[늦은감있으나의미있는] 별과 우주에 관련된 노벨물리학상이야기
[늦은감있으나의미있는] 별과 우주에 관련된 노벨물리학상이야기
  • 박솔 기자
  • 승인 2019.11.13 14:28
  • 댓글 0
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이미 수많은 기사들이 여러분들께 알려드린 올해의 노벨 물리학상을 받은 과학자들과
별과 우주에 관련된 분야로 노벨 물리학상을 받았던 과학자들에 대해
이야기해보는 시간을 가져보려고 해요~

이미 늦은감이 팍팍 들지만.....!
그래도 총정리해본다 생각하는 마음으로
이야기를 시작해볼까요~?

출처 : https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2019/summary/

2019년 10월 8일 노벨 물리학상 대상자가 발표되었습니다.

우주배경복사의 발견과 암흑물질, 암흑에너지에 대한 초기 우주에 대한 예측과 움직임 등
우주론을 연구한 제임스 피블스(James Peebles),
태양계 이외에 우리 은하에 있는 또 다른 항성계에서 외계행성을 최초로 발견한
미셸 마이어(Michel Mayor)·디디에르 켈로즈(Didier Queloz)가 수상하였습니다.
 

실제 노벨 물리학상은 1901년 독일의 빌헬름 콘라트 뢰트겐X-선을 발견한 공로로 받았습니다.
이후 20세기 초에는 대부분의 수상 분야가 입자, 전자 핵을 다루는 기초 물리학 분야였죠.
또한 다양한 산업에서 활용되고 있는 물리 이론을 연구한 과학자들이 노벨상을 받기도 하였습니다.

예를 들자면 방사선에 대한 연구를 진행했던 마리 퀴리1903년에 노벨 물리학상을 받았죠.
어릴때 즐겨보던 위인전!의 대표적인 인물이기도 하죠!
(저는 만화책으로 된걸 주로 읽었 더랬...ㅋ)
(마리 퀴리는 라듐과 폴로늄의 발견으로 1911년에 노벨 화학상까지 받았습니다!)
이처럼 기초 물리와 관련있는 발견과 발명들에 대한 연구에 물리학상에 집중되었습니다.


천문학, 우주과학, 그리고 천체물리학과 같은 직접적인 주제로 노벨 물리학상을 처음 주게된 때는
첫 노벨 물리학상이 시상한 66년 뒤인 1967년이었습니다.

그 주인공은 바로 한스 알브레히트 베테(Hans Albrecht Bethe, 1906 ~ 2005, 미국), 원자핵 연구를 하면서 별 내부에서 원자들의 핵융합이 별빛과 별의 에너지원이 된다는 사실을 밝혀내 노벨 물리학상을 받게 되었습니다.
이 발견으로, 수소 가스 덩어리였던 별이 어떻게 에너지를 발생시키고, 수소보다 무거운 화학원소들이 어떻게 만들어졌는지에 대한 정보들을 제공하는 근간을 만들어주었습니다.

오른쪽 바닥에 앉아 서츠에 넥타이를 맨 분이 바로 한스 베테 박사님!

베테박사의 발견은  윌리엄 앨프리드 파울러(William Alfred Fowler, 1911 ~ 1995, 미국)1983년 노벨 물리학상을 받는데 큰 도움이 되었습니다.
파울러 박사는 마가렛 버비지, 죠프리 버비지, 프레드 호일과 함께 "항성에서의 원소의 생성"이라는 논문을 발표하였는데,  별의 진화과정에서 일어나는 핵반응으로부터  우주에 있는 다양한 원소들이 어떻게 형성이 되었는지설명하였습니다.

