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[기후의 역습(160)] 머신 러닝, 전 세계 빙하 침식 속도 정밀 예측⋯"연 0.02~2.68㎜"
- 기후 변화로 전 세계 빙하가 급속도로 녹고 있는 가운데, 머신 러닝(Machine Learning)을 활용해 전 세계 빙하의 침식 속도를 정밀하게 추정한 연구 결과가 발표됐다. 이 연구는 장기적인 지형 변화뿐만 아니라, 핵폐기물 저장지 선정 및 퇴적물 이동 모니터링 등 다양한 분야에 기초자료로 활용될 수 있을 전망이라고 웹사이트 Phys가 7일(현지시간) 전했다. 캐나다 빅토리아대학교(University of Victoria)의 지리학자 소피 노리스(Sophie Norris) 박사 연구팀은 국제 공동 연구를 통해 전 세계 18만 개 이상의 현대 빙하 중 약 85%에 해당하는 빙하에 대해 침식 속도를 예측했다. 이들은 러닝 머신 기반 회귀 분석을 통해 빙하 침식 속도의 99%가 연간 0.02~2.68밀리미터(mm) 범위에 있다는 정량적 결과를 도출했다. 이는 신용카드 두께와 유사한 수준이다. 노리스 박사는 "빙하 하부에서 발생하는 침식은 생각보다 훨씬 복잡한 메커니즘에 의해 이뤄진다"며 "기온, 빙하 하부 수량, 암석 유형, 지열 등 다양한 요소가 침식 속도에 영향을 미친다"고 설명했다. 해당 연구 결과는 학술지 '네이처 지오사이언스(Nature Geoscience)'에 발표됐다. 최근 10년간 지구에서 사라진 빙하 2,700Gt…해수면 8mm 상승 기여 지난 10년간 지구 전역에서 사라진 빙하의 총량이 2700기가톤(Gt)에 달하는 것으로 나타났다. 이는 약 1조 리터의 물을 의미하며, 스위스 전역이 6m 깊이로 잠길 수 있는 엄청난 양이다. 유럽우주국(ESA)과 미국항공우주국(나사·NASA)의 지구의 중력장 측정 위성 그레이스(Grace)와 그레이스 포(GRACE-FO)의 데이터 분석에 따르면, 2014년부터 2024년까지 연평균 약 270Gt의 빙하가 손실된 것으로 추산된다. 이로 인해 지난 10년간 해수면은 약 8mm 상승했으며, 이는 동기간 전체 해수면 상승의 약 3분의 1에 해당한다. 특히 손실이 두드러진 지역은 알프스, 알래스카, 히말라야, 남미 안데스 산맥 등 중위도 및 고산 지역이다. 알프스 지역은 10년 사이 빙하 면적의 30~40%가 소멸됐으며, 알래스카와 히말라야는 세계에서 가장 빠르게 빙하가 줄어드는 지역으로 지목되고 있다. 히말라야는 연간 약 810Gt의 빙하를 잃고 있으며, 이는 아시아 주요 강 유역의 수자원 안보에도 위협을 줄 수 있다는 지적이다. 과학 학술지 네이처에 실린 연구(Nature, Hugonnet et al. 2021)와 IPCC 제6차 평가보고서(AR6, 2021)에 따르면, 21세기 중반까지 전 세계 빙하의 절반 이상이 사라질 것으로 전망되고 있다. 특히 인구 밀집 지역 인근의 저지대 소규모 빙하 후퇴 속도가 빠르게 가속화되면서 식수, 농업, 수력발전 등 생활 기반 전반에 영향을 미칠 가능성도 제기되고 있다. 이번 논문의 공동 저자인 캐나다 달하우지대학교(University of Dalhousie)의 존 고스(John Gosse) 교수는 "실제 빙하 환경에서 침식 속도를 측정하는 것이 매우 어렵다는 점을 감안할 때, 이번 연구는 전 세계 오지의 빙하 침식 과정을 예측할 수 있는 귀중한 자료"라고 평가했다. 이번 연구는 노리스 박사가 달하우지대 박사후연구원 시절 시작해 빅토리아대에서 마무리했으며, 프랑스 그르노블알프대(University of Grenoble Alpes), 미국 다트머스대(Dartmouth College), 펜실베이니아주립대, UC어바인 등과의 공동 연구로 진행됐다. 캐나다 핵폐기물관리기구(NWMO)의 재정 지원과 협력 아래 수행됐다. 연구팀은 향후 이 예측 모델을 활용해 기후변화에 따른 빙하 후퇴와 지형 변화, 유사 퇴적 및 영양염류 순환 등 지구 시스템 전반의 변화 양상을 보다 정밀하게 예측할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 지구 빙하는 단순한 자연경관을 넘어 해수면, 강수량, 지형 변화, 생태계 순환에까지 영향을 미치는 핵심 요소다. 전문가들은 기후 변화의 '가장 눈에 보이는 지표'로서 빙하의 지속적인 관측과 대응이 절실하다고 지적하고 있다.
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[기후의 역습(160)] 머신 러닝, 전 세계 빙하 침식 속도 정밀 예측⋯"연 0.02~2.68㎜"
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[단독] 테슬라·BYD·기아 등 전기차 5종, 호주 실주행 거리서 최대 23% 짧아
- 미국 전기차(EV) 테슬라와 중국 전기차 비야디(BYD), 한국의 기아 전기차가 호주 실주행 거리 검증서 공인 수치에 못 미치는 것으로 나타났다. 6일(현지시간) 호주 현지 자동차 전문매체 더 드리븐에 따르면 호주의 최고 자동차 기관인 호주자동차협회(AAA)가 전기차(EV)의 실주행 거리와 제조사 공인 수치 간의 차이를 조사한 결과 테슬라, BYD, 기아, 스마트 등 주요 전기차 모델 모두 공인 수치보다 짧은 주행 거리를 기록한 것으로 확인됐다. AAA는 호주 연방정부의 지원을 받아 진행 중인 '실주행 테스트 프로그램(Real-World Testing Program)'의 일환으로, 자국 시장에서 판매 중인 전기차가 단일 충전으로 실제 얼마나 주행 가능한지를 독립적으로 측정했다. 이번에 발표된 1차 결과에는 총 5개 모델이 포함됐다. 가장 양호한 결과를 기록한 차량은 2024년형 스마트 #3였다. 이 차량은 실주행 거리 432km로, 제조사 공인치(455km) 대비 5% 감소한 수치를 보였다. 반면, BYD의 2023년형 Atto 3는 공인치(480km) 대비 23% 짧은 369km를 기록하며, 가장 큰 오차 폭을 나타냈다. 기아 EV6(2022년형)과 테슬라 모델 Y(2024년형)는 각각 공인치 대비 8% 짧은 주행거리를 기록했다. 테슬라 모델 3(2024년형)는 513km의 공인 주행거리보다 14% 줄어든 실주행 거리 결과를 나타냈다. AAA의 마이클 브래들리(Michael Bradley) 전무는 "전기차가 호주 시장에 빠르게 확산되고 있는 가운데, 이번 실측 테스트는 소비자들에게 배터리 효율성에 대한 신뢰할 수 있는 정보를 제공할 것"이라며 "이 프로그램은 전기차 도입을 고려하는 가정과 기업의 결정에 도움을 줄 것"이라고 밝혔다. AAA의 '실주행 테스트 프로그램'은 그간 내연기관 차량과 하이브리드 차량을 중심으로 114대의 모델을 대상으로 검증을 실시해 왔다. 이 가운데 77%는 실측 연비가 실험실 수치보다 높았으며, 20%는 유해 배출가스 기준치를 초과한 것으로 나타났다. 이번 테스트는 빅토리아주 질롱(Geelong) 지역을 중심으로 약 93km의 주행 경로에서 실시되었으며, 유럽연합 기준에 기반한 엄격한 프로토콜을 적용해 운전자 습관이나 교통 흐름 등 외부 변수의 영향을 최소화했다. 전기차 테스트에서는 주행에 소모된 에너지와 완전 방전 후 충전에 필요한 에너지를 모두 측정해 실제 주행 가능 거리와 에너지 소비량, 운영 비용까지 분석했다. AAA는 향후 더 많은 전기차 모델에 대한 실주행 거리 데이터를 축적해 소비자 선택에 실질적인 기준을 제공할 계획이다.
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[단독] 테슬라·BYD·기아 등 전기차 5종, 호주 실주행 거리서 최대 23% 짧아
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[우주의 속삭임(132)] 138억 년 전 우주의 첫 분자 반응, 독일 실험실서 재현
- 우주 최초의 분자 생성 경로로 추정되는 헬륨수소이온(HeH⁺)의 반응 메커니즘이 실험을 통해 확인됐다. 독일 막스플랑크 핵물리연구소(Max-Planck-Institut für Kernphysik, MPIK) 연구진은 최근 우주 초기 환경을 모사한 조건에서 HeH⁺와 수소 동위원소인 중수소(Deuterium)의 반응을 성공적으로 재현했다고 밝혔다. 이번 연구는 빅뱅 직후 형성된 최초의 분자 반응 과정을 규명함으로써, 초기 우주 화학과 별 탄생 메커니즘에 대한 이해를 심화하는 계기를 마련했다는 평가를 받고 있다고 사이테크데일리가 전했다. 관련 연구 결과는 국제 학술지 '천문학 및 천체물리학(Astronomy & Astrophysics)' 7월 24일자에 게재됐다. 최초의 분자, 우주의 별을 잉태하다 약 138억 년 전 발생한 빅뱅 직후, 우주는 초고온·초고밀도의 플라즈마 상태였다. 이 시기 수초 안에 양성자와 중성자가 결합해 수소와 헬륨 등 가장 가벼운 원소가 형성됐다. 그러나 이들 원소는 모두 이온화된 상태였으며, 약 38만 년이 지나서야 우주는 충분히 냉각돼 전자가 원자핵과 결합할 수 있는 '재결합(Recombination)' 단계를 맞이했다. 이 시점부터 안정된 중성 원자가 형성됐고, 이후 첫 분자 형성을 위한 화학 반응이 시작됐다. HeH⁺는 중성 헬륨 원자와 양성자 상태의 수소가 결합해 형성된 것으로, 오늘날까지도 우주에서 존재가 관측된 가장 원시적인 분자로 알려져 있다. HeH⁺는 분극(극성)이 크고 낮은 온도에서도 효율적으로 에너지를 방출할 수 있어, 우주 초기 별 형성 과정에서 냉각 인자로 기능했을 가능성이 제기돼 왔다. 실험실에서 재현한 원시 우주 반응 이번 실험은 독일 하이델베르크에 위치한 MPIK의 극저온 저장 링(Cryogenic Storage Ring, CSR)에서 진행됐다. 이 장비는 직경 35m 규모로, 우주 공간과 유사한 극저온(섭씨 -267도 수준)과 초고진공 조건을 구현할 수 있다. 연구진은 HeH⁺ 이온을 CSR 내부에 최대 60초간 저장하면서, 여기에 중성 중수소 원자 빔을 교차시켜 반응을 유도했다. 이 과정에서 HeH⁺가 중수소와 충돌해 중수소수소이온(HD⁺)과 중성 헬륨 원자가 형성되는 반응을 확인했다. 이는 기존에 예측됐던 수소이온(H₂⁺) 대신 중수소 반응을 활용함으로써, 유사 반응의 실험적 검증이 가능하게 한 방식이다. 특히 이번 실험은 충돌 에너지를 세밀하게 조절해 온도 변화에 따른 반응률을 측정할 수 있도록 설계됐다. 그 결과, 기존 이론이 예측한 것과 달리 저온에서의 반응 속도가 거의 일정하게 유지된다는 사실이 확인됐다. 기존 이론 뒤집은 실험 결과…우주 화학에 새 지평 MPIK의 물리학자인 홀거 크레켈(Holger Kreckel) 박사는 "기존에는 반응 온도가 낮아지면 HeH⁺의 반응률도 급격히 감소할 것으로 예측돼 왔다"며 "그러나 실험과 이를 뒷받침한 새로운 이론 계산 모두 이 같은 가설을 뒷받침하지 않았다"고 밝혔다. 