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[우주의 속삭임(67)] NASA, 명왕성의 최대 위성 카론에서 이산화탄소 감지
- 태양에서 57억km 떨어진 태양계의 외곽에는 왜소행성인 명왕성이 있다. 호주보다 작은 명왕성은 평균 기온이 섭씨 영하 232도로, 산과 빙하, 분화구로 이루어진 얼음 세계이다. 왜소행성 또는 왜행성은 태양을 공전하는 태양계 내 천체의 일종으로 행성 조건은 충족하지 못하지만 소행성보다는 행성에 가까운 중간적 천체이다. 명왕성 주위에는 스틱스, 닉스, 케르베로스, 히드라, 카론 등 다섯 개의 위성이 돌고 있으며, 이중 카론이 가장 크다. 다른 대부분의 행성계와 달리 카론은 모체인 명왕성와 함께 '쌍성계'로 존재한다. 이는 두 행성이 모두 둘 사이의 공간 한 지점을 공전하는 것을 의미한다. 명왕성과 위성을 둘러싼 수수께끼는 여전히 많다. 그런 가운데 미국 사우스웨스트 연구소의 천문학자 실비아 프로토파파가 이끄는 연구팀이 카론 표면에서 이산화탄소와 과산화수소를 발견했다고 더컨버세이션이 전했다. 연구 결과는 네이처 커뮤니케이션즈에 발표됐다. 나사(NASA)의 제임스 웹 우주 망원경이 포착한 데이터에 기반한 이 발견은 비행성 또는 행성계가 어떻게 형성되었는지에 대한 중요한 단서를 제공한다. ◆ 명왕성 최대 위성 카론 과학자들은 1978년 명왕성의 궤도를 연구하던 중 처음으로 카론을 발견했다. 카론은 명왕성의 작은 쌍둥이와 비슷하다. 명왕성의 약 절반 크기로, 폭이 1200km가 조금 넘는다. 따라서 태양계에서 모체(명왕성)와 비교해 (상대적으로) 가장 큰 것으로 알려진 위성이다. 명왕성 자체는 지구의 달보다 작다. 명왕성의 크기는 달의 약 3분의 2이고 질량은 6분의 1이다. 카론의 질량은 명왕성의 약 8분의 1이다. 카론과 명왕성은 특이한 궤도를 가지고 있다. 카론이 명왕성 주위를 도는(공전) 동안 명왕성도 중심점을 공전한다. 즉 한 지점을 중심으로 카론과 명왕성이 같이 도는 것이다. 그들은 거의 이중 왜성처럼 움직인다. 이는 달과 지구와는 관계와는 다르다. 달은 지구를 중심으로 돌고, 지구는 위치를 바꾸지 않고 태양을 중심으로만 공전한다. 이것이 명왕성이 행성으로 인정받지 않고 왜소행성으로 분류되는 이유 중 하나다. ◆ 카론의 구성 2015년, 나사의 뉴 호라이즌스는 발사된 지 9년이 지난 후 명왕성과 그 위성을 근접 탐사했다. 탐사 결과는 최대 위성 카론이 다양한 화학 물질로 구성되어 있음을 보여주었다. 카론은 얼음이 풍부한 매우 차가운 위성이다. 여기에는 암모니아와 다양한 탄소 기반 화합물도 포함되어 있다. 카론에는 지구의 화산처럼 마그마를 쏟아내는 대신 얼음이 분출되는 극저온 빙화산(cryovolcano)이 있는 것으로 여겨진다. 명왕성의 구성과는 다르다. 카론에서 이산화탄소와 과산화수소를 새로 발견한 것은 인접 해왕성 너머 천체에서 다양한 프로세스가 어떻게 상호 작용하는지에 대한 다양한 정보와 지식을 얻고 미래 가능성도 예상할 수 있다. 그중 이산화탄소는 우리가 이해해야 할 핵심 분자다. 천체의 역사에 대해 많은 것을 알려주기 때문이다. 카론의 경우 이산화탄소는 얼음 표면 아래에서 발생하며, 소행성 및 기타 물체가 카론과 충돌해 분화구를 만들면서 새로운 지하 표면을 노출시키는 것으로 알려져 있다. ◆ 제임스 웹 우주 망원경을 이용한 큰 발견 천문학자들은 제임스 웹 우주 망원경을 이용한 관측을 통해 카론에서 이산화탄소를 감지했다. 2021년에 작동을 시작한 이 우주 망원경은 폭 6.5m의 대형 거울을 장착해 매우 강력하고 민감하다. 제임스 웹은 사람의 눈이나 지구상에 설치된 대부분의 망원경이 감지할 수 없는 빛의 색상인 적외선을 볼 수 있다. 적외선은 행성에서 별, 은하계 등 다른 천체에 존재하는 다양한 분자를 찾는 데 중요한 빛이다. 이런 화합물을 찾기 위해 망원경은 분광법이라는 기술을 사용한다. 빛은 프리즘을 통과할 경우 무지개같이 나뉘는 것처럼, 빛의 파장에 따라 여러 색상으로 분해된다. 합물의 각 원소나 분자 역시 고유한 색상 특징을 가지고 있다. 분광법을 통해 그 색상을 찾아내고 원소의 종류를 판별한다. 분광법을 이용한 새로운 관찰을 통해 카론에서 지금까지 알려진 것과 달리 물, 얼음과 함께 이산화탄소와 과산화수소의 특징이 나타난 것이다. ◆ 고대 수수께끼에 대한 중요한 단서 카론의 형성은 과학계에서는 미스터리다. 가장 유력한 이론 중 하나는 달과 비슷한 방식으로 형성되었다는 것이다. 이 이론에 따르면 약 45억 년 전, 명왕성과 카론이 위치한 카이퍼 벨트에서 큰 물체가 명왕성과 충돌했고, 명왕성의 일부가 떨어져 나가 카론이 형성되었다. 또 명왕성과 충돌한 물체가 카론이었으며, 이들이 서로를 공전하는 궤도에 묶였을 가능성도 있다. 카론의 화학적 구성을 이해하면 카론이 어떻게 형성되었는지에 대한 이해를 높일 수 있다. 그런 의미에서 카론에서 이산화탄소와 과산화수소의 발견은 중요한 진전이다. 카론뿐만 아니라 명왕성 근처의 다른 천체에 대한 단서를 제공할 수도 있다. 카론에 대한 더욱 풍부한 정보들이 태양계의 먼 부분에 대한 이해를 높이는 데 도움이 될 것이라는 기대다.
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[우주의 속삭임(67)] NASA, 명왕성의 최대 위성 카론에서 이산화탄소 감지
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전 세계 어린이 3명 중 1명 근시…2050년 40%까지 증가 전망
- 전 세계 어린이 3명 중 1명이 근시라는 연구 결과가 나왔다. 그중 한국 어린이는 70% 이상이 근시로 나타났다. 중국 과학자들이 진행한 새로운 연구에 따르면 2023년 전 세계 어린이의 3분의 1 이상이 근시를 겪고 있으며, 이 비율은 2050년에는 거의 40%까지 증가할 것으로 예상된다고 CNN이 보도했다. 근시는 가까운 물체는 선명하게 보이지만 먼 물체를 흐릿하게 보이는 시력 장애다. 심한 경우 두통이나 눈의 피로를 겪을 수 있다. 반대로 노안은 나이가 들면서 수정체의 탄력이 감소하고, 수정체를 조절하는 근육의 힘이 약해져서 가까운 곳에 초점을 맞추는 능력이 떨어지는 노화현상이다. 일반적으로 40대 중반부터 노인이 시작된다. 연구에 따르면 지난 30년 동안 어린이와 청소년의 근시 유병률은 1990년 24%에서 2023년 약 36%로 크게 증가했다. 중국 관저우 중산대 연구팀은 6개 대륙 50개국의 어린이 및 청소년 540만명 이상을 대상으로 한 276개 연구 결과를 분석해 이러한 연구 결과를 도출했다. 연구팀은 근시의 증가는 대체로 점진적이었지만 코로나19 팬데믹(대유행) 이후 눈에 띄게 급증했다고 밝히며 지역적 차이도 지적했다. 특히 동남아시아 어린이의 근시율이 35%로 가장 높았으며, 이는 백인 어린이의 두 배가 넘는 수치이다. 연구팀은 이러한 현상이 동아시아 어린이들이 다른 지역보다 이른 2~3세에 정규 교육을 시작하는 것과 관련이 있을 수 있다고 설명했다. 연구 결과에 따르면 도시 지역(28.55%)에 거주하는 개인, 여자(33.57%), 청소년(47.00%), 고등학생(45.71%)이 근시 유병률이 더 높은 것으로 나타났다. 국가별로는 일본 어린이의 근시율이 86%로 가장 높았고, 한국이 74%로 그 뒤를 이었다. 이어 러시아, 싱가포르, 중국 순이었다. 연구팀은 어린 아이들이 성인보다 환경적 요인에 더 취약하다고 강조했다. 특히 미취학 아동은 시각 발달의 중요한 시기가 있어 가소성이 높기 때문에 주의가 필요하다고 밝혔다. 또한 향후 어린이 및 청소년의 근시 유병률이 계속 증가해 2040년에는 36.6%, 2050년에는 39.8%(약 7억4000만명)에 이를 것으로 전망했다. 연구팀은 청소년 등 어린이들이 정기적으로 눈 보호 조치를 취하는 습관을 기르도록 권장했다. 또한 학생들은 신체 활동 시간을 늘리고 휴대폰 사용, TV 시청, 비디오 게임, 인터넷 서핑 등 비활동적인 시간을 줄여야 한다고 조언했다. 아울러 교육부 등 관계 당국에는 학생들의 숙제와 과외 부담을 줄이고 시력 검사, 근시 조기 발견 및 치료를 장려할 것을 촉구했다. 연구 결과에 따르면 이에 대한 확실한 증거는 전 세계적으로 여전히 보고되지 않았다고 한다. 이번 연구는 지난 9월 24일 영국 안과학회지(British Journal of Ophthalmology)에 게재됐다. 모든 질병과 마찬가지로 근시도 조기에 발견하는 것이 치료에 도움이 된다. 6개월~1년에 한 번 정기적으로 안과 검진을 받는 것이 좋다. 특히 어린이의 경우, 시력 발달이 완성되지 않은 상태이므로 근시 예방에 더욱 신경써야 한다. 부모들은 자녀의 생활 습관을 주의 깊게 관찰하고, 필요한 경우에는 안과 전문의와 상담해 적절한 조치를 취하는 것이 중요하다. 전문가들은 근시를 예방하기 위해서는 야외 활동을 늘리고 근거리 작업 시간을 줄이는 것이 도움이 된다고 말했다. 햇빛은 눈의 성장을 조절하는 호르몬 분비에 영향을 미쳐 근시 진행을 억제하는 효과가 있다. 하루 2시간 이상은 야외에서 활동하는 것이 좋다는 것. 또한 스마트폰, 컴퓨터, 책 등을 가까이서 오래 보는 것은 근시를 유발하거나 악화시킬 수 있다. 30분 작업 후 5~10분 휴식을 취하고 먼 곳을 바라보는 것이 좋다. 책이나 컴퓨터 화면 등을 볼 때 너무 가까이 하거나 엎드려서 보는 것은 눈에 부담을 줄 수 있다. 허리를 편 자세에서 30~40cm 이상 거리를 유지하는 것이 도움이 된다.
