번개 – 포커스온경제 통합 검색

전체기사보기
2025-08-15 (금)

검색

[기후의 역습(159)] 번개로 인한 고사목, 연간 3억 그루⋯탄소배출, 연간 10억 톤 달해

연간 3억 그루 이상의 나무가 번개에 맞아 쓰러지면서, 엄청난 양의 이산화탄소를 배출하는 나타났다. 지구 온난화로 번개 발생 빈도가 높아지는 가운데, 번개가 전 세계 산림 생태계에 미치는 영향이 기존 예상보다 훨씬 크다는 연구 결과가 나왔다. 독일 뮌헨공대(Technical University of Munich·TUM) 연구진은 세계 최초로 번개로 인한 나무의 직접적 피해를 정량적으로 분석해, 연간 약 3억 2000만 그루의 나무가 번개로 인해 고사목이 된다고 밝혔다고 과학 기술전문매체 사이언스얼럿이 전했다. 이번 연구는 국제학술지 「글로벌 체인지 바이올로지(Global Change Biology)」에 최근 게재됐다. 번개 발생과 지구 온난화 사이에는 명확한 연관성이 있다. 지구 온난화는 단순히 온도 상승에 그치지 않는다. 대기의 역학 자체를 변화시켜, 뇌우와 낙뢰 같은 극단적 기상 현상의 빈도와 강도를 증가시키는 주요 촉진 요인이다. 기후 과학자들은 온실가스로 인한 지구 온난화가 대기 불안정성을 증가시키며, 이로 인해 번개 발생 빈도와 강도가 높아질 수 있다고 보고 있다. 또한 번개는 주요 자연발화 원인 중 하나이며, 고온의 건조한 기후와 겹칠 경우 대형 산불의 직접 원인이 될 수 있다. 번개에 의한 고사목, 연간 탄소배출량 10억톤 이상 TUM 연구에 따르면, 번개에 의해 죽은 나무는 전 세계 식물 바이오매스(생물량) 연간 손실의 최대 2.9%를 차지하며, 이를 통해 연간 최대 10억 9000만 톤의 이산화탄소가 대기로 방출되는 것으로 추정됐다. 특히 이 수치는 번개로 인한 직접적인 피해만을 다룬 것으로, 산불 등 2차 피해는 포함되지 않았다. 참고로 서울시 기후변화 대응 계획에 따르면 서울시의 탄소배출량은 연간 4000만~4500만톤에 달한다. 10억톤의 CO₂는 서울의 1년 탄소 배출량의 약 25배에 해당한다. 또한 대한민국 전체 연간 온실가스 배출량은 약 6억~7억톤 수준으로 10억톤의 CO₂ 배출량은 우리나라 전체의 탄소 배출량의 약1.5배에 달하는 수준이다. 열대 우림서 수집한 데이터, 전 지구 모델로 확장 연구팀은 파나마 바라콜로라도섬(Barro Colorado Island, BCI)의 원시 열대림에서 촬영된 카메라 기반 번개 관측 자료를 활용했다. 이 데이터를 기반으로 드론과 현장 조사로 낙뢰 피해 나무를 확인하고, 이를 통해 평균 한 번의 번개가 3.5그루의 나무를 죽인다는 사실을 도출했다. 특히 '플래시오버(flashover)'라 불리는 현상이 확인됐다. 이는 낙뢰 전류가 나무의 수관 간 공기층을 타고 최대 45미터 떨어진 나무까지 전파되며 피해를 확산시키는 현상이다. 이후 연구진은 이를 검증된 수학 모델에 적용한 뒤, 위성 기반 광학망과 지상 관측 자료로 구성된 두 개의 방대한 낙뢰 빈도 데이터를 결합해 전 지구적 시뮬레이션을 수행했다. 그 결과, 2004년부터 2023년까지 연평균 2억 8600만3억 2800만 건의 낙뢰가 지구 표면을 강타했고, 이로 인해 연간 3억 100만3억 4,000만 그루의 나무가 사망한 것으로 나타났다. 이 중 지름 60cm 이상의 대형 수목은 2400만~3600만 그루에 달했다. 전체 고사 비중 0.7%지만, 대형수목 피해는 6.3% 연구에 따르면 자연적인 원인으로 죽은 나무는 연간 500억 그루에 달한다. 번개는 전체 죽은 나무의 0.69%만을 차지하지만, 대형 죽은 나무에서는 최대 6.3%를 차지해 생태계 구조에 상당한 영향을 미칠 수 있다고 연구진은 설명했다. 또한 번개 피해는 주로 열대 지역에 집중되어 있으나, 향후 중위도 및 고위도 지역에서 낙뢰 빈도가 증가함에 따라 온대 및 냉대림에서도 관련 피해가 더욱 확대될 가능성이 제기됐다. TUM 기후·지표면 상호작용 연구소의 안드레아스 크라우제(Andreas Krause) 박사는 "기후모델은 향후 온대림에서 번개에 의한 수목 사망이 더욱 중요해질 수 있음을 시사한다"고 밝혔다. 기후모델, 탄소 시뮬레이션에 낙뢰 반영 필요성 제기 이번 연구는 산림 구조 및 탄소 저장량을 예측하는 기존 기후모델에서 번개로 인한 수목 사망이 과소평가돼 있거나 아예 누락돼 있다는 점을 지적하며, 앞으로의 산림 탄소 계산 및 환경 예측 모델에 낙뢰 요인을 포함해야 한다는 필요성을 제기했다. TUM 연구진은 "죽은 나무의 정확한 사망 원인을 식별하기 어렵고, 기존 조사도 국지적·일회성에 머무르는 경우가 많아 통계적 추정이 불가능했다"며, 이번 연구는 그 공백을 메우는 첫 정량 분석이라고 평가했다. 지금까지는 산림 파괴의 주요 원인이 벌목이나 산불, 병충해로 여겨졌지만, 이 연구는 '하늘에서 내리꽂히는 번개' 또한 결코 무시할 수 없는 전 지구적 변수임을 보여주고 있다.
