엔비디아 칩 대신 구글의 AI칩을 선택했다는 점을 주목하고 있다. CNBC는 애플이 자체 AI 모델 훈련에 구글 AI칩을 사용한 것은 "빅테크 기업들이 최첨단 AI 훈련과 관련해 엔비디아의 대안을 찾고 있다는 신호"라고 분석했다. 최근 엔비디아 GPU 가격은 개당 3만~4만달러에 달할 만큼 천정부지로 치솟았다. 엔비디아 독점을 깨기 위한 빅테크들의 합종연횡에도 속도가 붙었다. 지난 5월 구글·마이크로소프트(MS)·메타·인텔·AMD·브로드컴·시스코·HP엔터프라이즈 등 8개 정보기술(IT) 기업이 결성한 울트라 가속기 링크(UA링크)가 대표 사례다. UA링크는 엔비디아의 AI 전용 통신 규격 ‘NV링크’에 대항하는 새로운 AI 가속기 표준을 올 3분기에 확정할 계획이다. 개별 기업들도 자체 AI칩을 만들기 위해 박차를 가하고 있다. MS는 자체 설계한 AI반도체 마이아100을 인텔의 1.8나노미터 파운드리로 양산하겠다고 예고했다.
- IT/바이오
2024-07-31
[우주의 속삭임(31)] 화성 지진 활동, 운석 충돌과의 연관성 확인

화성에서 일어나는 지진이 대부분 화성 지하의 지각운동에 의해 일어나지만, 많은 경우 운석 충돌의 여파로 인해 발생한다는 주장이 국제 천문학 연구팀에 의해 제기됐다고 ARS테크니카가 전했다. 이 연구 논문은 학술지 '네이처'에 발표됐다. 국제 연구팀은 지난 2019년 화성에 도착해 탐사를 이어온 나사(NASA)의 인사이트(InSight) 착륙선 데이터를 분석, 인사이트의 지진계 SEIS가 인근에서 6건의 지진을 감지했음을 발견했다. 특히 이 지진은 운석이 화성 대기를 통과하면서 발생한 음향 신호와 연결되어 있었다. 연구팀은 6개 지진 모두가 VF(초고주파) 신호의 완전히 새로운 종류의 지진임도 확인했다. 화성에서 VF 지진을 야기하는 충돌은 불과 몇 초 안에 발생한다. 이는 지각 활동으로 일어나는 것보다 훨씬 짧은 시간이다. 이 데이터는 화성에 유성이 충돌하면서 발생하는 지진을 이해하는 중요한 지진학 정보다. 지진 데이터를 이용해 운석 충돌에 의한 분화구가 얼마나 많이 생기는지를 파악한 것도 이번 연구가 처음이라고 한다. 연구팀은 화성 표면에 있는 분화구와 운석에 의해 만들어진 달의 분화구를 비교 분석하는 방법을 사용했다. 이를 비교함으로써 화성에서의 대략적인 운석 영향을 추정했다. 달 분화구의 모델은 화성의 조건에 맞게 조정됐다. 운석이 화성에 충돌하면 지각 변동에 의한 지진과 마찬가지로 지진파가 생성되며, 파동은 맨틀과 지각을 통과할 때 지진계로 감지할 수 있다. SEIS 지진계가 포착한 큰 파동의 지진은 폭 150m의 분화구와 연결되었다. 운석 충돌과의 연관성이 확인된 것이다. 인사이트 착륙선의 다른 센서에 의해 감지된 다른 음향 신호와 함께 SEIS는 5개의 화성 지진을 더 감지해 냈다. 데이터를 통해 감지된 6개의 운석 충돌에 의한 지진은 초당 3km 이상의 고속인 운석 하강 속도로 인해 지각 변동에 의한 지진보다 훨씬 빠르게 발생했다. 특히 일반 지진에서 나타나는 고주파(HF) 등급보다 훨씬 더 높은 VF파 지진이었다. 연구팀이 화성 궤도관측선 MRO(Mars Reconnaissance Orbiter)의 카메라(CTX)를 사용해 SEIS가 포착한 지진 위치를 이미지화한 결과 새로운 분화구가 인지됐다. 농구공만한 크기의 작은 운석에 의해 형성된 소규모 지진과 작은 분화구도 있을 것으로 추정됐지만 MRO로 관측하기는 어려웠다. 화성에는 거의 매일 운석이 충돌하지만, 대부분은 크기가 작아 관측선에 기록될 정도의 지진으로 연결되지는 않는다. 연구팀은 SEIS 데이터를 사용해 지진파가 인사이트 우주선에 도달하는 데 걸리는 시간과 VF 지진의 크기에 따라 분화구의 직경을 추정하는 한편 SEIS가 포착한 지진의 빈도도 도출할 수 있었다. 이 결과를 화성 표면 전체에 적용하면 매년 약 280~360회의 VF 지진이 발생하는 것으로 밝혀졌다. 운석 충돌 속도를 파악하면 우주선의 화성 탐사 위험을 방지할 수 있으며, 미래에 이루어질 화성의 유인 탐사와 우주비행사를 보호할 수 있다. 화성에서 운석 충돌이 다소 빈번하게 발생하는 기간이 있으므로, 이 시기를 미션 기간에서 제외하는 것이 가능하다. 지구의 경우 운석은 대부분 대기권에서 타버리기 때문에 그다지 위험하지 않다. 반면 화성은 대기가 지구에 비해 훨씬 얇아 더 많은 운석이 대기권을 통과할 수 있다. 유성우를 피할 수 있는 우산도 없어 운석 충돌에 대비하는 것은 화성 관측에 매우 중요하다.
