<이웃집과학자>에서 소개해드리는 GMT! 대한민국이 참여하는 거대마젤란망원경 프로젝트 특집, 마지막 순서입니다. 거대하고, 정밀한 망원경 GMT, 정교하고 거대한 크기의 주경을 통한 훌륭한 집광력, 분해능부터 적응광학까지, 하나하나 살펴 볼때마다 경이로울 정도였는데요. 천문학자들은 이를 통해 어떤 것들을 하고 싶은 걸까요?

 

GMT등을 이용해 이루고자 하는 궁극적인 뜻 '사이언스 골', 즉 과학적 목적을 살펴보고자 합니다. GMT 한국 참여를 총괄하는 박병곤 대형망원경사업단장에 따르면 GMT 프로젝트에 있어 사이언스 골은 굉장히 중요하다고 합니다.

 

"어떤 연구를 하기 위해서 이런 장비가 필요하다, 그래서 그 장비를 만들어 이런 것들을 할 것이다. 순서가 이렇게 되죠. 망원경을 만들어놓고 이제 뭐할까, 이건 안 되잖아요. 그래서 '사이언스 골'이라는 게 굉장히 중요합니다"

 

GMT를 이용한 연구 주제는 뭘까요? 박병곤 단장은 이렇게 말했는데요.

 

"GMT에서는, '우주가 탄생해서 처음 만들어진 최초의 별(1st star)은 과연 어떻게 만들어졌는가'라든지, '은하 진화'에 관한 것들, 그리고 요즘에 핫이슈라고 얘기할 수 있는 '외계행성과 외계 생명체'. 그런 것들에 대한 연구주제를 나열하고, 그런 것들을 위해서는 어떤 장비가 필요하다 그렇게 연결시켜 가지고 만드는 거죠."

 

<이웃집과학자>에서는 GMT특집을 마무리하며, GMT가 어떤 일을 하기 위해 만들어졌는지를 간략히 소개하려고 합니다.

 

1. 행성계의 탄생

 

우리에게 가장 익숙한 행성계는 태양계죠. 태양계를 보면 가운데 태양이 있고 주변에 행성이 빙글빙글 도는데, 심지어 한 평면에서 돌고 있습니다. 마치 원반 위에 각 천체가 있는 것 같죠.

 

위 사진은 원시 행성계 원반에 대한 상상도입니다. 천문학자들은 중심의 별과 주변의 행성으로 이뤄진 행성계가 만들어지기 전, 원시 행성계 원반 단계를 거친다고 이야기 합니다. 우주에 퍼져있던 가스와 먼지들이 뒤죽박죽 돌다가 모이게 됩니다. 그러다 중력으로 인해 수축하며 가운데 질량이 큰 별이 생깁니다. 그 주위를 가스와 먼지들이 얇고 넓은 원반모양으로 돌다가 곳곳에 뭉치며 행성이 된다고 해요. 이를 '성운설'이라고 하는데요.

 

GMT를 통해 관련 연구를 진행할 거라고 합니다. GMTO에서 발간한 자료집 <Giant Magellan Telescope: Scientific promise and Opportunities>를 참고하면, 행성은 만들어질 때 중심부 별의 영향으로 -173 ~ 727°C(100~1000K)의 온도로 데워집니다. 때문에 강한 근적외선과 중적외선이 방출될 거라고 합니다. 이를 GMT로 검출해 행성계 전 단계인 원시 행성계 원반을 찾는 거죠. 이를 위해서는 높은 분해능의 망원경, 즉 전체 지름 25m급의 망원경이 필요합니다. GMT가 딱이네요.

 

2. 외계 행성과 외계 생명체

 

이 넓은 지구에 우리 말고 다른 생명체가 살 수 있을까요? 또는 우리가 이주할 수 있는 '지구와 같은' 행성이 있을까요? 새로운 지구 찾기, 박병곤 단장의 말처럼 '핫이슈'일 수밖에 없는데요. GMT는 새로운 행성을 찾기에도 기여할 예정입니다.

 

행성을 가지고 있는 별은 행성의 중력 때문에 관측 지점인 지구로부터 가까워졌다 멀어졌다를 반복하게 됩니다. 이 때문에 도플러효과로 빛의 파장이 변해요. 지구로부터 별이 멀어질 때는 빛의 파장이 길어지는 '적색편이'가, 별이 지구와 가까워질 때는 빛의 파장이 짧아지는 '청색편이'가 일어납니다.

 

GMT의 거대한 주거울로 모은 빛을 아주 정밀한 분광기 G-CLEF를 이용해서 새로운 행성을 발견할 것이라고 하는데요. 초정밀 분광기 G-CLEF를 우리나라가 개발하고 있다는 사실! 자세한 원리와 분광기에 대해서는 이전 글을 참조하세요.