- ESGC
2025-08-06 10:37:00
[우주의 속삭임(107)] 히말라야 상공에 펼쳐진 붉은 섬광, '레드 스프라이트'의 신비 풀리다

히말라야 산맥 위에서 펼쳐지는 희귀한 붉은색 번개, '레드 스프라이트(Red Sprite·붉은 요정)' 현상이 포착되어 학계의 비상한 관심을 모으고 있다. 이는 허구도 아니고, 단순한 애니메이션 캐릭터도 아닌, 뇌우 위 고층 대기에서 발생하는 실제 전기 방전 현상이다. 레드 스프라이트는 중간권에서 일어나는 전기적 현상이다. 50~90km의 고도에서 발생하는 붉은색-주황색 빛의 섬광으로 40km에 달하는 매우 큰 규모이지만 1밀리초 정도만 번쩍이기 때문에 포착하기가 매우 힘들다. 2022년 5월 19일 밤, 중국 천체사진작가 안젤 안(Angel An)과 둥 수창(Shuchang Dong)은 티베트 고원 남부 푸모용초(Pumoyongcuo) 호수 인근에서 100개가 넘는 레드 스프라이트의 장관을 카메라에 담았다. 이들은 해파리를 닮은 선명한 붉은 섬광뿐 아니라, '댄싱 스프라이트', 희귀한 2차 제트, 그리고 아시아 최초로 밤하늘 전리층 하부에서 녹색 대기광(green airglow·일명 '고스트 스프라이트')까지 포착하는 데 성공했다. 이 놀라운 사건은 전 세계 주요 언론의 주목을 받았다. 중국과학기술대학교 가오펑 루(Gaopeng Lu) 교수 연구팀은 최근 학술지 '대기과학 발전(Advances in Atmospheric Sciences)'에 발표한 논문을 통해 이 거대한 '스프라이트 불꽃놀이'의 원동력이 번개와 뇌우임을 밝혀냈다고 어스닷컴과 웹사이트 PHYS.org, IFL과학 등 다수 외신이 보도했다. 루 교수는 "이번 관측은 실로 경이로운 사건"이라며, "모(母)번개 방전을 분석한 결과, 거대한 규모의 대류 시스템(Mesoscale Convective System) 내에서 발생한 높은 첨두 전류의 양(+)극성 낙뢰가 스프라이트를 유발했음을 확인했다"고 설명했다. 이는 히말라야 지역의 뇌우가 지상에서 가장 복잡하고 강력한 상층 대기 전기 방전을 일으킬 수 있음을 시사한다. 연구팀은 상세 분석을 위한 정확한 시간 정보가 부족한 상황에서, 인공위성 궤적과 별자리 분석을 이용해 각 스프라이트가 나타난 시간을 정확히 파악했다. 이 기술은 미래의 레드 스프라이트 현상을 연구하는 방식에 영향을 미칠 수 있다. 데이터가 정확할수록 폭풍이 몰아치는 동안 상공에서 일어나는 일을 더 많이 알아낼 수 있다. 연구 결과, 모번개방전은 갠지스 평원에서 티베트 고원 남쪽 산기슭까지 뻗어 있는 대류 복합체의 층상 강수 지역내에서 발생했다. 이번 관측은 남아시아에서 단일 뇌우 동안 발생한 레드 스프라이트중 가장 많은 수를 기록했으며, 이는 이 지역의 뇌우가 미국 대평원 및 유럽 연안 폭풍과 유사한 상층 대기 방전 능력을 갖추고 있음을 보여준다. 나아가 이번 연구는 이러한 폭풍이 더욱 복잡한 방전 구조를 생성해 물리적, 화학적 영향이 큰 대기 결합 과정에 영향을 미칠 수 있음을 시사한다. ◇ 참고 문헌: Hailiang Huang et al., Massive Outbreak of Red Sprites in South Asia Observed from the Tibetan Plateau, Advances in Atmospheric Sciences (2025). DOI: 10.1007/s00376-024-4143-5
- 포커스온
2025-03-24 17:21:00
[퓨처 Eyes(58)] 인듐 셀레나이드, 초저에너지 시대 연다

스마트폰 배터리를 하루 종일 써도 용량이 남는 시대가 올까? 꿈만 같은 이야기가 현실로 다가오고 있다. 인도과학연구소(IISc), 미국 펜실베이니아대학교 공과대학, 매사추세츠공과대학(MIT)의 공동 연구팀이 쏘아 올린 '인듐 셀레나이드(In2Se3)'라는 혁신의 씨앗 덕분이다. 이 소재는 마법처럼 전기적 충격만으로도 기존 메모리보다 10억배나 작은 에너지로 데이터를 저장한다. 미래 메모리 저장 장치의 판도를 뒤흔들 게임 체인저가 등장한 것이다. 기존 메모리, 에너지 소비량 높아⋯인듐 셀레나이드는 '깃털'처럼 가볍다 지금까지 메모리 저장 장치의 주역은 위상변화 메모리(PCM)였다. CD, DVD, 블루레이 등에 널리 쓰이는 이 기술은 특정 물질을 800℃ 이상의 고온으로 녹였다가 급속 냉각하는 방식으로 데이터를 저장했다. 이 과정에서 막대한 전력을 소비하는 게 단점이다. "PCM이 널리 쓰이지 못하는 가장 큰 이유 중 하나는 높은 에너지 소비 때문이다" 펜실베이니아 공과대학의 재료 과학 및 공학(MSE) 분야의 스리니바사 라마누잔 석좌교수 리테시 아가왈의 말처럼 에너지 효율은 메모리 기술의 아킬레스 건이었다. 하지만 인듐 셀레나이드는 이러한 문제에 명쾌한 해답을 제시한다. 전기 충격만으로, 아주 작은 에너지로 데이터를 저장하는 혁신적인 기술이라 메모리 시장의 패러다임을 바꿀 잠재력이 있다. 전류 한 방에 '유리 상태'로 변신!⋯2D 층상 구조가 빚어낸 마법 연구팀은 인듐 셀레나이드 나노선에 전류를 흘려보내는 실험을 진행했다. 그런데 놀랍게도, 전류를 통과시키자 결정 구조가 순식간에 유리 상태로 변했다고 한다. 논문 제1저자인 펜실베이니아 공과대학의 전 박사과정 학생인 가우라브 모디는 "처음에는 소재가 손상된 줄 알았다"며 당시의 놀라움을 감추지 못했다. 일반적으로 아몰화(결정 구조가 무질서한 비결정질 상태로 변하는 현상)를 유도하려면 강력한 전기 펄스를 가해야 한다. 하지만 인듐 셀레나이드는 연속적인 전류만으로 유리 상태로 변한다. 신기하지 않은가? 이 현상의 비밀은 인듐 셀레나이드의 독특한 구조에 숨겨져 있다. 2D 층상 구조, 강유전체성, 압전성, 이 세 가지 요소가 절묘한 조화를 이루며 혁신을 가능하게 했다. 2D 층상 구조 덕분에 전류가 층 사이를 통과하면, 층들이 서로 미끄러지며 특정 쌍극자 모멘트를 가진 도메인을 형성한다. 이 도메인 사이의 결함이 충돌하면서 결정 구조가 붕괴되고, 마침내 유리 상태로 변한다. 아가왈 석좌교수는 IISc의 나노 과학 및 공학 센터(CeNSE)의 파반 누칼라(Pavan NuKALA) 조교수와 박사과정 학생인 숩함 파라테(Shubham Parate)와 협력해 전자 현미경으로 이 과정을 원자 단위에서 마이크로미터 길이까지 면밀히 추적했다. '도메인 경계 충돌'로 에너지 절감⋯스마트 기기 배터리 혁명 이끈다 연구팀은 연속 전류가 재료의 2D 층과 평행하게 흐르면 층이 서로 다른 방향으로 미끄러진다는 것을 발견했다. 파반 누칼라 교수는 이 과정을 도메인 경계가 전기장에 의해 움직이며 서로 충돌하는 현상으로 설명했다. 이는 연쇄 반응을 일으켜 결국 전체 물질을 유리 상태로 바꿔 놓는다. 놀랍게도 이 과정에서 소비되는 에너지는 극히 적다. 연구팀의 파라테 박사과정 학생은 "전자 현미경으로 다양한 길이 척도에서 이 모든 요소들이 함께 살아나 작용하는 놀라운 현상을 관찰했다"고 말했다. 이 기술은 스마트폰, 컴퓨터 등 다양한 전자 기기에 적용되어 에너지 효율을 극대화할 수 있다. 저전력 메모리 기술은 기기 사용 시간을 획기적으로 늘리고 전력 소모를 줄여, 배터리 걱정 없는 세상을 열어줄 것으로 기대된다. 인듐 셀레나이드, 미래를 향한 '퀀텀 점프'⋯에너지 절감, 그 이상의 가치를 향해 인듐 셀레나이드의 저에너지 아몰화 기술은 에너지 절감에 크게 기여할 것으로 기대된다. 데이터 저장 효율을 극대화하여 스마트 기기 사용 경험을 혁신적으로 개선할 것이다. 인듐 셀레나이드가 이끌어갈 미래는 더욱 빠르고, 가볍고, 오래가는 스마트 기기로 가득할 것으로 기대된다. 하지만 상용화까지는 몇 가지 과제가 남아 있다. 예를 들어 아몰화된 인듐 셀레나이드의 안정성을 높이고, 데이터 저장 용량을 늘리는 연구가 필요하다. 또한 기존의 메모리 생산 공정에 적용할 수 있는 기술 개발도 중요하다. 연구팀은 이러한 과제들을 해결하기 위해 후속 연구를 진행하고 있으며, 인듐 셀레나이드 기반 메모리 기술이 가까운 미래에 상용화될 수 있을 것으로 전망했다. 이 혁신의 물결은 이제 막 시작됐다. 이번 논문은 지난 11월 6일 학술지 네이처에 게재됐다.