이는 프랑스 오르세대학 이론물리학자 요한 스크리바노(Yohann Scribano) 박사팀의 후속 계산에서도 일관되게 확인됐다. 기존 연구에 사용된 반응 퍼텐셜(Potential Surface)에 오류가 있었음을 지적한 스크리바노 박사팀은 이를 수정한 새로운 계산을 통해 실험 결과와 정합되는 반응 경로를 도출했다. 이로써 HeH⁺와 수소(또는 중수소)의 충돌 반응이, 생각보다 훨씬 높은 빈도로 일어났을 가능성이 제기되며, 이는 초기 우주에서 H₂(분자 수소) 형성의 핵심 경로로 작용했을 수 있다는 가설에 힘을 싣는다. 별의 탄생을 이끈 단순한 분자 HeH⁺는 단순한 분자지만, 우주의 별 형성에 있어서는 복잡한 역할을 수행한다. 초기 우주는 별의 씨앗인 원시 성운들이 수축하며 온도가 올라가는 과정을 반복했는데, 이 과정에서 분자가 방출하는 복사에너지는 냉각을 유도하며 핵융합에 이르기까지의 임계 조건 형성에 기여했다. 수소 원자는 약 섭씨 1만도 이하에서는 효율적인 복사 냉각이 어려운 반면, HeH⁺는 그보다 낮은 온도에서도 분자 진동과 회전을 통해 효과적인 에너지 방출이 가능하다는 점에서 그 중요성이 재조명되고 있다. 우주 화학의 기원을 다시 쓰다 이번 실험은 '우주 화학의 시작'으로 불리는 초기 반응 경로를 실험적으로 재현하고, 그 반응 동역학을 정량적으로 규명한 첫 사례로 평가된다. HeH⁺는 2019년 허블우주망원경을 통해 행성상성운 NGC 7027(위 사진)에서 실제로 발견되며 천문학적으로도 그 존재가 확증된 바 있다. 이에 따라 실험적·이론적 데이터는 향후 우주 초기 분자 분포 모델과 별 형성 이론 정교화에 핵심 단서를 제공할 것으로 보인다. MPIK 연구진은 향후 다른 원시 분자들과의 반응성 실험도 확대해나갈 계획이며, 궁극적으로는 초기 우주의 분자적 진화 경로와 그에 따른 천체 형성 메커니즘을 체계화하는 데 기여할 것으로 기대된다. ◇ 참고 문헌: F. Grussie 외, “Experimental confirmation of barrierless reactions between HeH⁺ and deuterium atoms suggests a lower abundance of the first molecules at very high redshifts”, Astronomy & Astrophysics, 2025년 7월 24일. [DOI: 10.1051/0004-6361/202555316]
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[우주의 속삭임(132)] 138억 년 전 우주의 첫 분자 반응, 독일 실험실서 재현
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[ESGC] 미세플라스틱, 실내 흡입 하루 6만8천개 ⋯기존 추정치보다 100배 높아
- 집이나 자동차 등 일상 생활을 하는 공간에서 미세플라스틱을 하루에 무려 6만개 이상 흡입하는 것으로 나타났다. 플라스틱 입자 오염이 더 이상 해양이나 산업지역에 국한된 문제가 아니라는 사실을 입증하는 연구 결과가 나온 것. 실내 공기 속 미세플라스틱이 인체 건강에 미칠 잠재적 영향을 경고하는 이번 연구는, 우리가 일상생활 속에서 흡입하는 미세플라스틱의 양이 기존 추정보다 무려 100배에 달할 수 있음을 시사한다. 프랑스 툴루즈대학교(University of Toulouse) 나디아 야코벤코(Nadiia Yakovenko) 박사 연구팀은 최근 국제학술지 'PLOS'에 게재한 논문을 통해, 사람 한 명이 집이나 자동차 실내에서 하루 동안 흡입하는 1~10마이크로미터(㎛) 크기의 미세플라스틱이 평균 약 6만8000개에 달한다고 밝혔다. 이는 기존 연구들이 주로 20~200㎛ 크기의 입자만을 측정했던 것과 달리, 보다 정밀한 분석법을 통해 초미세 입자까지 정량화한 데 따른 결과다. 연구팀은 라만 분광법(Raman Spectroscopy)과 현미경 이미지를 분석하는 소프트웨어를 결합한 방법으로, 수 마이크로미터 크기의 입자까지 검출 가능한 측정 체계를 확립했다. 이를 통해 실내 공기 중 10~300㎛ 크기의 미세플라스틱은 하루 약 3200개, 110㎛ 입자는 약 6만8000개가 호흡기를 통해 흡입되고 있다는 결과를 도출했다. 야코벤코 박사는 "이번 연구는 미세플라스틱의 문제를 수면 위로 끌어올린 것이 아니라, 그 규모가 우리가 알고 있던 것보다 훨씬 크고 일상에 밀접하게 연관돼 있다는 점을 실증적으로 보여준다"고 말했다. 그는 이어 "이들 초미세 입자는 폐 깊숙이 침투해 염증이나 자극을 유발할 수 있으며, 일부는 비스페놀A(BPA)나 프탈레이트와 같은 유해 첨가물을 포함해 혈류로 유입될 가능성도 있다"고 경고했다. 실제로 미세플라스틱은 내분비계 교란, 신경발달 이상, 생식기 결함, 불임, 심혈관 질환, 암 등과의 연관성이 제기돼 왔지만, 대부분은 장기적인 노출에 따른 영향을 아직 명확히 규명하지 못한 상태다. 이번 연구는 그러한 잠재적 건강 영향을 과소평가할 수 없음을 시사한다는 점에서 주목된다. 플라스틱 입자는 주로 생활용품, 카펫, 합성 섬유 등 일상적 사용물의 마모와 열화로부터 기인한다. 특히 차량 내장재는 플라스틱 비중이 높고, 자외선과 고온 노출이 많아 미세 플라스틱 입자 분해가 더 빠르게 이뤄지는 것으로 알려져 있다. 최근 연구에서는 포장된 생수 한 병(500ml)에서 약 24만개의 미세플라스틱 조각이 발견되기도 했다. 이번 연구는 실내 공기 질에 대한 기존 연구들이 비교적 입자 크기가 큰 먼지를 중심으로 측정해 왔다는 점에서 방법론의 진전을 보여주는 사례로 평가된다. 야코벤코 연구팀은 향후 이 분석법을 병원, 학교, 사무공간 등 다양한 실내 환경에 적용해 미세플라스틱의 분포 특성과 노출 경로를 보다 체계적으로 파악할 계획이다. 전문가들은 미세플라스틱에 대한 사회적 인식과 정책 대응이 해양 생태계 오염 차원을 넘어, 생활공간의 실내 공기 질 개선과 재료 선택 기준까지 확장되어야 한다고 강조한다. 연구팀의 후속 연구가 공공위생과 소비자 안전 규범에 어떤 영향을 미칠지 주목된다.
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[ESGC] 미세플라스틱, 실내 흡입 하루 6만8천개 ⋯기존 추정치보다 100배 높아
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[우주의 속삭임(130)] 지구, 7월 22일 '역대 두 번째로 짧은 하루' 맞는다⋯지구 자전 이상 가속 지속
- 지구가 7월 22일, 24시간보다 1.34밀리초(ms, 1밀리초=0.001초) 빠르게 자전을 마치며 올해들어 역대 두 번째로 짧은 하루를 기록할 것으로 예측됐다. 이로써 최근 몇 년간 이어진 지구 자전 속도의 이상 가속 현상이 다시 한 번 확인됐다. 미 과학 전문 매체 스페이스닷컴은 21일(이하 현지시간), 지구의 자전이 1973년 원자시계 도입 이래 가장 빠른 속도로 진행되고 있으며, 올해 7월 10일은 올해 들어 가장 짧은 날로 하루가 통상보다 1.36밀리초 짧은 것으로 측정됐다고 전했다. CNN도 21일 타임 앤 데이트닷컴(timeanddate.com)에서 수집한 국제 지구 자전 및 기준 시스템 서비스(IERRS)와 미국 해군 천문대 데이터에 따르면 22일 역시 1.34밀리초 짧아져, 두 번째로 짧은 하루가 될 전망이라고 전했다. 또한 오는 8월 5일도 예외적으로 짧은 하루가 예상되며 1.25밀리초가 짧을 것으로 예측된다. 하루의 길이는 지구가 자전축을 중심으로 한 바퀴를 완전히 도는 데 걸리는 시간으로, 평균 24시간 또는 86,400초이다. 지구는 본래 달의 조석 마찰로 인해 자전 속도가 느려지고 있었으며, 이는 수십억 년에 걸쳐 하루의 길이를 약 19시간에서 현재의 24시간(86,400초)으로 늘려왔다. 하지만 2020년 이후부터 지구는 오히려 자전 속도를 높이며 잇따라 신기록을 갱신하고 있다. 특히 2024년 7월 5일에는 지구 자전이 기준보다 1.66밀리초 짧아지며 역대 가장 짧은 하루를 기록했다. 이러한 불일치는 장기적으로 컴퓨터나 위성, 통신에 영향을 미칠 수 있기 때문에 과학자들은 1955년 도입된 원자 시계를 사용해 아주 작은 시간 편차도 추적하고 있다. 원자 시계는 시계 내부 의 진공 챔버에 담긴 원자의 진동을 측정 하여 24시간을 최고 정밀도로 계산한다. 이렇게 계산된 시간을 세계 협정시(UTC)라고 하는데, 이는 약 450개의 원자 시계를 기반으로 하며 , 시간 측정의 세계 표준이자 모든 휴대폰과 컴퓨터의 시간 설정 기준이다. 1972년, 수십 년 동안 비교적 완만하게 자전하던 지구의 회전 속도가 원자시계 기준 시간보다 지나치게 늦어지자, 국제 지구 자전 및 기준 좌표 시스템 서비스(IERS)는 협정 세계시(UTC)에 '윤초'를 삽입할 것을 지시했다. 이는 그레고리력과 태양을 기준으로 한 지구 공전 주기 간의 오차를 보정하기 위해 4년에 한 번 2월에 하루를 더하는 윤년 제도와 유사하다. 1972년 이후 UTC에는 총 27회의 윤초가 삽입되었으나, 최근에는 지구 자전 속도가 빨라지는 추세를 보이면서 윤초 삽입 간격이 점차 길어졌다. 1970년대에만 9회의 윤초가 추가되었지만, 2016년을 마지막으로 더 이상의 윤초는 반영되지 않았다. 전문가들은 지구 자전의 이례적 가속 현상의 원인을 아직 명확히 파악하지 못하고 있다. 일부 연구는 북극 빙하의 융해와 해수면 상승에 따른 질량 재분포가 자전 속도에 영향을 미친다고 보았으나, 이는 가속보다는 완화 요인에 가깝다는 분석이다. 보다 유력한 원인으로는 지구 중심부 액체 핵의 회전 감속이 지각 및 맨틀에 각운동량을 재분배해 자전 속도를 높이는 메커니즘이 지목되고 있다. 러시아 모스크바국립대학교의 지구 자전 전문가 레오니드 조토프(Leonid Zotov) 교수는 "현재의 자전 가속은 대기나 해양 모델로는 설명할 수 없으며, 대부분의 과학자들은 그 원인이 지구 내부에 있을 것으로 보고 있다"고 밝혔다. 그는 또한 "지구의 자전은 곧 다시 느려질 가능성이 있으며, 최근의 급가속은 일시적인 현상에 불과할 수 있다"고 전망했다. 이같은 가속 현상이 지속될 경우, 2029년쯤에는 원자시계에서 1초를 줄여야 하는 '마이너스 윤초(negative leap second)'를 최초로 도입할 가능성도 제기된다. 이는 현재 시간 측정 체계에 중대한 기술적·물리적 도전을 안길 수 있는 변화로 평가된다. 지구의 회전은 그 자체로 인류의 시간 체계와 위성항법 시스템, 통신 기술에 큰 영향을 미친다. 따라서 과학자들은 이와 같은 변화의 원인과 향후 흐름을 정밀하게 관찰하며, 지구 내부와 외부 동역학에 대한 이해를 넓히고 있다.
