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  1. IT/과학
[2597호] 2020.03.02
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[과학 연구의 최전선]천문학자 강혜성 “2021년 천문학계의 올림픽 부산 개최”

photo 이신영 영상미디어 기자
천문학자인 강혜성 부산대 교수(지구과학교육과)는 “부울경(부산·울산· 경남)에는 현역 천문학자가 둘밖에 없다.(천체물리학자 제외) 그래서 2021년 부산에서 열리는 국제천문연맹(IAU) 총회 조직위원장을 내가 맡게 됐다”고 말했다. 국제천문연맹 총회는 3년마다 개최되는 세계 천문학계의 올림픽과 같은 행사다. 지난해 5월 울산과학기술원 류동수 교수를 취재하러 갔다가 국제천문연맹 총회가 얼마나 대단한 행사인지 들었고(주간조선 2560호 ‘과학 연구의 최전선’ 기사 참조), 해를 넘겨 강혜성 교수를 만났다. 부울경에 천문학자가 그렇게 소수라는 게 놀라웠다. 천문학 전통이 오래된 나라가 한국인데 천문학자가 이렇게 없나 하는 생각이 들었기 때문이다.
   
   
   단박에 행사 유치에 성공
   
   강혜성 교수는 자신을 “대학에서 보직도 한번 맡아본 적이 없이 연구만 해온 백면서생”이라고 겸손해했다. 하지만 그는 한국천문학 커뮤니티가 IAU 총회 유치를 결정한 뒤 2014년 유치위원장을 맡아 단숨에 행사를 유치하는 실력을 발휘한 바 있다. 강 교수는 “보통 행사 유치 경쟁에 몇 번은 참여해야 한다. 첫 번째 유치 시도에 성공한 경우는 드물다. 한국은 2015년 하와이 호놀룰루 총회에서 유치 신청을 처음 했고, 단박에 유치하는 데 성공했다”라고 말했다.
   
   부산 IAU 총회에는 각국에서 3000명 이상의 천문학자들이 참가할 것으로 예상된다. 행사는 천문학자들의 최대 규모 학회라고 생각하면 된다. IAU 총회는 일반적인 학술대회와는 달리 국제기구의 총회 같은 성격도 갖고 있다. 예컨대 명왕성을 태양계 행성에서 퇴출시키기로 한 게 IAU의 2006년 총회다. 체코 프라하 총회에서 회원들의 투표로 ‘명왕성은 더 이상 태양계의 행성으로 보지 않는다’고 결정했다. 또 2018년 오스트리아 빈 IAU 총회는 우주 팽창을 설명하는 ‘허블 법칙’의 명칭에다 ‘르메트르’라는 이름을 추가했다. 미국 천문학자 에드윈 허블은 1929년 은하들의 후퇴속력을 측정하여 우주가 팽창하고 있음을 발견한 바 있다. 조르주 르메트르는 허블의 발견 이전에 우주가 가만히 있지 않고 팽창할 것이라고 제안한 벨기에 이론물리학자다. 따라서 ‘허블-르메트르 법칙’이라는 새로운 이름은 우주 팽창을 연구한 관측천문학자와 이론물리학자의 기여를 모두 존중한다는 천문학 커뮤니티의 의지를 담은 게 된다.
   