- 포커스온
2024-11-14 13:03:00
인간 꼬리 사라진 이유, DNA 돌연변이 밝혀졌다!

과학자들이 인간의 꼬리 손실과 일종의 선천적 결함 사이의 잠재적인 유전적 연관성을 발견했다. 지난 2월 28일 '네이처(Nature)' 저널에 발표된 새로운 연구에서 미국 뉴욕대 연구팀은 우리 조상들의 꼬리를 잃게 만든 독특한 DNA 돌연변이를 확인했다. 이 돌연변이는 꼬리 달린 동물의 꼬리 길이에 관여하는 것으로 알려진 TBXT 유전자에 위치한다. 새로운 연구 결과에 따르면 인간과 유인원의 조상은 약 2500만 년 전에 발생한 유전적 돌연변이로 인해 꼬리를 잃었을 가능성이 있다. 이 돌연변이는 TBXT 유전자 내에 발생했으며, 이 유전자는 꼬리 달린 동물의 꼬리 길이에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 과학전문 매체 라이브사이언스에 따르면 연구팀은 꼬리뼈 부상을 당한 후 꼬리의 기원에 관심을 갖게 된 연구 책임 저자인 보 샤(Bo Xia) 박사가 이끄는 연구팀이 TBXT 유전자를 조사했다. 연구팀은 꼬리 없는 원숭이와 꼬리 있는 유인원을 비교하여 유전자 차이를 분석했다. 또한 쥐에게 인간과 유사한 돌연변이를 유도하여 꼬리 상실 현상과의 연관성을 실험적으로 검증했다. 이번 발견은 뉴욕대학교 대학원생이었으며 현재 브로드 연구소의 수석 연구원으로 재직 중인 제1 연구 저자 보 샤가 꼬리뼈를 다친 후 이 구조의 기원에 관심을 갖게 되면서 시작됐다. 뉴욕대 랭곤 헬스(NYU Langone Health)의 응용 생물정보학 연구소의 과학 책임자이자 이 연구의 선임 저자 이타이 야나이는 "보 샤는 적어도 수천 명의 사람들이 이전에 보았을 법한 것을 보았다. 하지만 그는 다른 것을 보았기 때문에 정말 천재다"라고 말했다. 꼬리의 유전학 인간과 많은 영장류 사이의 가장 분명한 차이점 중 하나는 꼬리가 없다는 것이다. 꼬리가 사라진 것은 약 2500만년 전이다. 침팬지와 우리의 공통 조상을 비교하자면 약 600만년 전이다. 우리는 꼬리를 가진 이 조상의 진화적 흔적으로 미골(꼬리뼈)을 아직도 갖고 있다. 꼬리 손실은 우리 유인원 조상에게서 더 직립한 등의 진화와 동시에 발생했으며, 결과적으로 몸을 지탱하기 위해 네 다리 중 두 개만 사용하는 경향이 있었다. 이러한 진화적 변화가 왜 결합되어 있는지 추측할 수는 있지만, 꼬리 손실이 어떻게 진화했는지(왜가 아니라) 근본적인 유전적 변화가 무엇인지에 대한 문제는 다루지 않았다. 최근 연구에서는 흥미로운 유전 메커니즘을 확인했다. 많은 유전자가 결합하여 포유류의 꼬리 발달을 가능하게 한다. 연구팀은 꼬리가 없는 영장류의 꼬리 결정 유전자인 TBXT에 '점핑 유전자'(jumping gene, 게놈의 새로운 영역으로 이동할 수 있는 DNA 서열)가 하나 더 있다는 사실을 확인했다. 점핑 유전자와 '암흑 물질' 연구팀은 또한 동일한 영장류가 TBXT 유전자 내에 내장된 DNA에서 약간 떨어진 곳에 더 오래되었지만 유사한 점핑 유전자를 가지고 있음을 확인했다. 3일(현지시간) 과학, 기술, 의학 분야의 뉴스를 다루는 영어 웹사이트 Phys.org에 따르면 우리 DNA의 훨씬 더 많은 부분이 단백질을 지정하는 서열(유전자의 고전적 기능)보다 그러한 점핑 유전자의 잔해이므로 점핑 유전자를 얻는 것은 특별한 것이 아니다. 수백만 년에 걸쳐 DNA의 변화는 동물의 진화를 가능하게 한다. 일부 변화는 DNA의 뒤틀린 사다리에서 단 하나의 사다리만 포함하지만 다른 변화는 더 복잡하다. 라이브 사이언스에 따르면 소위 알루 요소(Alu elements)라고 하는 반복적인 DNA 서열은 DNA의 분자 사촌인 RNA 비트를 생성하여 다시 DNA로 변환한 다음 게놈에 무작위로 삽입할 수 있다. 이러한 '전치 가능한 요소' 또는 점핑 유전자는 삽입 시 유전자의 기능을 방해하거나 강화할 수 있다. 이러한 특정 유형의 점핑 유전자는 영장류에만 존재하며 수백만 년 동안 유전적 다양성을 주도해 왔다. 연구팀은 유인원에는 존재하지만 원숭이에는 없는 두 개의 알루 요소를 TBXT 유전자에서 발견했다. 이 요소는 단백질을 코딩하는 유전자 부분인 엑손(exon)이 아니라 인트론(intron)에 있다. 인트론은 엑손 옆에 있는 DNA 서열로, 과거에는 아무런 기능이 없는 것으로 여겨져 게놈의 '암흑 물질'로 불려왔다. 인트론은 RNA 분자가 단백질로 전환되기 전에 서열에서 제거되거나 '스플라이스(spliced)'된다. 그러나 이 경우 세포가 TBXT 유전자를 사용하여 RNA를 생성할 때, Alu 서열의 반복적인 특성으로 인해 서로 결합하게 된다. 이 복잡한 구조는 여전히 더 큰 RNA 분자에서 잘려나가지만 전체 엑손을 가져가므로 결과 단백질의 최종 코드와 구조가 변경된다. NYU 랭곤 헬스 시스템 유전학 연구소의 소장이자 이 연구의 선임 저자인 제프 보케(Jef Boeke)는 "우리는 꼬리 길이나 형태와 관련된 다른 유전자에 대한 다른 많은 분석을 수행했다. 물론 차이점은 있지만, 이것은 마치 번개와도 같았다"라고 말했다. 보케는 라이브사이언스에 "그리고 그것은 모든 유인원에서 100% 보존되고 모든 원숭이에서 100% 없는 비코딩 DNA[인트론]였다"고 말했다. 연구팀은 인간 세포에서 동일한 알루 서열이 TBXT 유전자에 나타나고 동일한 엑손이 제거되는 것을 확인했다. 또한 관련 RNA 분자를 다양한 방식으로 절단하여 동일한 유전자에서 여러 단백질을 생성 할 수 있음을 발견했다. 연구팀은 이에 비해 생쥐는 한 가지 버전의 단백질만 만들기 때문에 두 가지 버전이 모두 있으면 꼬리가 형성되는 것을 방지하는 것으로 보인다고 지적했다. 동일한 유전자에서 서로 다른 단백질을 만드는 이러한 방식을 '대체 스플라이싱(alternative splicing)'이라고 하며, 이는 인간의 생리가 매우 복잡한 이유 중 하나다. 그러나 알루 요소가 대체 스플라이싱을 유발하는 것으로 밝혀진 것은 이번이 처음이다. 