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[우주의 속삭임(130)] 지구, 7월 22일 '역대 두 번째로 짧은 하루' 맞는다⋯지구 자전 이상 가속 지속
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[퓨처 Eyes(93)] 78만 년의 침묵을 깬 지구 자기장 역전의 '소리'⋯혼돈의 교향곡 재현됐다
- 독일 헬름홀츠 지구과학 연구센터(GFZ) 연구팀이 약 78만 년 전 발생한 지구의 거대한 격변, '마투야마-브룬헤스(Matuyama-Brunhes) 자기장 역전' 현상을 소리로 재현했다. 2024년 약 4만 1000년 전의 '라샴프 사건(Laschamps event)'으로 알려진 자기장 변화를 음향으로 복원하는 연구에 참여했던 과학자들이, 이번에는 훨씬 더 오래된 시대의 지질 데이터를 섬뜩한 청각 경험으로 되살려 학계의 주목을 받았다. 나침반이 언제나 지리적 북극을 가리킬 것이라 생각할 수 있지만, 실제로 지자기 북극과 지리 북극은 항상 일치하지 않는다. 일시적인 자기장 역전 현상은 물론, 태양의 자기장 변화처럼 지구 자기장도 수만 년에 걸쳐 극이 뒤바뀌는 역전 현상을 겪을 수 있다. 예를 들어 '마투야마-브룬헤스 역전' 당시에는 지자기 북극이 적도의 남쪽까지 이동했을 가능성이 제기된다. 이번 연구는 GFZ의 지구물리학자인 사냐 파노프스카와 아흐메드 나세르 마흐굽이 주도했다. 연구팀은 전 세계 시추 코어 퇴적물에 남은 고대 자기 데이터를 바탕으로 당시 지구 자기장 모델을 구축했다. 이후 막시밀리안 아르투스 샤너가 데이터를 시각화했고, 클라우스 닐센과 샤너가 음향화 작업을 맡아 소리를 완성했다. 땅속 액체 금속이 만든 '지구 방패막' 지구 자기장은 행성 중심부의 핵, 그중에서도 액체 상태인 외핵에서 소용돌이치는 초고온의 쇠와 니켈이 만들어낸다. 나침반에 의존하지 않고 항해할 수 있는 환경이라면 자기장의 변화가 큰 문제가 되지 않을 수도 있다. 하지만 지구의 거대한 자기장은 단순한 방향 표시 기능을 넘어, 우주로 수십에서 수백 킬로미터까지 뻗어 나가 지구를 둘러싼 자기권을 형성해 태양에서 쏟아지는 강력한 태양풍과 같은 고에너지 입자들로부터 지표를 보호하는 거대한 보호막 역할을 한다. 동시에 이 자기장은 극지방의 오로라를 만들어내는 장관의 원천이기도 하다. 그러나 이러한 지구 자기장은 생각보다 고정되어 있지 않다. 일예로 지난해 12월 자기북극의 위치가 업데이트 되기도 했다. 미국 항공우주국(나사·NASA)은 "지난 200년 동안 지구 자기장은 평균적으로 약 9% 약화된 것으로 알려져 있다"고 밝혔다. 다만, 고지자기(古地磁氣) 연구에 따르면 현재의 자기장은 지난 10만 년 동안 가장 강한 수준이며, 백만 년 평균보다도 두 배 가까이 강력하다는 분석도 있다. 1831년, 영국 해군 장교이자 극지 탐험가인 제임스 클라크 로스가 자기 북극의 정확한 위치를 처음으로 측정한 이후, 자기 북극은 북서쪽 방향으로 약 1,100km(600마일) 이상 이동했다. 이 이동 속도는 과거 연간 약 16km(10마일)에서 현재는 연간 약 55km(34마일)로 빨라지고 있다. 지자기 극은 수백 년에서 수천 년에 걸쳐 무작위로 뒤바뀔 수 있으며, 그 간격은 1만 년에서 최대 5000만 년 이상에 이른다. 앞서 언급했듯이 약 4만 1000년 전에는 '라샴프 사건(Laschamps event)'으로 알려진 일시적인 자기장 역전이 발생했다. 데이터가 보여주는 자기 역전 과정은 단순한 극의 이동이 아니다. 지구의 남북 자극은 깔끔하게 자리를 바꾸는 대신, 마치 술에 취한 듯 비틀거리며 여러 개의 자극으로 쪼개졌다가 불안정하게 합쳐지는 혼란스러운 과정을 느리게 반복한다. 연구팀이 재현한 소리는 처음에는 평온하지만, 이내 '불협화음의 혼돈'으로 돌변해 당시의 격변을 생생하게 들려준다. 마지막으로 지속된 자기극 역전은 약 78만 년 전에 발생했으며, 이 역전의 증거를 처음 발견한 지구물리학자들의 이름을 따서 '마투야마-부룬헤스 자기장 역전'이라고 명명됐다. 라샴프 사건은 지질학적 시간 척도에서 단기간 지속된 반면, 마투야마-브룬헤스 역전은 더 긴 시간 척도에서 발생한 것으로 여겨진다. 마투야마-브룬헤스 역전이 정확히 얼마나 지속되었는지는 아직 과학적 논쟁의 여지가 있으며, 더 높은 추정치는 역전이 2만 2000년 동안 지속되었음을 시사한다. 이 역전의 증거는 전 세계적으로 찾아볼 수 있으며, 주로 퇴적물 기록의 자기장선을 통해 확인할 수 있다. 빙하와 용암에 새겨진 78만 년의 흔적 자기장이 약해지면 더 많은 우주 방사선이 대기로 들어오는데, 이때 특정 물질(베릴륨-10 동위원소)이 평소보다 많이 만들어진다. 이 물질은 눈과 함께 쌓여 빙하 속에 그대로 기록된다. 유럽우주국(ESA)은 성명을 통해 "독일 포츠담에 있는 헬름홀츠 지구과학 센터(GFZ)의 연구진은 전 세계의 굴착 코어에서 채취한 퇴적물에서 추론한 고지자기 데이터를 바탕으로 역전 전, 역전 중, 역전 후의 자기장에 대한 글로벌 모델을 구축했다"고 설명했다. 연구팀은 남극이나 그린란드의 빙하를 깊게 파내어 (빙하 코어) 각 시대별 얼음층에 남은 베릴륨-10의 양을 분석해, 과거 자기장의 세기를 역으로 알아낸 것이다. 또한, 화산 폭발 시 용암이 굳는 과정에서 남겨진 자기 흔적을 통해서도 당시의 기록을 확인할 수 있다. 인류 조상도 겪은 2만 2천 년의 대격변 우리 조상인 호모 에렉투스(Homo erectus)는 이 기나긴 격변의 시기를 직접 겪었다. 과학자들은 자기 역전이 최대 2만 2000년까지 이어졌을 것으로 추정하지만, 이 기간에 대해서는 여전히 학계의 논쟁이 남아있다. 일부 연구에서는 자기장의 급격한 변화가 지구 생명체의 대멸종이나 기후 변화와 연관이 있다고 보기도 한다. 하지만 당시 인류에 관한 기록이 매우 드물어 구체적인 영향은 아직 명확히 밝혀지지 않았다. 자기 역전 다시 올까?…미래 예측과 현대 기술의 과제 지질학에서 마투야마-브룬헤스 역전은 '중기 플라이스토세(Middle Pleistocene)'라는 지질 시대의 시작을 알리는 중요한 기준점이다. 만약 현대 사회에서 이 정도 규모의 자기 역전이 다시 일어난다면 전력망, 통신, GPS 위성 항법 같은 현대 사회의 핵심 기반 시설에 심각한 장애를 일으킬 수 있다. 최근 남대서양에서 나타난 자기장 이상 현상 탓에 일시적인 불안감이 커지기도 했으나, 전문가들은 지구가 곧 자기장 역전을 겪을 징후는 없다고 분석했다. 1830년대 이후 자기장 세기가 약 10% 줄어든 것은 사실이지만, 미국 지질조사국(USGS) 역시 자기장 세기 감소가 반드시 극성 역전의 전조는 아니라고 설명한다. 오히려 자기장 세기는 자연스럽게 오르내릴 수 있으며, 앞으로 다시 강해질 수도 있다. 연구를 이끈 헬름홀츠 지구과학 연구센터의 사냐 파노프스카 연구원은 "이처럼 큰 사건을 이해하는 일은 앞으로의 우주 기후 예측, 환경 영향 평가, 지구 체계의 장기 변화를 파악하는 데 필수적"이라고 강조했다. 78만 년 전의 자기장 역전은 단순한 극의 교체가 아닌 수만 년에 걸친 혼돈의 시기였다. 그 정확한 영향은 아직 알 수 없지만, 인류와 지구 생명체 진화에 중요한 배경이 된 것은 분명하다. 소리로 되살린 이 사건은 현대 인류 출현의 무대를 마련한, 잊히지 않는 노래와 같다.
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- 포커스온
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[퓨처 Eyes(93)] 78만 년의 침묵을 깬 지구 자기장 역전의 '소리'⋯혼돈의 교향곡 재현됐다
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[신소재 신기술(187)] 상용 반도체 공정으로 세계 최초 '전자–광자–양자 통합칩' 구현
- 양자 기술의 상용화를 향한 중요한 진전을 알리는 연구 성과가 미국에서 나왔다. 미국 보스턴대학교, UC버클리, 노스웨스턴대학교 공동 연구진은 세계 최초로 전자 회로·광자 소자·양자 광원을 단일 칩 위에 통합한 양자-전자-광자 집적 칩(quantum–electronic–photonic chip)을 구현했다고 밝혔다. 이번 칩은 상용화된 45나노미터급 CMOS(상보성 금속산화막 반도체) 제조 공정을 활용해 제작된 것으로, 상업용 반도체 제조라인에서 양자광학 수준의 정밀성과 실시간 제어 기능을 구현했다는 점에서 주목된다. 이는 향후 양자 컴퓨팅, 양자 센싱, 양자 암호통신 등 다양한 응용 분야의 확장성을 크게 높일 것으로 기대된다. 해당 연구 결과는 '네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)'에 게재됐으며, 과학 기술 전문 매체 인터레이스팅엔지니어링, 텍크 익스플로어 등 다수 외신이 14일(현지시간) 보도했다. 연구를 주도한 보스턴대학교 밀로시 포포비치 교수는 "양자 기술은 수십 년간 개념에서 현실로 나아가는 긴 여정을 걷고 있다"며, "이번 연구는 소규모지만, 상용 반도체 공정을 통해 재현 가능하고 제어 가능한 양자 시스템을 제작할 수 있음을 증명했다는 점에서 매우 중요한 발걸음"이라고 평가했다. 노스웨스턴 대학교 전기컴퓨터공학과 교수이자 양자 광학 분야의 선구자인 프렘 쿠마르는 "이 연구에 필요한 학제 간 협력은 바로 양자 시스템을 실험실에서 확장 가능한 플랫폼으로 옮기는 데 필요한 것"이라면서 "전자공학, 광자공학, 그리고 양자 측정 분야의 공동 노력이 없었다면 이 연구는 불가능했을 것"이라고 밝혔다. 이번에 개발된 칩은 가로세로 1㎟ 이하 면적에 독립된 12개의 양자광원을 탑재하고 있으며, 각 광원은 마이크로링 공진기를 통해 상관된 광자 쌍(photon pairs)을 생성한다. 이 광자 쌍은 양자 얽힘 기반 통신 및 계산, 고감도 센싱 등에 핵심적으로 활용된다. 다만 마이크로링 공진기는 온도 변화 및 제조 편차에 매우 민감해 광자 생성을 불안정하게 만드는 한계가 있었는데, 이를 해결하기 위해 연구팀은 칩 내부에 실시간 제어 회로 및 피드백 루프를 삽입했다. 광 다이오드가 레이저 정렬 오차를 감지하고, 내장된 히터와 제어 로직이 자동으로 온도 및 공진 조건을 보정해주는 방식이다. 이 과정을 이끈 노스웨스턴대 박사과정 아니루드 라메시는 "양자 시스템의 실시간 안정화 제어를 온칩(on-chip) 방식으로 구현한 것은 확장 가능한 양자 시스템을 향한 핵심 진전"이라며 기술적 의의를 강조했다. '온칩(on-chip)' 방식이란, 하나의 반도체 칩 내부에 다양한 기능이나 소자를 통합하여 구현하는 방식을 의미한다. 다시 말하면, 온칩 방식은 복잡한 기능을 하나의 칩에 통합해 고성능·소형화·자동화를 가능하게 하는 핵심 기술이다. 칩 설계 측면에서는 양자광학 소자의 고성능 요건을 충족하면서도 상업용 CMOS 플랫폼의 물리적·전기적 제약을 동시에 만족시키는 것이 가장 큰 도전이었다. 포토닉 설계를 주도한 보스턴대 임버트 왕 박사과정 연구원은 "기존 양자광학 설계방식을 넘어, CMOS 공정 한계 내에서 설계 최적화를 이뤄야 했다"고 설명했다. 이번 칩은 AI 연산 및 고속 데이터 전송을 위한 상용 집적 플랫폼으로도 알려진 45nm CMOS 공정을 활용해 제작됐다. 해당 공정은 보스턴대, UC버클리, 글로벌파운드리즈(GlobalFoundries), 아야랩스(Ayar Labs) 등이 공동 개발한 것으로, 이번에는 노스웨스턴대가 양자 시스템 통합에 협력하며 응용 범위를 한층 확장했다. UC버클리의 칩 설계를 총괄한 대니얼 크람닉 박사과정 연구원은 "양자 시스템, 전자 회로, 광학 설계라는 서로 다른 영역의 긴밀한 협력이 없었다면 불가능한 성과였다"고 말했다. 한편 이 연구에 참여한 일부 학생 연구원들은 이미 사이퀀텀(PsiQuantum), 아야랩스, 구글X 등 실리콘 포토닉스 및 양자컴퓨팅 스타트업과 연구소에 진출해 기술 상용화를 이어가고 있다. 이번 연구는 미국 국립과학재단(NSF), 패커드 펠로우십(Packard Fellowship), 글로벌파운드리즈의 지원을 받아 진행됐다.