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전 세계 어린이 3명 중 1명 근시…2050년 40%까지 증가 전망
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[우주의 속삭임(61)] NASA, 지구 근접 통과한 거대한 눈사람 모양 소행성 이미지 공개
- 나사(NASA)의 천문학자들이 지구에 근접해 통과한 눈사람 모양의 매혹적인 소행성 이미지를 공개했다고 라이브사이언스가 전했다. '2024 ON'이라는 이름의 이 소행성은 지난 17일 지구에서 100만km 떨어진 거리에서 안전하게 지구를 지나갔다. 이는 달과 지구 사이의 거리의 약 2.6배에 해당하는 거리다. 이 소행성은 시속 3만1933km로 이동 중이었으며, 이는 음속의 약 26배이다. 나사가 공개한 새로운 이미지는 16일 캘리포니아 중부 바스토우 근처의 골드스톤 태양계 레이더(Goldstone Solar System Radar)에 의해 포착됐다. 이미지는 고층 빌딩 크기의 이 소행성이 땅콩과 매우 닮았다는 사실을 보여주었다. 그러나 실제로 눈사람 또는 땅콩 모양의 소행성은 아니었다. 2024 ON은 사실은 두 개의 소행성이 서로 밀접하게 가까워진 후 자체 중력에 의해 접촉한 쌍성의 형태로 고정되었기 때문에 일어난 모양이었다. 과거 유명한 다른 접촉 쌍성으로는 화성과 목성 사이의 주요 벨트에 있는 소행성 딘키네시(Dinkinesh)를 공전하는 소행성 '인 셀람(Selam)'과 2015년 나사의 뉴 호라이즌 탐사선이 연구한 명왕성 궤도 너머의 극저온 천체인 '아로코스(Arrokoth)'가 있었다. 나사는 이와 관련 "발견된 소행성은 잠재적으로 위험한 천체로 분류되었지만 가까운 미래에 지구에 위험을 초래하지는 않는다"라며 "골드스톤 태양계 레이더 측정을 통해 천문학자들은 수십 년 동안 지구와 소행성 사이의 거리 측정과 함께 소행성의 미래 운동에 대한 불확실성을 크게 줄일 수 있었다"고 밝혔다. 나사는 지구에서 750만km 이내에 들어오는 모든 우주 물체들이 지구에 즉각적인 위협이 되지 않더라도 '잠재적으로 위험하다'고 간주한다. 그 이유는 그러한 소행성의 궤도를 조금만 움직여도(예를 들어 다른 소행성과 부딪히는 경우) 지구와 충돌할 수 있기 때문이다. 나사는 24시간마다 밤하늘 전체를 스캔해 약 2만 8000개에 달하는 소행성의 위치와 궤도를 추적한다. 나사는 이 모든 지구 근처 소행성의 예상되는 향후 궤적을 추정해 냈는데, 그 결과 지구는 앞으로 최소한 100년 동안은 종말론적인 소행성 충돌 위험에 직면하지 않을 것임을 발견했다.
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[우주의 속삭임(61)] NASA, 지구 근접 통과한 거대한 눈사람 모양 소행성 이미지 공개
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[우주의 속삭임(59)] 블랙홀, 냉각된 별일까? 아인슈타인 이론 도전하는 새로운 가설
- 블랙홀은 '얼어붙은 별'이라는 새로운 이론이 등장했다. 극도로 강력한 중력을 가진 블랙홀은, 그 중력이 너무 강해서 빛조차도 탈출할 수 없기 때문에 '검은 구멍'이라고 불린다. 또한 블랙홀은 엄청난 질량을 아주 작은 공간에 압축하고 있어서, 주변의 모든 것을 끌어당긴다. 블랙홀의 중심에는 '특이점'이라고 불리는 점이 있다. 이곳에서는 밀도와 중력이 무한대가 되어 우리가 알고 있는 물리 법칙이 적용되지 않는다. 또한 빛 조차도 빠져나갈수 없는 경계인 '사건의 지평선'이라는 두 가지 특징을 갖는다. 하지만 이 모델은 양자 역학이 도입되면서 심각한 문제에 부딪혔다. 게다가 1970년대에 스티븐 호킹은 사건의 지평선 근처의 양자 효과가 우주 진공에 입자를 생성하는 '호킹 복사(호킹의 복사 역설)'라고 알려진 과정을 일으킨다는 사실을 발견했다. 블랙홀은 이처럼 과학 법칙을 거스르는 특이한 존재로, 해결할 수 없는 많은 역설과 연관되어 왔다. 최근 남아프리카공화국의 로즈대학교와 이스라엘의 벤구리온 대학교 공동 연구팀은 블랙홀에 대한 우리의 모든 지식을 바꿀 수 있는 새로운 이론을 제시했다. 연구팀은 얼어붙은 별 모델에 대한 상세한 이론 분석을 수행했으며, 이 모델이 사건의 지평선과 특이점이 모두 없기 때문에 블랙홀이 실제로 '얼어붙은 별(frozen star)'일 수 있다고 주장했다. 얼어붙은 별은 냉각되어 더 이상 빛이나 열을 방출하지 않는 별의 잔해로, 흑색 왜성(black dwarf)이라고도 불리며 별의 마지막 단계를 나타낸다. 일반적으로 과학자들은 별이 흑색 왜성에 도달하는데 수 조년이 걸린다고 추정한다. 우리 우주는 137억년 밖에 되지 않았기 때문에 아직 흑색 왜성은 존재하지 않는다. 그러나 연구팀은 이번 연구에서 흑색 왜성과 블랙홀 사이의 유사성을 자세히 분석해, 기존 블랙홀 모델과 관련된 많은 역설을 해결할 수 있음을 발견했다. 현재 블랙홀 모델의 문제점 과학계는 블랙홀에 관해서는 1915년 알버트 아인슈타인이 일반 상대성 이론에서 제시한 내용을 따르고 있다. 아인슈타인에 따르면 블랙홀에는 두 가지 특징이 있다. 첫째, 중심에 '특이점(singularity)'이라고 하는 무한 밀도의 점이 존재한다. 둘째, 블랙홀에는 '사건의 지평선(event horizon)'이 있어 빛조차도 탈출할 수 없는 경계를 형성한다. 이 이론은 널리 받아들여지고 있지만, 몇 가지 문제점에 직면해 있다. 예를 들어 실제 관측 결과는 자연에 무한대가 존재하지 않음을 시사하며, 이것이 물리학에서 모든 것이 유한하다고 간주되는 이유다. 또 다른 모순은 앞서 말했듯이 스티븐 호킹의 복사 역설에서 발생한다. 이 역설은 블랙홀이 복사를 방출하고 시간이 지남에 따라 질량을 천천히 잃어 결국 완전히 증발한다고 제안한다. 그러나 아인슈타인은 블랙홀에서 아무것도 빠져나갈 수 없다고 했다. 또한 블랙홀이 증발하면 블랙홀을 형성한 물질이 파괴된다. 그러나 이것은 정보 보존의 법칙에 위배된다. 정보 보존 법칙은 물질과 마찬가지로 정보도 생성되거나 파괴될 수 없다고 명시하며, 양자 역학의 기초를 형성한다. 연구팀은 블랙홀을 특이점과 사건의 지평선이 없는 '얼어붙은 별'로 간주하면 이러한 모든 역설이 해결된다고 밝혔다. 블랙홀은 얼어붙은 별일까? 연구팀은 블랙홀의 엔트로피 및 열 복사와 같은 열역학적 특성의 이론적 값이 흑색 왜성의 값과 유사함을 입증했다. 이번 연구의 제1 저자인 이스라엘 벤 구리온 대학교의 라미 브루스타인 물리학 교수는 라이브 사이언스와의 인터뷰에서 "우리는 얼어붙은 별이 사건의 지평선이 없지만 (거의) 완벽한 흡수체처럼 행동하고 중력파의 원천으로 작용하는 방법을 보여주었다"며 이러한 물체는 블랙홀처럼 그 위에 떨어지는 거의 모든 것을 흡수할 수 있다고 지적했다. 그는 "게다가 이 천체들은 기존 블랙홀 모델과 동일한 외부 기하학적 구조를 갖고 있으며 기존의 열역학적 특성을 재현한다"고 덧붙였다. 블랙홀이 얼어붙은 별이라면 무한 밀도의 점이나 특이점이 없다는 것을 의미한다. 이는 블랙홀이 실제 세계의 물체와 동일한 유한성 관련 규칙을 따른다는 것을 시사한다. 또한 사건의 지평선이 없다는 것은 복사와 입자가 경계를 탈출할 수 있음을 의미하며, 이는 호킹이 블랙홀에서 빛이 방출된다는 주장과 일치한다. 브루스타인은 "우리는 얼어붙은 별이 지평선이 없음에도 불구하고 (거의) 완벽한 흡수체처럼 행동하고 중력파의 원천 역할을 하는 방법을 보여주었다. 또한 기존 블랙홀 모델과 동일한 외부 기하학적 구조를 생성하고 기존의 열역학적 특성을 재현한다"고 말했다. 그러나 이 연구에도 몇 가지 한계가 있다. 예를 들어 흑색 왜성은 내부 구조를 가지고 있다고 믿어지지만 블랙홀의 경우에는 그렇지 않다. 또한 블랙홀이 실제로 얼어붙은 별이라는 것을 확인하는 실험적 증거는 없다. 따라서 이 가설을 검증하려면 추가 연구가 필요하다. 이 연구는 '피지컬 리뷰 D(physical Review D)' 저널에 게재됐다.
