중성자별은 무엇이며 어떻게 만들어질까?

초신성 폭발 후에 남은 잔해들의 핵이 중력붕괴로 인해 내부의 핵과 전자가 합쳐져 중성자로 변하여 생성되는 별을 중성자별이라고 한다. 그럼 중성자별과 블랙홀은 어떤 차이가 있을까. 둘 다 초신성 폭발과 관련이 있는데 태양같은 작은 크기의 별이 최후를 맞을 때는 백색왜성이 되지만 적어도 질량이 태양보다 2배 이상 큰 거성들은 초신성 폭발을 일으키면 중성자별이나 블랙홀로 변한다. 근데 이 둘은 한 끝 차이로 운명이 달라진다. 죽어가면서 수축, 압축되는 초신성의 반경이 슈바르츠실트 반경을 넘느냐 아니냐의 여부에 따라 운명이 갈라진다. 

슈바르츠실트 반경은 사건의 지평선의 반경과 같은데 이는 어떤 물체가 최대한 압축될 수 있는 한계, 마지노선을 말한다. 그 한계선 보다 아주 먼 곳에서 수축이 끝나면 백색왜성이 되고, 그 선에 바싹 근접한 상태에서 수축이 끝나면 중성자 별이 되고, 한계선을 넘어 끝없이 수축하면 특이점에 도달하여 블랙홀이 된다. 그러니까 초신성 폭발을 일으키는 거성의 크기에 따라 큰 순으로 백색왜성, 중성자별, 블랙홀이 된다는 얘기다. 지구의 사건의 지평선은 십원짜리 동전 크기만하다 하니 신성폭발할 때 거성이 어느정도 수축되는지 아찔하다. 지구가 십원짜리 동전보다 작게 수축해야 블랙홀이 된다는 것이다. 

그리고 중성자별의 내핵은 우주에서 가장 큰 원자핵이라고 한다. 보통의 원자핵은 전자 현미경으로도 관측이 어려울 정도로 작은데 반해 중성자별은 내핵이 전부 중성자만으로 형성된 엄청난 크기의 원자핵이다. 무게로 보면 일반적인 중성자별의 직경이 16km 정도인데 직경 16km인 구에 태양 두 개 정도의 무게가 들어있다. 실감이 안오면 각설탕 정도의 부피에 15톤 덤프가 600만대나 들어있는 모습이라고 상상해 보자. 가히 밀도가 천문학적이다. 중성자별은 밀도가 높아질수록 자기 무게를 견디지 못하고 점점 작아져서 어느 수준(특이점) 이상이 되면 가장 작은 기본입자로 붕괴되어 블랙홀이 되어 버린다. 그래서 중성자별은 그 크기가 한정된 범위 내에서만 존재한다.

블랙홀은 빛조차 삼켜버리지만 중성자별은 아직 빛은 나올 수 있다. 중성자별의 직경이 십 수km에 불과하기에 중성자별의 방사선은 회전축인 자기장축 방향으로 창살같이 모여서 날아간다. 방사선이 중성자별의 자전으로 빙글빙글 돌면서 뿜어지기에 가는 원뿔 현태로 방사된다. 이 방사선의 연장선상에 지구가 있을 때 지구 관측자는 방사선의 강약에 따른 별의 깜빡거림으로 중성자별을 관측할 수 있다. 실제로 중성자별이 처음 발견되었을 당시 별의 깜빡거림을 외계인의 신호로 알고 한바탕 소동을 벌이기도 했다. 이것이 펄사다. 중성자별의 규칙적인 깜빡임 현상을 말한다. 

펄사는 수천년 동안은 거의 일정한 속도로 깜빡거릴 것이다. 이런 펄사의 성질을 이용하여 우주의 등대로 삼기로 했다니 참신한 발상이다. 우주선 파이어니어호에 실린 동판에 지구 근처의 펄사 14개의 방위, 거리, 펄사주기 등과 은하계 중심까지의 지구 좌표 등을 그림으로 새겨 혹 만날지 모를 외계 지성체가 지구의 위치를 찾을 수 있도록 배려한 것이라 한다.

중성자별의 위력은 블랙홀보다는 덜하지만 만만치 않다. 중력이 지구의 천 억배가 넘는 중성자별은 막강한 방사선과 X선이 난무한다. '검은과부거미 펄사'란 특이한 이름의 중성자별은 쌍성을 이루고 있으며 자기의 짝을 막강한 중력으로 끌어당겨서 잡아 먹는다. 마치 짝짓기를 끝낸 암거미가 수놈을 잡아먹듯이. 별들의 세계도 무시무시 하다.