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- IT/바이오
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[신소재 신기술(187)] 상용 반도체 공정으로 세계 최초 '전자–광자–양자 통합칩' 구현
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[우주의 속삭임(129)]NASA, '미스터리 슈퍼지구' 발견⋯154광년 거리서 주기적 섬광
- 주기적인 섬광으로 신호를 보내는 '미스터리 슈퍼지구'가 발견됐다. 미국 항공우주국(NASA)이 지구에서 약 154광년 떨어진 외계 행성 'TOI-1846 b'를 새롭게 확인했다고 데일리 메일, 어스닷컴 등 다수 외신이 14일(현지시간) 보도했다. 이 행성은 지구보다 약 두 배 크고 네 배 무거운 '슈퍼지구'로, 특이한 점은 해당 천체가 주기적으로 정체불명의 신호에 해당하는 광도 변화를 보이고 있다는 점이다. NASA는 지난 2018년 발사한 TESS(Transiting Exoplanet Survey Satellite) 우주망원경을 통해 이 같은 현상을 포착했으며, 이후 지상 관측소와의 추가 합동 분석을 통해 2025년 3월 TOI-1846 b의 존재를 확정했다. 해당 행성은 작고 서늘한 적색왜성 주위를 불과 4일마다 1회 공전하며, 이 과정에서 별빛이 반복적으로 감소하는 신호가 발생해 과학자들의 주목을 받았다. '적색 왜성'은 태양의 크기와 질량의 약 40%이며, 약 1800℃(6000℉)의 뜨거운 빛을 내기때문에 생명체 거주 가능 영역이 태양보다 훨씬 가깝다. 또한 적색 왜성은 우리 은하 별의 약 75%를 차지하며, 그 중 다수는 지구 근처에 위치한다. 이번 발견의 주저자인 모로코 우카이메덴 천문대의 압데라흐만 수브키우 연구원은 "TESS 관측 자료뿐 아니라 다중 색상의 지상 광학 자료, 고해상도 영상 및 분광 관측을 활용해 행성의 존재를 검증했다"고 밝혔다. 해당 연구는 미국 코넬대학교에서 운영하는 무료 논문 저장 사이트 '아카이브(arXiv)'에 게재됐다. TOI-1846 b는 '반지름 간극(radius gap)'으로 불리는 희귀한 분류에 속한다. TOI-1846 b 표면 온도는 섭씨 약 316℃(약 600℉)로 추정되지만, 고체 핵과 얼음층, 얕은 바다나 얇은 대기를 가질 가능성도 제기되고 있다. 다시 말하면, '반지름 간극(radius gap)'은 외계 행성 연구 분야에서 사용되는 용어로, 행성의 반지름 분포에서 특정 크기대의 행성이 거의 발견되지 않는 현상을 의미한다. 구체적으로는 지구형 암석 행성(반지름 약 1~1.5배 지구 크기)과 해왕성형 가스 행성(반지름 약 2~4배 지구 크기) 사이에 행성 발견 수가 급감하는 구간이 존재하며, 이 간격을 '반지름 간극'이라고 한다. 이 용어는 외계 행성의 형성과 진화를 이해하는 데 핵심적인 개념으로, 최근 행성 대기의 존재 유무와 생명체 거주 가능성 분석에서도 매우 중요한 연구 대상이다. 관측에 따르면 이 행성은 항성에 대해 조석 고정(tidally locked) 상태일 가능성이 높다. 즉, 한 면은 항성을 계속 향하고 다른 면은 영구적인 어둠에 놓이게 되며, 이러한 극단적인 온도차는 물이 냉각 지역에 포획되는 조건을 만들어낼 수도 있다. 또한 이 행성을 불과 4일 만에 항성을 공전하며, 수성이 우리 태양에 머무르는 거리보다 태양에 훨씬 더 가까이 머물러 있다. NASA는 향후 제임스 웹 우주망원경(JWST)을 통해 TOI-1846 b의 대기 구성 성분을 분석할 계획이다. 적외선 관측을 통해 수증기, 메탄, 이산화탄소 등 생명 가능성과 관련된 기체를 탐지할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 이와 함께 하와이 제미니 천문대의 MAROON-X 등 지상 기반 고감도 장비도 별의 미세한 요동을 측정해 질량을 정밀 검증하고, 추가 행성 존재 가능성까지 조사하고 있다. 실제로 TOI-1846 b의 궤도에서 포착된 미세한 움직임은, 이 행성 이외에도 다른 행성이 더 있을 가능성을 시사한다. 아직 확인되지는 않았지만, 보다 바깥쪽의 보다 서늘한 '생명체 거주가능 영역'에 또 다른 행성이 존재할 수 있다는 전망도 제기된다. 이번 발견은 최근 보고된 또 다른 슈퍼지구 'TOI-715 b'와 더불어, 항성의 복사선에 의해 대기를 잃는 행성과 그렇지 않은 행성 간의 진화 차이를 이해하는 데 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다. 특히 우리 은하 내 별의 약 75%를 차지하는 적색왜성 주변의 행성들을 분석함으로써, 은하계 내 숨겨진 '거주 가능 세계'의 수를 예측하는 데 핵심적 역할을 할 것으로 보인다. TOI-1846 b의 발견은 인간이 우주에서 생명체가 살 수 있는 또 다른 터전을 찾는 여정에 의미 있는 진전을 더한 사례로 평가된다.
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[우주의 속삭임(129)]NASA, '미스터리 슈퍼지구' 발견⋯154광년 거리서 주기적 섬광
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[신소재 신기술(186)] AI가 설계한 차세대 냉각 소재⋯실내 온도 낮추고 에너지 소비 줄인다
- 인공지능(AI)을 활용해 설계된 새로운 열 방출 소재가 개발돼 냉방 효율을 획기적으로 개선하고, 주거·의류 산업·우주 분야까지 폭넓은 적용 가능성을 제시하고 있다. 미국 텍사스대학교 오스틴캠퍼스 연구진은 중국 상하이교통대, 싱가포르국립대, 스웨덴 우메오대 등과 공동으로, AI 기반 머신러닝 기법을 활용해 3차원 열 메타 방출체(thermal meta-emitter)를 설계하는 프레임워크를 개발했다고 밝혔다. 해당 연구는 국제학술지 네이처(Nature) 7월호에 게재됐다. 연구팀은 이를 통해 총 1,500종 이상의 독자적 소재를 설계했으며, 이러한 소재들은 복잡한 열 방출 특성을 조절함으로써 에너지 효율을 극대화할 수 있도록 고안됐다. 텍사스대 기계공학과의 유빙 정(Yuebing Zheng) 교수는 "기존 방식은 시도와 오류에 의존해 설계 속도와 정확도에 한계가 있었지만, 이번 프레임워크는 설계 공간을 비약적으로 확장함으로써 이전에는 상상조차 어려웠던 고성능 소재를 현실화했다"고 설명했다. 실제 냉각 실험에서도 효과가 입증됐다. 연구진은 설계된 4종의 메타 방출체 중 하나를 모형 주택의 지붕에 적용해 기존 상용 백색·회색 도료와 비교했다. 정오 기준 직사광선 하에서 4시간이 지난 뒤, 해당 메타 방출체를 적용한 지붕의 표면 온도는 기존 도료 대비 평균 5~20도 낮게 유지됐다. 이 같은 성능을 기반으로 연구진은, 고온 도시인 리우데자네이루나 방콕의 아파트에 적용할 경우 연간 약 1만5,800킬로와트시(kWh)의 에너지를 절감할 수 있을 것으로 추정했다. 이는 일반적인 에어컨 한 대가 연간 소비하는 전력량(약 1,500kWh)의 10배가 넘는 수치다. 연구진은 해당 소재의 활용 분야가 단순 주거·상업용 냉방을 넘어 도시환경, 항공우주, 섬유, 자동차 등 다방면으로 확장될 수 있다고 보고 있다. 예를 들어 도심 건축물에 적용할 경우 열섬현상을 줄이고, 우주선 외부에 활용하면 태양광 흡수와 복사열 방출을 동시에 조절해 내부 온도를 효과적으로 관리할 수 있다는 설명이다. 소비자용 제품에도 적용 가능성이 높다. 이 소재를 의류나 캠핑 장비에 접목하면 더운 환경에서도 착용자의 체온 상승을 억제할 수 있고, 차량 외장재나 내장재로 활용할 경우 햇빛 아래 장시간 주차된 차량의 내부 온도를 낮추는 데 기여할 수 있다. 정 교수는 "기존 자동화 설계 방식은 단층 박막 구조나 평면 패턴 등 단순한 형태만 구현 가능했으나, 이번 프레임워크는 다층적이고 입체적인 구조 설계가 가능해 실질적인 성능 향상이 가능하다"고 밝혔다. 해당 연구를 공동 주도한 카이 야오(Kan Yao) 박사는 "AI가 모든 문제의 해답은 아니지만, 열 방출체처럼 스펙트럼 조절이 핵심인 소재 설계에서는 머신러닝이 최적의 해법이 될 수 있다"고 강조했다. 연구진은 향후 이 프레임워크를 나노광학(nanophotonics) 분야 전반에 확장 적용할 계획이다. 나노광학은 빛과 물질이 나노미터 수준에서 상호작용하는 영역으로, 센서·이미징·에너지 기술 등 차세대 광학 기술의 핵심으로 주목받고 있다. 이번 논문은 AI 기반 신소재 설계가 실험적 한계를 넘어 상용 기술로 이어질 수 있는 가능성을 제시한 사례로 평가된다. 향후 기후변화 대응 및 에너지 효율화 기술 발전의 새로운 전환점이 될 수 있을지 주목된다.