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[우주의 속삭임(59)] 블랙홀, 냉각된 별일까? 아인슈타인 이론 도전하는 새로운 가설
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[우주의 속삭임(58)] 지구 궤도 진입하는 소행성 '미니문', 두 달간 지구 공전
- 지구가 이달 말 또 다른 달을 얻게 된다. 이 작은 소행성은 올해 말까지 지구의 중력에 의해 묶여 지구를 공전하게 된다고 라이브사이언스가 전했다. '2024 PT5'라고 불리는 소행성 미니문은 지난 8월 7일 '소행성 지구 충돌 최종 경보 시스템(ATLAS)'에 의해 포착됐다. 이 우주 암석은 오는 9월 29일에서 11월 25일 사이에 지구를 한 바퀴 완전히 공전한 후 지구의 중력에서 벗어나게 된다. 그러나 지구를 57일간 근접 비행함에도 불구하고, 이 소행성은 너비가 10m에 불과해 육안으로 발견하기는 어렵다. 지구는 때때로 이 같이 여분의 달을 잡아당긴다. 예를 들어, 천문학자들은 지난 1981년과 2022년에도 비슷한 소행성을 발견했다. 이 때 '2022 NX 1'이라는 천체는 지구와 잠깐 달과 같은 동반자가 되었다가 지구 중력을 벗어나 멀리 날아갔다. 전문가들은 AAS 연구노트(Research Notes of the AAS)에 이 같은 연구 결과를 발표했다. 연구진은 논문에서 "지구는 정기적으로 근지구 천체(NEO: Near-Earth Object) 개체군에서 소행성을 포획하고 궤도로 끌어들여 미니문을 만들 수 있다"라고 썼다. 이어 "최근 발견된 아폴로급 NEO인 2024 PT5는 2022 NX1과 유사한 경로를 따라가며 곧 미니문이 될 수 있다"고 덧붙였다. 나사(NASA)는 지구에서 약 1억 2000만 마일(1억 9000만 km) 이내에 있는 모든 우주 물체를 '근지구 천체'로 간주하고, 지구에서 약 470만 마일(750만 km) 이내에 있는 모든 대형 천체를 '잠재적으로 위험하다'고 분류한다. 나사는 24시간마다 전체 밤하늘을 스캔하는 4개의 망원경으로 구성된 ATLAS를 사용해 약 2만8000개의 소행성의 위치와 궤도를 추적한다.
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[우주의 속삭임(58)] 지구 궤도 진입하는 소행성 '미니문', 두 달간 지구 공전
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[신소재 신기술(106)] 스탠퍼드대, 식용 색소로 투명 쥐 만드는 기술 개발 성공
- 미국 과학자들이 식용 색소를 이용해 생쥐 피부를 투명하게 만드는 실험에 성공했다. 스탠퍼드대 재료과학 및 공학 궈쑹 홍(Guosong Hong) 교수 팀은 9월 5일 과학 저널 '사이언스(Science)'에서 '타르트라진(Tartrazine)' 또는 '황색 5호(FD&C Yellow #5)'로 알려진 노란색 식용 색소를 통해 생쥐의 복부 피부와 두개골 등 생물학적 조직을 일시적으로 투명하게 만드는 데 성공했다고 밝혔다. 투명망토는 공상 과학과 판타지 영화의 소재로 곧잘 등장하지만, 식용 염료를 활용해 쥐의 피부를 투명하게 만들어 낸 것은 이번이 처음이다. 여기서 '투명'이라는 개념은 좀 다르다. 일반적으로 투명망토는 인체의 내부까지 투명해져서 육안으로 사람이 안 보이는 것을 의미한다. 하지만 연구팀이 개발한 식용 염료를 바르면 피부만 투명해지고 그안의 혈관과 근육, 뼈 등 내부 구조가 고스란히 드러나 관찰하기에 적합해진다. 연구팀은 특정 탄산음료와 과자에 독특한 주황색을 부여하는 식용 색소인 황색 5호를 사용해 쥐의 피부를 완전히 투명하게 하는 것을 입증했다. 이는 가역적이고 잠재적으로 무독성인 연구 방법으로, 의학과 과학 영상 분야에 혁신을 가져올 수 있다. 해당 연구 내용에 대해서는 영국 일간지 가디언과 과학 전문매체 퍼퓰러사이언스 등 다수 외신이 전했다. 지금까지 연구팀은 이 새로운 발견을 통해 쥐의 복부 내 장기를 관찰하고, 설치류 두개골 주변의 맥동하는 혈류를 살펴보고, 현미경을 통해 근육 조직을 매우 선명하게 볼 수 있었다. 추가적인 연구를 통해 이 방법은 새로운 과학적 발견을 촉진하고, 현미경 기술을 발전시키며, 의료 진단 전략과 치료법을 개선하는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 원리는 간단, 색소 바르면 피부 투명해져 쥐의 피부를 투명하게 하는 방법은 간단하다. 황색 5호 용액을 쥐의 피부에 몇 분 동안 마사지하거나 미세 바늘을 사용하면 투명('가시광선의 적색 영역에서 완전한 광학적 투명성')한 피부가 된다. 색소를 씻어내면 피부는 자연스럽고 불투명한 상태로 되돌아간다. 스탠포드 대학교의 공동수석연구 저자이자 생물공학자인 궈쑹 홍 박사는 "피부와 같은 생물학적 조직은 빛이 통과할 때 산란되기 때문에 일반적으로 투명하지 않다"며 "동물의 살은 주로 물과 지방 등 다양한 물질로 이루어진 매트릭스이며, 이 두 종류의 화합물은 서로 다른 각도로 빛을 굴절시킨다고 설명했다. 빛은 한 물질에서 다른 물질로 이동할 때 속도가 변하며 휘어지는 굴절과 흩어지는 산란 현상을 일으킨다. 우리가 물체의 속을 볼 수 없는 것은 바로 산란현상 때문이다. 연구팀은 다양한 색소가 조직 내 빛의 이동 방식을 어떻게 변화시키는 지 모델링하여 일시적으로 피부를 투명하게 하는 이 방법을 개발했다. 팀은 황색 5호와 다른 몇 가지 색소를 투명성 향상 후보로 선정한 후, 실리카 입자와 혼합된 액체, 살아있는 닭의 가슴살, 살아 있는 생쥐와 기타 쥐의 조직 샘플 등을 테스트해 색소가 얼마나 빠르고 깊게 퍼지는 지 측정했다. 또한 이 색소를 다른 광학 현미경 기술과 결합해 황색 5호가 기존 기술을 향상시키는데 사용될 수 있음을 보여줬다. 마지막으로 연구팀은 설치류 실험 대상에서 단기 및 장기적인 영향을 조사하고 쥐가 소변과 대변을 통해 이들 색소를 얼마나 빨리 배출하는 지 추적해 초기 독성 분석을 수행했다. 연구팀은 황색 5호가 24시간 내에 몸을 통과하고 염증이나 자극을 거의 일으키지 않으며 "최소한의 전신 독성"을 나타낸다고 밝혔다. 인체 적용 시기 상조 그러나 이 방법은 아직 완전하지 않다. 예를 들어 살아 있는 생쥐 몸통 전체를 투명하게 만들거나 인간 복부의 내부를 즉시 볼 수 있게 해주지는 못한다. 황색 5호는 조직에 제한적으로 침투할 수 있기 때문에, 표적 전달력과 최적 농도에 대한 정확한 이해 없이는 인간의 살과 같은 덜 투과적인 피부를 통해 내부의 이미지를 얻는 데 유용하지 않을 수 있다. 또한 색소가 광자 산란을 줄이지만 완전히 제거하지는 못한다. 사용되는 조직이 두꺼울수록 이미지는 더 어둡고 선명도가 떨어진다. 게다가 초기 독성 평가는 긍정적이지만, 황색 5호 색소가 장기적으로도 무해하다고 확신할 수 없다. 이는 추가 연구를 통해 풀어야할 과제다. 이에 홍 교수는 추가적인 안정성 연구가 필요하다고 강조하며 "인체 피부에 이를 시도하는 것은 권장하지 않는다. 특히 국소적으로 적용될 때 색소 분자의 인체 독성은 완전히 평가되지 않았다"고 강조했다. 향후 추가 연구를 통해 황색 5호가 인체에 국소적으로 안전하게 사용될 수 있다면 피부암 조기 발견, 혈관을 찾기 어려운 사람들의 혈액 채취 용이성, 레이저 문신 제거 속도 향상, 광열 암 치료 효과 증대 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 전망된다.
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[신소재 신기술(106)] 스탠퍼드대, 식용 색소로 투명 쥐 만드는 기술 개발 성공
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[우주의 속삭임(47)] 제임스 웹 망원경, 별처럼 탄생한 떠돌이 행성 6개 발견
- 천문학자들이 제임스 웹 우주 망원경(JWST)을 사용해 별을 공전하지 않고 자유롭게 떠다니는 특이한 우주 천체인 자유 부유 행성을 발견했다. 제임스웹은 지구에서 960광년 거리의 페르세우스 분자 구름에서 홀로 떠도는 6개의 자유 부유 행성을 발견했다고 CNN과, 스페이스닷컴, 라이브사이언스 등 다수 외신이 전했다. 천문학자들은 제임스웹을 통해 별 형성 성운, 즉 가스와 먼지구름인 NGC1333을 들여다 보았다. 이 행성들은 목성 질량의 5~10배에 이르며 항성 주위를 공전하지 않고 성간 가스에서 직접 응축되어 별처럼 형성된 것으로 추정된다. 특히 이 중 하나는 가스와 먼지 원반으로 둘러싸여 있어 위성 또는 '미니 행성'을 형성 중일 가능성도 제기됐다. 일반적으로 별은 가스와 먼지 구름에서 형성된다. 그런 다음 별의 형성에서 남은 물질이 행성의 형성으로 이어진다. 하지만 항성체도 행성과 비슷하게 형성될 수 있다고 연구 저자들은 지적했다. 제임스웹이 자유 부유 행성을 발견한 것은 이번이 처음은 아니다. 지난 2023년에는 오리온 성운에서 목성 질량 이진 천체 또는 점보(JUMBO)라고 알려진 42쌍의 자유 부유 가스 거대 행성을 발견하기도 했다. 이러한 천체는 많은 질량이 가스 행성 및 갈색 왜성과 겹치기 때문에 행성과 별의 경계가 모호하다. 이번에 발견된 6개의 천체는 지구에서 약 960광년 떨어진 북쪽 별자리 페르세우스 자리에 위치한 NGC 1333이라는 반사 성운 및 산개성단 복합체에서 발견됐다. 허블 우주 망원경은 이전에 성운의 이미지를 포착했지만 먼지로 인해 별 형성 과정을 볼 수 없었다. 제임스웹은 목성 질량보다 5배 작은 작은 떠돌이 행성도 감지할 수 있지만 NGC 1333에서는 그런 행성을 찾지 못했다. 이 사실은 자유롭게 떠다니는 행성의 형성 과정에 대한 중요한 정보를 제공한다. 성운 안에는 신생 별, 갈색 왜성(별이나 행성이 아닌 천체), 행성과 같은 질량을 가진 물체가 있었다. 태양계 행성 중에서 가장 큰 목성은 질량이 지구 질량의 약 318배에 해당하는 엄청나게 큰 크기다. 새로 발견된 천체 중 하나는 목성 5개, 즉 지구 1600개 정도의 질량을 가지고 있는 것으로 추정된다. 천체를 둘러싼 먼지가 많은 원반은 별과 비슷하게 형성되었을 가능성이 제기됐다. 두 가지 행성 형성 과정 태양계의 행성들은 원시 행성 원반에서 물질이 쌓여 점점 더 커지는 '상향식 과정'을 통해 탄생했다. 반면, 행성을 행성하는 다른 방식은 '하향식 과정'으로, 중력 하에서 별처럼 가스와 먼지 구름에서 직접 붕괴해 형성되는 것이다. 목성 질량의 약 1~5배 범위에서 자유롭게 떠다니는 행성이 발견되지 않았다는 것은 목성 질량 5개가 하향식 형성 과정의 하한선이라는 것을 강력하게 시사한다. 물론 행성계에서 방출된 후 지구 크기의 암석 행성들도 많이 존재할 수 있지만, 이들은 JWST로 감지하기에 너무 작을 가능성이 있다. 연구팀은 제임스웹을 이용해 인간의 눈에는 보이지 않는 적외선으로 성운을 자세히 연구했고, 희귀한 현상인 갈색 왜성과 행성 질량을 가진 동반 천체를 발견했다. 영국의 세인트 앤드류스 대학교의 천체물리학자이자 연구 공동 저자인 알렉스 숄츠는 성명을 통해 "거대 행성과 비슷한 질량을 가진 작은 물체는 스스로 행성을 형성할 수가 있다"고 밝혔다. 이번 발견에 참여한 존스 홉킨스 대학교의 천체 물리학자 레이 자야와르다나(Ray Jayawardhana)는 "우리의 관측은 자연이 적어도 두 가지 다른 방식으로 행성 질량 전체를 생성한다는 것을 확인시켜준다. 하나는 별이 생성되는 방식처럼 가스와 먼지 구름의 수축이고, 다른 하나는 우리 태양계의 목성처럼 어린 별 주위의 가스와 먼지 원반에서 생성되는 것이다"라고 설명했다. 연구원들은 다음 단계로 JWST를 이용해 천체를 추적하고. 대기와 구성을 연구해 천체의 형성에 관한 단서를 찾고 다른 우주 천체와 어떻게 다른 지 알아내는 것이라고 밝혔다. 이번 연구 결과는 '천문학 저널(The Astronomical Journal)'에 게재가 수락됐으며, 사전 인쇄 서버 arXiv에서 이용할 수 있다.