 

[GMT특집5] 거대마젤란망원경, "대한민국 기술 투입"

 

3. '최초의 별'과 별의 '세대'

 

우주의 탄생 이후 최초의 별은 어떻게 생겼을까요? 빅뱅 이론에 따르면 최초의 우주 원자의 대부분은 수소와 헬륨이라고 해요. 그리고 다른 더 무거운 원소(중원소)들은 2% 정도였다고 하는데요. 현재 존재하는 무거운 원자들은 수소와 헬륨의 핵융합에 의해 생겨났다고 합니다. 마치 태양에서 끊임없이 핵융합이 일어나는 것처럼 말이죠. 그렇다면 최초의 별은 수소와 헬륨으로만 되어있을 텐데요. 수소와 헬륨만으로 이뤄진 별을 찾는다면, 곧 '첫 번째 별'을 찾았다고 말할 수 있다고 합니다.

 

그렇다면 별의 '세대'는 뭘까요? 우선 수소와 헬륨만으로 이뤄진 별은 3세대(pop III)라고 하는데요.

 

별은 죽으면서 초신성 폭발로 인해 구성하고 있던 원소들이 날아가 버리는 과정을 겪는데요. 날아간 원소들이 다시 뭉쳐 별이 됩니다. 이렇게 만들어진 별이 바로 다음 세대인 2세대(pop II)가 됩니다. 그리고 그 다음 세대가 또 폭발하고 다시 뭉친다면 그 다음 세대인 1세대(pop I)가 되는거고요. 더 뒷세대일수록 짧은 숫자를 붙이니 헷갈리지 마세요! 3세대에서 1세대로 갈수록 수소와 헬륨보다 더 무거운 금속 원소의 비율이 증가한다고 해요.

 

따라서 GMT를 이용하여 가장 '중원소 함유량이 적은 별(Metal-poor star)'을 찾고 분석하고자 합니다. 커다란 주경으로 모은 빛을 초정밀 분광기로 보내 스펙트럼을 분석하고, 어떤 원소가 얼마나 포함돼 있는지 알아내는 방법을 이용할 계획입니다.

 

4. '은하'에 관한 연구

 

은하는 별이 모여있는 집단을 말하는데요. 가장 익숙한 게 우리은하와 안드로메다은하죠. 은하계 속 초거대블랙홀 등이 어떻게 성장하는지, 그리고 별이 먼저 생기는지 은하가 먼저 생기는지는 알 수 없어요. 또한 은하가 어떻게 '진화'해 왔는지도 알기 어렵죠. 따라서 은하의 형성과 진화를 이해하는 건 물리천문 분야의 중요한 과제라고 합니다.

 

또한, 왜소은하를 연구하는 것도 중요한 일 중 하나인데요. 소수의 별이 어떤 질량을 가지고 있는지, 밝기는 어느 정도인지, 밀도는 어느 정도인지, 그리고 화학적으로 어떤 원소들이 있는지 분석해서 은하 형성과 진화에 대한 팁을 얻을 수 있기 때문이에요.

 

이웃님들 생각엔 은하가 먼저일까요, 별이 먼저일까요? 은하와 별이 동시에 탄생했을까요, 아니면 여기저기 생긴 별이 서로의 중력에 의해 모인게 은하일까요? 앞으로 GMT를 통해 그 이유를 찾을 수 있을지 모릅니다.

 

5. 암흑물질과 암흑에너지

 

더 많이 본다는 건 더 많은 걸 알아낼 수 있다는 의미겠죠? 우주엔 아직 우리가 모르는 게 많습니다. 이론값과 현재 우리가 알고 있는 것들을 비교하면, 우리가 우주에 대해 알고 있는 건 단 4%라고 해요. 23%는 빛과 상호작용하지 않는 암흑물질, 그리고 73%는 암흑에너지로 구성돼 있다고 하는데요.

 

GMT처럼 거대한 망원경은 우주론을 발전시키며 다양한 질문을 할 수 있게 합니다. 관찰 가능한 우주가 넓어지고, 덜 밝은 은하를 연구하는 모든 과정들은 인류의 천체물리 지식을 높이는 데 도움을 준다고 해요. 우리가 모르는 우주를 더 깊이 이해하는데 GMT가 보일 역할, 기대됩니다.

 

지금 한 단계씩 진행되고 있는 GMT에 대해 박병곤 단장은 "계획대로 잘 만들어서 진짜 GMT라고 하는 세계에서 제일 큰 망원경으로 별을 한 번 내 눈으로 볼 수 있었음 좋겠어요"라고 말했는데요. <이웃집과학자>에서도 GMT로 본 하늘에 대해 취재해 이웃님들께 소개할 날을 고대합니다.