- IT/바이오
2024-07-19
[기후의 역습(28)] 지구, 극지방 녹는 빙하로 하루가 더 길어져

기후 위기에서 시간은 매우 중요하다. 일반적으로 이는 기후 위기에 대처하는 데 남아 있는 시간이 많지 않다는 의미로 받아들여진다. 그런데 최근 기후 위기와 시간과의 관계에서 새로운 내용이 추가돼 관심을 끌고 있다고 사이언스얼라트가 전했다. 기후 위기로 하루 시간이 길어지고 있다는 것이다. 최근 발표된 연구에 따르면, 극지방의 빙하와 만년설이 녹아 바다로 흘러들면서 지구 자전 속도가 더 느려졌으며, 이 때문에 "전례 없는 속도"로 하루의 길이가 늘어나고 있는 것으로 나타났다. 미국국립과학원회보(Proceedings of the National Academy of Sciences)에 발표된 이 논문은 그린란드와 남극 대륙에서 빙하가 녹아 바다로 유입된 물이 적도 주변에서 더 많은 질량을 생성(물의 양이 늘어남)하고 있음을 보여준다. 그리고 늘어난 해양수가 자전 속도를 늦추고 있다는 것. 연구팀원인 나사(NASA) 제트추진연구소 수렌드라 아디카리 박사와 ETH 취리히의 베네딕트 소야 박사는 이에 대해 "피겨 스케이터가 피루엣을 할 때 먼저 팔을 몸 가까이에 붙인 다음 쭉 뻗는 것과 같다"라고 비유했다. 질량이 늘어나면 지구 중심 회전축에서 멀어져 물리적 관성이 증가하기 때문에 회전 속도가 느려진다는 것이다. 지구는 일반적으로 구형으로 생각되지만, 정확하게는 적도 주위로 약간 튀어나온 '편원 타원체'다. 게다가 지구의 모양은 해양과 지각에 영향을 미치는 매일의 조수의 영향에서 지각판의 표류로 인한 장기적인 영향, 지진과 화산으로 인한 갑작스럽고 격렬한 변화에 이르기까지 끊임없이 변화한다. 연구는 과학자들이 우주에서 온 전파가 지구상의 여러 지점에 도달하는 데 걸리는 시간의 차이를 측정하고 이를 이용해 행성의 방향과 하루 길이의 변화를 추론할 수 있는 '초장기선 간섭계(Very Long Baseline Interferometry)' 등의 관측 기술을 적용했다. 또 지구의 자전을 약 100분의 1밀리초까지 매우 정확하게 측정하는 GPS를 사용했으며, 심지어 수천 년 전의 고대 일식 기록도 검증했다. 자전 속도가 늦어지면 지구의 하루의 길이는 표준 측정치인 8만 6400초보다 몇 밀리초 정도 늘어나게 된다. 현재까지 알려진 지구 자전 속도 저하의 가장 중요한 원인은 달의 중력이었다. 이는 수백만 년에 걸쳐 세기당 2.40밀리초의 점진적 감속을 야기한 '조석 마찰'이라는 과정에서 발생한다. 그러나 이번 연구는 인간이 계속해서 높은 비율로 온실가스를 배출한다면 21세기 말에는 하루를 늘리는 기후 온난화의 영향이 달의 중력보다 더 클 것이라고 설명한다. 달의 조석 마찰 효과보다 온난화에 따른 해양 부피 증가로 인한 지구 자전 감속이 더 클 것이라는 경고다. 보고서는 1900년과 현재까지의 사이에 기후로 인해 하루가 약 0.8밀리초 길어졌다고 측정했다. 높은 온실가스 배출이라는 최악의 시나리오를 적용할 경우, 2100년까지 기후로 인해 하루는 2.2밀리초 길어지게 된다. 숫자만으로 보면 그다지 대단할 일처럼 느껴지지 않는다. 인간이 실제로 인지할 수 있는 시간도 아니다. 그러나 천문학에서는 큰 영향을 받는다. 보이저 탐사선과 같은 우주선과 교신할 때 어떤 순간에도 지구의 정확한 방향을 아는 것은 중요하다. 센티미터의 편차는 수 킬로미터의 차이로 벌어질 수 있다.
