전파 관측으로 밝히는 환경과 은하 진화 사이의 비밀
전파 관측으로 밝히는 환경과 은하 진화 사이의 비밀
  • 김윤혜 기자
  • 승인 2018.07.31 14:00
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우주라는 시공과 이를 구성하는 다양한 천체들을 연구하는 천문학은 인류와 역사를 함께 해 온 가장 오래된 학문 중 하나다. 현대 천문학은 물리학 이론의 발전과 관측 기기의 발달에 힘입어 그 탐구의 대상과 반경이 확장되고 있다. 연세대학교 천문우주학과 정애리 교수는 천문학 중에서도 전파 관측을 이용한 은하의 진화에 중점을 둔 연구를 수행하고 있다.

 

연세대학교 천문우주학과 정애리 교수
연세대학교 천문우주학과 정애리 교수

 

주변 환경과 은하 진화방향 간 상관관계 밝힌다

은하는 수많은 별 뿐만 아니라 가스와 먼지, 그리고 암흑물질 등으로 구성되어 있는 거대한 중력계이자 우주 거대 구조를 이루는 기본 단위이다. 대부분의 은하는 수 십 개가 모여 은하그룹을 이루거나, 수 천 개가 함께 은하단으로 존재하기도 하며, 이러한 은하의 집단을 잇는 거대 구조의 필라멘트를 형성하기도 한다. 흥미롭게도 은하는 어떠한 환경에 위치했는가에 따라 상당히 다른 특성을 가지는 것으로 관측된다. 정애리 교수는 전파망원경을 활용해 다양한 환경에 있는 은하들의 특성을 관찰하고, 그 결과를 토대로 주변 환경과 은하 진화 간의 상관관계를 분석해왔다.

최근 그가 진행했던 처녀자리은하단 환경과 은하진화 연구는 이러한 그의 연구 주제의 연장선상에 놓여있다. 처녀자리은하단은 처녀자리 별자리 방향으로 약 5천만 광년 거리에 2000여개의 은하가 모여 있는 은하단이다. 정 교수는 이 은하단이 규모가 꽤 큰 은하단 중 우리로부터 거리가 가장 가까워 개별 은하에 대한 자세한 연구가 가능한 대상이라 설명했다. 해당 연구는 다양한 환경에 존재하는 은하의 형태와 특징을 파악, 주변 환경과 은하진화의 단계를 분석하는 방식으로 진행되었다. “은하는 위치에 따라 확연히 다른 특성을 지닙니다. 은하단의 중심에 위치한 은하는 몸집이 크고 둥글둥글하며, 은하단 바깥쪽에는 나선 팔을 갖고 있는 은하들이 많습니다. 별들의 색깔 또한 다르죠. 은하단 중심의 밀도가 높은 환경에 위치한 은하는 붉은색을 띠는 늙은 별이, 밀도가 낮은 은하단 외부에 있는 나선은하에는 파란색의 젊은 별들이 많죠. 이러한 환경에 따른 은하의 관측적인 특성에 대한 원인을 규명하는 것이 본 연구의 목표였습니다.”

 

 

은하 주변의 밀도에 따른 은하의 형태학적 특성. 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 은하단 중심과 같은 밀도가 높은 환경이며, 나선은하의 비율이 현저히 줄어드는 반면 둥근 형태의 타원은하의 비율이 증가하는 것을 볼 수 있다. 이는 은하의 환경과 진화가 밀접한 관계가 있음을 알려주는 지표이다. 정애리 교수는 전파 관측을 통해 환경이 은하의 특성에 영향을 주는 원인을 규명하는 연구를 수행하고 있다.
은하 주변의 밀도에 따른 은하의 형태학적 특성. 왼쪽에서 오른쪽으로 갈수록 은하단 중심과 같은 밀도가 높은 환경이며, 나선은하의 비율이 현저히 줄어드는 반면 둥근 형태의 타원은하의 비율이 증가하는 것을 볼 수 있다. 이는 은하의 환경과 진화가 밀접한 관계가 있음을 알려주는 지표이다. 정애리 교수는 전파 관측을 통해 환경이 은하의 특성에 영향을 주는 원인을 규명하는 연구를 수행하고 있다.