   강혜성 교수는 부산 IAU 총회를 한국 천문학이 도약할 수 있는 기회로 삼을 계획이라고 했다. “2015년 유치 당시, 한 국가의 국내총생산(GDP)과 그 국가가 보유하고 있는 망원경의 총면적(집광력)의 상관관계를 비교해 보았다. 이는 한 국가가 경제력 대비 천문학에 얼마나 투자하는지 보여주는 지표라고 볼 수 있는데, 한국은 다른 나라에 비하여 현저히 작다는 것을 알 수 있었다. 우리는 호놀룰루 총회 제안서 발표장에서 이 자료를 근거로 부산 총회 유치가 향후 한국 천문학의 발전에 큰 도움이 될 것이라고 호소했다. 당시 남아프리카공화국, 칠레, 캐나다가 경쟁했다. 예컨대 남아공은 한국보다 GDP는 작지만 ‘솔트(SALT)’라는 대형 망원경을 갖고 있다. 즉 국가의 경제력에 비하여 천문학에 많은 투자를 하고 있다. 유럽국가들이 남아공의 천문학 및 과학 발전을 강력하게 지원하고 있었음에도 불구하고, 이런 한국 팀의 호소를 IAU 임원들이 받아들였다. 우리의 총회 유치 제안서 발표를 보고 ‘당장 다음 주에라도 행사를 치를 수 있을 정도로 준비가 잘되었다’고 높이 평가했다.”
   
   
   북한 참여도 적극 권유 중
   
   2021년 행사는 2주간 진행될 예정. 6개의 심포지엄과, 그보다 조금 작은 규모의 ‘포커스 미팅’ 12개가 주제별로 열린다. 대중 강연자로는 2011년 노벨물리학상 수상자인 브라이언 슈미트(호주국립대 부총장, ‘우주가속팽창’ 발견자)와, 2019년 블랙홀 사진을 처음으로 촬영한 EHT(Event Horizon Telescope) 팀의 디렉터인 셰퍼드 돌먼(Sheperd Doeleman·미국 하버드대학교 스미스소니언 천체물리 센터)이 참여할 예정이다.
   
   강혜성 조직위원장은 북한 천문학자의 부산 총회 참가 유도에 IAU가 적극적이라고 했다. “북한은 ‘평양 천문대’를 주관기관으로 1960년대 한국보다 먼저 IAU에 가입했다. 이러한 사실에 자극받아 한국도 국제천문연맹에 가입했다. 1973년 한국천문학회가 주관기관으로 해서 회원국이 되었으며, 그 다음해인 1974년 한국 정부는 ‘국립천문대’(현 ‘한국천문연구원’의 전신)를 설립했다고 알고 있다.”
   
   북한은 최근 IAU 준회원으로 회원 지위가 격하되었는데, 이는 IAU에서의 활동이 미흡하기 때문인 것으로 추정된다. 현재 IAU 회원으로 등록된 북한 천문학자들은 18명(한국 회원 수는 172명)이다. 강혜성 교수는 “IAU는 북한의 총회 참여를 적극 권유하고 있으며, 2018년 빈 총회에도 북한 천문학자를 초청한 바 있다. 우리도 북한 천문학자의 부산 총회 참석을 적극 권유할 생각이다”라고 말했다.
   
   강 교수에 따르면, 북한 천문학자가 쓴 논문 한 편이 지난해 8월 아카이브(arxiv.org)에 실로 오랜만에 올라오기도 했다. 김일성대학 물리학과의 김철준 교수, 평양천문대(대장 정석)의 김직수씨가 쓴 공동 논문(제목 ‘About 200-Year Cycle of Solar Activity in the Mediaeval Korean Records and Reconstructions from Cosmogenic Radionuclides’)이었다.
   
   강혜성 교수 개인의 천문학 연구에 대해 물어볼 시간이다. 강혜성 교수는 “최근에는 은하단 충격파(shock wave)가 고에너지 우주선을 가속(acceleration)시키는 것을 집중 연구하고 있다”라고 말했다. 강혜성 교수는 이론천문학자이다. 그가 말하는 ‘은하단 충격파’ ‘고에너지 우주선’ ‘가속’이란 무엇일까? 우선 ‘은하단’은 수천 개 이상의 은하가 집단으로 모여 있는 우주의 거대한 구조다. 태양계가 속해 있는 우리 은하에서 가장 가까운 은하단은 ‘처녀자리 은하단’이다. 처녀자리 은하단은 1300~2000개 은하로 구성돼 있는 걸로 보인다.
   