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- IT/바이오
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[우주의 속삭임(47)] 제임스 웹 망원경, 별처럼 탄생한 떠돌이 행성 6개 발견
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[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.
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[신소재 신기술(101)] 버섯 곰팡이 전기 자극으로 바이오하이브리드 로봇 제어
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[퓨처 Eyes(48)]세계 최초, 전자의 움직임 포착하는 '아토현미경' 개발 - 과학계 새 지평 열다
- 미국 애리조나 대학교 연구팀이 세계 최초로 전자의 움직임을 포착하는 투과 전자 현미경, 일명 '아토현미경' 개발에 성공했다. 이 현미경은 찰나의 순간에도 지구를 수십 바퀴 돌 수 있는 전자의 움직임을 포착할 수 있을 정도로 강력하다. 전자는 아주 작은 입자로 원자를 구성하는 기본 요소 중 하나다. 전자는 음(-)의 전하를 띠고 있으며, 원자핵 주변을 빠르게 돌고 있다. 전자의 움직임은 전기, 빛, 화학 반응 등 다양한 현상의 근본적인 원인지 된다. 연구팀은 움직이는 전자의 정지 프레임 화면을 찍을 만큼 강력한 아토현미경 개발이 물리학, 화학, 생명공학, 재료 과학 등 다양한 분야에 획기적인 발전을 가져올 것으로 기대하고 있다. 연구를 주도한 모하메드 하산(Mohammed Hassan) 물리학 및 광학 과학 부교수는 "이 투과 전자 현미경은 최신 스마트폰에 탑재된 고성능 카메라와 같다"며 "이전에는 볼 수 없었던 전자의 움직임을 관찰하고, 이를 통해 과학계가 전자의 행동과 양자 물리학을 더 깊이 이해할 수 있기를 바란다"고 밝혔다. 전자 빔 투과로 상세 이미지 생성 투과 전자 현미경은 빛 대신 전자 빔을 사용하여 물체를 최대 수백만 배까지 확대하는 장비다. 기존 광학 현미경으로는 볼 수 없는 미세한 부분까지 관찰할 수 있어 과학 연구에 널리 활용되고 있다. 다시 말하면, 투과 전자 현미경은 가시광선을 사용하는 대신 전자 빔을 연구 중인 샘플에 통과시킨다. 전자와 샘플 사이의 상호작용은 렌즈로 포착되고 카메라 센서로 감지되어 샘플의 상세한 이미지를 생성한다. 이와 같은 원리를 사용하는 초고속 전자 현미경은 2000년대 처음 개발됐으며, 레이저를 사용해 펄스 전자 빔을 생성한다. 이 기술은 현미경의 시간적 해상도, 즉 시간에 따른 샘플의 변화를 측정하고 관찰할 수 있는 능력을 크게 향상시킨다. 이러한 초고속 현미경에서는 카메라의 셔터 속도에 따라 이미지 품질이 결정되는 대신 투과전자 현미경의 해상도는 전자 펅스의 지속 시간에 따라 결정된다. 펄스가 빠를수록 이미지가 더 선명해진다. 연구팀이 개발한 아토현미경은 펨토초(femtosecond, 1000조분의 1초)보다 훨씬 빠른 아토초(attosecond, 100경 분의 1초-팸토초보다 1000배 더 짧음) 단위로 전자 펄스를 생성한다. 이는 2023년 노벨 물리학상을 수상한 과학자들의 연구를 기반으로 한 것으로, 극자외선 방사선 펄스를 아토초 단위로 측정하는 기술을 응용했다. 아토현미경은 강력한 레이저를 두 개의 초단파 광 펄스로 변환하여 작동한다. 첫 번째 펄스는 샘플에 에너지를 공급하여 전자를 움직이게 하고, 두 번째 펄스는 아토초 단위로 전자 펄스를 생성하여 샘플을 탐색한다. 두 펄스의 정밀한 동기화를 통해 전자의 움직임을 원자 수준에서 실시간으로 관찰할 수 있다. 하산 교수는 "전자 현미경 내부의 시간 해상도 개선은 오랜 숙원이었다"며 "이제 '아토현미경'을 통해 처음으로 전자의 움직임을 볼 수 있게 되었다"고 말했다. 아토현미경 개발의 의미 아토현미경의 개발은 과학계에 새로운 지평을 여는 혁신적인 성과로 평가된다. 전자의 움직임을 실시간으로 관찰할 수 있게 됨으로써, 과학자들은 다음과 같은 분야에서 획기적인 발전을 이룰 수 있을 것으로 기대하고 있다. 1) 물질의 근본적인 특성 규명 아토현미경을 통해 물질 내 전자의 상호작용 및 에너지 전달 과정을 밝혀낼 수 있다. 이는 새로운 소재 개발, 에너지 효율 향상, 촉매 반응 개선 등 다양한 분야에 응용될 수 있다. 2) 생명 현상의 이해 증진 생체 분자 내 전자의 이동 및 화학 반응 과정을 관찰하여 생명 현상의 메커니즘을 밝히고, 질병 치료 및 신약 개발에 기여할 수 있다. 3) 양자 컴퓨팅 기술 발전 양자 컴퓨팅의 핵심 요소인 큐비트의 동작 원리를 이해하고, 양자 컴퓨터 개발에 필요한 기술적 난제를 해결하는 데 도움을 줄 수 있다. 이번 연구 결과는 과학 학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 게재됐다.
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- 포커스온
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[퓨처 Eyes(48)]세계 최초, 전자의 움직임 포착하는 '아토현미경' 개발 - 과학계 새 지평 열다
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[신소재 신기술(97)] 나노스케일 물체 온도 측정 소재 개발⋯초소형 온도계 활용 기대
- 미국 캘리포니아 대학교 어바인 캠퍼스(UC Irvine) 연구팀이 온도 변화에 따라 색이 변하는 1차원 나노 물질을 개발했다. 이 연구 결과는 나노 크기 물체의 온도를 측정할 수 있는 새로운 가능성을 제시한다. 연구 결과는 학술지 '첨단 소재(Advanced Material)'에 게재됐다. 연구를 주도한 UC 어바인 막스 아르기야 화학 교수는 "이번 연구 결과를 통해 매우 작고 민감한 온도계를 만들 수 있게 됐다"며 "이는 우리 실험실에서 나온 가장 실용적이고 응용 가능성이 높은 연구 중 하나"라고 밝혔다. 아르기야 교수는 이 온도계를 '나노 크기의 무드 링'에 비유했다. 무드 링은 착용자의 체온에 따라 색이 변하는 장신구다. 하지만 이번에 개발된 나노 물질은 단순히 온도를 질적으로 측정하는 것을 넘어, 색 변화를 통해 나노 스케일에서 온도를 정량적으로 측정할 수 있다. 아르기야 교수는 "많은 생물학적 및 산업 공정이 미세한 온도 변화 추적에 의존하기 때문에 온도 측정은 매우 중요하다"며 "이제 세포 내부 온도까지 측정할 수 있는 온도계를 개발할 수 있을 것"이라고 덧붙였다. 연구팀의 박사후 연구원 드미트리 코르도바는 이 광학 온도계가 회로와 데이터 저장 장치를 포함한 마이크로 및 나노 전자 장치의 온도를 측정하고 효율성을 평가하는 데에도 잠재적으로 활용될 수 있다고 설명했다. 그는 "이미 산업 분야에서는 컴퓨터 부품 제조 시 광학 온도계를 사용하고 있지만, 이번에 개발된 새로운 물질은 "기존보다 최소 10배 이상 민감하다"고 강조했다. 이번 연구의 핵심적인 발견은 코르도바와 동료 연구원들이 실험실에서 나노미터 길이 규모에서 나선형 '슬링키'와 유사한 결정을 성장시키는 과정에서 이루어졌다. 연구팀은 처음에는 이 결정이 어떤 온도에서 분해되는지 확인하기 위해 열 스트레스를 가했다. 코르도바와 학부 연구원 레오 청은 그 과정에서 결정의 색이 온도에 따라 노란색에서 주황색으로 체계적으로 변화하는 것을 발견했다. 연구팀은 색이 나타내는 온도 범위를 정밀하게 측정했고, 옅은 노란색은 영하 190도, 붉은 주황색은 영상 200도 정도의 온도에 해당한다는 사실을 확인했다. 아르기야 교수는 "측정의 정확성을 확보하기 위해 많은 노력을 기울였다"고 말했다. 연구팀은 나노 스케일의 물질 샘플을 얻기 위해 벌크 규모의 결정에 접착 테이프를 붙이고 떼어낸 후, 테이프에 붙은 나노 스케일 샘플을 투명 기판에 옮겼다. 아르기야는 "이 구조들을 떼어내 나노 스케일 온도계로 사용할 수 있으며, 다른 재료나 표면에 옮기거나 재구성하여 결합할 수 있다"고 설명했다. 그는 이번 발견이 나노미터 스케일에서 온도를 측정하는 새로운 종류의 물질을 발견하는 첫걸음이라고 말했다. 다음 단계로, 연구팀은 더 넓은 온도 범위를 측정할 수 있는 온도계를 개발하기 위해 다른 나노 스케일 물질을 테스트할 계획이다. 아르기야는 "이제 더 민감한 물질을 만들기 위해 재료 설계 규칙을 해킹하려고 노력하고 있다"며 "벌크 스케일에서 나노 스케일까지 광학 온도 측정을 위한 도구 상자를 열려고 한다"고 밝혔다.
