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[2578호] 2019.10.14
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[과학 연구의 최전선]이석영 연세대 천문우주학과 교수

최준석  선임기자 jschoi@chosun.com

photo 한준호 영상미디어 기자
이석영 연세대 천문우주학과 교수는 “우리가 오늘날 보고 있는 은하들이 왜 저런 모습일까 하는 게 현재 나의 큰 질문”이라고 말했다. 이 교수는 지난 8월 29일 연세대 연구실에서 주간조선과 만나 “원반(disc)은하를 옆에서 보면 납작하다. 또 소용돌이 치는 나선팔을 갖고 있다. 별을 1000억개 가진 은하가 왜 저런 모양일까”라고 말했다.
   
   그는 “원반은하 연구를 앞선 연구자가 많이 했다. 그런데 지난 3~4년 전부터 가능해진 게 있다. 은하가 우주론적 배경에서 어떤 과정을 거쳐 탄생했는지, 오늘날 저런 모습을 갖게 되었는지를 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 재현해볼 수 있게 되었다. 그런 연구를 내가 하고 있다”라고 말했다.
   
   이석영 교수는 은하 형성 이론을 연구하는 이론천문학자이다. 그는 “관측을 직접 해본 적은 없다”라며 웃었다.
   
   이석영 교수는 일반인에게 비교적 친숙하다. ‘모든 사람을 위한 빅뱅우주론 강의’ ‘초신성의 후예’라는 대중과학서를 낸 바 있다. ‘카오스’와 같은 대중 강연도 하고 있다. 연세대 출신으로 미국 예일대학에서 박사학위를 받았고 미국항공우주국(NASA) 고더드 우주비행센터(메릴랜드 소재)에서 박사후연구원으로 일했다. 캘리포니아공과대학 선임연구원과 영국 옥스퍼드대학 교수도 지냈다.
   
   이 교수가 자신의 최근 연구와 관련 “우주론적 배경에서 은하가 어떤 과정을 거쳐 탄생했는지”라고 말했을 때, 그 뜻이 순간 머리에 들어오지 않았다. 이 교수는 그 부분에 관해 이렇게 설명했다. “우주가 태어난 지 38만년 됐을 때 물질 분포가 어땠는지 관측한 게 있다.(WMAP, 플랑크우주망원경 촬영을 말하는 듯하다.) 이때의 물질 분포를 밀도요동이라고 한다. 컴퓨터 시뮬레이션을 할 때 이 자료를 집어넣는다. 그리고 중력법칙, 또 기체는 유체역학법칙을 따르니, 이런 기본적인 가정만 하고 현재 우리가 보는 은하를 어떻게 우주가 만들어냈을까 재현해 본다.”
   
   
   한 변이 1억4000만광년인 공간 가정
   
   가령 이런 식이다. 우주의 한 공간, 즉 한 변의 크기가 1억4000만광년 되는 크기 공간을 생각한다. 은하가 10만개 들어 있는 큰 규모다. 그 안의 물질 분포는 관측자들이 빅뱅 이후 38만년 시점에서 본 것만 있다고 가정하고 시뮬레이션을 돌린다. 우주 초기에 물질이 완벽하게 균일하지 않았다. 불균일이 약간 있었다. 시뮬레이션 결과 천문학자들이 관측한 현재의 은하 분포와 비슷하게 나왔다. 그는 “뉴턴의 중력법칙만 집어넣었을 뿐인데, 시뮬레이션 결과가 오늘날 은하 분포를 잘 재현한다. 이게 21세기가 시작했을 때 알아낸 것”이라고 말했다.
   