   그리고 ‘충격파’는 비행기가 음속을 돌파할 때 발생하는 ‘소닉붐(sonic boom)’으로 익숙하다. 강 교수는 “천문학에는 초음속 현상이 많다. 이 중에서도 은하단이 생성되거나 은하단끼리 병합될 때 발생하는 충격파를 연구했다”라고 말했다. 지구에 앉아 상상하기도 힘든 거대 구조물인 은하단, 그리고 은하단 초음속 현상 이야기를 접하니 흥미롭고도 낯설다.
   
   ‘우주선(cosmic ray)’은 무엇일까? 강혜성 교수의 배우자인 류동수 울산과기원 교수를 취재할 때도 들은 바 있기는 하다. 강혜성 교수 얘기를 다시 들어보기로 하자. 그에 따르면, 우주에서 많은 에너지를 가진 입자가 지구를 향해 날아온다. 우주선은 태양에서도, 초신성이 폭발한 잔해에서도, 활동성 은하핵이 내뿜은 제트에서도 날아오고, 그리고 은하단에서도 만들어진다. 우주선은 갖고 있는 에너지 크기에 따라 고에너지우주선, 초고에너지우주선 등으로 구분된다. 우주선 입자들은 주로 천체물리 플라스마에서 발생하는 충격파에서 가속되는 것으로 알려져 있다. “태양에서 날아온 이온입자들, 즉 태양풍이 지구에 가까이 오면 지구를 둘러싸고 있는 커다란 자기장과 만나고 그로 인해 충격파가 생긴다. 또 초신성이 폭발하면 마치 원자폭탄이 터질 때처럼 충격파가 생겨 주변 공간으로 퍼져나간다.”
   
   강혜성 교수는 “은하나 은하단에서는 물질들이 모이거나 여러 은하단이 합쳐질 때 충격파가 만들어진다. 초음속으로 움직이는 유체(플라스마)가 있고, 그 유체가 단단한 구조를 만나면 충격파가 생기는 것”이라고 했다. 은하단에서 움직이는 유체는 주로 수소로 이루어진 플라스마이고, 온도는 수천만 도다. 플라스마는 양이온(예컨대 양성자)과 음이온(전자)으로 이루어진 이온화된 기체다. 이 플라스마에서 압력파(pressure wave)가 주변으로 확산되는 속도를 ‘음속’이라고 천문학자는 부른다. 물론 소리가 실제 전달되는 건 아니다. 은하단을 채우고 있는 플라스마 압력파가 움직이는 속도는 1초에 수백㎞에서 수천㎞. 강혜성 교수는 류동수 교수와 함께 ‘은하단에서 생성되는 충격파에서 초고에너지의 양성자가 생길 수 있다’는 논문을 1996년에 발표했다. 그리고 2003년에는 메가파섹 규모인 우주 구조를 컴퓨터 시뮬레이션으로 돌려보았다. 그 결과 그곳에서 생겨난 충격파로 인해 자기장이 증폭되고 고에너지 입자가 가속될 것이라고 좀 더 진전된 이론을 내놓았다. 파섹은 천문학의 거리 단위로, 1파섹은 약 3광년이다. 거리로는 30조㎞쯤 된다. 그러니 메가파섹은 300만광년 거리에 해당한다. 300만광년이라는 큰 구조물에서 어떤 일이 일어나는지를 컴퓨터에 데이터를 넣고 시뮬레이션을 해본 연구 결과였다. 강혜성 교수는 “당시 천문학계는 우리의 제안을 크게 주목하지 않았다. 그런데 우리가 옳았다. 나중에 엑스선 및 전파망원경 관측 결과들을 보면, 은하단에 충격파가 있다는 걸 알 수 있었다”고 말했다.
   
   
▲ 이미지 속에 ‘Radio Relics’라는 글자가 가리키는 부분이 ‘충격파’가 있다는 증거다. 은하단이 합쳐지면서 생겼다.