- 포커스온
2024-07-18
[우주의 속삭임(30)] 까마귀자리에서 새로운 저질량 은하 발견

천 천문학자들은 까마귀자리(Corvus)에서 새로운 은하가 발견됐다고 물리학 전문 PHYS가 전했다. 까마귀자리는 봄철 남쪽 하늘에 보이는 별자리로, 아폴론을 화나게 한 거짓말쟁이 까마귀 카라스의 신화에서 지어졌다. 새로 발견된 은하는 ‘까마귀 A’로 명명됐는데, 상대적으로 질량이 낮고 가스가 풍부하며 고립되어 있다. 은하 발견과 관련된 연구 논문은 이달 초 arXiv에 발표됐다. 낮은 질량의 은하를 다수 발견한 프로젝트 중 하나는 '저해상도 은하에 대한 반자동 기계학습 탐색(SEAMLESS: 심리스)'이라는 이름의 프로젝트였다. 이 프로젝트는 별과 밝은 은하에서 나오는 밝은 빛의 방출을 가리고 다양한 이미지를 필터링함으로써 희미하게 확장된 광원을 식별해 냈다. 까마귀 A 은하는 DESI(암흑에너지 분광장비) 영상 조사에서 처음으로 확인됐다. 최근 투산에 소재한 애리조나 주립대학교의 마이클 존스 천문학자 팀은 마젤란 클레이 망원경(Magellan Clay Telescope) 또는 칼 G. 얀스키 VLA(초거대배열) 시설을 이용해 이 은하에 대한 후속 관찰을 진행했고, 이를 통해 까마귀 A의 저질량 은하 상태를 확인할 수 있었다. 연구진은 논문에서 "까마귀 A는 심리스 프로젝트의 초기 단계에서 확인된 새로 발견된 저질량 은하"라고 썼다. 관측 결과 까마귀 A 항성체는 불규칙한 구조를 가지고 있었으며, 발산하는 빛은 동쪽의 젊은 푸른 별들의 영역에 의해 지배되고 있다는 사실이 밝혀졌다. 연구팀은 까마귀 A 은하의 푸르고 덩어리진, 불규칙한 모습이 '사자자리 P'를 연상시킨다고 말했다. 사자자리를 구성하는 불규칙 은하인 사자자리 P는 약 56만 태양질량(태양 1개의 질량값)으로, 국부 은하에서 가장 질량이 작은 은하로 추정된다. 논문에 따르면 반광 반경이 834광년인 까마귀 A는 사자자리 P보다 질량이 몇 배 더 크고, 나이가 2억 년을 넘지 않는 젊은 별들을 많이 포함하고 있다. 연구에 따르면 까마귀 A는 이온화된 성간 원자 수소 영역(소위 H II 영역)이 없는, 가스가 풍부한 은하라는 사실이 밝혀졌다. 까마귀 A까지의 거리는 약 1130만 광년으로 측정되었다. 또한 까마귀 A로부터 약 330만 광년 이내에는 다른 은하가 없다는 것도 밝혀졌다. 까마귀 A는 주변으로부터 고립된 은하였던 것이다. 천문학자들은 까마귀 A가 전파 및 광학 파장 모두에서 고해상도 후속 관찰의 훌륭한 대상이 될 수 있다고 지적했다. 특히 새로 발견된 저질량 은하의 운동학에 대한 더 많은 정보를 제공해 줄 것이라고 기대했다.
- IT/바이오
2024-07-18
[신소재 신기술(76)] 그래핀 유래 신소재 EGNITE, 신경 보철 성능 강화

그래핀에서 파생된 신소재 EGNITE가 신경 보철 성능을 크게 향상시켰다는 연구 결과가 나왔다. 스페인 바르셀로나에 위치한 UAB 신경과학 연구소(INc-UAB) 연구팀은 그래핀 유래 소재인 EGNITE 전극의 말초 신경 자극과 기록 능력을 장시간 연구해 이같은 결과를 얻었다고 메디컬 익스프레스가 지난 10일(현지시간) 보도했다. EGNITE(Engineered Graphene for Neural interface) 전극은 그래핀 유래 신소재로 만들어진 차세대 신경 인터스페이스 기술이다. 기존의 금속 미세 전극보다 크기가 작고 유연하며, 우수한 전기적 특성과 생체 적합성을 가지고 있어 신경 자극 등의 효율을 높일 수 있다. 절단 또는 신경 손상 환자는 팔다리의 운동과 감각 기능을 상실해 일상 생활에 제약을 받는다. 이러한 기능 회복을 위한 유일한 방법은 신경 보철이다. 신경 보철은 특정 감각을 유도하기 위해 신경을 자극하고. 운동 신호를 기록해 생체 공학 보철물로 전송하는 전극으로 구성된다. 신경 보철 설계에서 전극은 신경 내 소수의 축삭과만 선택적으로 상호작용할 수 있도록 충분히 작아야 한다. 기존 신경 보철에는 금, 백금, 산화이리듐과 같은 금속이 주로 사용됐다. 그러나 더 작은 전극 접점을 만들기 위해 전도성이 향상된 새로운 소재 개발이 필요했다. 이러한 요구에 부응해 그래핀과 그 유도체는 탁월한 전기적 특성을 바탕으로 차세대 미세 전극 개발에 활용되고 있다. 연구팀은 그래핀 유래 소재인 EGNITE의 말초 신경 자극 및 기록 능력을 연구하고, 장시간 기능 유지를 위한 생체 적합성을 검증했다. 연구 결과는 '어드밴스트 사이언스(Advanced Science)' 저널에 게재됐다. 이번 연구는 자비에 나바로 교수가 이끄는 INc-UAB의 신경 가소성 및 재생 연구팀과 INC2의 호세 가리도 연구팀의 협력으로 진행됐다. INC2는 신경 인터페이스와 함께 EGNITE 개발을 담당했다. 연구팀은 쥐 실험을 통해 쥐의 좌골 신경에 이식된 EGNITE 전극이 최대 60일 동안 선택적인 근육 활성화를 유도하는 것을 확인했다. 팀은 EGNITE 전극이 기존 금속 미세 전극보다 근육 활성화에 필요한 전류가 현저히 감소했다고 설명했다. EGNITE 전극은 크기가 작아 신경 내 특정 부위만 선택적으로 자극할 수 있어, 신경 보철 장치의 정확도와 효율성을 향상시켰다. 또한 그래핀의 우수한 전기 전도성을 바탕으로 신경 신호를 효과적으로 전달하고 기록할 수 있다. INc-UAB의 박사후 연구원이자 이 논문의 제1저자인 브루노 로드리게스-메이나는 "근육 활성화를 생성하는 데 필요한 전류의 감소는 다른 대형 금속 미세 전극과 비교할 때 현저한 차이가 있었다"고 말했다. 또한 EGINITE 전극은 생체 적합성이 우수해 이식된 인터페이스로 인한 기능 변화나 염증 반응이 관찰되지 않았다. 나바로 교수는 "이 연구의 다음 단계는 EGNITE 기반 기술의 최적화외 미주 신경 또는 척수 자극 시스템에 대한 임상 전 연구에의 적용으로 구성될 것이다"라고 말했다. 연구팀은 아울러 생체 전자 의학 분야에서 임상 적용을 위한 연구도 병행할 계획이다. EGNITE 전극은 신경 보철뿐만 아니라, 뇌-컴퓨터 인터페이스 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 또한 팔다리 절단 환자나 신경 손상 환자의 운동 및 감각 기능 회복에 기여해 삶의 질을 높일 것으로 기대된다.