1970년에는 전기적 성질을 띄는 물질의 운동에 대한 이론인 자기 유체역학(Magneto hydrodynamics, MHD), 우주 공간에서 플라즈마가 자기작을 수반한다는 아이디어를 이용하여 오로라의 성질을 규명한 한네스 올로프 예스타 알벤(Hannes Olof Gosta Alfven, 1908 ~ 1995, 스웨덴)노벨 물리학상 수상자가 되었습니다.
노벨 물리학 연구소에서 물리학을 가르치던 알벤은 플라즈마 물리학자로 전향하였습니다. (플라즈마란, 고체, 액체, 기체가 아닌 새로운 상태의 물질인 플라즈마, 너무 뜨거워서 그 속의 원자들이 전자와 이온으로 쪼개져 존재하는 물질을 말해요!) 플라즈마의 성격을 띤 태양풍이 지구 자기장에 끌려 들어오면서 자기력선을 따라 반응을 하는데, 이때 극지방에서 나타나는 것이 오로라이죠. 이처럼 플라즈마의 움직임이 자기장에 따라 변하는 현상을 연구하였고, 이것을 '알벤 파동(Alfvén wave)'이라 부르기로 하였습니다. 플라즈마와 자기장 관계에 대한 발견은 초신성 폭발, 초거대 블랙홀의 제트 성질을 규명하는데에 활용되기도 하였습니다.

1974년에는 두 명의 과학자가 노벨 물리학상을 받았습니다. 우주에서 오는 전자기파 중에 파장이 긴 편에 속하는 전파신호를 받기에 적합한 전파 망원경 여러대를 이용한 구경 합성법 마틴 라일 (Sir Martin Ryle, 1918 ~ 1984, 영국)이 발명하였습니다.
먼 우주로부터 오는 미약한 전파신호를 검출하려면 매우 높은 민감도에 좋은 분해능을 가진 큰 전파 망원경이 필요합니다. 하지만 한 대의 전파망원경으로는 그러한 신호를 잡는 것에 한계가 있다는 것을 알게 되었고, 이를 보완하기 위해 라일 박사는 여러 대의 작은 안테나들의 신호를 조합하는 이론을 만들어내었습니다.
이것이 바로 구경 합성법입니다.  연결된 여러 대의 전파망원경들은 마치 하나의 큰 망원경과 같은 성능을 낼 수 있습니다.

M87의 거대 블랙홀 출처 : EHT Collaboration

2019 4, 전 세계를 떠들썩하게 했던 블랙홀 그림자 검출 소식 다들 들어보셨을 겁니다! M87이라는 블랙홀이 만들어낸 그림자를 사건의 지평선 망원경(EHT)으로 촬영하여 그 모습이 공개되었죠. 전 세계 200여 명의 과학자들이 만들어낸 결과로, 바로 EHT망원경이 라일이 발명한 구경 합성법을 이용한 방식의 전파망원경으로 이러한 결과를 얻어냈답니다!
구경합성법의 전파망원경은 한국에도 있습니다.
한국 우주 전파 관측망(Korean VLBI Network, KVN)입니다. 서울, 울산, 제주에 구경 21m의 세쌍둥이 전파망원경이 설치되어 있고, 이것은 약 500km 전파망원경과 같은 성능으로 사용되고 있습니다. 곧 강원도 평창에 한 대가 더 설치된다는 소식이 있었는데, 그러면 지금보다 좀 더 민감도가 좋은 관측망이 한국에도 생기겠네요!

앤터니 휴이시 (Antony Hewish, 1924 ~ , 영국)는 라일과 함께 구경합성법을 개발했을 뿐만 아니라 빠르고 규칙적으로 회전하는 중성자별인 펄서를 발견한 공로로, 1974년 라일과 함께 노벨 물리학상을 받았습니다. 하지만 실제 휴이시 박사와 함께 연구하던 그의 제자가 먼저 펄서를 발견하였다고 알려져 휴이시 박사의 노벨상 수상에 대한 논쟁이 있었지만, 이 내용을 발표한 논문의 명단에 휴이시 박사가 먼저 올라가 노벨상의 주인공으로 결정이 되었습니다.

 

1970년대에는 천체 물리학 분야에서 많은 노벨 물리학상이 주어졌습니다. 