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[신소재 신기술(186)] AI가 설계한 차세대 냉각 소재⋯실내 온도 낮추고 에너지 소비 줄인다
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[우주의 속삭임(127)] NASA, 태양 대기에서 '헬리시티 장벽' 첫 발견
- 미국 항공우주국(NASA)의 태양탐사선 '파커 솔라 프로브(Parker Solar Probe)'가 태양 외곽 대기인 코로나(corona)에서 '헬리시티 장벽(helicity barrier)'으로 불리는 새로운 물리적 구조의 증거를 포착했다. 이는 1939년 이후 물리학계가 85년 동안 풀지 못했던 태양 대기 고온 현상, 이른바 '코로나 가열 문제(coronal heating problem)'의 해명을 향한 중대한 진전을 의미한다고 과학 전문매체 IFL사이언스가 지난 10일(현지시간) 보도했다. 태양탐사선 파커 솔라 프로브는 2018년 발사돼 지금까지 24차례에 걸쳐 태양에 근접 비행을 수행했으며, 지난 6월에는 인류가 제작한 물체 중 최고 속도인 시속 69만2000km(430,000마일)를 기록하며 태양 대기 깊숙이 접근했다. 이 탐사선은 태양의 대기 구조, 태양풍 가속 원인, 플라스마 거동 등 태양물리학의 핵심 난제를 규명하기 위한 목적으로 운용되고 있다. 태양은 중심부에서 수소를 헬륨으로 융합시키며 약 1,500만℃의 온도를 발산하지만, 외부 대기인 코로나는 표면 온도(약 5,500℃)보다 훨씬 높은 200만℃ 이상으로 측정된다. 고온의 중심에서 멀어질수록 오히려 온도가 높아지는 이 현상은 기존 열역학 법칙으로 설명하기 어렵다는 점에서 오랫동안 과학자들의 의문을 자아냈다. 기존 이론은 코로나 내 난류 또는 이온 사이클로트론 파(ion cyclotron wave) 같은 자기파에 의한 에너지 전달을 가열 원인으로 제시해왔지만, 각 이론은 전자와 이온의 온도 차이 또는 파의 생성량 부족 등 결정적인 설명력을 확보하지 못했다. 이번 연구에서 제안된 '헬리시티 장벽' 이론은 이러한 기존 가설들의 결점을 상호 보완해주는 개념이다. 연구진은 이를 물이 산을 따라 흐르다 댐에 가로막혀 에너지가 특정 방식으로 전환되는 현상에 비유했다. 즉, 헬리시티 장벽은 전자의 직접 가열을 차단하고 에너지를 이온 사이클로트론 파로 우회시켜 이온 가열을 유도하는 작용을 한다는 것이다. 논문 공동저자인 로망 메이랑 박사(영국 퀸메리 런던대)는 "헬리시티 장벽이 존재하면 난류 소산 구조가 변화하며, 플라스마 가열 방식 자체가 달라진다"고 설명했다. 연구진은 파커 탐사선이 수집한 태양풍 자기장 데이터를 바탕으로, 열에너지 대비 자기에너지가 높은 조건에서 장벽 형성이 가능함을 이론적으로 예측하고, 실제로 해당 조건에서 자기장 요동이 예측대로 변화함을 관측했다. 이 조건은 태양 근접 환경에서 자주 나타나는 것으로 확인됐다. 논문은 '피지컬 리뷰 X(Physical Review X)' 최신호에 게재됐으며, 논문 저자이자 퀸메리 런던대 우주플라스마물리학 리더인 크리스토퍼 첸 박사는 "이번 연구는 난류 소산의 근본 물리와 태양풍 가속 메커니즘에 대한 이해를 확장시켰으며, 향후 우주 기상(space weather) 예측의 정밀도를 높이는 데에도 기여할 것"이라고 평가했다. 연구진은 이번 결과가 우리 태양뿐 아니라, 자기적 구조와 고온 플라스마가 공존하는 외부 우주 환경에서도 유사하게 적용될 수 있다고 밝혔다. 제1저자인 잭 맥킨타이어 박사과정 연구원은 "헬리시티 장벽 개념은 코로나 내 수소 이온이 전자보다 항상 뜨거운 이유를 설명하며, 우주 플라스마의 보편적 난류 특성 이해에 중요한 시사점을 제공한다"고 덧붙였다.
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[우주의 속삭임(127)] NASA, 태양 대기에서 '헬리시티 장벽' 첫 발견
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[ESGC] 대서양 나노플라스틱 오염, 기존 추정치 훌쩍 넘어⋯'보이지 않는 공포'
- 대서양에 나노플라스틱이 무려 2700만톤이나 떠다니고 있는 것으로 밝혀졌다. 유럽 연구진이 북대서양 전역에서 해수 샘플을 채취해 분석한 결과, 인간 눈에 보이지 않을 정도로 미세한 '나노플라스틱'이 해양 전반에 광범위하게 퍼져 있으며, 특히 수면 근처와 유럽 해안 인근에서 고농도로 발견됐다. 해당 연구 결과에 대해서는 사이멕스(scimex), 유렉얼랏, 뉴욕타임스 등 다수 외신이 10일 보도했다. 해당 내용은 국제학술지 '네이처(Nature)'에 최근 게재됐다. 유렉얼럿에 따르면 로열 네덜란드 해양연구소(NIOZ)와 위트레히트 대학교가 시행한 연구는 해양 나노플라스틱 양에 대한 최초의 추정치를 제공한다. 이번 조사는 NIOZ와 위트레히트 대학교를 포함한 공동 연구팀이 북대서양 12개 지점에서 다양한 수심에서 채취한 해수 시료를 분석하는 방식으로 진행됐다. 그 결과, 수면에서 10미터 깊이의 해수 1세제곱미터(m³)당 평균 18.1밀리그램의 나노플라스틱이 포함된 것으로 나타났으며, 유럽 해안 인근의 샘플에서는 이보다 높은 25밀리그램의 농도가 측정됐다. 해저 부근에서는 평균 5.5밀리그램 수준이었다. NIOZ 연구원이자 위트레흐트 대학교 지구화학 교수인 헬게 니만은 "해수에 나노플라스틱이 존재한다는 것을 보여주는 논문이 몇 편 있었지만, 지금까지 그 양을 추정할 수 없었다"며 해양 과학자들과 위트레흐트 대학교의 대기 과학자 두샨 마테리치(Dušan Materić) 박사의 지식이 힘을 합쳐 이 최초의 추정치를 얻을 수 있었다고 밝혔다. 연구를 이끈 두샨 마테리치 박사팀은 특히 북대서양 수면 10미터 이내에 존재하는 나노플라스틱의 총량이 2,700만 톤에 이를 것으로 추정했다. 이는 그간 전 세계 바다 전체에 존재하는 것으로 여겨졌던 나노플라스틱 양과 비슷한 수준으로, 해양 오염에 대한 기존 추정이 매우 심하게 과소평가됐을 수 있음을 시사한다. 나노플라스틱은 지름이 1마이크로미터(1μm, 1000분의 1mm) 이하인 미세한 플라스틱 조각으로, 바다에서 자외선과 파도 등의 물리적 작용으로 만들어진다. 일반적인 미세플라스틱과 달리 생물학적 장벽을 쉽게 통과할 수 있어 어류 등 해양 생물체 내에 축적될 가능성이 높다. 연구진은 "나노플라스틱이 해양 생태계에 가장 심각한 위협이 될 수 있다"며 "대서양에 축적된 플라스틱 질량 중 대부분은 나노 수준일 가능성이 높다"고 분석했다. 니만과 동료들은 예를 들어 1마이크로미터 이하의 크기로 아직 발견되지 않은 다양한 종류의 플라스틱에 대한 추가 연구를 수행할 계획이다. 니만은 "예를 들어, 나노플라스틱에서 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌은 발견되지 않았다. 이 연구에서 다른 분자에 의해 가려졌을 가능성이 있다. 또한 나노플라스틱이 다른 바다에도 풍부한지 알고 싶다. 그럴 가능성은 있지만, 아직 증명되지 않았다"고 덧붙였다. 니만은 바닷물 속 나노플라스틱의 양이 중요한 미비점이었지만, 이제는 아무런 조치도 취할 수 없다고 강조했다. 그는 "바닷물에 존재하는 나노플라스틱은 결코 정화될 수 없다. 따라서 이 연구의 중요한 메시지는 적어도 플라스틱으로 인한 환경 오염을 막아야 한다는 것"이라고 말했다. 이번 연구는 해양 플라스틱 문제의 양적·질적 위협을 동시에 드러낸 사례로 평가된다. 시각적으로 확인하기 어려운 나노 단위 오염물질이 해양 생물과 먹이사슬, 나아가 인간 건강에도 영향을 미칠 수 있다는 점에서 향후 보다 정밀한 모니터링과 국제적 규제 논의가 요구된다.
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[ESGC] 대서양 나노플라스틱 오염, 기존 추정치 훌쩍 넘어⋯'보이지 않는 공포'
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[우주의 속삭임(126)] 올여름 지구 자전 속도 왜 빨라지나?
- 달의 질량 이동으로 올해 7월과 8월의 일부 날에서 '짧은 하루'가 예고됐다. 올여름 지구의 자전 속도가 일시적으로 빨라지면서 7월 9일, 7월 22일, 8월 5일 등 일부 날짜에는 하루가 평소보다 짧아질 전망이라고 과학 기술 전문매체 라이브사이언스가 보도했다. 하루 길이는 각각 1.3~1.51밀리초(1밀리초=0.001초)가량 줄어들 것으로 과학자들은 내다봤다. 이는 달의 위치가 지구 자전에 영향을 주기 때문이다. 지구가 하루에 한 바퀴 자전하는 데 걸리는 시간은 약 86,400초, 즉 24시간이다. 하지만 이 자전 속도는 일정하지 않다. 달과 태양의 위치, 지구 자기장 변화, 지각 내 질량의 재배치 등 다양한 요인들이 영향을 미친다. 특히 달이 극지방 가까이 위치하게 되면 지구의 자전 속도가 증가하는 경향을 보인다. 이 현상은 마치 팽이를 잡고 돌릴 때 손의 위치에 따라 회전 속도가 달라지는 것과 유사하다. 이러한 물리적 변화의 또 다른 원인으로는 지구의 계절적 질량 이동이 있다. 영국 리버풀대학의 천체물리학자 제임스 홈(James Holme) 교수는 "북반구에는 남반구보다 육지가 많다. 북반구 여름철이면 나무에 잎이 자라며 지상의 질량이 공중으로 이동하는데, 이는 지구의 자전축에서 더 멀어지는 방향으로 질량이 분포되는 것"이라고 설명했다. 그는 이어 "빙상 선수가 팔을 몸에 바짝 붙이면 회전이 빨라지고, 팔을 벌리면 느려지는 것처럼, 지구의 질량이 중심에서 멀어지면 회전 속도는 느려지고 하루는 길어진다"고 부연했다. 지구의 자전 속도는 이처럼 질량의 위치와 분포에 민감하게 반응한다. 하지만 일반인이 느끼기엔 이런 변화는 미미한 수준이다. 하루가 1.5밀리초 짧아진다고 해도 시계는 여전히 24시간을 가리킨다. 시차나 표준시 변동도 없다. 실제로 시간대 조정이 필요한 경우는 하루 길이의 차이가 0.9초(900밀리초)를 초과할 때뿐인데, 이는 단 하루 만에 발생한 적은 없다. 다만 장기적으로 볼 때 지구의 자전과 시계 간 불일치는 축적된다. 이를 조정하는 역할은 국제지구자전서비스(IERS·International Earth Rotation and Reference Systems Service)가 맡고 있다. 이 기구는 지구 자전 주기와 협정세계시(UTC)의 차이를 감시하고 있으며, 필요할 경우 '윤초(leap second)'를 삽입해 시간 오차를 보정한다. 지난 수십 년간 총 27회의 윤초가 도입됐다. 한편 과거에는 지구 자전이 지금보다 훨씬 빨랐다. 약 10억~20억 년 전에는 하루가 고작 19시간에 불과했던 것으로 분석된다. 이는 달이 당시 더 가까이 있었고, 그만큼 강한 중력을 행사했기 때문이다. 시간이 흐르며 달이 멀어졌고, 지구의 자전도 점차 느려져 쥐라기 시대(약 2억130만년~1억 4500만년 전)에는 하루가 약 23시간이었으며 오늘날에는 24시간에 이르렀다. 하지만 최근에는 반대로 지구가 다시 빨라지는 추세도 관측되고 있다. 2011년 일본을 강타한 규모 8.9의 지진은 지구의 자전을 가속화해 표준 24시간의 길이를 1.8마이크로포(0.0018밀리초) 단축시켰다. 2020년 이후 과학자들은 지구 자전 속도가 빨라지고 있다고 보고했으며, 2024년 7월 5일에는 기록상 가장 짧은 하루가 관측되기도 했다. 당시 하루 길이는 표준 시간인 86.400초보다 1.66밀리초 짧았다. 지구 자전 속도의 이러한 미세한 일일 변동은 1950년대 원자시계를 통해 측정되기 시작했다. 올 여름에는 달이 지구 적도에서 가장 멀리 떨어져 있는 날이 3일이나 된다. 과학자들은 이로 인해 지구의 시간이 미세하게 변화해 △7월 9일은 낮이 1.30밀리초 단축되며, △7월 22일 지구는 하루 중 1.38밀리초를 잃고, △8월 5일은 낮이 1.51밀리초 단축될 것으로 예측했다. 이러한 변화는 위성항법 시스템(GPS), 원자시계 기반 정밀 기술, 통신 및 금융망 등에 미세한 영향을 줄 수 있다. 과학자들은 이러한 자전 속도 변동을 지속적으로 관측하고 있으며, 이로 인한 장기적인 시간 기준 체계의 보정 가능성도 주시하고 있다. 한편, 과학자들은 지구의 하루 길이가 매 세기마다 약 1.7밀리초씩 증가하고 있다는 사실을 발견했다. 시간이 지날수록 그 차이는 커져서 지금부터 약 2억년 후에는 하루가 25시간이 될 것으로 예상하고 있다. 이처럼 겉으로는 평온해 보이는 지구의 하루 24시간조차, 사실은 끊임없이 변화하고 있는 역동적인 우주 자연 현상의 결과임을 다시금 보여주는 사례다.