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[신소재 신기술(97)] 나노스케일 물체 온도 측정 소재 개발⋯초소형 온도계 활용 기대
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[기후의 역습(42)] 화산 폭발, 엄청난 탄소 방출로 온난화 촉발…생물 대량 멸종 초래도
- 자연은 종종 인류의 시급한 과제에 대한 해결책을 제시해 준다. 지구의 지질학적 역사도 마찬가지로 지구 온난화를 이해할 수 있는 정보와 장기적인 통찰력을 제공한다. 지구 역사를 통틀어 재앙을 몰고 온 대규모의 화산 폭발은 대기와 해양에 막대한 양의 탄소를 방출했다. 지구과학 소식을 전하는 어스닷컴은 화산의 엄청난 탄소 방출은 급격한 기후 온난화를 촉발해 육지와 해양 생태계의 대량 멸종으로 이어졌다고 전했다. 나아가 이러한 강력한 화산 활동 기간은 수백만 년 동안 지구의 ‘탄소 및 기후 조절 시스템’을 혼란에 빠뜨렸으며 지구 환경에 지속적인 영향을 미쳤을 가능성이 높다는 지적이다. 이는 취리히 연방 공과대학교(ETH 취리히)의 환경 과학자팀이 진행한 최근 연구 결과다. 연구팀은 지구 역사상 주요 기후 변화에 직면했던 식물이 어떻게 반응하고 진화했는지를 분석했다. 또 이러한 변화가 지구의 자연적 탄소-기후 조절 시스템에 어떤 영향을 미쳤는지도 조사했다. 연구 결과는 사이언스 저널 최신호에 실렸다. 연구팀은 고대 퇴적물에서 발견된 동위원소에 대해 화학적 분석을 수행하는 한편, 분석 데이터를 지구의 지질학적 기후 체계를 조절하는 식물의 역할을 통합해 설계한 모델과 비교했다. 팀은 이 모델을 사용해 화산 활동으로 인한 강력한 탄소 방출에 지구 시스템이 어떻게 반응하는지도 시뮬레이션했다. 팀이 초점을 맞춘 시기는 약 2억 5200만 년 전 페름기-트라이아스기 ‘시베리아 트랩(Siberian Traps)’ 대량 멸종을 포함해 지구 지질학적 역사상 세 가지 중요한 기후 변화였다. 시베리아 트랩은 러시아의 초거대 현무암질 용암지대로, 거대 화산의 분화로 인해 엄청난 양의 용암과 화산재를 지표면에 뿌렸고 이로 인해 생물체가 대량으로 사멸했다고 한다. ETH 취리히의 타라스 게리아 교수는 "시베리아 트랩 형성기 20만 년 동안 약 4만기가톤(Gt)의 탄소를 방출했고, 그 결과 지구 평균 기온이 섭씨 5~10도 상승하면서, 기록상 지구에서 가장 심각한 멸종 사건이 발생했다"고 설명했다. 생물이 온도 상승에 적응하지 못하면서 급속한 생태계 파괴로 이어졌던 것. 연구팀원인 ETH 취리히의 줄리안 로거 박사는 "시베리아 트랩과 같은 재앙적인 사건이 터지면 식물이 원상회복되는 데 수백만 년이 걸릴 수 있다. 장기간 지구의 탄소-기후 조절 시스템은 심각하게 약화되고 비효율화돼 장기적인 기후 온난화가 초래된다"고 설명했다. 재앙적인 화산 폭발의 심각성은 방출된 탄소가 얼마나 빨리 지구 내부로 다시 격리될 수 있는지에 따라 결정된다. 탄소의 격리는 규산염 광물 풍화나 유기 탄소 생성 등의 메커니즘을 통해 발생하며, 이 과정을 통해 탄소는 대기에서 효과적으로 제거된다. 연구에 따르면 화산 폭발 후 기후가 안정화되고 새로운 평형 상태에 도달하는 데 걸리는 시간은 식물이 온난화에 얼마나 빨리 적응할 수 있는지에 크게 좌우된다. 일부 식물 종은 더 시원한 지역으로 이동하는 방법을 택했지만 많은 경우 화산 폭발은 너무나 치명적이어서 식물 종은 지속적인 온도 상승에 적응할 시간이 충분하지 않았고 멸종의 길을 걸었다. 연구 결과는 현시대 인간이 유발한 기후 위기에 중대한 시사점을 보여준다. 연구에 따르면 식물의 교란은 화산 폭발과 같은 지질학적 변화와 마찬가지로 기후 온난화를 장기화하고 심화시킬 수 있다. 실제로 지구의 탄소 순환을 조절하는 식물의 능력이 떨어져 기후가 안정적인 평형을 이루는데 수백만 년이 걸린 사례도 있다. 연구팀은 지구가 글로벌 기후 위기에 처해 있다고 경고하면서 "이전의 어떤 화산 활동보다 더 빠른 속도로 온실가스를 방출하고 있다. 연구 결과는 갑작스러운 기후 변화에서 원상으로 회복하는데 기여하는 식물의 역할을 보여준다. 그런데 전 세계적으로 산림 벌채가 중단되지 않아 자연 생태계가 기후를 조절하는 능력을 잃고 있다"고 경고했다.
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[기후의 역습(42)] 화산 폭발, 엄청난 탄소 방출로 온난화 촉발…생물 대량 멸종 초래도
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[신소재 신기술(95)] 옥스포드대, '초박막 태양전지' 개발⋯에너지 패러다임 전환 예고
- 영국 옥스포드 대학교 물리학과 연구팀이 기존 실리콘 태양광 패널을 대체할 수 있는 초박막 태양전지 기술을 개발해 에너지 패러다임 전환의 가능성을 제시했다. 이 기술의 핵심은 햇빛에 노출된 물체 외부에 부착할 수 있는 초박막 태양전지 필름이다. 이 필름은 빛을 흡수하는 페로브스카이트를 여러 겹으로 쌓아 1미크론 두께로 제작됐다. 기존 실리콘 웨이퍼보다 150배 얇으면서도 5% 더 높은 에너지 효율을 자랑한다. 특히, 일본 산업기술종합연구소(AIST)의 엄격한 인증을 통과하며 27% 이상의 에너지 효율을 공식적으로 인정받았다고 AZO클린테크가 전했다. 연구팀은 이 기술을 통해 태양광 장치의 에너지 효율을 궁극적으로 45% 이상까지 끌어올릴 수 있을 것으로 기대하고 있다. 또한, 매우 얇고 유연한 필름 형태로 제작되어 건물, 자동차, 심지어 휴대폰 뒷면 등 다양한 일상 생활에서 사용되는 사물의 표면에 부착 가능하다는 점에서 건설 및 설치 비용 절감 효과도 기대된다. 이는 태양광 발전소 보급 확대와 지속 가능한 에너지 사용 증진에 기여할 것으로 전망된다. 연구팀의 준케 왕 박사는 "이번 기술은 태양 에너지를 가장 지속 가능한 재생 에너지원으로 만들면서 비용 절감까지 가능하게 할 것"이라며 기대감을 드러냈다. 이번 연구는 옥스퍼드 대학교 물리학과 헨리 스나이스 교수의 지도 아래 약 30명의 전문가가 참여했다. 이들은 약 10년 전부터 박막 페로브스카이트 기술 개발에 주력해왔다. 스나이스 교수는 "우리 실험실에서 시연된 태양광 소재 및 기술의 최신 혁신은 기존 건물, 차량 및 물체를 사용하여 더욱 지속 가능하고 저렴하게 태양 에너지를 생성하는 재료를 제조하는 새로운 산업을 위한 플랫폼이 될 수 있다"고 말했다. 한편, 페로브스카이트 소재는 5년 만에 에너지 효율이 6%에서 27%로 비약적으로 발전했지만, 습기에 취약하여 안정성이 떨어지는 문제가 남아있다. 그럼에도 불구하고, 태양 에너지 가격은 지난 10년간 90% 하락하며 경제성을 확보했고, 이는 전 세계 태양광 발전소 증가에 기여했다. 최근 미국과 구글 등이 태양 에너지 인프라 확대에 적극적으로 나서고 있는 가운데, 옥스퍼드 대학교의 이번 연구는 태양 에너지 시대를 앞당기는 촉매제 역할을 할 것으로 기대된다.
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[신소재 신기술(95)] 옥스포드대, '초박막 태양전지' 개발⋯에너지 패러다임 전환 예고
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생체모방 로봇 물고기 '이브', DNA 수집으로 해양 연구 새 지평
- 스위스 취리히 연방 공과대학(ETH Zurich)의 공학과 학생들이 세계 해양 연구 방식을 바꿀 수 있는 최첨단 로봇 시제품을 개발해 주목된다고 CNN 등 외신이 밝혔다. 로봇 물고기 형태의 자율주행 수중탐사기(AUV: Autonomous Underwater Vehicle)를 개발한 것. 개발된 로봇 물고기 '이브(Eve)'는 몸체 내부에 펌프를 장착해 동력을 생성하고 이를 실리콘 꼬리로 전달, 꼬리를 좌우로 흔들며 이동한다. 취리히 호수에서의 실험 결과 이브는 차가운 물 속을 부드럽게 미끄러지듯 이동했다. 학생들이 이끄는 개발 그룹은 지난 2년 동안 로봇 물고기 개발에 주력했으며, 이브는 그 가운데 가장 최신 로봇이다. 개발팀의 데니스 바우만은 CNN에 "이브를 물고기처럼 보이게 한 것이 이번 개발의 특장점"이라며, "생체를 모방한 설계로 이브는 다른 물고기나 해양 생물이 놀라지 않도록 하면서 그들의 생태계 속에 들어갈 수 있다"고 설명했다. 물고기로 위장하는 방식 외에도 이브의 유용성은 많다. 이브에는 수중을 촬영하는 카메라는 물론 장애물을 피할 수 있는 소나(레이더를 이용한 수중 음파 탐지기)가 장착돼 있다. 이브에는 또 해저를 유영하면서 eDNA 환경에서 해저 생물체의 DNA를 수집하는 필터도 장착돼 있다. eDNA는 물, 토양, 대기 등 다양한 환경에서 생물의 유전자를 채취하거나 채취한 유전자를 분석하는 기술을 말한다. 채집된 eDNA 입자는 실험실로 보내져 수역에 어떤 생물 종이 살고 있는지 확인하는 작업을 진행하게 된다. 자연에 생존하는 모든 동물은 DNA를 배출하고, 그 DNA는 주변에 떠다니기 때문에 이를 채취해 분석할 수 있다. 개발팀은 이브가 해양학자들에게 바다 전반에 대한 자세한 모습을 제공할 수 있을 것으로 기대했다. 바다는 지구의 70% 이상을 덮고 있음에도 불구하고 해저의 대부분의 영역은 여전히 수수께끼로 남아 있다. 이브를 비롯한 AUV 장치는 바다를 탐험하고 수중 생태계 탐사에 많이 사용된다. 예를 들어 캘리포니아에 설립된 스타트업 아쿠아AI(Aquaai)는 수로의 산소, 염도, pH 수치와 같은 정보를 수집할 수 있는 클라운피시(자리돔과의 흰동가리)와 유사하게 생긴 드론을 개발했다. 이 장치는 지난해 8300m라는 역대 가장 깊은 곳에서 물고기를 포착해 촬영했다. 한편 생물다양성을 관측하는 데 eDNA를 사용하는 것이 증가하고 있지만, 샘플 채취는 아직 초보 수준이다. 대부분은 여전히 컵에 물을 떠서 샘플을 수집하고 있다. 이브와 같은 진보된 도구는 해양 생물 서식지가 기후 변화, 과도한 어획 및 기타 인간 활동으로 인해 전례 없는 위협에 직면해 있는 요즘, 해양을 더 잘 보호하는 데 필수적일 수 있다. 바우만은 "생물학자를 위한 신뢰할 수 있는 도구를 만들고 싶다"면서 "첨단 기기를 이용한 해양 탐사호가 멸종 위기에 처한 어종을 보호할 수 있을 것"이라고 지적했다.