- 포커스온
2024-07-12
[기후의 역습(26)] 1960년대 항공 사진으로 붕괴 이전 남극 빙하 재구성

수십 년 전의 항공 사진을 이용해 빙하 붕괴 이전의 남극 빙하를 재구성한 보고서가 발표돼 주목된다고 더컨버세이션이 전했다. 남극의 무너지기 전 라슨 B 빙붕(Larsen B Ice Shelf)을 재현하고 효과를 분석한 이 연구 보고서는 '사이언티픽 리포트(Scientific Reports)'에 발표됐다. 지난 2002년 3월, 라슨 B 빙붕이 붕괴돼 호주 태즈매니아 섬의 약 6분의 1 정도 크기가 파괴됐다. 빙붕은 남극 대륙과 이어져서 바다에 떠 있는 얼음덩어리를 말하며, 그 두께는 300~900m에 달하고 남극 전체 얼음 면적의 10%를 차지한다. 발표된 논문에서는 1960년대 찍은 약 1000장의 남극 필름 사진을 사용, 라슨 B 빙붕이 붕괴되기 수십 년 전 5개의 빙하의 모습을 정확히 재구성했다. 이를 통해 빙붕 붕괴 후 해수면 상승 정도를 정확하게 계산할 수 있었다고 한다. 남극 대륙의 변화는 지구와 인류에게 막대한 영향을 미친다. 빙붕이 사라지면 빙하가 빨리 녹아 전 세계 해수면을 끌어올린다. 라슨 B 빙붕도 당시 수년간 비정상적으로 따뜻한 기온이 이어진 후 무너진 것이다. 이로 인해 빙하에도 극적인 변화가 일어났다. 그러나 그 이전의 과거 빙하 정보는 많지 않았다. 연구팀이 주목한 것은 과거의 필름 사진 정보였다. 30만 개 이상의 역사 이미지로 구성된 사진 아카이브에는 1968년부터 남극에 대한 기록이 포함되어 있었다. 이 이미지들은 과거와 현재의 차이를 측정하는 데이터를 제공했다. 빙붕은 해수면 상승과는 직접적인 관계는 없지만, 빙하의 흐름을 막는 중요한 역할을 담당하고 있다. 즉, 빙붕이 없어지면 대륙의 빙하는 빠르게 바다로 녹아 들어간다. 육지의 빙하가 바다로 이동하면 해수면은 당연히 상승하게 된다. 보고서는 남극의 빙하가 미래의 기후 변화에 어떻게 반응할지 정확하게 예측하려면 과거에 빙하가 어떠했는지 이해해야 한다고 강조했다. 남극 대륙의 일부 지역은 매우 험난하기 때문에 직접 방문해 데이터를 수집하는 것이 어렵다. 학자들이 위성이나 항공 데이터를 찾는 이유이기도 하다. 1946~2000년 사이, 미국 해군 지도 제작자들은 남극 대륙 지도를 작성하기 위해 대륙 전역을 비행하며 33만 장에 달하는 고품질 대형 필름 사진을 찍었다. 사진 스캔본은 미네소타 대학교 극지공간센터(Polar Geospatial Center)에 보관됐으며 무료로 내려받을 수 있다. 이 스캔 사진들은 현대 위성이 포착할 수 있는 만큼 고해상도이다. 연구진은 사진 측량 기술을 적용해 라슨 B 지역 빙하 5개의 3D 모델을 만들었다. 전통적인 사진 측량법에 따라 서로 다른 각도에서 찍은 두 장의 겹치는 사진을 사용해 3D 표면을 만들었다. 이를 컴퓨터로 고속 작업하면 수백 장의 겹치는 사진을 쉽게 결합해 모델링할 수 있다. 겹치는 사진의 일치점을 자동으로 감지하고 해당 3D 위치를 기하학적으로 계산하면 수백만 개의 일치점으로 정확한 빙하 표면이 만들어질 수 있다. 1968년과 빙붕 붕괴 수 개월 전인 2001년 다섯 개의 빙하를 비교한 결과, 연구팀은 빙하 모양이 크게 변하지 않았음을 발견했다. 그러나 빙하 붕괴 이후 350억 톤의 육지 빙하가 상실됐다. 하나의 큰 빙하에서만 280억 톤이 손실됐다. 이는 전 세계 해수면을 약 0.1mm 상승시켰다. 빙하 하나의 붕괴가 일으킨 큰 변화다. 다르게 말하면 지구상의 모든 사람이 10년 동안 매일 1리터의 물을 쏟아 부은 양과 같다. 기후 변화가 가속화됨에 따라 대기와 해양의 온난화는 남극 반도에 남아 있는 빙붕을 위협하고 있다. 사진 아카이브는 변화의 기록을 확장하고 상황이 얼마나 변화하고 있는지 확인하는 데 요긴하게 쓰일 것으로 기대된다. 같은 방법으로 다른 빙붕이나 빙하, 해안선의 변화, 펭귄 서식지, 식생의 확장 또는 직접적인 인간에의 영향을 조사하는 데도 사용할 수 있다.