연구에 참여하지 않은 로스앤젤레스 캘리포니아 대학교의 생태 및 진화 생물학, 인간 유전학 교수인 커크 로뮐러(Kirk Lohmueller)는 "이와 같은 돌연변이는 종종 진화에서 제한적인 결과를 초래하는 것으로 여겨져 왔다. 이번 연구에서 저자들은 이러한 돌연변이가 우리 종에 지대한 영향을 미쳤다는 것을 보여준다"라고 말했다. 이족 보행과 선천적 결함 연구팀은 동일한 점핑 유전자를 쥐에 삽입하는 실험을 통해 쥐가 꼬리를 잃는다는 사실을 발견했다. 특히 진화 생물학자들은 꼬리가 없어진 덕분에 인간이 이족보행을 할 수 있었다는 가설을 세우고 있다. 야나이는 라이브 사이언스와의 인터뷰에서 "우리는 어떻게 이런 일이 일어났는지에 대한 그럴듯한 시나리오를 구성한 유일한 논문이다"라고 말했다. 그는 "우리는 이제 두 발로 걷고 있다. 그리고 우리는 큰 두뇌와 기술을 진화시켰다"라고 말했다. 야나이는 "이 모든 것은 유전자의 인트론으로 뛰어든 이기적인 요소에서 비롯된 것이다. 정말 놀랍다"라고 덧붙였다. 하지만 연구팀은 또 다른 이상한 점을 발견했다. 이 부분을 제외한 TBXT 유전자의 형태만 가진 쥐를 만들면 인간의 척추 이분증(척추와 척수가 자궁에서 제대로 발달하지 못해 척추에 틈이 생기는 질환)과 매우 유사한 질환이 발생할 수 있다. 이전에는 인간 TBXT의 돌연변이가 이 질환과 관련이 있는 것으로 밝혀졌다. 다른 생쥐는 척추와 척수에 또다른 결함이 있었다. 특히 연구진은 꼬리를 잃은 생쥐에서 척수와 뇌를 생성하는 배아 구조인 신경관에 영향을 미치는 선천성 결함인 척추 이분증 유병률이 더 높다는 사실을 발견했다. 미국 질병통제예방센터에 따르면 이 질환은 출생아 1000명 중 약 1명에 영향을 미친다. 연구진은 꼬리가 없는 것이 큰 이점이므로 척추 이분증의 발병률이 증가하더라도 그만한 가치가 있다고 제안했다. 이는 많은 유전 및 발달 질환의 경우와 마찬가지로, 균형상 우리에게 도움이 되는 일부 돌연변이의 부산물일 수 있다. 예를 들어, 최근 연구에 따르면 폐렴과 싸우는 데 도움이 되는 유전적 변이가 크론병에 걸리기 쉽다는 사실이 밝혀졌다. 보케는 "TBXT 결핍은 일종의 의도하지 않은 결과일 수 있지만, 신경관에 구멍이 남는다는 의미에서 완전한 신경 폐쇄를 얻지 못할 가능성이 더 높다"라고 말했다. 이타이 야나이는 "아무도 우리의 호기심에 따라 같은 돌연변이를 넣어 쥐의 꼬리를 잃게 만들 것이라고는 생각하지 못했는데... 그 쥐에게도 신경관 결함이 있는 것을 확인했다"라고 덧붙였다. 이러한 유형의 대체 스플라이싱의 발견은 향후 게놈 분석 분야 전체에 영향을 미칠 것으로 보인다. 보케는 이러한 영향력 있는 알루 요소에 대해 "앞으로 더 많이 발견될 것이라고 생각한다"고 말했다. 그는 아마도 우리 형질의 진화적 변화의 근본 원인이 되는 대체 스플라이스 단백질이 존재할 것이라고 덧붙였다.
- 생활경제
2024-03-04 11:28:00
호주 국립대, 태양보다 5백조 배 더 밝은 퀘이사 발견

호주 과학자들이 지금까지 발견된 블랙홀 중 가장 빠르게 성장하는 퀘이사를 발견했다. 20일(현지시간) 영국 매체 가디언에 따르면 호주 국립대학교(ANU) 연구원들이 발견한 'J0529-4351' 퀘이사는 태양보다 500조 배 더 밝고 질량은 태양계 태양의 약 170억 배에 달한다. 이 퀘이사는 하루에 태양 1개에 해당하는 양을 먹어치운다. 이는 퀘이사가 엄청난 양의 물질을 흡수하고 있으며, 얼마나 빠르게 성장하고 있는지를 보여 준다. '퀘이사'는 일반적으로 '중성자 별에서의 금속 원자 빛발산 현상'을 가리키는 용어다. 중성자 별은 대량의 중성자를 가진 매우 밀도가 높은 별로, 핵심 부분에 남은 것이고, 별의 질량은 태양의 수십배에서 수백배에 이은다. 퀘이사는 중성자 별의 자기장이 매우 강력해주변 공간에 있는 원자들의 전자를 빠져나가게 되고, 이러한 과정에서 원자의 핵심인 금속 원자가 감속되면서 빛을 방출하는 현상을 말한다. 이 빛발산은 주로 X선이나 감마선과 같은 고에너지 전자기파로 나타난다. 즉, 퀘이사는 우주에서 가장 강력한 에너지원 중 하나로, 고에너지 천체물리학 및 천문학에서 중요한 연구 대상이다. 특히 중성자 별의 내부 구조와 속성을 연구하는 데에 있어서 퀘이사는 중요한 정보를 제공한다. ANU 연구팀이 이번에 발견한 퀘이사는 120억 광년 떨어진 곳에 위치하며 강착원반의 크기는 무려 7광년에 달한다. '강착원반'은 블랙홀 주변에서 회전하는 가스와 먼지로 이루어진 원반이다. 연구팀에 따르면 이 퀘이사의 강착원반은 온도가 섭씨 1만도에 달하고 곳곳에 번개가 치고 바람이 매우 빨리 불어 지구를 1초 만에 돌릴 정도로 거대한 자기 폭풍 세포처럼 보인고 한다. 이 퀘이사는 너무 밝아서 처음에는 지구에서 그리 멀지 않은 별로 분류됐다. 하지만 연구팀이 유럽 남부 천문대(ESO)의 초 거대 망원경을 사용하여 관찰한 결과, 이 퀘이사는 실제로는 엄청나게 먼 곳에 위치하고 있음이 밝혀졌다. 연구원들은 이 퀘이사를 '폭풍의 눈에 블랙홀이 있는 거대한 허리케인' 또는 '주 어디에서나 발견한 지옥으로 가는 가장 큰 문'에 비유했다. 이 퀘이사는 대부분의 큰 은하계 중심에 있는 거대한 블랙홀을 연구하는 데 중요하며, 퀘이사 팽창에 대한 이해를 더욱 높일 수 있다. 이번 연구를 주도한 호주 국립대학교의 크리스찬 울프(Christian Wolf) 교수는 "이 지옥같은 장소를 상상하는 것은 충격과 경외의 순간이다. 자연은 우리가 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 극단적인 것을 만들어낸다"고 말했다. 이 퀘이사의 이름은 'J0529-4351'이며, 지난 수십 년 동안 '눈에 잘 띄지 않는 곳에 숨어 있다'가 발견됐다. 연구팀은 이 퀘이사를 발견했을 때 놀랍고 경외심을 느꼈으며, 극한 환경에서 물질이 어떻게 행동하는지 연구하는 데 중요하다고 말했다. 또한 우주의 초기 역사를 연구하는 데 도움이 될 수 있다고 한다. 이번 퀘이사의 발견은 우주에는 아직 모르는 것이 너무나 많다는 사실을 보여준다. 앞으로 과학자들이 더 많은 연구를 통해 퀘이사와 블랙홀에 대한 이해를 더욱 높일 수 있을 것으로 보인다.