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- IT/바이오
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생체모방 로봇 물고기 '이브', DNA 수집으로 해양 연구 새 지평
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[퓨처 Eyes(46)] 3D 프린팅 심장 반창고, 손상된 인체 조직 대체·복구 가능성 열어
- 심장에 붙일 수 있는 반창고가 3D 프린팅으로 제작돼 새로운 질병 치료의 길을 열었다. 미국 콜로라도 볼더 대학교(CU Boulder) 연구팀이 펜실베니아 연구팀과 공동으로 인체 조직의 강도와 신축성을 모두 갖춘 3D 프린팅 소재 개발에 성공했다고 CU볼더 투데이, 기술 전문 매체 인터레스팅 엔지니어링 등이 전했다. 가까운 미래에는 생명유지에 필수적인 기관인 심장의 결함이나 손상을 접착형 밴드를 통해 간단히 치료할 수도 있을 것으로 에상된다. 연구팀은 산화 환원 촉진을 통과한 광노출 후 연속 강화(CLEAR)라는 새로운 3D 프린팅 방법을 개발했다. 이 소재는 심장 박동을 견딜만큼 탄력적이면서도 관절에 가해지는 압력을 견딜만큼 강하다. 특히 환자 맞춤형으로 제작할 수 있어 다양한 의료 분야에 활용될 수 있다. 이번 연구 결과는 지난 2일 과학 학술지 '사이언스(Science)'에 게재됐다. 차세대 바이오 소재 연구팀은 이 기술이 심장에 약물을 직접 전달하는 내부 붕대, 연골 패치, 무바늘봉합 등 차세대 바이오 소재 개발의 토대가 될 것으로 기대한다. 연구 책임자인 제이슨 버딕 CU 볼더 바이오프론티어 연구소 교수는 "심장 조직과 연골 조직은 스스로 복구하는 능력이 매우 제한적이라는 점에서 비슷하다. 한 번 손상되면 회복이 어렵다"며 "더 탄력적인 소재를 개발해 복구 과정을 돕는다면 환자들에게 큰 도움을 줄 수 있다"고 말했다. 기존의 의료용 기기는 주로 몰딩이나 주조 방식으로 제작되어 대량 생산에는 적합하지만, 환자별 맞춤형 제작에는 한계가 있었다. 최근 3D 프린팅 기술은 다양한 형태와 구조의 소재로 제작할 수 있어 의료 분야에 새로운 가능성을 열고 있다. 3D 프린팅은 살아 있는 세포를 포함한 다양한 재료를 사용해 물체를 층층이 쌓아 물체를 만드는 기술이다. 특히 하이드로젤(콘택트렌즈 소재)은 인공 조직, 장기 임플란트 제[작에 유망한 소재로 주목받았지만, 기존 3D 프린팅 하이드로젤은 의료 분야에 필요한 강도와 유연성이 부족해 늘어나면서 쉽게 찢어지거나, 압력에 의해 깨지거나, 너무 뻣뻣해서 조직에 맞게 성형하기 어렵다는 문제점이 있었다. 이에 버딕은 기존 3D 프린팅에 대해 "심장에 딱딱한 플라스틱을 붙였다고 상상해 보자. 심장이 뛰는 동안 변형되지 않고 그냥 부러질 것"이라고 설명했다. 새로운 3D 공정은 습한 조직에 붙을 수 있는 견고하고 유연한 소재를 생산해, 기존 프린팅의 문제점을 해결했다. 연구팀은 기존 하이드로젤의 한계를 극복하기 위해 'CLEAR'라는 새로운 3D 프린팅 방법을 개발하여 긴 분자들을 얽히게 만들었다. CLEAR(Continuous-curing after Light Exposure Aided by Redox initiation)는 3D 프린팅 소재에 긴 분자를 얽어 넣어 작동하는 방식이다. 이렇게 제작된 소재는 기존의 DLP(Digital Light Processing, 디지털 광원 처리) 방식으로 제작된 소재보다 훨씬 강하고 동물 조직 및 장기에 잘 부착되는 것으로 나타났다. 장기에 부착 가능한 3D 프린팅 소재 연구팀은 강도와 탄성을 모두 갖춘 3D 프린팅 하이드로젤을 개발하기 위해 벌레의 움직임에서 영감을 얻었다. 벌레는 서로 얽히고 풀리는 과정을 반복하며 3차원 '웜 블롭(worm blob)'을 형성하는데, 이는 고체와 액체의 특성을 모두 가지고 있다. 새롭게 개발된 소재는 엄격한 인장 및 하중 지지 테스트를 거쳤다. 그 중에는 샘플 위에 자전거를 놓는 다소 특이한 절차도 포함됐다. 연구팀은 이러한 테스트를 통해 개발된 소재가 기존 소재보다 월등히 높은 강도와 탄성을 지녔음을 입증했다. 팀은 이 소재가 표준 3D 프린팅 공정을 사용해 만든 소재보다 엄청나게 튼튼하다는 것을 발견했다. 특히 이 소재는 동물 조직과 장기에 대한 호환성과 접착력도 입증했다. 공동 제1저자이자 버딕 연구소의 연구원인 맷 데이비슨은 "이제 우리는 조직을 기계적으로 지지할 만큼 강한 소재를 3D로 인쇄할 수 있다. 이전에는 한 번도 해 본 적이 없다"고 말했다. 연구팀은 이 기술이 심장 결함 복구, 조직 재생 약물 전달, 탈출된 디스크 고정, 수술 부위 봉합 등 다양한 의료 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대한다. 특히, 이 기술은 개인 맞춤형 의료 기기 제작에 혁신을 가져올 것으로 예상된다. 또한 이 방법은 경화 과정에 추가 에너지가 필요하지 않아 친환경적이며, 의료 분야뿐만 아니라 연구 및 제조 분야에도 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 전망된다. 버딕의 연구팀은 예비 특허를 출원했으며, 이들 물질에 대한 조직 반응을 조사하기 위해 추가 연구를 곧 수행할 예정이다.
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- 포커스온
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[퓨처 Eyes(46)] 3D 프린팅 심장 반창고, 손상된 인체 조직 대체·복구 가능성 열어
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[신소재 신기술(90)] 사람 대신 로봇이 간다!⋯위험 지역 누빌 AI 로봇, 영국서 개발
- 영국 스타트업 옥스포드 다이내믹스(Oxford Dynamics)가 인간이 접근하기 위험한 지역이나 재난 현장에 투입될 수 있는 인공지능(AI) 로봇 '스트라이더(Strider)' 개발에 나섰다. 이 회사는 영국 국방부와 100만 파운드(약 17억4900만원) 규모의 계약을 체결하고 화학, 생물학, 핵, 치명적인 방사능 사고 현장에서 활용 가능한 스트라이더 로봇을 개발 중이라고 BBC가 전했다. 2020년 설립된 옥스포드 다이내믹스는 영국 옥스포드 하웰에 위치한 스타트업으로 인공지능 기반 로봇을 개발하고 있다. 이 회사는 지난해 11월부터 스트라이더 로봇 개발을 시작했으며, 오는 9월까지 영국 국방과학기술연구소(DSTL)에 납품할 예정이다. 이 로봇은 2018년 발생한 솔즈베리 노비촉 독극물 공격과 같은 사건 현장에서 오염된 물체를 밀봉된 용기에 담거나, 사람이 방호복을 입고 수행하기 어려운 작업을 수행할 수 있도록 설계됐다. '솔즈베리 노비촉 독극물' 사건은 2018년 3월 4일 영국 솔즈베리에서 발생한 것으로, 러시아 이중 스파이였던 세르게이 스크리팔과 그의 딸 율리아 스크리팔이 러시아에서 개발된 군사용 신경작용제인 노비촉에 중독되어 의식 불명인 상태로 발견된 것을 말한다. 당시 영국 정부는 이 사건을 러시아 소행으로 규정하고, 러시아 외교관 23명을 추방하는 등 강력한 제재 조치를 취했다. 당시 이 사건은 국제 사회에 큰 충격을 안겨 주었으며, 영국과 러시아 간의 외교 관계를 악화시키는 발단이 됐다. 또한 화학무기 사용에 대한 국제사회의 경각심을 높이고, 화학무기금지기구(OPCW)의 역할이 부각되는 계기가 됐다. 옥스포드 다이내믹스의 마이크 로튼 이사는 로봇 현장 투입에 대해 "잠재적으로 치명적인 물질을 처리하기 위해 사람 대신 기계를 보낼 수 있다"고 말했다. 스트라이더 로봇은 적외선, 레이더, 라이다(LiDAR, 빛 감지 및 거리 측정) 시스템을 활용해 험난하고 알려지지 않은 지형에서도 작동 가능하다. 또한 향후에는 영화 '아이언맨'에 등장하는 자비스에서 영감 받은 '매우 지능적인 시스템'이라는 뜻의 AVIS AI 소프트웨어를 탑재해 더욱 지능적인 임무 수행을 가능하게 할 계획이다. 옥스포드 다이내믹스는 이 기술을 잠수함이나 전투기에도 적용할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 또한 궁극적으로 수천 대의 스트라이더 로봇을 생산해 전 세계에 공급하는 것을 목표로 하고 있다. 영국 환경식품농무부(Defra)의 이완 데이비스는 "오랫동안 내부적으로 논의해온 개념이 매우 유능하고 유연한 플랫폼 형태로 빠르게 구체화되는 것을 보는 것은 매우 흥미롭다"고 밝혔다.