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- 포커스온
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[우주의 속삭임(126)] 올여름 지구 자전 속도 왜 빨라지나?
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[기후의 역습(152)] "빙하 녹으면 화산 폭발 급증"⋯지구 온난화 '숨은 재앙' 드러나
- 지구온난화로 인한 빙하 해빙이 장기적으로 화산 분화 가능성을 높일 수 있다는 연구 결과가 발표됐다고 인사이드 클라이밋 뉴스가 7일(현지시간) 보도했다. 특히 남극과 같은 고위도 지역에서 해빙이 화산 활동을 촉진하고, 이로 인한 분화가 다시 기후에 영향을 주는 '피드백 루프'가 발생할 수도 있다는 우려가 제기됐다. 미국 위스콘신대학교 브래드 싱어(Brad Singer) 교수 연구팀은 칠레 안데스 산맥에 위치한 여섯 개 화산에서 수집한 암석의 지화학 분석을 통해, 마지막 빙하기 이후 빙하가 사라지며 화산 활동이 증가한 사실을 규명했다. 이 연구는 미국 국립과학재단(NSF) 지원으로 진행됐으며, 7일 체코 프라하에서 열린 과학 학술회의에서 공개됐다. 싱어 교수는 "두꺼운 빙하가 화산의 '뚜껑' 역할을 하다가, 얼음이 녹으면서 갑작스럽게 내부 압력이 해소돼 분화가 발생할 수 있다"며, "빙하가 사라지자마자 분출 빈도뿐 아니라 용암의 화학 조성에도 뚜렷한 변화가 관측됐다"고 밝혔다. 그는 이를 "콜라 병이나 샴페인 병의 뚜껑을 열었을 때와 비슷한 현상"이라고 설명했다. 빙하기 절정기인 약 1만4000년~2만 년 전, 빙하 아래에 갇힌 마그마는 실리카가 풍부한 결정 구조를 형성하며 기체를 가두었고, 이는 폭발적 분화를 유발하는 요인이 됐다고 연구진은 분석했다. 당시의 화산재는 수 킬로미터 상공까지 분출돼 성층권에 도달했을 가능성도 있는 것으로 추정된다. 특히 연구진은 남극 서부 빙상 아래 존재하는 100개 이상의 화산에도 주목했다. 해당 지역은 이미 해수 온난화로 인해 하부에서 떠받치는 빙붕이 녹고 있으며, 지각에 균열이 있는 화산 지대가 존재할 가능성이 크다고 지적했다. 싱어 교수는 "이런 지역에서 빙하가 급격히 사라질 경우, 화산 활동이 빠르게 증가할 수 있다"며 "화산이 빙하 아래에서 분출하면 하부에서 빙하를 녹이며 해수면 상승을 가속화할 수 있다"고 경고했다. 공동연구자인 파블로 모레노 야에거(Pablo Moreno-Yaeger)는 "얼음은 마치 뚜껑처럼 작용해 화산 내부의 마그마 조성을 바꾸고, 빙하가 사라지면 더 폭발적인 분화로 이어질 수 있다"고 덧붙였다. 실제로 아이슬란드에서는 1970년대부터 빙하와 화산의 상관관계에 대한 연구가 진행되어 왔으며, 2016~2017년에는 카틀라(Katla) 화산에서 하루 최대 2만 4000톤의 이산화탄소가 분출된 것으로 측정됐다. 이는 아이슬란드 전체 화산 이산화탄소 배출량 추정치를 웃도는 수치다. 또한 해빙으로 인해 방출되는 대규모 담수의 중량은 지각에 수압을 가중시켜 지진 활동까지 유발할 수 있다는 연구도 나왔다. 2024년 발표된 논문에 따르면, 댐 수위가 높을 때 지진 발생 가능성이 증가하듯, 해수면 상승도 지진을 유발할 수 있는 요소다. 영국 옥스퍼드대학교의 화산학자 데이비드 파일(David Pyle)은 이번 연구에 대해 "기후 변화에 따른 빙하 질량 변화와 화산 활동 사이의 연계를 뒷받침하는 중요한 증거"라고 평가했다. 한편, 안데스 화산들의 경우 빙하 해빙 이후 수천 년의 시차를 두고 화산 활동이 증가한 것으로 나타나, 이런 변화가 즉각적이지는 않다는 점도 강조됐다. 싱어 교수는 "화산 폭발 시점은 예측하기 어렵지만, 해빙이 이어질수록 더 많은 화산이 깨어날 가능성은 분명하다"며 "화산 분출이 다시 얼음을 녹이고, 그로 인해 해수면이 상승하는 '부정적 피드백 루프'가 현실이 될 수 있다"고 경고했다.
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- 포커스온
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[기후의 역습(152)] "빙하 녹으면 화산 폭발 급증"⋯지구 온난화 '숨은 재앙' 드러나
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[단독] 삼성SDI 헝가리 괴드 공장, 니켈 노출 17배 초과로 1억 포린트 벌금
- 삼성SDI의 헝가리 괴드(Göd) 배터리 공장이 산업안전 기준을 위반해 1억 포린트(약 4억 300만 원)의 벌금을 부과받았다고 헝가리 현지 매체 서버드 에우로퍼(Szabad Európa)가 2일(현지시간) 보도했다. 이번 조치는 근로자의 중금속 노출 수준이 법적 허용치를 크게 초과한 데 따른 것이다. 고발인이 작업한 공간에서는 발암성 물질인 니켈의 노출 수준이 기준치의 17배에 달하는 것으로 측정됐다. 헝가리 비영리 탐사보도 매체 아틀라초(Átlátszó)가 입수한 판결문에 따르면, 삼성SDI는 니켈과 코발트에 대한 생물학적 모니터링을 실시하지 않는 등 산업안전법을 다수 위반했다. 특히 66명의 근로자에 대한 의무 검진이 이뤄지지 않은 것으로 드러났다. 이번 벌금은 2025년 3월 부과된 것으로, 해당 공장이 2021년부터 2023년까지 환경 및 산업안전 규정 위반으로 누적된 벌금 규모는 총 3억 7800만 포린트(약 15억 2334만 원)에 이른다. 당국은 이 기간 약 200명의 근로자에게 발암물질 노출이 증가한 정황을 확인했으며, 반복적인 위반에 따라 수차례 벌금을 부과한 바 있다. 삼성SDI 괴드 공장은 2017년부터 헝가리 투자를 시작해 유럽 시장 공략의 전진 기지로 자리잡았다. 약 4000억 원을 들여 1공장을 완공한 데 이어 5600억 원을 추가 투자해 증설에 나섰고, 2021년에는 1조 원을 투입해 2공장을 건설했다. 2023년 1월부터는 2공장의 본격 가동에 들어갔다. 그러나 공장 운영과 관련한 행정 처분 이력도 적지 않다. 헝가리 페스트 주 재난관리국은 2022년 삼성SDI 괴드 공장이 환경규제 위반으로 6차례 벌금을 부과받았으며, 전체 위반 건수는 17건에 달한다고 밝혔다. 2023년 12월에는 보일러 및 냉각기 소음 규정 위반으로 경고를 받은 사실도 있다. 당시 당국은 "야간 소음이 지속되자 냉각탑과 노후 보일러실의 야간 가동 중지를 명령했다"고 설명했다. 삼성SDI는 현재까지 해당 공장과 관련된 환경 및 산업안전 문제에 대해 공식 입장을 내놓지 않았다. 현지 언론은 반복적인 규정 위반과 벌금 부과가 지역 주민과의 갈등 요인으로 확산되고 있다고 보도했다.
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[단독] 삼성SDI 헝가리 괴드 공장, 니켈 노출 17배 초과로 1억 포린트 벌금
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[퓨처 Eyes(90)] "시간이 3차원"⋯물리학 100년 숙제 '양자 중력' 해법 제시한 새 이론
- 우리가 사는 세상을 '3차원 공간'과 '1차원 시간'이 합쳐진 4차원의 무대라고 보는 현대 물리학의 기본 생각에 도전하는 새로운 이론이 나왔다. 시간이 실제로는 3차원이고, 우리가 아는 공간은 그 시간의 작용 때문에 생겨난 결과물이라는 주장이다. 이 이론은 아주 작은 원자의 세계와 거대한 우주를 하나로 묶으려는 물리학의 가장 큰 숙제인 '양자 중력' 문제까지 풀 수 있다는 기대를 모은다. 이 혁신적인 이론을 내놓은 사람은 미국 알래스카 페어뱅크스 대학교의 군터 클레체슈카 교수다. 그는 "3차원의 시간이야말로 모든 것을 이루는 바탕이며, 마치 그림을 그리는 캔버스와 같다"고 설명한다. "우리가 아는 3차원 공간 역시 존재하지만, 그것은 캔버스 자체가 아니라 그 위에 칠해진 그림물감에 더 가깝다"는 것이다. 그렇다면 3차원 시간이란 무엇일까? 우리가 아는 시간은 끊임없이 앞으로만 나아가는 직선 길과 같다. 하지만 만약 이 길 옆으로 또 다른 길이 나 있다면 어떨까? 지금 이 순간에 머무르면서 옆길로 한 걸음 옮기면, 바로 그날의 다른 가능성을 탐험할 수 있다. 이것이 시간의 '두 번째 차원'이다. 그리고 이 가능성들 사이를 오갈 수 있게 하는 힘이나 통로가 바로 시간의 '세 번째 차원'이다. 실험값과 소수점 9자리까지 일치 이 이론이 특히 주목받는 까닭은 실제 세상과 딱 들어맞는 구체적인 예측을 내놓기 때문이다. 기존 물리학 이론(표준 모형)은 세상이 무엇으로 만들어졌는지 잘 설명하지만, '왜 입자들이 지금과 같은 무게(질량)를 갖는지'는 정확히 답하지 못했다. 클레체슈카 교수의 계산은 이 질문에 대한 놀라운 답을 보여준다. 세상에서 가장 무거운 기본 입자인 '톱 쿼크'의 무게를 예측한 값이 실제 실험에서 측정한 값과 거의 똑같았다. 특히 전자 한 개의 무게는 실제 측정값과 소수점 아홉째 자리까지 똑같이 계산해냈다. '유령 입자'라고 불리는 아주 가벼운 중성미자들의 무게까지 정확히 예측했다. △ 가장 무거운 중성미자(ν 3 ): 0.058±0.004 eV △ 중간 중성미자(ν 2 ): 0.0086±0.0003 eV △ 가장 가벼운 중성미자(ν 1 ): 0.0023±0.0002 eV '세대 문제'부터 '양자 중력'까지…물리학 난제 풀다 새로운 이론은 숫자를 맞추는 데서 그치지 않고, 물리학의 오랜 수수께끼들에 대한 실마리를 제공한다. 첫째, 왜 기본 입자들이 꼭 세 종류씩 짝을 이루는지(세대 문제)를 시간의 3차원 구조로 깔끔하게 설명한다. 둘째, 물질 세계가 왜 유독 '왼손잡이'를 선호하는 것처럼 보이는지(대칭성 위반)에 대한 궁금증도 다른 가정 없이 시간의 구조만으로 풀어낸다. 이전에도 시간을 여러 차원으로 보려는 시도는 있었지만, 종종 '원인이 결과보다 늦게 일어나는' 심각한 모순이 생겨났다. 클레체슈카 교수의 이론은 이 문제를 해결해, 여러 시간 차원 속에서도 원인과 결과의 순서가 뒤바뀌지 않음을 수학적으로 보장한다. 셋째, 아주 작은 세계와 거대한 세계의 규칙을 합치는 '양자 중력' 이론의 실마리를 찾았다는 점이 가장 큰 성과로 꼽힌다. 현재 물리학은 자연계의 4가지 기본 힘(전자기력, 강한 핵력, 약한 핵력, 중력) 중 중력을 제외한 세 힘은 '표준 모형'으로 설명하지만, 아인슈타인의 일반 상대성 이론이 설명하는 중력과는 합치지 못하고 있다. 이 둘을 통합해 4가지 힘을 모두 아우르는 '모든 것의 이론'을 만드는 것이 물리학자들의 오랜 꿈이다. 이론에서 현실로…앞으로 10년의 검증 시험대 이 놀라운 아이디어는 단순한 상상으로 끝나지 않을 전망이다. 앞으로 10년 안에 여러 최첨단 과학 실험을 통해 이론이 맞는지 직접 확인할 수 있기 때문이다. 클레체슈카 교수는 "과거의 3차원 시간 이론들은 구체적인 실험과 연결되지 않은 수학적 상상에 가까웠다"며 "내 연구는 이 개념을 여러 방법으로 검증할 수 있는, 시험 가능한 물리 이론으로 바꾸었다"고 강조했다. 구체적인 검증 방법과 일정은 다음과 같다. △ 중력파: 땅속에서 우주의 미세한 떨림인 '중력파'를 측정하는 '라이고(LIGO+)'와 같은 검출기로, 이론이 예측한 빛과의 미세한 속도 차이를 확인할 것이다. △ 새로운 입자: 스위스에 있는 거대한 입자 실험 장치인 '대형 강입자 충돌기(LHC)'를 이용해 이론이 예측하는 새로운 입자를 찾는다. 이 입자들은 우주의 숨겨진 물질인 '암흑물질'의 유력한 후보로도 여겨진다. △ 암흑 에너지: 2027년부터는 여러 우주 망원경이 우주를 가속 팽창시키는 미지의 힘인 '암흑 에너지'의 변화를 관측해, 이론의 예측과 들어맞는지 비교할 예정이다. 과학 넘어 철학까지…'현실'의 재정의 이러한 예측들이 실험을 통해 사실로 밝혀진다면, 과학계에 거대한 혁명이 일어날 수 있다. 우리가 당연하게 여겼던 시간과 공간, 그리고 현실 자체를 완전히 새로운 눈으로 보게 되기 때문이다. 이 이론은 우리에게 물리적 현실의 본질을 뿌리부터 다시 생각해야 할지 모른다는 질문을 던진다. 이 이론이 맞다면, 시간은 우리가 떠내려가는 강이 아니라, 온 세상이 헤엄치는 거대한 바다일지도 모른다.