중성자별의 최후는 어떠할까? 중성자별이 너무 수축하여 특이점에 이르면 블랙홀이 되는 것은 이미 설명했다. 자신이 블랙홀이 되는 경우 외에도 주변의 블랙홀에 빨려들어 사라질 수도 있다. 그러고보니 우주도 약육강식의 세계다. 마지막으로 중성자별 두 개가 가까워질 경우 서로의 중력에 끌려 점점 빠르게 공전하며 거리를 좁히다가 빛의 속도로 충돌하여 금과 무거운 원소들을 다량으로 생성하고는 블랙홀로 산화한다. 이 금들은 다 어디로 갔는지 우주는 알면 알수록 신비하기만 하다.

우리가 흔히 차원이 다르다라는 말을 자주 쓰는데 이는 사물을 보거나 생각하는 수준을 말하는 것으로 이 용어의 출발은 수학이나 과학에서 비롯된 듯 하다. 유클리드 기하학에 선은 1차원, 면은 2차원, 입체는 3차원으로 좌표의 3축으로 잘 설명하고 있다. 그런데 4차원이란 말이 나온 것은 20세기 들어 아인슈타인의 상대성이론으로부터 출발한다. 3차원의 공간에 시간차원을 도입한 것이다. 그때까지 시간과 공간은 변하지 않는 절대적인 것이었는데 아이슈타인이 와서 시간과 공간도 절대적인 것이 아니라 관측자의 운동상태에 따라서 변하는 것이라는 생각으로 3차원의 공간에 1차원의 시간을 끌어들여 4차원 시공간의 개념을 등장시켰다. 이것은 사고의 지평을 바꾸는 가히 혁명적인 사건이었다. 

위의 그림에서 4차원이란 3차원 공간을 이동하는 것으로 표현되었는데 W라는 가상의 시간축을 따라 공간이 이동하는 그림이다. 상대성원리에 따르면 정지해 있는 사람보다 빠른 속도로 공간을 움직이는 사람의 시간이 더 천천히 간다는 것이다. 도무지 감이 잡히지 않는다. 2차원의 개미가 3차원의 독수리 세계를 이해하기 어렵듯이 3차원 세계의 우리가 4차원의 세계를 상상하기는 힘든다. 그렇지만 주사위 같은 3차원 정육면체를 위 그림에서 2차원 평면 위에 그리듯이 4차원 입방체를 3차원 공간에 구현하는 것은 상상할 수 있다. 위와 같은 4차원 정육면체를 초입방체(태서렉트)라고 한다. 4차원 태서렉트를 3차원 공간에 투영하면 시간에 따라 경계면이 변하는 기괴한 4차원 큐브가 된다.

4차원에 대해서 좀더 이해의 폭을 넓혀보자. 우리는 3차원 공간에 살면서도 실제로는 2차원 시야로 사물을 본다. 우리가 풍경이나 영화 등을 감상할 때 원근감은 느끼지만 일단 평면적으로 눈앞에 펼쳐지는 세상을 인식한다. 같은 논리로 4차원 세계의 생명체는 3차원 공간적 시야를 가질 것인데 이는 전후, 좌우 및 위아래의 전방위적인 입체적 시각을 가진 생명체로 차원 상상해 볼 수 있다. 그것을 우리가 좀 쉽게 알아볼 수 있게 보여주는 것이 위의 4차원 큐브다.

하나 더 예를 들어보자. 가령 3차원 공간을 책이라 가정해 보면 그 책의 페이지들은 각각 하나의 2차원 세계가 될 것이다. 각 페이지의 2차원 면들이 모여 3차원 공간을 만든다. 페이지에서만 사는 2차원 존재가 3차원 책이라는 가기가 어렵겠지만 만일 그 존재가 책에 물이 스며들듯 어떤 경로로 한 페이지에서 다른 페이지로 이동할 수 있다면 그 2차원 존재는 전혀 새로운 세상에 왔다고 느낄 것이다. 마찬가지로 4차원 세계는 3차원 공간을 무한히 이어놓은 세계로 볼 수 있다. 이어져 있지만 3차원의 우리는 인식할 수 없는 세계다. 우리도 만일 어떤 방법으로 4차원 공간으로 들어갈 수 있다면 그 세계는 완전 천지개벽한 별세계로 느낄 것이다.