   신비로운 은하단 충격파 연구
   
   강혜성 교수가 총알 은하단(Bullet Cluster)이라는 은하단 이미지를 보여줬다. 총알 은하단은 병합 중인 은하단으로 그 외곽에 뱃머리충격파(bow shock)가 엑스선 관측으로 뚜렷하게 발견되었다. 뱃머리충격파는 은하단 충격파의 증거다. 또 다른 은하단(CIZA J2242.8+5301)의 외곽에는 녹색의 둥그런 원호 같은 게 보였다.<위의 이미지 참고> “이 역시 두 개의 은하단이 병합되고 있는 은하단이다. 수백, 수천 개의 은하가 이 안에 들어 있다. 여기 둥글게 초록색으로 보이는 부분이 전파망원경으로 관측한 거다. 이걸 ‘Radio Relic’이라고 한다. 한국어로는 뭐라고 할까? ‘Radio’는 전파망원경이란 용어 속의 ‘전파’다. ‘Relic’은 ‘잔해’란 뜻이다. 이 ‘Radio Relic’이 충격파다. 이 역시 은하단 내에 충격파가 있다는 증거다.”
   
   ‘전파 잔해’는 은하단 외곽 지역에서 방출된다. 먼저 충격파로 인해 고에너지 전자가 만들어진다. 이때 광속에 가까운 속도를 가진 전자는 자기장 안에서 회전운동하고, 그러면 소위 싱크로트론 복사(전자기파)를 내놓는다. 강혜성 교수가 보여주는 이미지 속의 구조물은 소시지처럼 생겼다고 해서 ‘소시지 잔해(sausage relic)’라는 별칭을 갖고 있다.
   
   강혜성 교수에 따르면, 소시지 모양의 ‘잔해’를 처음 관측한 게 2010년이다. 네덜란드 레이덴대학팀이 로파(LOFAR) 전파천문대에서 관측했다. 그 이후 세계의 여러 전파망원경이 사용되어 더 많은 수의 전파 잔해가 관측되고 있다. 강 교수는 “나와 류동수 교수는 전파 잔해의 이론적 모형을 계산하여 네덜란드 레이덴대학 전파 천문학자와 공동연구하고 있다”라고 말했다.
   
   강혜성 교수는 은하단 말고 초신성에서도 충격파가 생기는 증거를 보여줬다. 관측 이미지 한쪽에 ‘초신성 SN1006’이라고 쓰여 있다. SN은 초신성을 가리키는 영어 ‘Super Nova’의 첫 글자를 가리킨다. 초신성 주변에 보라색 원호가 보이고, 이게 초신성 충격파로 인해 가속된 고에너지 전자들이 방출하는 싱크로트론 복사라고 했다. 백색왜성(white dwarf)이라는 별은 그 동반성으로부터 물질을 빨아들일 수 있는데, 그 빨아들인 결과 별의 총질량이 일정 이상이 되면 중력을 견디지 못해 붕괴 폭발한다. 이렇게 폭발하는 백색왜성을 1a형 초신성이라고 하며, 이때 초신성은 밤하늘을 몇 주 환하게 장식한다. SN1006은 1006년에 폭발한 Ia형 초신성이다. 역사에 기록된 가장 밝은 초신성인데 우리는 지금 그 폭발의 잔해를 보고 있다.
   