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[퓨처 Eyes(90)] "시간이 3차원"⋯물리학 100년 숙제 '양자 중력' 해법 제시한 새 이론
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[신소재 신기술(181)] 근적외선으로 머리 전체 투과 성공⋯차세대 뇌 진단 기술 주목
- 인간의 머리를 관통하는 빛을 이용한 새로운 뇌영상 기법이 개발됐다. 22일(현지시간) 과학 기술 전문매체 사이언스 얼럿에 따르면 영국 글래스고 대학교 연구팀은 기존 기술의 한계를 넘는 방식으로, 인체에 해를 주지 않는 근적외선을 머리 한쪽에서 쏘아 다른 쪽에서 감지하는 데 성공했다고 밝혔다. 현재 이동성과 비용 측면에서 가장 유용한 비침습 뇌영상 기술은 기능적 근적외선 분광법(fNIRS)이다. 그러나 이 기술은 두개골 아래 수 센티미터까지만 탐지할 수 있어, 보다 깊은 뇌 영역을 관찰하기 위해선 부피가 크고 고가인 자기공명영상(MRI) 장비에 의존해왔다. 연구진은 빛이 머리 전체를 통과할 수 있도록 fNIRS의 민감도를 크게 확장했다. 레이저의 출력을 인체 안전 기준 내에서 상향 조정하고, 수광 장치의 민감도도 개선했다. 그 결과, 실험 참가자의 머리를 한쪽에서 비춘 근적외선이 반대쪽에서 포착됐다. 다만 이번 실험은 공정 조건이 까다로웠다. 전체 8명의 실험 참가자 중 한 명에게서만 성공적인 결과가 도출됐으며, 해당 피험자는 피부가 밝고 머리카락을 싹 밀어버린다는 조건을 갖췄다. 측정 시간도 약 30분에 달했다. 연구진은 "이번 연구는 비침습 광학 뇌영상 기술을 통해 성인의 두개골 내부 깊은 부위의 생물학적 지표를 탐지할 수 있는 가능성을 보여준다"고 밝혔다. 또한 3D 머리 모델을 기반으로 한 컴퓨터 시뮬레이션에서 예측된 광자의 이동 경로가 실제 측정 결과와 일치해 실험의 신뢰도를 높였다. 빛은 무작위로 흩어지기보다 뇌척수액 등 상대적으로 투명한 경로를 따라 이동했다. 이는 향후 뇌영상 기술의 정밀도를 높이는 데 활용될 수 있을 것으로 보인다. 연구팀은 "빛을 쏘는 위치를 조절함으로써 특정 뇌 부위를 선택적으로 관찰하는 것도 가능해질 수 있다"고 설명했다. fNIRS는 EEG보다 해상도는 낮지만 저비용·경량이라는 장점을 지니며, fMRI보다는 접근성이 높다. EEG는 뇌파 검사를 뜻하는 Electroencephalography(뇌전도)의 약자로, 뇌에서 발생하는 전기 신호를 측정하는 방법이다. EEG는 뇌의 전기적 활동을 실시간으로 측정해 뇌 상태를 파악하는 기술이다. fMRI는 기능적 자기공명영상(functional Magnetic Resonance Imaging)의 약자로, 뇌의 활동을 실시간으로 관찰할 수 있는 신경영상 기술이다. fMRI는 뇌에서 활동이 증가하면 해당 부위로 산소가 풍부한 혈액(BOLD: Blood Oxygen Level Dependent)이 더 많이 공급되는 현상을 이용한다. 이 산소 농도 차이를 자기공명영상(MRI)으로 측정하여 뇌의 활동 상태를 간접적으로 보여준다. 연구진은 이번 연구가 뇌졸중, 뇌손상, 종양 등 다양한 질환 진단에서 보다 실용적인 뇌영상 기기의 개발로 이어질 수 있다고 전망했다. 이번 연구는 국제학술지 '신경광자학(Neurophotonics, 뉴로포토닉스)'에 게재됐다.
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[신소재 신기술(181)] 근적외선으로 머리 전체 투과 성공⋯차세대 뇌 진단 기술 주목
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[먹을까? 말까? (106)] 대마 사용, 심혈관질환 사망 위험 2배⋯"담배처럼 규제해야"
- 대마초 사용이 심혈관질환으로 인한 시망 위험을 두 배 높이는 것으로 나타났다는 연구 결과가 나왔다고 메디컬 익스프레스가 지난 17일(현지시간) 보도했다. 뇌졸중과 급성관상동맥증후군(심장으로 가는 혈류가 갑자기 줄거나 차단되는 현상) 발생 위험도 유의미하게 증가했다. 영국심장학회지 공식 학술지 '하트(Heart)' 온라인판에 실린 이번 메타분석 논문은 2016~2023년 사이 발표된 대규모 관찰연구 24편(총 참가자 약 2억 명 규모)을 종합한 것이다. 연구에 따르면 대마 사용자들은 사용하지 않는 사람에 비해 급성관상동맥증후군 위험이 29%, 뇌졸중 위험이 20%, 심혈관질환으로 인한 사망 위험이 2배 높은 것으로 나타났다. 대마초 및 유도체의 사용이 지난 10년간 급증했으며, 이는 일부 국가의 합법화와 의료용 대마 사용 확대, 그리고 대중의 위험 인식 변화와 무관하지 않다는 것이 연구진의 분석이다. 그러나 지금까지 대마 사용과 심혈관질환 간의 관련성에 대한 명확한 수치는 부족했으며, 이번 연구는 이러한 공백을 채우는 데 초점을 맞췄다. 참가자의 대부분은 19세에서 59세 사이였으며, 성별이 기록된 연구들에서는 대마 사용자 대다수가 남성이었고, 비사용자보다 평균 연령이 낮았다. 연구진은 이번 분석에 포함된 연구 대부분이 관찰연구라는 한계, 대마 노출 강도 측정의 부정확성, 누락된 정보 등으로 인해 중등도 이상의 편향 가능성을 지닌다고 인정했다. 또한 일부 연구는 동일한 데이터를 활용한 중복 분석일 수 있다고 덧붙였다. 그럼에도 불구하고 이번 메타분석은 실제 데이터를 기반으로 한 대규모 통계 종합 결과라는 점에서 학문적 의의가 크다는 평가다. 연구와 함께 게재된 편집자 논평에서 미국 캘리포니아대학교 샌프란시스코 캠퍼스의 스탠턴 글랜츠 명예교수와 퍼블릭헬스연구소 린 실버 박사는 "대마가 심혈관계에 미치는 위험이 미미하다는 기존의 인식에 대해 심각한 의문을 제기한다"며 경고음을 울렸다. 이들은 "현재 대마는 흡입용 고농축 추출물, 합성 향정신성 유도체, 식용 제품 등으로 다양화되고 있으며, 전반적인 농도도 높아졌다"며 "이러한 변화가 심혈관 위험에 어떻게 작용하는지, 그리고 위험이 칸나비노이드 자체에서 비롯된 것인지, 아니면 대마 연기의 미립자, 테르펜, 기타 성분 때문인지 명확한 분석이 필요하다"고 지적했다. 나아가 이들은 "대마도 담배와 같은 건강 위험 규제 틀에 포함되어야 한다"고 강조하며, "대중 건강 차원에서 적극적으로 사용을 억제해야 하며, 간접흡입으로부터 비사용자를 보호할 수 있는 조치도 마련돼야 한다. 심혈관 질환 예방 전략에도 대마 관련 규제가 포함되어야 하며, 제품 경고 표시와 교육 역시 의무화되어야 한다"고 주장했다. 연구팀은 미국에서 현재의 대마 규제는 합법 유통시장의 구축에 치우쳐 있으며, 건강 위험을 최소화하려는 노력이 부족하다는 점도 비판했다. 이들은 "증거가 축적됨에 따라, 허용되는 제품 디자인이나 광고 방식도 건강 관점에서 재조정되어야 한다"고 촉구했다.