 

그것에 기여를 했던 두 명의 과학자가 있는데, 1978년에 우주배경복사로 수상자가 된 아노 앨런 펜지어스(Arno Allan Penzias, 1933 ~, 미국)로버트 우드로 윌슨(Robert Woodrow Wilson, 1936 ~ , 미국)입니다. 두 과학자가 우주배경복사를 발견하게 된 계기는 이미 유명한 일화로 알려져 있죠!
위성과의 교신을 위해 세운 안테나에서 들리는 미세한 잡음이 사실은 우주로부터 오는 빅뱅의 잔해인 원시 복사였다는 것을요! 이미 로버트 디키(Robert Dicke)와 올해 물리학상 수상자인 제임스 피블스 박사는 우주가 빅뱅이라 부르는 대폭발에서 시작되었다면, 그 잔해가 우주에 남아 있고 검출될 것이라고 예견했었다고 합니다. 피블스 박사의 강연을 들은 펜지어스 동료 과학자가 이 내용을 펜지어스에게 전달했고, 펜지어스와 윌슨이 잡음이라 생각했던 그것이 바로 원시복사, 우주배경복사였음을 알게 되었죠.
이것에 대한 발견은 대폭발(Bigbang) 이론의 중요한 증거가 되었습니다.  

왼쪽- 존 크롬웰 매더, 오른쪽 - 조지 피츠제럴드 스무트 3세

존 크롬웰 매더(John Cromwell Mather, 1946 ~ , 미국)조지 피츠제럴드 스무트 3(George Fitzgerald Smoot III, 1945 ~ , 미국)은 팀을 만들어 관측 위성인 COBE(Cosmic Background Explorer)를 이용하여 우주배경복사의 형태가 불균일성을 띈다는 것을 발견하였고, 우주가 어떻게 형성되었는지를 이해하는데 큰 기여를 하여, COBE 관측팀을 대표하여 2006년에 노벨 물리학상을 받았습니다.

COBE의 관측으로부터 우주배경복사의 온도가 약 2.7K(켈빈)이라는 것을 확인하였고, 20016월에는 WMAP(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) 위성이 COBE를 뒤이어 우주배경복사를 더욱 정밀하게 측정하기 위해 올렸습니다. WMAPCOBE보다 약 360배 높은 해상도로 자세한 지도를 완성했고, 우주의 나이가 당시의 결과로 137억 년이라는 결과를 도출하였습니다. 또한, 우주를 구성하는 물질의 약 4%는 눈으로 볼 수 있는 물질이고, 나머지는 무엇인지 모르는 암흑에너지와 암흑물질로 채워져 있다는 것을 확인하였습니다. Planck 위성은 2009년부터 2013년까지 유럽우주국(ESA)에서 운영한 장비로서 COBE, WMAP에 이어 우주 배경 복사와 관련된 더욱 정밀한 결과들을 도출하였습니다. 대표적인 결과로서 우주의 나이는 138억 년이고, 우주 대폭발과 급팽창 가설을 포함하는 표준 우주론을 뒷받침하는 정밀한 관측 결과였습니다. 특히, 우주 배경 복사 지도는 100만분의 1K의 정밀도로 온도 분포를 보였습니다.

그 이후 2019년 올해의 노벨 물리학상 수상자로 선정된
필립 제임스 에드윈 피블스 (Phillip James Edwin Peebles, 1935 ~ , 미국)는 초기 우주론의 연구진으로, 이 분야에서 활동하는 가장 중요한 이론가이기도 합니다.

앞에서 언급한 것처럼 피블스 박사는 데이비드 윌킨스 박사와 디키 박사 등과 함께 우주배경복사의 존재를 예측했고, 이후 우주에 은하의 분포가 균일하게 분포되어 있지 않다는 것을 알게 되죠.
피블스 박사는 1980년대에 우주의 팽창, 은하의 회전 속도와 모양, 은하 간 멀어지는 등 여러 현상들이 암흑물질과 암흑에너지로 설명해 줄 수 있을 것이라고 생각했습니다. 우리가 일반적으로 관측할 수 있는 물질은 보통 물질(또는 정상물질)이라 하고, 암흑 물질은 빛이나 보통 물질과는 상호작용하지 않는 알려지지 않은 형태의 입자로 이루어졌을 것이라고 추측하고 있습니다. 암흑에너지 또한 정확히 무엇인지는 모르지만 오직 중력을 통해서만 존재를 알 수 있는 에너지의 형태입니다.
피블스 박사의 이러한 우주론적 접근이 현 이론 물리의 우주론을 성립하는데 많은 기초 정보로써 제공되어 수상자로 선정되었습니다.