- 포커스온
2024-07-11
[우주의 속삭임(24)] 달의 시간은 지구보다 얼마나 빠를까?

달에서는 지구보다 시간이 더 빨리 흐르는 것으로 확인됐다. 미 항공우주국(나사·NASA) 과학자들의 새로운 연구에 따르면 달에서의 시간은 지구보다 하루에 약 5700만분의 1초(57마이크로초) 빨리 흐르는 것으로 나타났다고 사이언스얼러트, IFL사이언스, ZME 사이언스 등 다수 외신이 보도했다. 이는 아폴로 우주선의 조종사들이 달에 마지막으로 발은 디딘 후 52년 동안 달의 시간은 지구보다 약 1.1초 더 길어졌다는 뜻이다. 1.1초는 큰 차이처럼 보이지 않을 수 있으며, 매일 달의 시간이 지구보다 5700만분의 1초씩 더 늘어나는 것도 마찬가지일 것이다. NASA)의 새로운 연구 결과에 따르면, 이 작은 차이는 나사가 오랫동안 기다려온 달 유인 탐사 임무를 시작할 때 항법 시스템 동기화에 영향을 미칠 수 있다. 나사 등 우주 기관은 달과 화성에 기지를 건설하는 것을 목표로 하고 있기 때문이다. 현재 달에는 합의된 표준 시간대가 없다. IFL사이언스에 따르면 무인 임무는 일반적으로 우주선의 원주국에 해당하는 시간을 사용하는 반면, 유인 아폴로 임무는 발사 순간부터 계산하는 지상 경과 시간(GET)를 사용했다. 달에 로봇, 그리고 언젠가는 인간이 거주하게 되면 이러한 시간 차이로 인한 문제가 발생할 수 있으며, 미국은 이를 해결하기 위해 달 표준시를 설정하려고 한다. 사람들은 그것을 달의 시간대라고 부르기도 한다. 아직 동료 심사를 거치지 않은 arXiv 프리프린트 서버에 게시된 새로운 논문은 "달 표준시 설정은 달에서의 활동 및 작업을 동기화하는 데 필수적"이라고 설명했다. 논문에는 "여러 착륙선, 로버 및 궤도선이 관련된 임무에서 공통 시간 기준을 갖는 것은 모든 장치가 효과적으로 조정하고 충돌을 피하며 협력을 강화하는 데 도움이 된다. 정확한 시간은 지구와 달 임무 간 통신에 매우 중요하며, 안정적인 데이터 송수신을 가능하게 하고 자율 시스템이 원활하게 작동하도록 보장한다"고 명시되어 있다. 연구팀은 이 논문에서 달 표면, 지구 표면, 그리고 태양계 질량 중심에서의 상대적인 시간 속도를 계산했다. 연구팀은 "태양계 질량 중심(SSB) 좌표 기준 프레임과 지구 표면 간의 상대론적 시간 변환은 잘 알려져 있지만, 달 표면에 대한 유사한 변환은 확립되지 않았다"고 언급하며, "특히 두 시간 척도의 시간 경과에 따른 변화를 설명하는 상수가 필요하다"고 덧붙였다. 시간 팽창과 원자 시계 아인슈타인의 일반 상대성 이론 후 중력이 시간을 늦출 수 있다는 사실은 알려져 있었다. 하지만 지구와 달의 중력 차이로 인한 시간 왜곡을 측정하는 것은 쉽지 않았다. 최근 10여년 동안에야 서로 상대적으로 움직이거나 다른 중력에서 두 물체 간의 작은 시간 차이를 감지할 수 있을만큼 민감한 원자 시계가 개발됐다. 약 50년 동안 유인 달 탐사가 중단되면서 과학자들은 지구와 달 사이의 미세한 시간 차이에 대해 연구할 필요성을 느끼지 못했다. 달의 중력은 지구의 6분의 1에 불과하지만 우주 비행사들이 잠시 머물렀기 때문에 문제가 되지 않았다. 그러나 이제 미국은 2026년 유인 달 탐사선 아르테미스 임무를 앞두고 달의 시간대 설정에 민감하게 움직이고 있다. 5700만분의 1초 차이는 크게 걱정할 정도는 아니지만, 고려하지 않을 경우 달 탐사 작전에 문제를 일으킬 수 있기 때문이다. 백악관의 최근 메모에는 NASA에 올해 12월 31일까지 새로운 시간 촉도에 대한 계획을 수립하라고 지시했다. 과학기술 대통령 보좌관이자 백악관 과학기술정책실(OSTP) 실장인 Arati Prabhakar는 NASA와 다른 기관들에게 새로운 달 시간 시스템 개발 협력을 지시하는 메모에서 "지구의 송신기 시계와 달의 수신기가 인식하는 시간 차이를 고려하지 않으면 거리 측정 오류가 발생할 수 있다"고 밝혔다. 