 

은하는 우주의 거대 규모가 형성되는 과정에서 다양한 밀도의 구조를 거치게 되는데, 많은 연구자들이 이 과정에서 은하가 겪을 수 있는 환경적인 기작에 대한 여러 가설을 제시해왔다. 그 중 주요하게 꼽히는 요인 중 하나는 은하의 주변 물질로 인해 은하가 보유한 성간물질에 발생하는 충차압(ram pressure)이다. 특히 은하단은 수 천 개의 은하 이외에도 은하와 은하 사이를 매우고 있는 높은 밀도의 가스가 존재하는데, 이 거대한 중력계 내에서 은하가 움직이는 과정에서 초속 수백에서 수 천 킬로미터의 속도로 은하단 가스를 통과하게 된다. 이때 은하단 가스와 은하 사이의 충차압때문에 은하 안에 존재하는 성간물질이 은하 밖으로 밀려날 수 있으며, 성간물질을 잃어버린 은하 내에서는 다음 세대의 별을 만들 수 있는 효율이 점차 감소하여 은하의 형태와 색 등의 특성이 변화하게 된다.

 

처녀자리 은하단에 위치한 나선은하로 검은색의 배경이 은하 내에 존재하는 별의 분포를 나타낸다. 정애리 교수 연구팀은 전파 관측을 통해 녹색으로 표시된 중성수소가스와 흰색 선으로 표시된 분자가스의 특성을 연구하여, 고밀도 환경에서 은하단 가스와의 충차압으로 인해 은하 안에 존재하는 성간가스가 밀려나는 현상을 연구하고 있다. 이를 아카이브에서 얻은 별 형성률이 지표가 되는 자외선(파란색)이나 수소방출선(붉은색) 자료와 비교하여 이러한 환경적인 기작이 은하의 진화에 미치는 영향을 규명하고 있다.
처녀자리 은하단에 위치한 나선은하로 검은색의 배경이 은하 내에 존재하는 별의 분포를 나타낸다. 정애리 교수 연구팀은 전파 관측을 통해 녹색으로 표시된 중성수소가스와 흰색 선으로 표시된 분자가스의 특성을 연구하여, 고밀도 환경에서 은하단 가스와의 충차압으로 인해 은하 안에 존재하는 성간가스가 밀려나는 현상을 연구하고 있다. 이를 아카이브에서 얻은 별 형성률이 지표가 되는 자외선(파란색)이나 수소방출선(붉은색) 자료와 비교하여 이러한 환경적인 기작이 은하의 진화에 미치는 영향을 규명하고 있다.

 

정 교수는 이러한 가설을 관측적으로 입증하기위해 전파망원경을 활용하여 다양한 환경에 있는 은하들의 가스 분포를 관측하고, 전파영상을 통해 은하단 가스의 충차압으로 성간물질을 잃어버리는 은하의 존재를 확인하였다. 특히 그는 다양한 선행 연구에서 한 발 나아가 은하로부터 제거되는 가스이외에도 은하 안쪽에 있는 밀도가 높은 분자형태의 성간가스에 대한 특성 연구도 진행하였다. 별 형성에 중요한 연료인 분자 가스의 특성에 대한 정 교수의 연구 결과는 환경적인 요인 중에서도 은하단 가스로의 충차압에 의한 은하 진화 효과와 결과에 대한 가장 직접적인 해석을 제시했다는 평가를 받고 있다.

 

한국 천문학계가 참여 중인 국제 대형 망원경 프로젝트. 왼쪽은 거대마젤란 광학 망원경으로 현재 건설중이며, 오른쪽은 알마 전파간섭계로 거의 완공되어 이미 운영 중에 있다. 현재 전세계적으로 뛰어난 성능의 망원경이 건설중이거나 계획 중에 있으며, 한국 천문학자들이 국제 학계에서 경쟁력있는 연구를 할 수 있는 발판을 마련하기 위해서는 앞으로 더 과감한 투자와 지원이 필요할 것이다.
한국 천문학계가 참여 중인 국제 대형 망원경 프로젝트. 왼쪽은 거대마젤란 광학 망원경으로 현재 건설중이며, 오른쪽은 알마 전파간섭계로 거의 완공되어 이미 운영 중에 있다. 현재 전세계적으로 뛰어난 성능의 망원경이 건설중이거나 계획 중에 있으며, 한국 천문학자들이 국제 학계에서 경쟁력있는 연구를 할 수 있는 발판을 마련하기 위해서는 앞으로 더 과감한 투자와 지원이 필요할 것이다.

 

별을 사랑한 소녀, 천문학에 몸을 담다

어린 시절부터 천문학의 매력에 빠져들었다는 정애리 교수는 밤하늘의 별을 바라볼 때면 우리는 어떻게 시작했고, 우주의 어디에서 왔으며, 어디에 위치하고 있는가, 등에 대한 질문들을 떠올리다가 현재에 이르렀다고 말한다. 고등학교 시절 지구과학반으로 활동하며 여러 천문대들을 찾기도 하고, 아마추어 천문학회에서 활동하며 인근 대학에서 관련 강의를 듣는 등 천문학에 매료된 학창시절을 보낸 그다. 천문학, 그 중에서도 은하에 대한 관심 역시 호기심에서 비롯되었다. 아름다운 은하의 영상 자료를 접한 후 개개의 은하가 특정 형태와 구성을 가지게 된 원인에 대한 관심을 갖게 되며 관련 연구를 이어온 것이다. 특히 모교에서 석사 학위 과정에서 시작된 전파 관측과의 인연은 전파 자료를 이용한 은하 진화 연구라는 그의 전반적인 연구 방향을 설정하는데 주요한 동기가 되었다고 한다.