천문학에서 가장 유명한 공식 중 하나가 찬드라세카르 한계일 것입니다. 1983년 파울러박사와 함께 노벨 물리학상을 받은    스브라마니안 찬드라세카르(Subrahmanyan Chandrasekhar, 1910 ~ 1995, 미국)는 백색왜성 중력 붕괴를 결정 짓는 한계질량을 증명하였고, 그것이 바로 찬드라세카르 한계입니다.

찬드라세카르박사는 별들의 질량에 따라 생의 마지막 모습이 다르게 나타나는데, 노년기의 별들이 중심에서 당기는 힘인 중력과 유체가 밀어내는 압력의 평형이 유지되기가 어려워질 때 나타나는 현상을 밝혀냈습니다.
태양이 진화단계를 모두 거치고 남은 질량의 1.44가 넘는 별들은 중력과 압력의 평형을 유지하지 못하고 중력 붕괴가 발생하게 되는데, 이때 중성자별 혹은 블랙홀로 진화하게 되고, 1.44배보다 작은 질량의 별들은 안정적으로 백색왜성의 형태를 유지할 수 있게 됩니다.

이후 별의 구조, 백색왜성, 블랙홀 등 다양한 분야에서 중요한 업적을 남겼고, 1999NASA에서 발사한 X-선 우주망원경에 그의 이름을 따서 찬드라 X-선 망원경이라 명명하기도 했습니다.
 
2년 전, 중력파가 실제로 존재하는 것을 실험으로 입증하여 노벨상을 받은 세 명의 과학자가 있습니다.
하지만 그 전에 1993년 중력파가 존재한다는 것을 간접적으로 증거를 제시하여 노벨상을 받은 두 과학자가 있었죠.

왼쪽 - 러셀 앨런 헐스, 오른쪽 - 조지프 후튼 테일러

바로, 러셀 앨런 헐스(Russel Alan Hulse, 1950 ~, 미국)조지프 후튼 테일러(Joseph Hooton Taylor, 1941 ~, 미국)입니다. 두 과학자는 펼서를 내고 있는 두 중성자별이 관측하고 있었습니다. 그런데 다른 펄서와는 다르게 일정한 주기를 가지고 있지 않았고, 두 중성자별이 같은 중력장 안에서 매우 빠르게 서로를 공전하고, 가까워지고 있다는 것을 보았습니다. 헐스와 테일러는 두 중성자별이 서로 가까워지고 있는 것은 중력파를 방출하고 있다는 것의 현상으로 아인슈타인이 예측한 것과 정확히 일치한다는 것을 밝혀내었습니다.

왼쪽부터 라이너 바이스, 킵 스티븐 손, 배리 클라크 배리시

이후 20159LIGO는 중력파를 처음으로 직접 관측했습니다. LOGO 관측팀을 대표하여 라이너 바이스 (Rainer ‘Rai’ Weiss, 1932 ~ , 미국), 킵 스티븐 손 (Kip Stephen Thorne, 1940~, 미국), 배리 클라크 배리시 (Barry Clark Barish, 1936~, 미국), 세 명의 과학자가 2017년 노벨 물리학상을 수여받았습니다. 특히 킵손은 영화 인터스텔라의 자문가로도 많이 알려진 과학자이죠!

LIGO - Virgo collaboration

LIGO가 중력파를 검출한 천체는 GW150914라는 명칭의 항성 질량 블랙홀 쌍성계입니다. 이들은 서로의 중력에 의해 공전궤도가 줄어들면서 충돌하고 병합하면서 중력파를 발생하였습니다. 이것은 1916년 알베르트 아인슈타인의 일반 상대성 이론의 예측을 검증하는 결과였습니다. GW150914의 관측은 블랙홀 쌍성 병합을 관측한 첫 사례였고, 항성 질량 블랙홀 쌍성계가 우주에 존재한다는 증거이며 이들의 병합이 최근에도 발생하고 있음을 보여주었을 뿐만 아니라 거대 블랙홀로의 확장의 가능성을 시사하였습니다.