우주가 10차원이니 11차원이니 현대과학의 의견은 분분한데 이것은 무엇일까?  현재 많은 과학자들이 수용하고 있는 초끈이론으로 보았을 때 우주는 9차원의 공간에 시간이 합쳐진 10차원의 시공간이다. 4차원 시공간까지는 대충 짐작이 가지만 나머지 6차원은 어디에 있을까. 빅뱅 당시 나머지 6차원은 블랙홀 같은 극소의 영역 속에 말려들어가 숨어버린 까닭에 우리가 인식할 수가 없다.

시간은 뒤로가지 못하고 앞으로만 흐른다. 1차원 선과 같지만 앞으로만 갈 수 있으니 그마저도 반쪽 1차원이다. 시간을 될돌릴 수는 없을까? 우리가 오랫동안 상상으로 품어온 화두다. 타임머신 같은 상상 속의 기계가 문학과 영화 등의 여러가지 이야기로 나오고 있는 것은 그 반증이다. 하지만 아직 타임머신은 이론적으로만 가능하다. 빛의 속도가 절대속도이기 때문이다. 우주선이 빛의 속도인 초속 30만km로 달린다 해도 우주선에서 보는 빛의 속도는 여전히 초속 30만km이기 때문이다. 그러나 돌이켜 역사를 보면 우리가 상상하는 것은 거의 모두 현실이 되었다. 어찌 알겠는가 우리의 후손이 타임머신을 타고 우리를 찾아올 날이 있을지도 모를 일이다.

외계 생명의 존재에 대한 의문은 오래 전부터 있어온 강렬한 의문이다. <우주생명 오디세이>를 쓴 '크리스 임피' 같은 이는 우주 생물의 시대가 이미 도래했으니 학교의 교양과목으로 우주생물학을 개설해야 한다고 역설하고 있다. 지구를 제외한 외계 우주생물이 존재하는지 조차도 밝혀지지 않은 판국에 임피가 너무 앞써 가는게 아닌가 생각이 드는데 이에 대한 그의 말을 한번 들어보자.

"컴퓨터 등의 첨단장비의 발달로 성능을 높인 기술의 혁명은 인류가 우주 먼 곳에서 온 빛을 모으고 우주로 정교한 탐지장치를 보내는 능력도 일취월장 시켰다. 수십 년 안에 인류의 생물학이 유일한지 여부를 알게 될 것이라는 믿음에는 충분한 근거가 있다."

그의 믿음은 거의 종교적 수준으로 확고해 보인다. 무슨 믿을만한 근거가 있는 것 같다. 어떤 실증적 증거가 없으면 믿지 않는 게 과학자들의 생리인데 우주생물에 대해서는 비록 밝혀지지는 않았지만 존재 가능성 쪽으로 기운다. 태양계만 하더라도 열 개가 채 안되는 혹성 중에 지구같이 생물이 존재하는 행성이 있는데 우주에는 셀 수 없이 많은 태양같은 항성이 있고 그 주위로 다들 태양처럼 혹성들을 거느리고 있을 텐데 생명이 살만한 환경을 가진 행성이 없겠는가. 이런 생각을 한 1960년대의 천문학자 프랭크 드레이크(Frank Drake)가 '드레이크방정식'을 만들어 우리 은하계 내에서 고지능 생명의 수를 추산해 냈는데 결과는 우리 지구 생명이 유일한 생명일 가능성은 거의 없었다. 이렇듯 실제 과학적 관측을 통한 생명의 존재에 대한 데이터를 충분히 확보했기 때문에 비록 연구 대상조차도 찾지 못했지만 과학자들은 우주 생명의 존재를 확신하고 있다.

"우주에는 인류만 있을까. 저 외계 어디엔가 지적으로 소통가능한 문명이 존재하지 않을까?" 이를 화두 삼아 여러 분야의 과학자들이 최고 첨단의 지식과 기술로 무장하고 그들의 앎의 지평을 넓혀가고 있다. 우선 지구에서 생명의 존재하는 다양한 조건들의 범위를 설정하려면 지구를 속속들이 탐험해야 한다. 지구에서 생물이 멸절하는 다섯차례의 대재앙을 거치고도 5억년이나 살아남은 완보동물 같은 생명이 존재하기에 생명이 우주 속에서 살아갈 수 있는 조건이 우리의 상상을 뛰어넘는 극한의 환경까지도 포함할 수 있기 때문이다. 그래서 토성의 위성인 타이탄의 액화된 메탄과 에탄으로 가득찬 호수에 잠수정을 넣어 생명의 존재를 추적하기도 한다. 외계의 생명은 우리와는 존재방식이 완전히 다를 수도 있기 때문이다. 