한편 정 교수는 최근 활동성 은하핵과 은하 진화의 관계에 대한 연구도 시작했다. 대부분의 은하가 중심에 거대한 질량의 블랙홀을 가지는 것으로 알려져 있는데, 그 질량이 태양 질량의 수 억 배 이상인 경우에는 은하의 진화에도 영향을 줄 수 있는 다양한 고에너지 현상을 동반할 수 있다고 한다. 정 교수는 특히 활동성 은하핵 현상의 초기 형성 과정에 대한 이해를 목표로, 중심에 초거대질량 블랙홀을 보유하고 있는 은하 중심에서 관측되는 수 광 년 스케일, 즉 천문학 관점에서는 매우 작은 규모의 제트의 특성을 연구 중이다. 정 교수는 이 연구에 한국우주전파관측망(KVN)을 사용하고 있는데, 이는 연세대학교, 울산대학교, 그리고 제주도에 위치한 21미터 직경의 전파 안테나 3기로 구성되어 있는 초장기선 전파간섭계이다. 그의 활동성 은하핵에 대한 연구는 특히 우리나라의 천문 관측 기술력이 활용된 연구라는 점에서 더 의미 있다고 할 수 있다.

정 교수가 집중하고 있는 전파 관측을 이용한 은하 진화 연구는 국내에서는 흔치 않은 연구 분야이기도 하다. 그런 만큼 그는 다양한 학회 및 관측 제안서 위원회에 부름을 받아왔다. 교육자로서도 학생들을 만나고 있는 정 교수는 현재 다수의 석사, 박사 학위 과정에 있는 대학원생들의 논문을 지도하고 있다. 그는 학생들이 수동적으로 주어지는 과제나 임무를 수행하고 지도교수가 내는 성과의 일부가 되기보다는, 능동적인 자세로 관측 방법과 의견을 개진하고 지도교수와 함께 결과를 논의할 수 있도록 많은 시간과 노력을 투자하고 있다고 한다. 이는 그의 롤모델인 자신의 지도교수에게 훈련받은 방식이며, 자신의 제자들이 국제 학회에서 유수의 천문학자들과 경쟁하며 학문적 성과를 이룰 수 있는 실력을 갖추기를 바라는 그의 꿈이 반영된 것이기도 하다.

 

한국 천문학 발전 위한 보다 적극적 투자 이루어져야

정애리 교수에게 한국 천문학이 나아갈 방향에 대한 개인적인 의견을 묻자 칠레 이야기를 꺼냈다. 천문학자들에게 칠레는 우주 관측의 본거지로 인식되고 있다. 높은 일조량과 건조한 사막, 높은 지대가 많아 망원경을 세우기 위한 최적의 장소로 손꼽히는 까닭이다. 주요 외신들은 2020년까지 칠레가 세계 우주 관측 시장의 70%를 점유할 것이라 예측하기도 했다. 최상의 지리적 조건으로 인해 전 세계의 과학자들이 몰리며 칠레의 천문학이 발전하고 있는 것이다. 정애리 교수는 최근 칠레를 찾아 이곳의 천문학 발전 방식을 살폈다. 그는 국내에 좋은 연구자들이 많지만 관측 장비가 부족해 발달 속도가 더디다며, 우수한 관측 장비를 확보했지만 연구자가 부족한 칠레가 어떤 식으로 과학자들을 확보해 가는지 살피고자 했다고 한다. 이를 통해 우리나라 천문학의 발전 방향을 모색한다는 계획과 함께였다.

천문학 연구에 있어 장비는 매우 중요한 비중을 차지합니다. 좋은 망원경을 보유할수록 그 나라의 학문 수준은 높아질 수밖에 없죠. 우리나라는 아직 천문학 연구에 대한 관심과 투자가 높지 않아 안타깝기도 합니다.”정 교수는 인류의 기원에 대해 가장 과학적으로 답할 수 있는 학문이 바로 천문학이라며, 이제는 천문학에 보다 적극적으로 투자해야 할 때임을 피력했다. 어떤 장비를 확보했는가에 따라 연구 할 수 있는 분야가 넓어지는 것은 물론 그 수준 역시 높아지는 까닭이다. 우리나라가 확보한 가장 큰 광학망원경의 직경이 2미터가 채 안 되는 반면 이웃나라인 일본은 8미터 규모의 광학망원경을 확보하고 있을 정도로 차이가 크다.