- 산업
2024-02-21 13:32:00
과학이 풀어야 할 가장 큰 미스터리 5가지

과학은 세상에 대한 우리의 이해를 크게 발전시켰지만, 여전히 많은 미스터리가 남아 있다. 특히 우주의 기원이나 지구의 생명의 기원등은 가설은 많지만 아직까지 명확한 답이 나오지 않고 있다. 스페인 매체 마스 인포르마시온(Mas informacion)은 과학자들이 여전히 답을 찾지 못하고 있는 다섯 가지 핵심 질문을 소개했다. 1. 우주의 구성 요소는 무엇인가? 우주의 신비는 우리가 기존에 인지하고 있던 것보다 훨씬 더 깊고 복잡하다. 우리가 알고 있는 우주를 구성하는 물질은 전체의 약 5%에 불과하며, 나머지 약 95%는 미지의 영역인 암흑물질과 암흑에너지로 채워져 있다. 암흑물질은 우주 전체의 약 27%를 차지할 것으로 추정되는, 관측되지 않는 물질이다. 이 물질은 중력의 영향을 미치며, 우주의 팽창을 억제하는 중요한 역할을 한다. 암흑에너지는 우주의 약 68%를 구성하는 것으로 추정되며, 관찰할 수 없는 에너지 형태이다. 암흑에너지는 우주의 팽창을 가속화하는 데 결정적인 역할을 하는 것으로 여겨진다. 우주의 심오한 미스터리를 풀기 위해, 암흑물질과 암흑에너지의 본질을 밝히는 것은 중대한 과학적 과제로 남아 있으나, 현재까지 이들의 정체에 대한 명확한 답은 아직 발견되지 않았다. 암흑물질의 잠재적 후보로는 중성미자, 윔프(WIMP), 액시온(axion) 등이 거론되고 있다. 중성미자는 전하를 갖지 않아 빛을 발하지 않으며 질량이 있어 관측이 어렵다. 윔프는 그 무거운 질량과 강력한 중력으로 인해 우주의 구조 형성에 기여할 것으로 추정된다. 액시온은 중력과 전자기력 사이의 힘을 가짐으로써 우주의 팽창에 영향을 미칠 수 있다고 여겨진다. 암흑에너지의 가능한 후보로는 진공 에너지, 쿼크-글루온 플라즈마, 반물질 등이 제시되고 있다. 진공 에너지는 우주 공간 자체에 내재된 기본적인 힘의 에너지 형태로, 쿼크-글루온 플라즈마는 초기 우주의 고온 상태에서 존재했던 물질이다. 반물질은 물질과 상호작용하여 완전히 소멸되는 특성을 지니며, 이 과정은 우주 팽창에 중요한 역할을 할 수 있다. 과학자들은 이러한 후보들을 관측하고 실험을 통해 그 본질을 밝히려는 지속적인 노력을 기울이고 있으나, 아직까지는 이들의 정확한 성질과 역할에 대한 확실한 결론을 내리지 못하고 있다. 2. 생명은 어떻게 생겨났나? 생명의 기원은 과학계가 오랜 시간 동안 탐구해온 가장 심오한 미스터리 중 하나다. 지구상의 생명체가 어떻게 탄생했는지에 대해서는 아직도 명확한 해답이 제시되지 않았다. 과학자들은 다양한 이론을 제시하고 있으나, 아직까지 어느 하나의 가설도 정설로 자리 잡지 못하고 있다. 가장 널리 인정받는 가설 중 하나는 '원시 수프(Primordial soup)' 이론이다. 이 이론은 초기 지구의 바다가 생명체 형성에 필수적인 단순 화학 물질로 가득 차 있었고, 대기 중의 가스와 번개 에너지의 결합으로 아미노산과 같은 단백질 구성 요소가 형성될 수 있었다고 주장한다. 1920년대에 알렉산더 오파린과 J.B.S. 할데인이 제안한 이 가설은 이후 실험을 통해 그 타당성이 일부 입증됐다. 대표적인 예로, 1953년 스탠리 밀러와 하럴드 우레이는 초기 지구의 환경을 모사한 실험을 통해 아미노산의 합성에 성공했다. 하지만 원시 수프 가설에는 여전히 미해결의 문제가 존재한다. 아미노산이 우연히 결합하여 복잡한 생명체로 발전할 수 있는지에 대한 의문, 그리고 원시 수프에서 생명체가 어떻게 진화했는지에 대한 설명이 미흡하다는 지적이 있다. 또한, 지구 생명체의 기원에 대한 다른 이론도 존재한다. 일부 과학자들은 우주에서 온 운석이나 혜성에 생명의 씨앗이 실려 지구에 도착했을 가능성을 제시하는 '판스페르미아(Panspermia)' 이론을 주장한다. 이처럼 생명의 기원에 대한 탐구는 여전히 과학계의 중요한 도전 과제로 남아 있다. 3. 무엇이 우리를 인간으로 만드는가? '무엇이 우리를 인간으로 정의하는가?'는 과학과 철학의 경계를 넘나드는 깊이 있는 질문이다. 인간은 다른 동물들과 구별되는 특유의 특성들을 가지고 있지만, 이러한 특성들이 무엇인지에 대한 명확한 합의는 아직 이루어지지 않았다. 언어 사용, 도구 활용, 추상적 사고, 자기 인식 능력 등은 전통적으로 인간만의 고유한 특성으로 여겨져 왔다. 하지만, 최근의 과학 연구는 다른 동물들 또한 이러한 특성들을 어느 정도 보유하고 있음을 증명하고 있다. 예를 들어, 코끼리는 복잡한 의사소통을 위해 고유의 언어 체계를 사용하며, 침팬지는 도구를 사용해 먹이를 얻거나 사냥하는 능력을 지니고 있다. 돌고래는 추상적인 사고를 할 수 있으며, 침팬지는 거울을 통해 자신을 인식하는 자기 인식 능력을 갖추고 있다고 알려져 있다. 이러한 발견들은 인간과 다른 동물들 사이의 경계가 생각보다 모호하다는 것을 시사하며, 인간을 정의하는 것이 단순한 문제가 아님을 보여준다. 인간의 독특한 특성들에 대한 이해는 계속해서 진화하고 있으며, 이는 우리가 인간성에 대해 더 깊이 고민하고 탐구해야 함을 의미한다. 한편으로는, 인간을 특별하게 만드는 요소가 단일 특성이 아니라, 여러 특성들의 복합적인 상호작용이라는 주장이 제기되고 있다. 이에 따르면, 인간은 언어를 통한 복잡한 의사소통 능력, 도구를 활용한 환경 변형 능력, 그리고 추상적 사고를 통해 새로운 것을 창조하는 능력을 결합하여 독특한 문화와 사회 구조를 형성하였다는 것이다. 이러한 능력들의 결합은 인간만의 특별한 문화적, 사회적 발전을 가능하게 했다. 인간의 언어 사용 능력은 복잡한 의사소통과 지식 전달을 가능하게 했으며, 도구 사용 능력은 환경을 변화시키고 적응하는 방법을 혁신적으로 발전시켰다. 또한, 추상적 사고는 예술, 과학, 철학 등 인간만의 다양한 창조적 영역을 탄생시켰다. 그럼에도 불구하고, 인간을 인간답게 만드는 근본적인 요소가 무엇인지에 대한 질문은 여전히 해결되지 않은 미스터리로 남아 있다. 4. 