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- 포커스온
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[신소재 신기술(90)] 사람 대신 로봇이 간다!⋯위험 지역 누빌 AI 로봇, 영국서 개발
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[우주의 속삭임(37)] 화성 탐사선, 고대 생명체 흔적 발견
- 나사(NASA)의 퍼시비어런스(Perseverance) 로버(이동형 탐사선)이 화성의 암석에서 고대 생명체의 흔적을 발견했을 수 있다는 주장이 나왔다고 스페이스닷컴이 전했다. 탐사팀은 흥분하고 있지만, 사실임을 확인하기 위해서는 추가 분석이 필요하기 때문에 여전히 조심스럽다는 지적이다. 탐사선은 화성이 지금보다 더 습했던 수십억 년 전 미생물 생명체에 의해 형성되었을 수 있는 화학적 특징과 구조를 보유한 화살촉 모양의 암석을 발견했다. 학자들이 ‘체야바 폭포(Cheyava Falls)’로 명명한 암석 내부에서 탐사선은 우리가 아는 생명체의 선구자 격인 유기 화합물을 검출했다. 암석의 길이를 따라 구비져 흐르는 황산칼슘 혈관은 생명체에 필수인 물을 암시하는 광물의 퇴적물이다. 탐사선은 또한 샘플에서 수십 밀리미터 크기의 반점도 발견했다. 그 반점들은 각각 검은색 고리로 둘러싸여 있고 표범 반점 모양을 닮았다. 이 고리들은 철과 인산염을 함유하고 있는데, 이는 미생물이 주도하는 화학 반응의 결과로 지구에서도 볼 수 있다. 호주 퀸즐랜드 공과대학의 천체생물학자이자 퍼시비어런스 팀의 일원인 데이비드 플래너리는 "지구에서 이런 종류의 암석은 종종 지하에 살고 있는 미생물의 화석 기록과 관련된 특징으로, 대단히 놀라운 발견이다"라고 말했다. 화성에서 이런 특징이 집약된 흔적이 발견된 것은 이번이 처음이라고 한다. 체야바 폭포는 네레트바 밸리스(Neretva Vallis)라는 이름의 고대 400m 폭의 강 계곡 가장자리에 위치해 있다. 네레트바 밸리스는 이 지역의 내벽을 따라 흐른다. 한 가지 시나리오는 유기 화합물을 함유한 진흙이 계곡에 버려져 나중에 체야바 폭포 바위로 굳어졌다가 탐사선 샘플로 채취됐을 가능성이다. 형성된 바위에 물이 두 번째 스며들면 발견된 물체의 황산칼슘 혈관과 검은 고리 반점 모양이 만들어졌을 것이다. 바위의 눈에 보이는 특징들이 화성에 고대 미생물이 화성에 살았다는 반박할 수 없는 증거는 아니다. 예를 들어, 관찰된 황산칼슘이 화산 활동 중에 사람이 살 수 없을 정도로 높은 온도에서 바위에 들어갔을 가능성이 있다. 그러한 비생물학적 화학 반응으로 인해 검은 고리 모양의 반점이 생겼을 수 있는지는 아직 알 수 없다. 캘리포니아 공과대학의 켄 팔리 박사는 "레이저와 X-레이로 채취한 바위를 투시하고 상상할 수 있는 거의 모든 각도에서 이미지를 촬영했다. 과학적으로 퍼시비어런스 탐사선은 더 이상 제공할 것이 없다"고 말했다. 과학자들은 이제 수십억 년 전 화성의 고대 강 계곡에서 실제로 무슨 일이 일어났는지 이해하기 위해 샘플을 지구로 가져와 상세히 조사한다는 계획이다. 그러나 샘플을 지구로 가져오는 비용이 110억 달러로 너무 과도해 난관에 봉착혔다. 샘플을 이동시킬 차량의 배치 및 샘플 적재, 적재된 샘플을 궤도로 발사하고 이를 다시 우주선이 회수해 지구로 보내지는 복잡한 과정이다. 나사는 산업 및 학계에서 제안한 더 간단한 대안을 평가하고, 7개 회사와 150만 달러 규모의 계약을 체결했다. 나사의 자체 연구 센터 3곳도 연구를 수행하고 있다.
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- IT/바이오
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[우주의 속삭임(37)] 화성 탐사선, 고대 생명체 흔적 발견
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구글 딥마인드 AI 시스템, 수학 올림피아드 은메달 수준 달성
- AI 모델은 에세이를 비롯한 다양한 유형의 텍스트를 쉽게 생성할 수 있지만 논리적 추론을 포함한 수학 문제를 해결하는 데는 그다지 능숙하지 않다. 그러나 AI 모델이 그 벽을 넘어서기 시작했다고 MIT테크놀로지리뷰가 전했다. 구글 딥마인드(Google DeepMind)가 고급 추론을 포함하는 복잡한 수학 문제를 해결하기 위해 훈련한 두 개의 AI 시스템 알파프루프(AlphaProof)와 알파지오메트리2(AlphaGeometry2) 연합 팀이 올해의 국제 수학 올림피아드(IMO)에서 6개 문제 중 4개를 푸는 데 성공했다. IMO는 고등학생을 위한 권위 있는 대회로, 이들의 셩과는 은메달에 해당한다. AI 시스템이 수학 문제를 해결하는 데에서 이렇게 높은 성공률을 달성한 것은 처음이다. 이 프로젝트에 참여한 구글 딥마인드의 푸시미트 콜리 부사장은 "이는 머신러닝과 AI 분야에서 큰 진전이다. 지금까지 이 정도의 성공률로 문제를 해결할 수 있는 시스템은 개발되지 않았다"라고 말했다. AI 시스템이 고급 추론을 포함하는 수학 문제를 풀기 어려운 이유가 몇 가지 있다. 이런 유형의 문제는 종종 추상이 필요하고 이를 활용해야 한다. 또 복잡한 계층적 계획과 하위 목표 설정, 역추적, 새로운 경로 시도가 필요하다. 이 모든 것이 AI에게는 어려운 일이다. 온라인에 공식 수학 데이터가 적기 때문에 수학 모델을 훈련하는 것도 쉽지 않다. 이를 해결하기 위해 구글 딥마인드는 수학적 진술을 증명하도록 스스로 훈련하는 강화 학습 기반 시스템 알파프루프를 개발했다. 시스템의 핵심은 자연스럽고 비공식적인 언어로 표현된 수학 문제를 AI가 처리하기 쉬운 공식 표현으로 자동 번역하도록 조정된 제미니(Gemini) AI 버전이다. 이를 통해 다양한 난이도의 공식 수학 문제 라이브러리가 대량으로 생성되었다. 에든버러 대학교의 웬다 리 AI 담당 교수는 “수학 데이터를 공식 언어로 번역하는 프로세스를 자동화하는 것은 수학계의 큰 진전”이라고 평가했다. 제미니 모델은 구글 딥마인드가 바둑이나 체스와 같은 게임을 훈련시킨 강화 학습 모델 알파지로(AlphaZero)와 함께 작동해 수백만 개의 수학 문제를 증명하거나 반증한다. 성공적으로 해결한 문제가 많아질 수록 알파프루프는 더욱 복잡한 문제를 능숙하게 해결할 수 있게 된다. 올해 기능을 개선해 발표한 알파지오메트리2는 각도, 비율, 거리를 포함하는 물체의 움직임과 방정식과 관련된 문제를 해결하도록 최적화되었다. 이전 모델보다 훨씬 더 많은 합성 데이터로 훈련되었기 때문에 더욱 어려운 기하학 문제를 처리할 수 있었다. 올해 IMO에서 부여된 6가지 문제를 두 시스템에 과제로 부여한 결과 알파프루프는 대수 문제 2개와 수론 문제 1개를 풀었다. 그중 하나는 대단히 어렵다고 평가된 문제였다. 알파지오메트리2는 기하 문제를 성공적으로 풀었지만, 조합론에서 출제된 2개의 문제는 풀지 못했다. 알파프루프 팀의 엔지니어인 알렉스 데이비스는 알파프루프의 경우 조합론보다는 대수와 수론에서 더 나은 성과를 보였다고 설명했다. 그리고 그 이유를 분석하고 있으며, 이를 통해 시스템을 개선할 수 있을 것이라고 밝혔다. 두 명의 수학자가 답안지를 검토했으며, 4개의 정답에 각각 만점(7점)을 주었고 42점 만점 중 28점을 받았다. 같은 점수를 받은 IMO 참가자는 은메달을 받았다. 채점을 담당했던 고워스는 "수학자로서 매우 인상적이었다. 시스템의 능력이 상당히 도약한 것 같다"라고 말했다. 다른 채점자 마이어스 역시 수학 부문에서 AI가 이전에 달성할 수 있었던 것보다 상당히 발전했다는 데 동의했다. 인간이 아직 모르는 복잡하고 어려운 수학 문제를 해결할 수 있는 AI 시스템에 대한 기대감도 높이고 있다. 인간-AI 협업의 길을 열어 수학 발전에 기여할 수 있을 것이라는 기대다.
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- IT/바이오
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구글 딥마인드 AI 시스템, 수학 올림피아드 은메달 수준 달성
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과학자들 "태양의 영향, 지구 깊숙한 곳까지 미친다"
- 지금까지의 통설은 화산 폭발이나 지각판 충돌과 같은 지구 내부의 변화가 지구 표면 환경에 영향을 미친다는 것이었다. 약 6600만 년 전의 대량 멸종과 빙하기 등은 주로 이러한 지구 내부의 변형에 의해 주도되는 것이라는 판단이었다. 그런데 태양의 복사열이 지구의 깊은 내부까지 영향을 미칠 수 있다는 새로운 연구 결과가 발표돼 주목된다고 PHYS, 신화통신 등이 전했다. 이는 중국과 루마니아 연구팀이 수행한 것으로, 보고서는 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 발표됐다. 이 연구는 중국과학원, 중국 지질대학교, 부쿠레슈티 대학교의 지질학 및 지구물리학 연구소(IGG) 연구원들이 수행했다. 연구팀에 따르면 태양 복사열은 위도에 따라 달라지며, 해양 생물의 분포에 영향을 미치는 해수면의 온도 구배를 생성한다. 물체 내부를 열전도 할 때, 평행한 양면의 온도가 일정하고 물체 내부가 일정할 경우 물체 내부의 온도 분포는 직선이 되는데, 이 직선을 온도 구배라고 한다. 탄소가 풍부한 유기체는 해양판을 통해 지구 내부로 운반된다. 이 과정은 아크 마그마의 산화환원 상태에 큰 영향을 미친다. 아크 마그마의 산화환원 상태는 화산 아크에서 형성된 마그마 내 환원(산소를 잃거나 전자를 얻는 것)과 산화(산소를 얻거나 전자를 잃는 것) 상태 사이의 균형을 의미한다. 연구팀은 전 세계 지질학자들이 수집한 지구와 바다 깊은 곳의 마그마 샘플을 포함, 수천 개의 마그마 샘플에서 얻은 데이터를 분석했다. 팀은 아크 마그마의 산화환원 상태를 결정하기 위해 감람석 광물과 암석 내의 작은 용융물 함유물을 조사했다. 연구에 따르면 저위도 지역의 마그마는 고위도 지역보다 산화가 덜한 것으로 나타났다. 해저 연구의 추가 증거에 따르면 저위도 지역에서 탄소 퇴적물이 더 많이 감소한 것으로 나타났다. 이 탄소는 황과 상호작용하여 황화물을 형성한 다음 맨틀로 운반되어 관찰된 산화환원 패턴에 영향을 미쳤다. 연구팀원인 IGG 연구원 완 보는 "예상치 못한 이 패턴은 태양 복사열의 영향을 받는 지구 표면 환경과 기후가 맨틀과 같은 지구 깊은 곳에 직접적이고도 중요한 영향을 미친다는 것을 시사한다"라고 말했다. 구리, 주석, 리튬과 같은 많은 금속 광석은 산화환원 조건에 민감하다. 글로벌로 산화환원 상태의 공간적 및 시간적 분포를 이해하는 것은 이러한 중요한 자원의 위치와 가용성을 예측하는 데 중요한 의미를 갖는다. IGG 연구원인 휴 팽양은 "관찰된 패턴은 자원을 탐색하고 다양한 위도에서 지하 환경에 미치는 영향을 이해하는 데 새로운 방향을 제시한다"고 말했다.