다행히 2000년대 중반부터는 세계적인 천문학 강국들과의 차이를 극복하기 위한 국내 학회의 움직임이 시작되었다. 한국 정부의 지원으로 미국, 호주, 브라질, 칠레 등 10여 개의 글로벌 파트너 기관이 참여한 광학망원경 거대마젤란망원경(GMT)' 건설에 참여하게 된 것이다. 칠레 북부 아타카마 사막의 라스 캄파나스산 정상에 들어설 거대마젤란망원경은 오는 2021년 첫 관측을 시작한 뒤 2024년부터 본격적인 관측연구에 활용될 전망이다. GMT는 허블우주망원경과 비교하여 100배의 집광력과 10배의 분해능을 지닌 망원경으로 역사상 가장 먼 우주를 관찰함으로써 우주탄생의 비밀을 밝힐 초기 우주에 대한 연구를 가능케 할 것이라 기대를 모은다. 또한 최근에는 한국 천문학계가 매우 강력한 전파간섭계인 ALMA에도 참여를 시작했다. ALMA2011년 운영을 시작하자마자 세계 천문학계의 판도를 바꿀 만큼 매 해 놀라운 자료를 내놓고 있는데, 몇 해 전부터는 국내 학계도 정식으로 참여할 수 있게 되어 천문학 강국들과 견줄 수 있는 기회에 한 발 더 다가서게 되었다.

정 교수는 국제 공동연구도 적극적으로 활용할 필요가 있다고 한다. 천문학 기기들이 날로 거대해지고 최첨단의 기술을 필요로 하게 됨에 따라 단일 국가가 예산과 운영을 책임질 수 있는 한계를 넘어서게 된 것이다. 우리나라와 일본, 중국, 대만이 공동으로 창설한 동아시아 천문대(EAO)는 아직은 초기 단계에 머무르고 있지만 여러 나라가 힘을 모은다면 북미나 유럽과 같은 전통 과학 강국과 경쟁할 수 있는 큰 시너지를 낼 수 있을 것이라는 확신을 덧붙였다.

 

학문산업 발전의 근간 된 천문학, 더 많은 관심 필요

어린 시절부터 천문학자를 꿈꿔온 정애리 교수는 그만큼 천문학에 대한 깊은 애정을 갖고 있었다. 그래서 그는 더욱 천문학이 비실용적인 학문이라는 일부 비판에 대한 고민이 컸다고 한다. 우리의 기원에 대한 인류의 궁극적인 호기심에 대한 과학적 답변을 찾는 그 이상으로 천문학의 필요성에 대해 역설할 수 있을까? 그는 이 장면에서 학부 시절 선배의 권유로 접한 미국 과학 재단(NSF)에서 편찬한 국가 자산으로써의 천문학이라는 보고서를 언급했다. “천문학은 다음 세대와 비전공의 기성 세대에게도 과학에 대한 흥미를 일으키는 훌륭한 문화와 교육의 콘텐츠입니다. 또한 평면적인 자료를 토대로 삼차원적인 구조를 구축해야한다는 면에서 의학과 많은 공통점이 있습니다. 실제 병원에서 활용되는 CTMRI 촬영에 천문학에서 사용되는 기술이 응용되었다는 것은 잘 알려진 얘기입니다. 또한 우주에서 오는 희미한 빛에 의존하는 학문이다보니 다양한 파장의 전자기파를 다루는 기술이 매우 잘 발달하였고, 이러한 지식은 국방 기술이나 고급 광학 기술이 필요한 다른 과학 분야에서도 매우 유용하게 쓰이고 있습니다.”

그는 비전공자들도 이렇게 천문학이 사회에서 중요한 역할을 수행해왔음을 알아주었으면 한다는 바람을 전했다. 또한 틈틈이 비전공자를 위한 외부강연이나 원고도 기고하고 있다. 그는 이러한 활동을 통해 천문학에 대한 전반적인 소개와 더불어 그의 주 연구 분야인 전파 파장을 이용한 은하 진화 연구의 중요성을 알리고자하는 희망을 내비쳤다. 이와 함께 앞으로 개발될 수많은 천문학 관측 장비들과 함께 보다 다양한 거리와 환경에 위치한 은하를 공부하고 싶다는 연구자로서의 비전을 품고 있는 그다. 어린 시절 꿈을 좇아 현재도 즐겁게 연구에 임하고 있는 그의 모습은 그가 내놓을 학문적 성과들을 기대하게 한다.


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