   이 교수는 이어 “지난 10년 동안 획기적인 발전이 있었다. 은하 분포가 아니라 개별 은하의 탄생이나 은하가 오늘날 모습이 왜 그런지를 컴퓨터 시뮬레이션으로 재현해낼 수 있을까 하는 실마리를 찾았다”라고 말했다. “은하거대구조가, 즉 물질 분포가 시간이 지나면 어떻게 될지는 알게 되었으니, 그것 말고 은하가 실제로 어떤 한 지역에서 어떻게 탄생하는지를 들여다보자. 정말로 납작한 모양을 은하가 갖게 되는지, 은하가 나선팔을 갖게 되는 경위도 파악할 수 있을지를 컴퓨터 시뮬레이션해봤다.”
   
   이 교수에 따르면 2014년쯤 국제적으로 3개 팀이 이런 연구를 통해 많은 연구 결과를 보여줬다. 하지만 ‘공간 해상도’가 좋지 않아서 납작한 은하원반을 구현하지 못했다. 은하가 어디에 어떻게 만들어졌는지는 이해했으나, 우리가 보고 있는 은하를 정밀하게 구현해내지는 못했다. ‘공간 해상도’와 관련, 이 교수는 “사진은 픽셀 사이즈가 작아야 정밀한 이미지를 얻을 수 있다. 컴퓨터 계산을 할 때도 공간을 촘촘히 나눠 중력 계산을 해낼 수 있느냐가 중요하다. 해상도가 좋으면 다양한 우주 구조물을 들여다볼 수 있다”고 말했다. 이 교수팀은 4800개 컴퓨터를 병렬로 돌렸다. 1년 반 동안 쉼 없이 계산했다. 이 교수가 속한 뉴허라이즌(New Horizon) 그룹은 이전보다 우주의 한 변 기준 해상도가 25배 좋아졌다. 한 방향으로 25배가 개선됐다면 3차원으로 보면 공간 해상도가 1만배 이상 좋아진 거다. 이 교수는 “고해상도를 갖고 우리가 처음 보게 되었다”라고 말했다.
   
   이 연구가 언제 결실을 맺었냐고 묻자 이 교수는 뜻밖에 “지금 일이다. 그 첫 논문이 학술지에 실린다는 연락을 오늘 아침 받았다”라고 말했다. 깜짝 놀라 축하인사를 건네자 이 교수는 “미국천문학회 학술지인 APJ(Astrophysics Journal) 측으로부터 ‘이 교수님에게’라는 제목으로 시작되는 이메일을 받았다. APJ는 천문학계 1등 학술지다. 나로서는 특별한 날, 상쾌한 날이다”라고 말했다.
   
   이 교수는 연구실 문쪽을 보면서 “박민정, 이리 좀 와봐”라며 문 밖을 지나던 20대 여성을 불러 “논문 제1저자인 박민정 연구원이다. 앞으로 세계적인 학자가 될 친구다. 이름을 기억해두셔야 한다”며 소개했다. 이 교수는 박 연구원이 연세대에서 학부와 석사과정을 마치고 외국에서 박사 공부를 준비하고 있다면서 “박사논문보다 임팩트가 큰 논문을 썼다. 10년 후 주목받을 것”이라고 말했다.
   
   
   뉴허라이즌 연구팀의 개가
   
   이 교수팀이 쓴 논문 제목은 ‘은하의 원반과 구형체의 기원에 관하여(New Horizon·On the Origin of the Stellar Disk and Spheroid of Field Galaxies at z=0.7)’. 논문 제목 중 ‘구형체’는 은하 중심부의 공 모양처럼 볼록한 지역을 가리킨다. 흔히 ‘팽대부’라고도 표현한다. 우리은하는 멀리 떨어져 보면 납작한 원반 모양으로 구형체에서 멀리까지 퍼져 있다. 이 교수는 이번 연구를 위해 돌린 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 연구실 내 컴퓨터 화면에 띄워 보여줬다.
   