실제 외계지적생명체탐사(SETI) 프로젝트를 가동하여 얻은 수확을 몇 가지 들어보자. <마스(Mars)>란 다큐 드라마에도 나오지만 화성에 물이 존재한다. 지하동굴 같은 곳에 거대한 얼음 덩어리가 있을뿐 아니라 NASA에서 직접 촬영한 대로 비록 계절에 따라 수위가 변하긴 해도 화성 지표 역암층에 소금물이 존재한다. 물론 물의 존재가 생명체의 존재로 바로 연결되는 것은 아니지만 생명의 존재를 가장 강력하게 뒷받침하는 것이 물이다. 과학자들은 화성에 적어도 미생물은 존재할 것이라고 낙관한다. 

태양계 이외의 행성을 SETI가 추적한 것으로 가장 생명의 존재 가능성이 큰 행성이 <케플러 452b>다. 이는 우주로 쏘아올린 게플러우주망원경이 2015년 7월에 발견한 행성으로 크기는 지구의 60%이고 일년이 385일인 지구로부터 1400광년 떨어진 시그누스(Cygnus)계에 속해 있다. 바다, 햇빛, 활화산 등이 이 행성에 존재할 가능성이 크기 때문에 지구와 가장 비슷한 생태적 환경으로 인해 생명의 존재 가능성이 아주 높다. 2018년 적외선 망원경을 장착한 제임스웨브망원경 위성이 발사되면 외계생명 확인이 훨씬 수월해지리라 기대된다. 이 외에도 소행성과 혜성을 우주에 생명을 퍼뜨리는 존재로 알려져 있는데, 특히 혜성은 생명의 기초물질인 아미노산을 조성하는 것으로 알려져 연구의 귀추가 주목된다. 

지구 밖 외계에서 생명의 자취를 발견한다면 그것은 우리가 세계를 해석하고 이해하는 인식의 폭을 한 수준 높히는 기폭제 역할을 할 것이다. 벌써 가슴 뛰는 이야기지만 만약 인류가 지구 생물이 유일한 것이아니고 우주에도 다른 생명이 존재한다는 사실을 알아낸다면 우주는 살아있는 역동적인 우주로 판명될 뿐만아니라 인류역사의 새 장을 여는 발견이 될 것이다. 


'우주가 팽창한다면 반드시 그 시작이 있을 것이다.'라는 의문으로 나온 스티븐 호킹의 불세출의 논문이 '특이점들과 시공간의 기하학'이다. 이는 1929년 허블이 우주가 팽창한다는 사실을 관측한 결과와 아인슈타인의 상대성이론을 연결하여 우주의 기원에 특이점이 존재한다는 사실을 입증한 획기적인 논문이다. 

AI, 인공지능에서 말하는 특이점은 인공지능의 발전이 가속되어 모든 인류의 지성을 합친 것보다 더 뛰어난 초인공지능이 출현하는 시점이라고 한다. 우주론에서 말하는 시공간의 특이점도 AI의 특이점과 마찬가지로 어떤 궁극에 이르러 판이 바뀌거나 무언가 새로이 시작하는 점을 일컽는 면에서는 동일하다. 우주론의 특이점이란 빅뱅의 순간에 시공간의 곡률이 무한대가 되어 시간과 공간이 완전히 끝나는 지점을 일컽는데, 쉬운 말로 우주의 시작점이라고 보면 된다. 이는 거대한 별이 쪼그라들어 블랙홀이 되는 것과 흡사하지만 특이점은 시공간 밖에 존재하므로 어떠한 시공간의 특징도 지니지 않는다고 하니 말그대로 우리가 상상하기조차 어려운 특이한 세상일 것이다.

이제 우주론은 아인슈타인의 시대에서 호킹의 시대로 넘어왔다. 아인슈타인이 상대성이론을 통하여 아주 큰 우주의 세계를 설명했다면 호킹은 양자역학으로 아주 작은 입자의 세계를 우리에게 낱낱이 보여주고 나아가서 이 둘을 융합하여 양자우주론을 완성했다. 이제 우리는 호킹 덕분에 핵과 전자, 중성자로 구성된 물질을 이루는 최소 단위 원자로부터 광막한 우주에 이르기까지 우주전체를 통합하는 자연의 법칙을 알게 된 것이다. 