의식이란 무엇인가? 의식은 인간 존재의 가장 심오하고 미스테리한 특성 중 하나로 여겨진다. 우리는 아직 의식이 구체적으로 무엇이며, 그것이 어떻게 기능하는지 완전히 이해하지 못하고 있다. 의식은 뇌의 복잡한 기능과 밀접하게 연관되어 있을 것으로 추측되지만, 뇌의 어떤 부분이 의식을 조절하는지, 그리고 의식이 어떻게 형성되고 발현되는지에 대한 구체적인 메커니즘은 아직 명확하게 밝혀지지 않았다. 의식은 우리가 세계를 인식하고 경험하는 방식의 핵심을 이루며, 이에 대한 깊은 이해는 인간 본성과 지적, 정서적, 영적 측면에 대한 우리의 이해를 크게 향상시킬 것으로 기대된다. 의식에 대한 연구는 인간 뇌의 복잡성과 그 신비를 탐구하는 과정에서 핵심적인 역할을 하며, 이는 인지 과학, 신경학, 철학, 심리학 등 여러 학문 분야에 걸쳐 진행되고 있다. 5. 우리는 왜 꿈을 꾸는가? 인간이 꿈을 꾸는 이유는 심리학과 신경과학의 오랜 미스터리 중 하나이며, 이에 대한 확실한 답변은 아직 없다. 꿈에는 여러 가설이 존재하고 있다. 예를 들어, 무의식의 표현에 관한 가설은 꿈이 우리의 억압된 감정과 생각을 드러내는 역할을 한다고 주장한다. 기억 정리와 학습 지원에 관한 가설은 꿈이 기억을 재구성하고 새로운 정보를 처리하는 데 중요한 역할을 한다고 설명한다. 스트레스 해소 기능에 관한 가설은 꿈이 심리적 압박을 완화하고 정서적 균형을 찾는 데 도움을 준다고 주장한다. 그러나 이러한 가설들 중 어느 것도 아직 확실하게 입증되지 않았다. 꿈은 인간의 정신적, 감정적 삶에 중요한 영향을 미친다. 꿈은 우리의 무의식을 반영하고, 내면을 이해하는 데 도움을 줄 뿐만 아니라, 창의적 사고와 문제 해결 능력에도 기여할 수 있다. 그러나 꿈의 본질과 목적에 대한 신비는 여전히 베일에 싸여 있다. 이와 같은 질문들에 대한 답은 과학이 발전함에 따라 점차 밝혀질 것으로 기대되지만, 그 과정은 간단하지 않을 것이다. 과학자들은 새로운 기술과 방법론을 개발하고, 기존 가설들을 실험적으로 검증함으로써 꿈의 신비를 풀기 위해 지속적으로 노력하고 있다.
- 생활경제
2024-01-22 11:47:00
NASA 재활용 우주선 '드림 체이서' 첫 비행

미국 항공우주국(NASA)와 시에라 스페이스(Sierra Space)가 협력해 드림 체이서(Dream Chaser) 우주선을 국제 우주정거장(ISS)으로의 첫 비행을 위한 준비를 진행 중이다. NASA에 따르면 이 무인 화물 우주선을 상업적 재공급 서비스 프로그램의 일환으로 활용할 계획이며, 2024년에 국제 우주정거장으로의 시범 임무를 시작할 예정이다. 콜로라도 주 루이빌에 위치한 시에라 스페이스에서 제작한 드림 체이서 화물 시스템은 드림 체이서 우주선과 '슈팅 스타(Shooting Star)' 화물 모듈, 이 두 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있다. 이 양력체 형태의 우주선인 드림 체이서는 최대 15회까지 재사용 가능하도록 설계되었으며, 버지니아주 햄프턴에 위치한 NASA의 랭글리 연구 센터에서 개발된 HL-20 우주선을 바탕으로 개조했다. 드림 체이서(Dream Chaser) 우주선의 파트너인 '슈팅 스타(Shooting Star)' 화물 모듈은 국제 우주정거장(ISS)에서 가압 및 비가압 화물의 운송과 처리를 지원하기 위해 특별히 설계됐다. 이 화물 모듈은 일회용으로 사용되며, 재진입을 위해 분리되기 전에 우주에서 폐기된다. 드림 체이서 시스템은 플로리다주 케이프커네버럴에 위치한 우주군 기지의 우주발사단지 41에서, ULA(United Launch Alliance)의 발칸 센타우르(Vulcan Centaur) 로켓을 이용해 발사된다. 발사 시, 드림 체이서는 5m 페어링 내부에 날개를 접은 상태로 위치한다. 발사 중 페어링 패널은 우주선을 보호하는 역할을 하지만, 궤도 진입 후에는 폐기된다. 드림 체이서의 화물 모듈과 날개에 장착된 태양 전지 어레이는 우주정거장과의 자율적인 접근 과정 중에 전개된다. 만약 발사 연기(스크럽)가 발생할 경우, 드림 체이서는 24시간 이내에 다시 발사 준비를 완료할 수 있도록 설계됐다. 첫 비행 중에, 시에라 스페이스는 드림 체이서 우주선의 향후 임무를 위한 인증 과정의 일환으로 궤도 내에서 여러 시연을 진행할 계획이다. 이 비행은 플로리다에 위치한 NASA의 케네디 우주 센터, 휴스턴의 NASA 존슨 우주 센터, 그리고 콜로라도 루이빌에 있는 드림 체이서 미션 컨트롤 센터에 있는 팀들에 의해 모니터링될 예정이다. 시에라 스페이스의 비행 관제사들은 우주선이 착륙하기 전까지 발사대에서 드림 체이서를 제어하며, 착륙 후에는 NASA 케네디의 시에라 스페이스 지상 작전 팀에 우주선을 이양한다. 원거리 시연은 우주선이 국제 우주정거장(ISS) 근처의 '접근 타원체'라 불리는 2.5 x 1.25 x 1.25 마일(약 4 x 2 x 2km) 크기의 가상 경계 안으로 진입하기 전에 수행된다. 이 타원체 밖에서 수행되는 이러한 시연은 드림 체이서가 휴스턴의 미션 컨트롤 센터와 NASA 팀과의 합동 작업을 시작하기 전에 필요하다. 이 과정에는 자세 제어, 병진 기동 및 중단 기능의 시연이 포함된다. 국제 우주정거장(ISS)에 더 가까이에서 수행되는 근거리 시연은 다양한 작업을 포함한다. 이에는 LIDAR(빛 감지 및 거리 측정) 센서의 활성화 및 사용, 우주정거장에서 보낸 명령에 대한 응답, 명령에 따른 정거장으로부터의 후퇴, 그리고 접근 지점의 유지 등이 포함된다. 이 시연 과정에서 드림 체이서는 우주정거장과의 거리를 점차 줄여간다. 처음에는 역에서 330미터(약 1083피트), 그 다음은 250미터(약 820피트), 마지막으로 30미터(약 98피트) 거리를 유지하게 된다. 이러한 시연을 성공적으로 마친 후, 드림 체이서는 국제 우주정거장으로 이동하게 된다. 