   충격파로 인해 입자가 어떻게 가속, 즉 속도가 빨라진다는 것일까? 강 교수가 이미지 한 개를 보여줬다. 가운데 충격파라고 쓴 전선(front·불연속면) 같은 게 있고, 플라스마는 충격파 전선의 한쪽에서부터 다른 쪽으로 지나간다. 플라스마 입자 대부분은 충격파와 부딪치면 운동에너지의 일부를 잃고 대신 열 에너지를 얻어 충격파의 아래쪽으로 내려간다. 그런데 극히 일부 입자는 충격파를 지나간다. 플라스마에 깔려 있는 전자기 파동과 상호작용해서 운동에너지를 얻었기에 반대편으로 건너간 것이다. 그리고 충격파 전선을 왔다갔다 반복적으로 건너면서 에너지를 얻어 고에너지 우주선이 된다. 이러한 가속 과정은 지구 주변에 만들어진 충격파에 우주탐사선을 보내 직접적으로 입자의 에너지 분포를 측정하여 입증되었다. 고에너지 우주선의 에너지 크기가 어느 정도냐는 충격파 속도, 자기장 세기, 전자기 파동들이 플라스마에 얼마나 있느냐에 따라 달라진다. 그걸 수치로 계산해내는 게 강혜성 교수가 하는 일이다. 강 교수는 1996년 논문에서는 “우주 거대구조가 형성되는 과정에서 발생한 충격파에서 양성자가 1019전자볼트까지 가속되는 게 가능하다”라는 연구 결과를 내놨다. 이는 당시 어디에서 만들어지는지 모르는 높은 에너지(1019.5전자볼트 크기) 우주선의 기원을 알아냈다는 의미가 있었다.
   
   강혜성 교수는 “2010년까지 초고에너지 우주선의 기원 연구를 많이 했다”라고 말했다. 에너지가 높을수록 지구에서 관측할 수 있는 우주선의 수가 줄어들고, 그래서 이를 관측하기 위해서는 수백㎞ 크기의 검출기를 설치해야 한다. 남반구의 AUGER(오거) 실험과 북반구의 TA(Telescope Array) 실험이 초고에너지 우주선을 검출하기 위한 시설이다. AUGER 실험은 남미 아르헨티나 초원에서 남반구 하늘, TA 실험은 미국 유타주 사막에서 북반구 하늘에서 날아오는 초고에너지 우주선을 검출한다. AUGER 실험은 미국과 유럽연합 소속 국가들이 주도하며, TA 실험은 일본·미국이 주도한다. TA 실험에는 한국과 러시아도 참여하고 있다. 강 교수는 최근에는 은하단 충격파에서 가속되는 고에너지 양성자들에 의하여 방출할 것으로 기대되는 감마선이 왜 관측되지 않는가 하는 미스터리를 연구하고 있다고 했다.
   
   
   하늘에서 날아오는 초고에너지 우주선 검출
   
   강혜성 교수는 어려서 퀴리 부인 전기를 읽고 과학자가 되었다고 한다. 부모님은 공부 잘하는 딸에게 의대를 가라고 권했으나 마다했다. 1979년 서울대 천문학과에 진학했다. 그리고 천문학과 동기생인 류동수 교수와 1985년 결혼했고, 미국 오스틴의 텍사스대학교에서 1988년 박사학위를 받았다. 이후 박사후연구원으로 미국 미네소타주립대학(미니애폴리스)과 프린스턴대학에서 일했다. 1992년 부산대학교 연구원으로 귀국했고, 1995년까지 일했다. 그러나 자리가 나지 않아 다시 미국으로 건너가 시애틀의 워싱턴주립대학과 미네소타주립대학에서 연구했다. 부산대학교 교수가 된 건 1999년이다. 배우자인 류동수 교수는 충남대에서 일했기에 ‘주말부부’ 생활을 오래해야 했다. 그리고 2014년 류 교수가 울산과학기술원으로 옮기면서 가족은 한데 살게 되었다.
   
   강혜성 교수는 “한국에는 고에너지 천체물리 현상을 이론적으로 연구하는 사람은 상대적으로 소수이고, 대신 전통적으로 관측천문학자가 많다. 그래서 배우자이자 동료인 류동수 교수와 공동 연구를 많이 하게 되었다”라고 말했다. 강혜성 교수는 “특히 류 교수는 수학적 능력이 뛰어나서 대학생 때부터 지금까지 어려운 수학문제를 물어보면 무조건 풀어주거나 심지어 해를 구하는 컴퓨터 코드까지 만들어준다”라며 웃었다.

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