이어 "우주선 도킹이나 착륙과 같은 정밀 작업에는 현재 방법보다 더 높은 정확도가 필요하다"고 했다. NASA는 늦어도 2026년 말까지, 또는 우주 비행사를 다시 달에 보내는 아르테미스 첫 번째 임무가 발사되기 전까지 이러한 시스템을 구현해야 한다. NASA는 아르테미스 임무를 통해 달 가지 건설 가능성을 탬색할 계호기이며, 이는 언젠가는 화성 탐사의 발판이 될 수도 있다. 슬라바 투리셰프가 이끄는 NASA 제트 추진 연구소의 물리학자들은 태양계의 공통 질량 중심과 관련하여 지구와 달의 시간 변화를 계산해 57마이크로초(5700만분의 1초)라는 수치를 도출했다. 미국 국립표준기술연구소의 다른 팀이 지난 2월 발표한 연구에 따르면 시간 스트레칭의 상대적 차이는 56.02마이크로초였다. 두 결과 모두 동료 검토를 거치지 않았기 때문에 음력 시간에 대한 최종값은 아직 결정되지 않았다. 달 시간의 최종 정의는 여러 기관과 국제기구의 검증을 거쳐야 한다. 예를 들어, 국제 도량형국과 국제 천문 연맹은 8월에 회의를 가질 예정이다. 달 표준시 설정 전에 더 많은 논의와 계산이 이루어질 것이며, NASA와 다른 우주 기관들이 어떤 시스템을 제시할지 지켜봐야 한다. 그러나 NASA는 이미 달에는 29.5일 주기의 낮과 밤이 있기 때문에 일광 절약 시간제는 적용되지 않을 것이라고 명확히 밝혔다. 또한, 지구 자전 속도가 이상하게 느려져 하루가 약간 길어지는 현상과 인간의 활동이 지구 자전에 미치는 영향도 주목해야 한다. 이 논문은 arXiv 프리프린트 서버에 게시됐다.
- IT/바이오
2024-07-10
[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(22)] 태양 입자 폭발, 지구 오존층 파괴…방사선 노출 위험 고조

핀란드와 영국, 미국 등 국제 연구팀이 태양에서 발생하는 강력한 입자 폭발 현상이 지구의 오존층을 심각하게 파괴해 장기간 지구 표면에 방사선 노출량을 증가시킬 수 있음을 밝혔다고 PHYS.org가 2일(현지시간) 보도했다. 올해 5월초 발생한 강력한 오로라는 태양 폭풍이 방출하는 방사선 에너지를 보여주는 사례였다. 태양은 때때로 더 파괴적인 현상을 일으키기도 한다. '태양 입자 방출(solar particle events)'이라고 알려진 이 현상은 태양 표면에서 직접 방출되는 양성자 폭발로, 마치 탐조등처럼 우주 공간으로 뻗어 나갈 수 있다. 연구에 따르면, 지구는 약 1000년마다 극심한 태양 입자 방출 현상에 노출되며, 이는 오존층에 심각한 손상을 입히고 지표면의 자외선(UV) 복사량을 증가시킬 수 있다. 지난 7월 1일 미국 국립과학원 아카데미 회보에 게재된 논문에서 연구팀은 이러한 극한 상황이 발생했을 때 나타나는 현상을 분석했다. 또한 지구 자기장이 약화되었을 때 이러한 현상이 지구 생명체에 미치는 영향이 매우 클 수 있음을 보여줬다. 이 논문의 주저자는 판란드 오울루대학교(University of Oulu)의 프레이드리그 아르세노비치(Predrag Arsenovic)이며, 공동 저자는 영국 레딩대학교(University of Reading)의 매튜 오웬스(Mathew Owens), 미국 콜로라도대학교 볼더(University of Colorado Boulder)의 마이크 록우드(Mike Lockwood), 오울루대학교의 일리야 우소스킨(Ilya Usoskin), 레딩대학교의 루크 바나드(Luke Barnard) 등이다. 극지방 자기장, 오로라 형성 지구 자기장은 태양에서 방출되는 전하를 띤 방사선을 막아주는 중요한 보호막 역할을 한다. 일반적인 상태에서 지구 자기장은 거대한 막대 자석처럼 기능하며, 한쪽 극에서 나온 자기장 선이 다른 극으로 돌아가는 형태를 띠고 있다. 극지방에서는 자기장 선이 수직으로 배열되어 일부 이온화된 우주 방사선이 상층 대기까지 침투해 공기 분자와 상호작용하며 오로라를 생성한다. 