드림 체이서가 우주정거장의 실험실 모듈에 접근하면, 우주선은 역에서 약 11.5미터(약 38피트) 떨어진 위치에서 최종 정지한다. 이때, 정거장의 승무원은 '캐나다 암 2(Canadarm2)' 로봇 팔을 사용하여 지상 팀보다 먼저 우주선의 화물 모듈을 잡는다. 이후 화물 모듈은 유니티(Unity) 또는 하모니(Harmony) 모듈의 지구 쪽 포트에 설치한다. 캐나다 암 2는 캐나다 우주국(CSA)이 개발한 우주 정거장 조작용 로봇 팔이다. 국제 우주정거장(ISS)으로의 첫 비행에서, 드림 체이서 우주선은 약 3.5톤(7800파운드) 이상의 화물을 운반할 계획이다. 향후 임무에서는 최대 75일 동안 우주정거장에 부착되어 있으면서 최대 약 5.2톤(약 1만1500파운드)의 화물을 운반할 수 있도록 설계됐다. 드림 체이서는 지구로 돌아오는 길에 약 1.5톤(3500파운드) 이상의 화물과 실험 샘플을 반환할 수 있으며, 또한 화물 모듈을 사용해 재진입 과정에서 약 3.9톤(8700파운드) 이상의 쓰레기를 처리할 수 있다. 또한 드림 체이서는 캐나다 암 2를 사용하여 우주정거장에서 제거되기 전까지 약 45일간 우주정거장에 머무를 예정이다. 우주선은 출발 후 11~15시간 이내에 빠르게 착륙할 수 있으며, 기상 조건이 허용하는 한 매일 착륙할 수 있는 기회가 있다. 드림 체이서의 착륙 기상 기준은 일반적으로 시속 17.2마일(15노트) 이하의 측풍, 23마일(20노트) 이하의 역풍, 11.5마일(10노트) 이하의 배풍을 요구한다. 또한, 활주로 반경 20마일 이내 또는 접근 경로를 따라 10마일 이내에서 발생하는 뇌우, 번개, 비는 착륙에 적합하지 않은 조건으로 간주된다. 드림 체이서의 26개 반응 제어 시스템 추진기는 우주선이 궤도를 이탈하도록 발사된다. 이 우주선은 지구 대기권으로 재진입한 후 NASA의 우주 왕복선과 유사한 방식으로 케네디 우주 센터의 활주로에 착륙할 예정이며, 2011년 마지막 우주 왕복선 비행 이후 이 시설에 착륙하는 최초의 우주선이 될 것이다. 착륙 후 전원이 꺼지면, 시에라 스페이스의 지상 운영팀이 드림 체이서를 우주 시스템 처리 시설로 이송하여 필요한 검사를 수행하고, 나머지 NASA 화물을 내리며, 다음 임무를 위한 준비 작업을 시작된다. 시에라 스페이스(이전 Sierra Nevada Corporation)는 2016년 국제 우주정거장(ISS)에 서비스를 제공할 NASA의 세 번째 상업용 화물 재공급 우주선으로 선정됐다.
- 산업
2023-12-30 10:20:00
[퓨처 Eyes(15)] 20m 미만 소형 입자 가속기, 의료·반도체 혁신 예고

미국 텍사스대학교(UT) 오스틴 캠퍼스 연구원들이 전자 에너지가 높고 공간도 적게 차지하는 소형 입자 가속기를 개발했다. '입자 가속기'는 우주를 구성하는 기본 입자들의 속성과 상호작용을 연구하는 데 필수적인 장치다. 현대 물리학의 중심에 서 있는 이 기술은 반도체 응용 분야, 의료 영상 및 치료, 재료, 에너지 및 의학 연구에 큰 잠재력을 가지고 있다는 평가다. 특히 기존 가속기는 수 킬로미터에 달하는 넓은 공간을 차지해 가격이 비싸고 소수의 국립연구소와 대학에서만 사용할 수 있었다. 미국 과학 기술 매체 사이테크데일리에 따르면, UT 연구팀이 개발한 소형 입자 가속기는 길이 20m 미만으로, 기존 가속기보다 훨씬 콤팩트하다. 또한, 100억 전자볼트(10 GeV)의 에너지를 가진 전자빔을 생성할 수 있어, 기존 가속기와 동일한 수준의 성능을 갖는다. 현재 미국 내에서 이와 같은 높은 전자 에너지 수준에 도달할 수 있는 가속기는 단 두 대에 불과하며, 둘 다 길이가 약 3km에 달한다. 이 연구의 공동 저자인 비요른 마누엘 헤겔리히(Bjorn "Manuel" Hegelich) UT 물리학 부교수는 "우리는 이제 이러한 에너지 수준에 매우 가까운 거리, 약 10cm 내에서 전자 빔에 도달할 수 있다"고 말했다. 이번 연구는 입자 가속기 기술의 발전에 중요한 진전을 의미하며, 향후 다양한 과학적, 의료적 응용에 사용될 수 있다. 헤겔리히 교수는 저널 '극한에서의 물질과 방사선(Matter and Radiation at Extremes)'에서 "우리의 가속기는 우주 장치의 방사선 내성 테스트, 새로운 반도체 칩의 3D 내부 구조 이미지화, 심지어 혁신적인 암 치료법과 고급 의료 영상 기술 개발에 활용될 수 있다"고 말했다. 또한, 이 가속기는 X선 자유 전자 레이저 구동에도 사용될 수 있다. 이 레이저는 원자나 분자 수준에서 일어나는 프로세스를 슬로우 모션으로 촬영하는 데 이용 가능하다. 가속기 기술의 혁신 '소형 입자 가속기' 입자 가속기는 원자와 같은 작은 입자들을 매우 높은 속도로 가속시켜, 이들을 서로 충돌시키거나 특정 표적에 충돌시킴으로써 그 속성을 탐구한다. 이러한 과정을 통해 과학자들은 입자들과 이를 구성하는 힘에 대해 깊이 있게 연구할 수 있다. 입자 가속기는 주로 하전 입자의 속도를 증가시키는 데 사용된다. 양성자, 원자핵, 전자와 같은 양전하나 음전하를 지닌 입자들이 이에 해당한다. 이 입자들은 때때로 빛의 속도에 근접한 속도로 가속된다. 입자가 표적 물질이나 다른 입자와 충돌할 때, 다양한 현상이 발생한다. 충돌로 인해 에너지가 방출되고, 핵 반응이 일어나며, 입자가 산란되고 새로운 입자가 생성된다. 예를 들어, 중성자와 같은 다른 입자들이 이러한 충돌에서 생겨날 수 있다. 이 과정을 통해 과학자들은 원자, 원자핵, 핵자를 결합하는 힘과 '하이그스 보손(Higgs boson)'과 같은 특별한 입자들의 성질을 연구할 수 있다. 하이그스 보손, 우주 기본 입자의 질량 부여하는 '신의 입자' '하이그스 보손'은 기본 입자 물리학의 중요한 개념 중 하나로, 입자들이 질량을 갖게 되는 메커니즘을 설명하는 데 핵심적인 역할을 한다. 