   “우주 초기 모습이다. 물질이 혼돈스러울 때는 은하 모습은 없다. 시간을 두고 보면 주변의 물질과 충돌하면서 덩어리가 커져간다. 충돌하는 모습만 보인다. 그러다가 어느 시점이 되면 패턴이 보이고, 갑자기 원반이 나타난다. 나선팔 소용돌이도 보인다.” 논문 제목 중 ‘z=0.7’은 우주 나이 138억년 중 딱 절반쯤까지 계산했다는 뜻이다. ‘z=0’이 우주 나이가 138억년이 된 오늘날을 가리킨다고 했다.
   
   1년 반 동안 프랑스와 한국의 수퍼컴퓨터를 총 3000만시간 돌렸지만 우주의 나이 절반까지밖에 확인하지 못했다는 의미다. 이 교수는 “‘z=0’까지 시뮬레이션을 돌려봐야 하는데, 수퍼컴퓨터 사용시간을 확보하는 게 쉽지 않다. 사용시간을 신청했다가 떨어지고 하는 일을 한국과 프랑스에서 반복했다”고 말했다.
   
   이 교수는 이 논문의 발견 내용을 이렇게 설명했다. “은하가 어떤 기원을 갖고 있는지를 최초로 수치적으로 계산했다. 수치를 준 거다. 은하원반의 몇 %는 뭐가 만들었고, 몇 %는 뭐가 만들었고, 몇 %는 뭐가 만들었는지를, 이를테면 은하의 DNA를 알아냈다. 인간 이석영은 몇 %가 전주 이씨에서 나왔고, 몇 %는 양천 허씨에서 나왔고 하는 걸 다 알아낸 거라고 보면 된다. 은하 모습의 중앙부(구형체)와 바깥쪽이 언제 몇 날 몇 시에 어떤 형상을 통해 들어왔는지, 그 기원을 다 숫자로 얘기한다. 지금까지 이런 건 없었다.”
   
   이 교수는 수퍼컴퓨터를 이용한 계산은 2017년부터 2018년 중반까지 했다고 했다. 논문은 2018년 9월부터 쓰기 시작했고 게재까지 1년이 걸렸다. 연구는 프랑스 및 영국 학자와 공동으로 했다. 앞에서 말한 박민정 연구원이 논문의 제1저자이다. 이 교수는 논문을 쓰는 데 시간이 오래 걸린 이유에 대해 “세세한 내용 관련해서 공저자 간에 이견이 많았다. 사실은 서로 1년간 많이 싸웠다. 이견 내용은 줄이고 하는 조정 작업을 하는 데 시간이 들어갔다”라고 말했다.
   
   
▲ 머리털자리에 있는 나선은하 NGC4565. 우리은하의 옆 모습을 예상한 것이다. 어떤 은하는 왜 이런 모습일까가 이석영 교수가 갖고 있는 질문이다. photo NASA

   원반은하 70%, 타원은하 30% 분포
   
   저자들끼리의 이견이 궁금했다. 이석영 교수가 컴퓨터 시뮬레이션을 다시 보여주면서 말을 시작했다. “은하가 모습을 갖추려 해도 초기에는 주변에서 작은 은하가 와서 부딪히니 안정화가 안 된다. 나는 은하의 충돌 역사가 오늘날 모습에서 가장 중요하다고 생각한다. 가령 이 특별한 은하는 1000여개의 작은 은하가 충돌해서 만들어졌다. 작은 은하는 충돌을 많이 겪지 않으나 큰 은하는 충돌을 많이 겪었다. 외부 간섭이 언제 멈추었느냐가 중요하다. 내 해석은 우주 초기에는 간섭이 너무 많았다는 것이다. 우주 초기에는 도공이 우주 원반을 빚을 수 없는 상황이었다. 빅뱅 후 30억년쯤부터 은하 간 충돌병합이 덜 빈번해졌다. 큰 은하일수록 일찍부터 충돌병합이 적어져서 안정을 찾아 원반을 만들고, 작은 은하일수록 늦게 원반을 만든다는 것이다.”
   