그러나 지구 자기장은 시간이 지남에 따라 크게 변화한다. 지난 세기 동안 북극 자기는 연간 약 40km 속도로 캐나다 북부를 가로질러 이동했으며, 자기장 강도는 6% 이상 약화됐다. 지질학적 기록에 따르면, 지구 자기장이 매우 약하거나 완전히 사라진 시기가 수백년 또는 수천 년 지속된 경우도 있었다. 고대에 자기장을 잃고 그 결과 대기의 대부분을 잃은 화성을 살펴보면 지구 자기장이 없다면 어떤 일이 일어날지 알 수 있다. 지난 5월 지구에 오로라 발생 직후 강력한 태양 입자 방출 현상이 화성을 강타했다. 이로 인해 화성 탐사선 오디세이의 작동이 중단됐고, 화성 표면의 방사선 수치가 흉부 X선 촬영시 받는 방사션보다 약 30배나 높은 수준을 기록했다. 태양의 외기는 '태영풍'이라고 알려진 전자와 양성자의 끊임없이 변동하는 흐름을 방출한다. 그러나 태양 표면은 태양 입자 방출 현상에서 에너지, 주로 양성자인 에너지 폭발을 산발적으로 방출한다. 이는 종종 태양 플레어와 관련 있다. 오존 감소, 방사선 증가 양성자는 전자보다 훨씬 무겁고 더 많은 에너지를 가지고 있기 때문에 지구 대기의 더 낮은 고도애 도달해 공기 중의 기체 분자를 들뜨게 자극한다. 그러나 이러한 들뜬 분자는 육안으로 볼 수 없는 X선만 방출한다. 매 태양 주기(약 11년)미디 수 백건의 약한 태양 입자 방출 현상이 발생하지만, 과학자들은 지구 역사 전체에 걸쳐 훨씬 더 강력한 사건의 흔적을 발견했다. 가장 극단적인 것 중 일부는 현대 장비로 기록된 것보다 수전 배 더 강했다. 이러한 극단적인 태양 압자 방출 현상은 대략 수천 년마다 발생한다. 가장 최근의 사건은 993년 경에 발생했다. 즉각적인 영향 외에도 태양 입자 방출 현상은 상층 대기에서 오존을 고갈시킬 수 있는 일련의 화학 반응을 일으킬 수도 있다. 오존은 유해한 태양 자외선을 흡수해 시력과 DNA를 손상시킬 수 있으며, 피부암 위험을 증가시키고 기후에도 영향을 미친다. 새로운 연구에서 연구팀은 극심한 태양 입자 방출 현상의 영향을 조사하기 위해 대규모 컴퓨터 모델을 사용했다. 연구팀은 이러한 사건이 1년 정도 오존층을 고갈시켜 지표면의 자외선 수치를 높이고 DNA 손상을 증가시킬 수 있음을 발견했다. 그러나 지구 자기장이 매우 약한 시기에 태양 양성자 사건이 발생하면 오존 손상이 6년 동안 지속되어 자외선 수치가 25% 증가하고 태양에 의한 DNA 손상률이 최대 50%까지 증가할 수 있다. 진화와 자가장과의 상관관계 그렇다면 약한 자기장과 극심한 태양 양성자 사건의 이러한 치명적인 조합은 얼마나 자주 일어날까. 이 두 현상은 상대적으로 자주 함께 발생할 가능성이 크다. 실제로 이러한 사건의 조합은 과거 지구의 여러 가지 미스터리한 사건을 설명할 수 있다. 가장 최근의 약한 자기장 기간(북극과 남극의 일시적인 전환 포함)은 4만2000년 전에 시작되어 약 1000년 동안 지속됐다. 유럽에서 마지막 네안데르탈인의 멸종과 호주에서 거대 웜뱃과 캥거루를 포함한 유대류 거대 동물군의 멸종과 같은 몇가지 주요 진화 사건이 이 시기에 발생했다. 훨씬 더 큰 진화적 사건 또한 지구의 자기장과 관련이 있다. 남호주 플린더스 산맥의 화석에 기록된 에디아카라기 말(약 5억6500만년) 다세포 동물의 기원은 2600만 년 동안 자기장이 약하거나 없는 시기 이후에 발생했다. 마찬가지로 캄브리아기 대폭발(약 5억3900만년 전)에서 다양한 동물 그룹의 급속한 진화는 지자기 및 높은 자외선 수준과 관련이 있다. 관련 없는 여러 그룹에서 눈과 단단한 몸 껍질의 동시 진화는 '빛으로부터의 도피'에서 유해한 자외선 유입을 감지하고 피하는 가장 좋은 수단으로 설명됐다. 이제 막 첫발을 뗀 진화와 자기장과의 연구는 지구 생명체의 역사와 미래에 대한 이해를 넓히는 데 중요한 영향을 미칠 수 있다. 아울러 지구 온난화로 인한 자기장 변화가 생태계에 미칠 영향을 예측하고 대비하는 데 도움을 줄 수 있다.