이 입자는 1964년 물리학자 피터 하이그스와 다른 몇몇 이론 물리학자들에 의해 처음으로 제안됐다. 2012년 유럽입자물리연구소(CERN)의 대형 강입자 충돌기(LHC)에서 처음 발견됐다. 하이그스 보손은 매우 무거운 입자로, 질량은 약 125GeV이다. 이는 약 125억 전자볼트와 같다. 하이그스 보손은 또한 매우 불안정한 입자로, 평균 수명은 약 1.56x10¯²²초로 추정된다. 이는 하이그스 보손이 생성된 직후 거의 즉시 다른 입자들로 붕괴한다는 것을 의미한다. 하이그스 보손의 발견은 물리학 연구에 새로운 동력을 불어넣었다. 이로 인해 피터 하이그스와 프랑수아 앵글레르는 2013년 노벨 물리학상을 수상했다. 이 발견은 우주의 근본적인 성질에 대한 이해를 크게 향상시켰으며, 여전히 많은 연구가 진행 중이다. 입자 가속기 활용 분야 입자 가속기는 우주의 기원과 구조, 물질의 기본 구성 요소, 자연법칙 등을 연구하는 데 사용된다. 입자 가속기를 이용하여 새로운 입자를 발견하거나, 기존 입자의 성질을 연구할 수 있다. 또한 입자 가속기는 생물학, 의학, 재료과학, 나노기술 등 다양한 분야의 응용과학 연구에 활용된다. 입자 가속기를 이용하여 새로운 약물이나 치료법을 개발하거나, 새로운 재료나 소재를 개발할 수 있다. 예를 들어, 암 치료를 위한 정밀 방사선 요법이나 새로운 재료의 연구에 활용될 수 있다. 종양을 제거하거나 염증을 치료하는 방사선 치료를 수행할 수 있다. 입자 가속기를 사용하여 의료용 동위원소를 생산할 수도 있다. 의료용 동위원소는 암 진단, 치료, 방사선 치료 등 다양한 의학 분야에서 사용된다. 입자 가속기는 반도체 제조, 금속 재료 연구, 환경 오염 측정 등 산업 분야에도 다양한 용도로 활용되고 있다. 입자 가속기를 이용하여 반도체의 미세 회로를 제조할 수 있다. 또 식품이나 의약품을 살균하거나, 디스플레이 등을 제조할 수 있다. 아울러 새로운 물리학 이론을 탐구할 수 있다. 표준 모델 이외의 이론, 예를 들어 초대칭성, 여분의 차원, 양자 중력 이론 등을 실험적으로 탐구하는 것이 다음 세대 가속기의 중요한 목표 중 하나가 될 것이다. 또한 대규모 입자 가속기 프로젝트는 국제적 협력을 필요로 한다. 이러한 협력은 물리학뿐만 아니라 정치적, 경제적, 교육적 측면에서도 광범위한 영향을 미칠 것으로 보인다. 웨이크필드 레이저 가속기 웨이크필드 레이저 가속기는 1979년에 처음으로 개념이 제시된 이후 괄목할 만한 발전을 거듭해왔다. 이 기술은 강력한 레이저를 헬륨 가스에 충돌시켜 플라즈마 상태로 가열하고, 이 과정에서 고에너지 전자 빔이 가스의 전자를 밀어내며 파동을 생성한다. 지난 수십 년간 여러 연구 그룹이 이 기술을 발전시켜 더욱 강력한 버전을 개발했다. 헤겔리히 교수와 그의 연구팀은 나노기술을 이용해 주요 발전을 이루었다. 부가적인 레이저가 가스 셀 내의 금속판과 충돌하면, 금속 나노입자들이 흘러나와 파동에서 전자로 에너지 전달을 증가시키는 역할을 한다. 이 과정은 보트가 호수를 가로질러 나아가며 남기는 항적과 유사하며, 전자는 서퍼가 파도를 타는 것처럼 이 플라즈마 파동을 타고 이동한다. 이러한 혁신적인 접근 방식은 웨이크필드 레이저 가속기 기술의 효율성과 성능을 높이는 데 크게 기여하고 있다. 앞으로도 이 분야의 연구와 개발에 중요한 역할을 할 것으로 예상된다. 헤겔리히 교수는 웨이크필드 가속기의 원리를 비유를 통해 설명했다. 그는 "웨이크 서핑을 하려면 큰 파도에 들어가기 어렵기 때문에 서퍼들은 제트 스키에 끌려들어간다"고 비유했다. 이어서 "우리 가속기에서는 제트 스키와 유사한 역할을 하는 것이 적절한 시간과 위치에서 전자를 방출하는 나노입자이다. 이를 통해 파도 위에 더 많은 전자를 끌어들여 가속하는 것이 우리의 '비밀 소스'"라고 부연했다. 이 실험을 위해 연구팀은 세계에서 가장 강력한 펄스 레이저 중 하나인 '텍사스 페타와트 레이저(Texas Petawatt Laser)'를 사용했다. 이 레이저는 UT에 설치되어 있으며, 매시간 한 번씩 초강력 빛 펄스를 발사한다. 단일 페타와트 레이저 펄스의 전력은 미국 전력의 약 1000배에 달하지만, 지속 시간은 150펨토초에 불과하다. 이는 번개 방전의 10억분의 1도 안 되는 짧은 시간이다. 웨이크필드 레이저 가속기는 강력한 레이저를 헬륨 가스에 충돌시켜 플라즈마 상태로 가열하고, 이 과정에서 고에너지 전자 빔이 가스의 전자를 밀어내며 파동을 생성한다. 전자는 이 플라즈마 파동을 타고 이동하면서 에너지를 얻게 된다. 헤겔리히 교수와 그의 연구팀은 나노기술을 이용해 주요 발전을 이루었다. 부가적인 레이저가 가스 셀 내의 금속판과 충돌하면, 금속 나노입자들이 흘러나와 파동에서 전자로 에너지 전달을 증가시키는 역할을 한다. 소형 입자 가속기 연구의 의미와 전망 UT 연구팀의 이번 연구는 소형 입자 가속기 기술의 발전에 중요한 진전을 이루었다는 점에서 의미가 있다. 소형 입자 가속기는 기존 가속기의 단점인 비용과 공간 제약을 극복할 수 있어 다양한 분야에서 활용될 가능성이 높다. 연구팀은 향후 현재 개발중인 소형 입자 가속기를 테이블 위에 올려 놓고 초당 수천 번 반복적으로 발사할 수 있는 레이저로 시스템을 구동하여 기존 가속기보다 훨씬 더 콤팩트하고 훨씬 더 넓은 환경에서 사용할 수 있는 가속기를 만드는 것을 목표로 하고 있다. 한편 현재 세계 각국은 입자 가속기의 성능을 향상시키기 위한 연구에 박차를 가하고 있다. 유럽입자물리연구소(CERN)는 현재 운영 중인 대형 강입자 충돌기(LHC)의 성능을 개선하기 위한 작업을 진행하고 있다. 또한, 미국, 중국, 일본 등에서도 새로운 입자 가속기의 건설을 추진하고 있다. 이러한 노력을 통해 입자 가속기는 우주와 물질의 기본 법칙을 이해하고 새로운 기술을 개발하는 데 더욱 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
- 포커스온
2023-12-14 09:35:00