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- IT/바이오
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과학자들 "태양의 영향, 지구 깊숙한 곳까지 미친다"
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중국, 지구-달 연결 위성 정보 고속도로 건설 계획
- 중국이 지구와 달 사이(Cislunar, 시스루나)의 우주 공간 지배에 본격적으로 나섰다고 인터레스팅엔지니어링이 전했다. 지구와 달 사이의 통신, 내비게이션 및 모니터링 기능을 혁신하기 위한 포괄적인 위성 네트워크 구축 계획을 공개한 것이다. 시스루나는 지구 주위의 위성 궤도, 달 궤도 내의 공간 및 그 사이의 영역을 포괄하는 ‘지구와 달 사이의 모든 영역’을 나타낸다. 지구와 달 사이에 고속도로를 건설하는 것과 유사한 개념의 통신 네트워크를 구축해 전 세계 사용자에게 서비스를 제공한다는 야심찬 계획이다. 이 아이디어는 중국 우주기술원(CAST)과 베이징 우주선 시스템 공학연구소(Institute of Spacecraft System Engineering)의 연구원들이 제시한 것이다. 목표는 20명 이상의 우주 여행자들이 이미지, 오디오 또는 동영상을 통해 지구와 동시에 통신할 수 있도록 하는 것이다. 또 지구-달 비행은 물론 달 표면에서의 작업을 위한 정확한 위치 확인, 내비게이션 및 타이밍을 제공하는 용도로도 이용한다. 사우스차이나모닝포스트 보도에 따르면, 지난 6월 중국 우주과학기술 저널에 실린 설명에서 연구원들은 이 네트워크를 통해 지구와 달 사이의 우주 공간에서 1m 정도로 작은 움직이는 표적까지도 관찰하고 추적할 수 있다고 한다. 중국 창어 5호 임무의 수석 설계자인 양밍페이 연구팀은 "시스루나 우주 공간은 인간 활동의 새로운 개척지로 부상하고 있다"고 말했다. 팀은 "이 지역에서의 인간 활동은 향후 10년 동안 급속히 확대돼 새로운 글로벌 경쟁의 물결을 불러일으킬 것"이라고 예상했다. 지구와 달 궤도에서의 무선 주파수 등 자원에 대한 경쟁은 이미 진행되고 있으며 상황은 더욱 치열해지고 있다. 그런 가운데 중국이 시스루나 우주 인프라를 개발하고 경쟁 우위를 확보하기 위한 로드맵 수립 및 실행에 나선 것이다. 게다가 이 공간은 군사적으로도 의미가 크다. 최근 몇 년 동안, 특히 군사 부문에서 시스루나 공간의 중요성이 더욱 커지고 있다. 예를 들어, 미국 공군은 지구에서 달까지의 43만 7000km를 순찰하면서 인공 물체를 탐지, 추적 및 식별하도록 설계된 위성 시스템을 개발하고 있다. 이 시스템은 기존 정지궤도 위성의 탐지 범위인 3만5785km를 10배 초과한다. 미국, 유럽, 일본의 민간 우주 기관들도 달에서의 과학적 탐사와 상업적 운영을 지원하기 위해 유사한 인프라를 제안했다. 중국은 달 및 심해 우주 탐사의 핵심 국가로 부상했다. 한편에서는 향후의 우주 임무를 위해 "중복 건설을 피하고 자원 할당을 최적화하기 위한 전략 계획이 필수적"이라고 지적하면서 기득권을 암시하고 있다. 여기에는 유인 달 착륙, 국제 달 연구 기지 건설, 외부 태양계 탐사가 모두 포함된다. 한편 양밍페이 팀에 따르면 중국의 시스루나 네트워크는 단계적으로 발전하게 된다. 첫 번째 단계에서는 최대 10명의 사용자와 통신할 수 있는 위성 2개와 달 제어 기지를 사용해 달 임무를 지원한다. 두 번째 단계에서는 10개의 위성과 두 번째 달 관측소를 추가해 데이터 속도를 초당 5GB(기가바이트)로 높이고 내비게이션 정확도를 100m로 향상시킨다는 계획이다.
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- IT/바이오
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중국, 지구-달 연결 위성 정보 고속도로 건설 계획
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[우주의 속삭임(27)] '어두운 혜성', 과거 지구에 물 공급 가능성 제기
- 지구 근처에서 혜성처럼 움직이며 물과 얼음을 포함할 수 있는 소행성인 '어두운(Dark) 혜성'은 대부분 화성과 목성 사이에서 왔으며 지구 근처에 있는 모든 물체의 최대 60%를 차지할 수 있다는 연구 결과가 나왔다고 스페이스닷컴이 전했다. 더불어 이들 어두운 혜성이 과거 지구에 물을 공급했을 가능성도 제기됐다. 어두운 혜성은 2023년 코넬 대학의 대릴 셀리그먼이 이끄는 연구팀이 6개를 식별하면서 처음으로 드러났다. 소행성은 태양의 중력에 따라 궤도를 돈다. 그러나 여섯 개의 어두운 혜성은 태양의 중력만으로는 설명할 수 없는 궤도를 나타낸다. 일반적으로 혜성은 가열될 때 얼음이 승화되어 추진력을 받아 속도를 높이며 가스를 방출해 궤도를 변경할 수 있다. 방출된 가스는 혜성을 안개와 같은 물질로 덮고 꼬리를 형성한다. 그러나 셀리그먼 팀이 발견한 6개의 어두운 혜성은 가스 방출로 인한 안개나 꼬리가 없다. 눈에 보이는 가스 방출이 없음에도 불구하고, 혜성의 얼음이 승화되는 방출은 있을 것으로 추정됐고, 이 때문에 어두운 혜성이라는 별명이 붙었다. 셀리그먼 교수가 포함된 미시간 대학의 아스터 테일러 교수 연구팀은 계속해서 컴퓨터 시뮬레이션에 동적 모델링 기술을 적용함으로써 어두운 혜성의 궤도를 추적, 이 혜성이 어디에서 왔는지를 알아냈다. 이 어두운 혜성이 지구 근처 궤도에 도달할 수 있음도 확인했다. 연구 결과는 이카루스 저널에 발표됐다. 연구 결과, 어두운 혜성은 거의 화성과 목성 사이의 소행성대에서 유래한 것으로 나타났다. 또한 이번 연구는 소행성대에 있는 어두운 혜성 표면 아래에 많은 얼음이 존재할 것이라고 예측했던 1980년대의 초기 이론을 증명했다. 나사의 다운(Dawn) 임무는 왜행성 세레스에서 얼음을 발견했고 소행성 베스타에서 얼음이 있을 것이라는 강한 증거를 발견했는데, 이들 둘 다 주요 소행성대다. 그러나 세레스와 베스타는 대부분의 소행성보다 훨씬 크며, 태양계 초기에 완전한 행성으로 성장하지 못한 원시행성의 잔해로 추정된다. 훨씬 더 작은 소행성에도 얼음이 존재하는지 여부는 확실하지 않았지만, 이번 어두운 혜성 연구에 따르면 실제로 얼음이 존재하는 것으로 나타났다. 활성 소행성(꼬리까지 달려 혜성처럼 움직이는 소행성대의 물체)과 어두운 혜성 사이의 연관성에 대해서는 여전히 논쟁이 있지만, 테일러 박사는 어두운 혜성 및 활성 소행성이 지구의 물 공급원이었을 가능성이 있다고 추정했다. 테일러는 "어두운 혜성이 지구에 물을 공급했는지를 확신할 수는 없지만, 지구의 물 공급에 대한 논쟁이 여전히 남아 있으며, 우리의 연구는 어두운 혜성이 태양계의 나머지 부분 어딘가에서 지구가 얼음을 얻는 또 다른 경로라는 것을 보여준다"고 말했다. 연구팀의 계산과 모델링에 따르면 지구 근처 물체의 최대 60%가 어두운 혜성일 수 있다. 나사의 오시리스 렉스(OSIRIS-REx) 탐사선이 최근 샘플을 채취했던 소행성 베누(Bennu)도 가스 방출 활동을 했음이 드러났으며, 이는 지구에서는 볼 수 없지만 미세한 가스를 방출하는 소행성이 흔할 수 있음을 암시한다. 지구 근처를 공전하는 물체의 수명은 중력에 의해 태양이나 목성 또는 행성으로 흩어지기까지 약 1000만 년 정도다. 따라서 지구 근처의 물체가 현재 숫자를 유지하려면 어두운 혜성이 소행성대에서 나오는 새로운 물체로 지속적으로 보충되어야 한다. 테일러는 "우리가 생각했던 것보다 소행성대에 더 많은 얼음이 있을 수 있다"고 말했다. 어두운 혜성은 '2003 RM'을 제외하고 일반적으로 크기가 수십m 정도에 불과하며 빠르게 회전하고 있다. 파악하지 못하는 상당히 적은 양의 가스 방출은 어두운 혜성의 빠른 회전과 작은 크기의 원인이다. 얼음 조각이 승화하기 시작하면 생성된 증기가 소행성 표면을 통해 폭발하며 가스 방출 기둥을 생성한다. 가스 방출에 의해 전달된 추진력은 소행성을 결국에는 부서질 만큼 빠르게 회전하도록 한다. 그 결과 생성된 파편도 가스를 배출하면서 회전하기 시작하고 점차 오늘날 우리가 볼 수 있는 작은 어두운 혜성의 크기로 작아진다고 연구팀은 밝혔다.
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