   이 교수에 따르면 공저자 한 사람은 은하원반의 형성 시기가 별 탄생 역사와 관련이 있다고 봤다. 별 탄생 역사와 관련이 있다는 사람의 주장은 이렇다. “초기 우주에서 별 탄생이 아주 심했을 때는 그 안에 초신성 폭발이 있고, 여기에서 에너지가 엄청나게 나온다. 그 에너지가 원반을 흔들 수 있다. 원반 만들기가 힘들어진다.” 또 다른 공저자는 은하 중심의 블랙홀이 크게 자라는 역사와 은하의 원반 형성이 관련 있다고 봤다고 한다.
   
   이 교수는 ‘은하 형성 이론’ 연구와 관련 “점점 고해상도로 시뮬레이션하고자 하는 게 세계적인 추세”라며 “우리 팀 뉴허라이즌이 최고의 해상도를 갖고 있으며 앞으로 3~4년은 그 우위를 유지할 것”이라고 했다. “물론 최고 해상도라고 해서 좋은 것만은 아니다. 우리는 최고 해상도를 얻기 위해 작은 우주 공간을 잡았다. 반면 경쟁 그룹인 TNG는 우리보다 해상도는 10배 낮으나, 볼 수 있는 은하 수는 100배 많다. TNG가 훨씬 좋은 자료를 많이 갖고 있으며 자료가 많으니 통계 연구에 강하다. 선두주자다. 인원도 우리보다 10배 많고 대중 홍보 노력도 한다.” TNG는 두 사람이 이끌고 있는데 그중 독일 막스플랑크 천체물리연구소(뮌헨 북쪽 외곽) 폴커 슈프링겔 소장이 리더라고 했다. 이석영 교수는 뉴허라이즌 그룹이 결성될 때인 2017년 이 그룹에 참여했다.
   
   이석영 교수에게 궁금한 게 또 무엇이 있는지를 물었다. 그는 “은하들의 기원을 알고 싶다. 왜 이렇게 다른 모습일까? 사람으로 치면 왜 남자가 있고, 여자가 있는지가 궁금하다”라고 말했다. 이 교수에 따르면, 에드윈 허블이라는 미국 천문학자가 우리은하 말고 외부에 은하가 존재한다는 걸 처음 발견한 후 자기가 알고 있는 수십 개 은하를 형태에 따라 분류했다. 크게는 달걀과 같은 타원은하, 원반과 같은 나선은하 두 개로 나눴다. 이어 나선은하는 중심에 막대가 있는 것 같은 막대은하, 그리고 막대가 없는 은하로 다시 구분했다. 우주에는 원반은하가 70%, 타원은하가 30% 정도 된다. 그는 왜 이런지가 알고 싶다고 했다.
   
   
   은하가 먼저인가, 거대구조가 먼저인가?
   
   이 교수는 강의실 벽면에 걸려 있는 대형 우주 이미지를 가리켰다. 아벨2670이라는 아주 큰 은하단이다. 은하단은 은하들이 모여 있는 우주의 거대구조다. “나선팔이 있거나 원반처럼 생긴 은하가 보이지 않는다. 다 둥글둥글하다. 우주에는 원반은하가 가득 차 있다. 그런데 은하가 많이 모여 있는 은하단에는 타원은하가 가득 차 있다. 우주 전체적으로는 소수인 타원은하가, 저렇게 ‘대도시’인 은하단에서는 90%를 차지한다. 타원은하의 중심부에 들어 있는 블랙홀은 나선은하에 비해 훨씬 크다. 10~100배 크기다. 우리은하 중심의 블랙홀은 300만 태양질량 크기인데, 타원은하 중심의 블랙홀은 태양질량의 10억배로, 1000배 이상 무겁다. 이런 걸 우리가 이해하지 못하고 있다.”
   
   이 교수는 “물론 추측하는 건 있다. 추측이 꽤 신빙성이 있다. 하지만 컴퓨터 시뮬레이션으로 재현을 못 하고 있다. 이론으로 만들기에는 복잡해서 현재로는 불가능하다. 현재 100개 은하 정도를 시뮬레이션으로 돌리고 있는데, 10만개 은하를 고해상도로 만들어내는 건 앞으로 20년 안에는 가능하지 않다”고 말했다.
   