1940년대 말, 태양에서 방출되는 X-선의 존재를 발견하고 관측한 리카르도 자코니(Riccardo Giacconi, 1931 ~ 2018, 미국)2002년에 노벨상을 받았습니다. 1962, 자코니 박사는 태양과 태양계 밖에서 오는 X-선을 확인하였고, X-선 망원경을 제작하여 우주 관측 실험을 진행했습니다. 이 때 관측한 것은 전갈자리에 있는 중성자별로, 이때 검출된 정보로 우주가 천천히 진화되는 것도 있지만 매우 빠르게 변화하는 천체들도 함께 공존한다는 것을 설명하였습니다. 또한 X-선을 이용하여 블랙홀을 간접적으로 관측할 수 있었기에 자코니 박사의 발견은 더욱 가치가 있었습니다.

왼쪽부터 브라이언 슈밋, 애덤 가이 리스, 솔 퍼머터

2011년에는 초신성 광측으로 우주 가속 팽창을 증명한 세 명의 과학자 솔 펄머터(Saul Perlmutter, 1959 ~ , 미국), 브라이언 슈밋(Brian Schmidt, 1967 ~, 호주), 애덤 가이 리스(Adam Guy Riess, 1969~, 미국)가 노벨 물리학상을 받았습니다.

왼쪽 - 미셸 귀스타브 에두아르 마요르, 오른쪽 - 디디에 쿠엘로

그리고 올해 짐 피블스 박사와 함께 미셸 귀스타브 에두아르 마요르(Michel G.E. Mayor, 1942 ~, 스위스)디디에 쿠엘로(Didier Queloz, 1966~ , 스위스)가 노벨 물리학상을 받았는데요, 이들은 1995년 페가수스자리에 있는 태양과 비슷한 별 주위를 도는 외계행성을 최초로 발견하여 공식적으로 인정을 받았는데, 이것을 공로로 수상자로 선정되었습니다.

이때 외계행성을 찾게 도와준 방식은 바로 도플러 효과를 응용하여 발견했다고 알려져 있습니다. 지금은 2649개의 외계행성을 찾은 외계행성 사냥꾼이라 불리는 케플러 망원경 뿐만 아니라 외계행성 탐색위성인 테스(TESS)가 명맥을 이어 발견해 나갈 것입니다. 이 외에도 여러 망원경들이 태양계 빡의 우주 세계를 탐색할 예정이라고 합니다.

도플러 효과를 이용한 외계행성 찾는 범출처 - 한국천문연구원

이처럼 수많은 노벨상의 주인공들의 이야기를 듣다보면 짧은 기간에 수상한 과학자들은 거의 없습니다. 이외에도 언급하지는 못했지만 노벨상을 받은 많은 과학자들을 지켜보면, 수십 년씩 자신만의 주제를 가지고 평생을 연구해오며 나온 연구의 산물이 세상에서 인정받고, 또한 동료, 또는 미래의 과학자들에게 큰 영향을 주었습니다.

아직까지 대한민국에서 과학 분야로 노벨상을 받지 못한 것은 기초 과학에 대한 투자가 부실하다는 추측이 가장 큽니다. 또한 정권이 바뀌면 특정 이슈에 쏠려 연구 사업이 자주 바뀌는 것도 바로 장기전이 필요한 연구 발전에 발목을 잡는 원인으로 꼽기도 합니다.

여전히 이 문제에 대한 대안으로 많은 학자들은 입을 모아 기초 연구 뿐만 아니라 꾸준한 지원과 연구 환경 조성, 일관된 정책을 기대하고 있습니다. 그 기대가 이루어진다면 대한민국에서도 언젠가 노벨상의 영광을 가겨갈 과학자가 나올 것이라 꿈꿔봅니다.


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