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- 생활경제
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[먹을까? 말까? (106)] 대마 사용, 심혈관질환 사망 위험 2배⋯"담배처럼 규제해야"
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[퓨처 Eyes(89)] "빅뱅 잔광(CMB)은 착각"⋯초기은하·블랙홀, 우주 기원론 뒤흔든다
- 138억 년 우주 역사의 정설인 '빅뱅 이론'의 가장 강력한 증거가 흔들리고 있다. 독일 본 대학교, 체코 프라하 대학교, 중국 난징 대학교 공동 연구팀은 우주 전체에 희미하게 퍼져 있는 '우주 마이크로파 배경 복사(CMB)'의 정체를 두고 새로운 해석을 내놨다고 밝혔다. 연구팀은 이 배경 복사의 상당 부분이 초기 은하 형성 과정에서 나온 빛일 수 있으며, 기존 학계의 측정이 과대평가됐을 가능성이 있다고 설명했다. 이 연구 결과는 세계적인 학술지 '핵물리학 B(Nuclear Physics B)' 최신호에 실려 우주론에 새로운 파장을 일으키고 있다. 현대 표준 우주론에 따르면, 우주는 약 138억 년 전 대폭발, 즉 빅뱅으로 탄생했다. 폭발 후 38만 년이 지나 우주가 충분히 냉각되자 빛이 비로소 자유롭게 퍼저나갈 수 있었는데, 이를 '우주 마이크로파 배경 복사(the cosmic microwave background radiation, 빅뱅 잔광)'라고 부른다. 과학계는 이 태고의 빛을 빅뱅의 결정적 증거이자 초기 우주의 모습을 담은 '스냅샷'으로 여겨왔다. 특히 배경 복사에 나타나는 미세한 온도 차이, 즉 비등방성(anisotropy)은 은하와 우주 거대 구조를 만든 초기 우주의 미세한 밀도 변화를 보여주는 증거로 해석됐다. '빅뱅의 메아리'에 드리운 의문 그러나 연구를 이끈 본대학교 파벨 쿠루파 교수는 "우리의 계산에 따르면, 이 우주 마이크로파 배경 복사는 이예 존재하지 않을 수도 있다"며 "적어도 우리는 그 정도가 과대평가됐다고 확신한다"고 주장했다. 연구팀은 우주에서 가장 먼저 생긴 것으로 알려진 '타원은하'에 주목했다. 연구팀은 현재 은하들 사이의 거리와 우주의 팽창 속도를 역으로 계산해, 타원은하들이 우주 초기에 불과 수억년이라는 짧은 기간에 집중적으로 만들어졌다고 밝혔다. 연구에 참여한 닌징대학교 에다 게르고 박사는 " 이 기간에 타원은하를 이루는 수천억 개의 별들이 폭발적으로 타오르며 엄청난 빛을 뿜어냈다"고 설명했다. 여구팀은 당시 별들의 핵융합 활동이 현재보다 수천배 더 밝았을 것으로 추정하며, 이때 나온 '초기 별빛'은 너무나 강력해 138억년이 지난 지금도 관측할 수 있다"고 덧붙였다. 우주 탄생의 청사진이 흔들인다 게르고 박사는 "우리의 계산은 현재 관측되는 우주 마이크로파 배경 복사의 최소 1.4%가 바로 이 타원은하 형성 과정에서 비롯됐음을 보여준다"며 "심지어 배경 복사 전체가 이 초기 빛일 가능성도 있다"고 말했다. 이 주장이 사실이라면 우주론의 근간이 흔들린다. 지금까지 과학자들은 배경 복사의 미세한 온도 차이를 초기 우주의 밀도 차이로 해석했고, 이 미세한 불균일성 덕분에 물질이 뭉쳐 은하가 태어날 수 있었다고 설명했다. 하지만 젠체 신호의 1.4% 이상이 후대 은하 형성의 빛 탓이라면, 이 메시한 온도 차이 측정의 신뢰성은 크게 떨어진다. 최근 제임스 웹 우주망원경(JWST)이 예상을 뛰어넘는 초기 거대 은하들을 잇달아 발견하면서, 기존 우주 초기 구조 형성 모델에 대한 의문이 커지고 있다. 다만 이번 연구는 아직 초기 단계이며, 과학계의 폭넓은 지지를 얻지는 못했다. 최근 '킬로디그리 서베이(Kilo-Degree Survey)' 같은 대규모 관측 결과는 여전히 표준 우주론과 잘 들어맞는다. "빅뱅은 없었다"…더 과감한 주장도 크루파 교수는 "우리 결과는 표준 우주론 모델에 문제가 된다"며 "적어도 부분적으로는 우주의 역사를 다시 써야 할 필요가 있을지 모른다"고 강조했다. 한편, 표준 우주론의 핵심 증거에 의문을 제기하는 연구 말고도, 빅뱅 자체를 대체하는 새로운 우주 기원 모델도 등장해 학계의 주목을 받고 있다. 영국 포츠머스 대학교 우주론 및 중력 연구소 엔리케 가스타냐가 교수가 이끄는 국제 물리 연구팀은 학술지 '피지컬 리뷰 D(Physical Review D)'를 통해 빅뱅이 우주의 시작이 아니라는 '블랙홀 우주(Black Hole Universe)' 모델을 내놨다. 이 모델은 우리 우주가 더 큰 부모 우주 안에서 만들어진 거대 블랙홀 내부의 중력 붕괴와 그에 따른 '반동(bounce)'의 결과물이라는 주장이다. 무(無)에서의 창조가 아닌, 중력과 양자역학으로 이뤄지는 우주 순환의 한 과정이라는 설명이다. 가스타냐가 교수는 "빅뱅 모델은 물리 법칙이 붕괴하는 무한 밀도의 한 점에서 시작한다. 이는 우주의 시작이 완전히 이해되지 않았음을 보여주는 심각한 이론상의 문제"라고 지적했다. 그의 연구팀은 중력 붕괴가 반드시 특이점으로 끝나지 않으며, 양자 효과를 생각하면 고밀도 상태에 이른 물질 구름이 다시 팽창하는 새로운 단계로 '반동'할 수 있다고 설명했다. '새로운 우주론' 향한 과학계의 논쟁 이 모델은 기존 물리학 체계 안에서 설명될 뿐 아니라, 관측으로 검증할 수 있는 예측을 내놓는다는 점이 강점으로 꼽힌다. 대표적으로 우리 우주가 지구 표면처럼 미세하게 휘어져 있다고 예측한다. 유럽우주국(ESA)의 아라키스(ARRAKIHS) 우주 미션은 은하 외곽의 극도로 희미한 구조를 관측해, 이런 새로운 우주 모델의 예측을 검증하는 데 핵심 역할을 할 전망이다. 우주의 기원을 설명하는 표준 모델은 이처럼 다양한 방면에서 새로운 도전을 맞고 있으며, 우주론의 역사를 새로 쓸 논쟁은 이제 막 시작됐다.
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- 포커스온
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[퓨처 Eyes(89)] "빅뱅 잔광(CMB)은 착각"⋯초기은하·블랙홀, 우주 기원론 뒤흔든다
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[우주의 속삭임(120)] 100년 된 수수께끼, 은하계 '우주선' 기원에 한 발 더 다가서다
- 우주에서 날아오는 매우 빠르고 에너지가 높은 입자인 우주선(宇宙線, cosmic rays)의 출처는 어디일까. 미국 미시간주립대학교(Michigan State University) 천체물리학 연구진이 은하계 내 고에너지 우주선(cosmic rays)의 기원을 밝히기 위한 연구에서 중요한 진전을 이뤘다고 웹사이트 PHYS.org가 보도했다. 이번 연구는 알래스카 앵커리지에서 지난 6월 8일부터 12일까지 열린 제246차 미국천문학회(American Astronomical Society)에서 발표됐으며, '천체물리학 저널(The Astrophysical Journal)' 및 'AAS 리서치 노트(Research Notes of the AAS)'에 각각 게재됐다. '우주선(Cosmic Rays)'은 빛에 가까운 속도로 이동하는 고에너지 입자로, 1912년 처음 발견된 이후 100년 넘게 그 발생지가 명확히 밝혀지지 않았다. 미시간주립대 슈오 장(Shuo Zhang) 물리·천문학과 조교수 연구팀은 블랙홀, 초신성 잔해, 별 형성 지역 등 극한 천체현상이 우주선의 주요한 기원 후보임을 지목하고, 이를 '페바트론(PeVatron)'이라는 고에너지 천체 입자 가속 장치 개념으로 접근해 연구를 진행했다. 첫 번째 연구에서는 중국의 고고도 공기 샤워 관측소(LHAASO)가 발견한 미지의 페바트론 후보 천체를 분석했다. 박사후연구원 스티븐 디커비(Stephen DiKerby)는 유럽우주국의 XMM-Newton X선 우주망원경 자료를 활용해, 해당 천체가 펄서풍 성운(pulsar wind nebula)임을 규명했다. 이는 펄서로부터 방출된 전자·양전자와 함께 고에너지를 전달하는 확산 거품 구조로, 실제 페바트론의 실체를 확인한 드문 사례 중 하나로 평가된다. 두 번째 연구는 학부생 엘라 웨어(Ella Were), 아미리 워커(Amiri Walker), 샨 카림(Shaan Karim)이 주도했다. 이들은 NASA의 스위프트(Swift) X선 망원경을 통해 또 다른 LHAASO 천체들의 X선 방출 한계를 측정하고, 향후 보다 정밀한 천체 분류 및 관측을 위한 기반을 마련했다. 장 교수는 "우주선은 생각보다 지구 생명체와 훨씬 더 밀접한 관련이 있다"면서 "블랙홀처럼 아주 먼 곳에서 온 약 100조 개의 우주 중성미자가 매초 우리 몸을 통과한다. 그것들이 어디에서 왔는지 궁금하지 않으세요?"라고 반문했다. 이어 장 교수는 "우리의 연구는 우주선의 발원지를 식별하고 분류함으로써, 향후 중성미자 관측소와 전통적 광학·X선·감마선 망원경의 심층 연구를 위한 기준 데이터로 활용될 수 있을 것"이라며, "이는 향후 입자 가속 메커니즘 해명과 은하 진화, 암흑물질 연구에도 큰 기여를 할 수 있다"고 설명했다. 장 교수팀은 향후 남극 아이스큐브 중성미자 관측소(IceCube Neutrino Observatory) 자료와 X선, 감마선 망원경 자료를 융합해, 왜 일부 천체는 중성미자를 방출하는 반면 다른 천체는 그렇지 않은지를 분석할 계획이다. 이를 통해 중성미자의 발생 조건과 공간적 기원을 규명하고, 입자물리학과 천문학 간의 융합연구를 본격화할 방침이다.
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[우주의 속삭임(120)] 100년 된 수수께끼, 은하계 '우주선' 기원에 한 발 더 다가서다
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[먹을까? 말까?(104)] 설탕 대체품 에리트리톨, 뇌혈관 건강에 부정적 영향 가능성
- 대표적인 저칼로리 감미료로 널리 사용되는 에리트리톨(erythritol)이 뇌혈관 세포 기능에 부정적인 영향을 미칠 수 있다는 연구 결과가 나왔다. 이 감미료는 혈당과 인슐린 반응을 거의 유발하지 않아 비만, 당뇨, 대사증후군 환자들을 위한 '건강한 대체당'으로 여겨져 왔으나, 최근 심혈관계 위험성과 관련된 우려가 커지고 있다. 9일(현지시간) 사이포스트에 따르면 미국 콜로라도대학교와 밴더빌트대학교 등 공동 연구진은 학술지 '응용생리학저널(Journal of Applied Physiology)'에 발표한 논문에서 에리트리톨이 뇌 미세혈관 내피세포 기능을 저하시킨다고 밝혔다. 연구진은 실험실에서 인간 뇌혈관 내피세포를 배양한 뒤 일반적인 음료 한 캔에 해당하는 수준(6mM)의 에리트리톨에 3시간 노출시켜 세포 반응을 측정했다. 산화 스트레스·질산화물 감소·혈관 수축 유도까지 연구 결과에 따르면, 에리트리톨에 노출된 세포는 활성산소(ROS) 생성이 약 75% 증가했다. 이는 세포 손상과 노화를 유발하는 주요 요인으로, 심혈관 질환과도 밀접한 관련이 있다. 이에 대응해 항산화 단백질인 SOD-1과 카탈라아제 발현도 증가했으나, 세포는 완전히 회복되지 못한 것으로 나타났다. 또한 혈관 확장과 혈류 유지에 핵심적인 질산화물(nitric oxide) 생성 역시 저해되었다. 질산화물 생성 효소(eNOS)의 전체 발현량에는 변화가 없었지만, 활성화를 위한 인산화 반응(Ser1177)은 약 65% 감소한 반면, 억제 반응(Thr495)은 약 85% 증가했다. 그 결과, 실제 질산화물 생산량은 약 20% 감소한 것으로 나타났다. 혈관 수축 단백질·혈전 용해 반응도 방해 연구진은 에리트리톨이 혈관 수축 유도 물질인 엔도텔린-1(endothelin-1)의 생성을 촉진한다는 점도 지적했다. 전구체인 Big ET-1의 세포 내 농도가 유의미하게 증가했고, 엔도텔린-1의 분비량도 약 30% 증가했다. 이는 뇌혈류 흐름을 저해하고, 특히 뇌졸중과 같은 뇌혈관질환의 위험성을 높이는 요인으로 작용할 수 있다. 혈전 용해에 중요한 역할을 하는 조직형 플라스미노겐 활성화제(t-PA)의 반응성도 억제된 것으로 나타났다. 정상 세포는 트롬빈(thrombin) 자극에 반응해 t-PA 분비가 크게 증가했지만, 에리트리톨에 노출된 세포는 이에 제대로 반응하지 못했다. 이는 혈전 형성 상황에서 응급 방어기제가 작동하지 않을 위험성을 시사한다. "장기 복용 영향은 향후 추가 연구 필요" 이번 연구를 주도한 오번 베리(Auburn Berry) 연구원은 "에리트리톨은 당분이 없는 식품의 건강한 대안으로 인식돼 왔지만, 실제로는 뇌혈관 기능에 악영향을 줄 수 있다"며 "일상에서 섭취량을 인식하고 주의할 필요가 있다"고 밝혔다. 다만 연구진은 이번 실험이 세포 수준에서 이루어진 인 비트로(in vitro, 살아 있는 생명체 내부가 아니라 시험관 등 제어가 가능한 환경에서 수행되는 실험 과정) 연구이며, 인간에게 동일한 결과가 나타난다고 단정하기는 어렵다고 밝혔다. 노출 강도, 빈도, 개인 건강 상태 등에 따라 실제 영향은 달라질 수 있다. 그러나 최근 임상 및 역학 연구들과도 일관된 경향을 보이는 만큼, 장기적이고 반복적인 에리트리톨 섭취에 대한 추가 연구가 시급하다고 강조했다.
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[먹을까? 말까?(104)] 설탕 대체품 에리트리톨, 뇌혈관 건강에 부정적 영향 가능성
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