   이 교수에게 ‘은하가 먼저인가, 은하단과 같은 우주의 거대구조가 먼저 만들어졌나?’ 하는 질문을 했다. 어디선가 본 적이 있는 내용이었기 때문이다. 이 교수는 “이 연구는 1990년대 활발했다. 고등과학원(KIAS) 박창범 교수(한국천문학회 회장)가 컴퓨터 시뮬레이션으로 은하가 먼저 만들어졌다는 걸 알아낸 연구자 중 한 명”이라고 말했다. “허블우주망원경으로 관측하면서 확인할 수 있었다. 허블로 보니, 먼 우주로 갈수록 (은하단과 같은) 우주거대구조는 희미해지고 은하는 잘 보였다. 결국 은하가 먼저 만들어졌다는 것이다.”
   
   시간이 벌써 꽤 지나갔다. 이 교수가 인터뷰 시간이 얼마 남지 않았다고 해서 이 교수에게 그간의 주요 연구 성과만 소개해달라고 했다. 이석영 교수는 4가지를 말했다. “1996~1998년에 했던 연구가 있다. 타원은하는 별을 그다지 만들지 않는다. 별을 만들지 않는데도, 새로운 별이 많이 내놓는 자외광을 내는 타원은하가 있다. 왜 이 타원은하들이 자외광을 낼까 하는 질문에 답한 게 나의 박사학위 논문이다. ‘은하의 분광 진화 연구’다. 사람들이 ‘이석영’을 이 연구로 많이 기억한다.”
   
   2001년에는 항성 진화 논문을 썼는데, 평생 가장 많이 인용되었다고 했다. 피인용 횟수가 보통 논문의 10배 이상이었다. 이석영 교수는 “‘y2 등(等)연령곡선’ 논문인데 은하 내 별들이 각각 어떻게 태어나 어떻게 진화하는지를 서로 다른 별들에 대해 낱낱이 계산하고, 수없이 많은 별들을 시간이 지나면서 우리가 스냅샷을 찍을 수 있다면 어떻게 되나 하는 걸 예측하는 논문이었다”고 말했다. 즉 별이 태어났을 때, 그리고 1억년 후, 10억년 후, 20억년 후, 별들의 성질이 어떻게 변할 수 있을까를 예측한 것이다.
   
   이 교수에게 중요한 세 번째 논문은 2005년 작품이라고 한다. 그는 “나를 아주 유명하게 한 논문이다. 타원은하에서는 별 탄생을 안 한다고 했는데, 일부 타원은하에서는 별이 탄생한다고 밝혔다”고 말했다. 그 논문 덕에 미국 천문학회 모임에서 기조 강연도 했다. 그는 지금까지 200편의 논문을 썼는데, 당시 논문이 가장 짧았다. 불과 4쪽 분량이었다. 그리고 그의 학자 경력에서 네 번째로 중요한 논문이 인터뷰를 한 날 게재 승인을 받은 그 논문이다.
   
   이 교수는 “4개가 완전히 다른 논문들이다. 은하 진화, 별 진화, (타원)은하의 별 생성, 은하 형성이다. 다 비슷하게 보일 수 있으나, 의학으로 치면 신경외과 하다가 일반외과 하다가 한 것이다. 천문학계는 이 논문 저자 이석영이 같은 이석영인지 헷갈려 한다”고 말했다.
   
   인터뷰가 끝나기 한참 전부터 기다리는 학생들이 문 밖에 있었다. 빨리 취재를 마무리해야 했다. 주섬주섬 물건을 챙겨 들고 이석영 교수의 연구실을 빠져나왔다. 나의 마지막 질문에 이 교수는 연세대 “84학번”이라고 답했다.
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