- IT/바이오
2024-07-03
[우주의 속삭임(21)] 중국, 달 샘플서 '그래핀' 발견…달 기원에 도전장

중국 달 탐사선이 달에서 채취한 샘플에서 자체 토착 탄소인 그래핀이 발견돼 달의 기원에 도전장을 내밀고 있다. 달의 기원에 대해서는 여러 가지 가설이 존재하지만, 현재 가장 유력한 가설은 '거대 충돌설'이다. 약 45억년 전 원시 지구와 화성 크기의 천체 테이아(Theia)가 충돌해 두 천체가 합쳐지고, 그, 충격으로 떨어져 나간 파편들이 지구 주위를 돌며 뭉쳐져 달이 형성됐다는 이론이다. 이 가설은 달 샘플의 화학적 구성, 달 공전 궤도, 지구와 달의 자전축 기울기 등 여러 증거를 통해 뒷받침되고 있다. 중국 지린 대학교 과학자들은 2020년 12월 창어 5호가 달 표면에서 채취한 샘플을 분석하는 과정에서 특이하게 그래핀을 발견했다. 연구팀은 자연 상태에서 생성된 '소수층 그래핀(few-layer graphene)'을 달 샘플에서 처음으로 발견했다고 국영 통신사 글로벌 타임스가 보도했다. 이는 향후 인류가 달 현지 자원을 활용하는 계획에 중요한 영향을 미칠 수 있다. 그래핀은 탄소 원자들이 욱각형 벌집 모양으로 연결되어 2차원 평면 구조를 이루는 소재다. 그래핀은 원자 한 층으로 이루어져 세상에서 가장 얇은 물질이다. 쉽게 말하면 연필심에 사용되는 흑연을 아주 얇게 한 겹만 떼어낸 것으로 볼 수 있다. 이번 발견은 달의 초기 지질학적 진화 과정에 대한 새로운 통찰력을 제공할 수 있으며, 달이 지구와 소행성의 충돌로 형성되었고 탄소 대부분이 이 충돌에서 유래했다는 기존 이론에 의문을 제기할 수 있다고 퓨처리즘은 전했다. 연구팀은 "널리 받아들여지는 '거대 충돌 이론'은 (미국 우주선) 아폴로 샘플의 초기 분석에서 파생된 '탄소 결핍 달'이라는 개념에 의해 강력하게 뒷받침되어 왔다"고 논문에서 밝혔다. 그러나 이번 연구 결과는 달에서 '탄소 포집 과정'이 존재하며, '토착 탄소의 점진적 축적'이 일어났음을 시사한다. 이는 '달의 화학 성분 및 역사에 대한 이해를 재정립할 수 있는 발견'이라는 점에서 중요하다. 연구팀은 비파괴 화학 분석 방법인 '라만 분광법'을 사용하여 소수층 그래핀의 존재를 확인했다. 소수층 그래핀은 2~10개 층으로 이루어진 그래핀으로, 실험실에서도 제조될 수 있다. 연구팀은 이 물질이 태양풍이 달 표면을 강타하고 초기 화산 폭발이 일어나는 과정에서 형성되었을 가능성을 제시했다. 순수한 '토착 탄소'의 존재는 약 44억 5000만 년 전 화성 크기의 소행성이 지구와 충돌하여 달이 형성되었다는 기존 가설에 배치되는 점이다. 그러나 연구팀은 이전 연구 결과와 마찬가지로 운석 충돌이 달에서 흑연 탄소 형성에 기여했을 가능성도 인정했다. 연구팀은 "자연 그래핀의 특성에 대한 심층적인 연구는 달의 지질학적 진화에 대한 더 많은 정보를 제공할 것"이라고 말했다. 한편, 중국은 무인 달 탐사선 창어-6호가 세계 최초로 달 뒷면의 샘플을 채취해 지난 6월 25일 내몽골에 성공적으로 착륙했다. 창어-6호는 달 뒷면에 있는 거대한 분화구인 남극 에이컨 분지(South Pole-Aitken Basin) 분지에서 달 토양을 수집해 지구로 53일만에 귀환한 것. 최대 2kg(4.4 파운드)에 달하는 이 샘플은 지난 26일 새벽 베이징으로 공수돼 중국 우주 기술 아카데미(CAST)로 이송됐다. 스페이스닷컴에 따르면 중국이 달 뒷면에처 채취한 샘플은 2020년 창어-5호가 수집한 샘플과 마찬가지로 재료를 분류한 다음 중국 전역의 과학자 및 기관의 연구에 사용할 수 있도록 제공될 예정이다. 이 자료는 2년 후 국제 그룹과 연구자들의 응용 프로그램에 제공될 가능성이 높다고 한다. 미 항공우주국(나사·NASA)의 자금 지원을 받은 연구원들은 지난해 말 달 샘플에 대한 접근을 신청할 수 있는 특별 허가를 받았다. 과학자들은 이 샘플이 달, 지구, 태양계의 형성에 중요한 단서를 제공할 것으로 기대하고 있다. 중국은 우주 강국으로 자리매김하기 위해 2026년 창어-7호를 달 남극에 발사하고, 2028년에는 창어-8호를 발사해 자원 활용에 집중할 계획이다. 아울러 중국은 2030년까지 우주비행사를 달 남극에 보낼 계획이다. 달 남극은 인간의 생존에 필수적인 물과 각종 희토류 등이 있는 것으로 알려져 인도와 미국 등 세계 각국의 탐사 목표지로 급부상했다.
- IT/바이오
2024-07-01

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