이쯤 되면 당연히 호킹에 대해 알고싶어 진다. 호킹이 어떤 인물이길래 루게릭병으로 모든 운동신경이 마비되는 상황에서도 이런 위대한 업적을 이룰 수 있었을까? BBC 드라마 <호킹>으로 이미 많이 알려졌지만 호킹은 그의 인생 자체가 기적같은 드라마다. 호킹은 1942년 출생하여 21살 되던 해 루게릭 병으로 시한부 2년을 진단받는다. 그때 그는 케임브릿지대학의 대학원생으로 막 우주론을 본격적으로 연구하려던 참이었다. 그랬던 그가 지금까지 살아서 우주론 연구를 계속하고 있다는 것은 기적같은 일이다. 이 기적의 이면에는 그가 만난 사랑의 행운의 여인이 있었다. 제인 와일드(Jane Wilde)가 바로 그녀다. 그녀와 결혼한 해, 1965년에 호킹은 그의 인생의 대작 '특이점들과 시공간의 기하학' 논문을 쓰고 박사학위를 받는다. 호킹과 제인의 사랑 이야기는 '사랑에 관한 모든 것(The Theory of Everything)'이란 영화에 감동적으로 그려져 있다. 우주물리학자 이전에 호킹은 불치병을 선고받고 우울증에 시달리는 한 평범한 청년에 불과했는데 제인이 그의 운명을 바꿔 놓는다. 호킹의 생명도 우주론도 제인의 사랑의 힘으로 소생하게 되었다.

1970년대 호킹은 캘리포니아 공과대학에 초대되어 블랙홀을 연구하는데 손마저 마비되자 뇌만을 작동시켜 문제풀이를 할 수 있도록 시스템을 만든다. 종이와 펜을 사용하지 않고 방정식을 직관적으로 그림으로 떠올리게 마음을 훈련했다니 천재는 역시 다르다. 여튼 각고의 노력을 거친 후 호킹은 소위 '호킹의 복사' 이론을 예측하여 블랙홀과 우주 시작의 비밀을 밝혀낸다. 호킹은 자신의 연구결과를 집대성하여 <시간의 역사>란 대중과학서를 1980년 출판한다. 이 책은 어려운 과학 이론을 그림으로 일반 사람들이 쉽게 알 수 있게 만든 것이 특징이다. 호킹이 이 책을 쓰면서 설정한 목표가 50년 동안의 물리학이 이룬 경이를 일반 대중들이 이해하기를 바라는 것이었다. 그래서 호킹은 그의 마음 속에 그린 물리학의 이미지를 대중들이 친숙한 비유나 도안을 곁들여 쉬운 말로 표현하는 데 집중했다.

호킹은 근래에 필생의 역작 <위대한 설계>을 출간했는데 이 책은 자신이 평생 연구한 우주론을 근거로 그의 철학적 관점을 제시한 책이다. 그는 이 책에서 고대부터 현세에 이르기까지 인류 역사상 끊이지 않고 이어져온 존재의 수수께끼에 도전한다. "세계는 왜 무가 아니고 유인가? 우주와 인간은 왜 존재하는가? 우주는 어떻게 작동할까? 실제(Reality)의 본질은? 존재하는 이 모든 것은 어디서 왔을까? 우주는 창조자가 필요했을까?" 이 모든 근원적인 물음들에 대한 답은 고대부터 종교나 철학의 몫이었다. 그러나 호킹은 이 책에서 첨단과학인 우주론으로 이 수수께끼에 대한 해법을 기술하고 있다. 

호킹의 양자우주론에 의하면 우주의 기원은 양자적 사건이다. 양자역학의 불확정성, 뒤틀린 시공간, 쿼크나 초끈이론 등으로 알려진 우주에 빈 공간은 없다. 우주는 여러 중첩된 시공간의 출몰을 반복하는 양자적 진동상태이다. 무에서 창조된 우주의 수는 10의 500승이라고 하니 셀 수 없을 정도로 많은 다중우주를 이루고 있다. 우주에는 우리가 알고 있는 3차원을 넘어 11차원의 우주가 있으며 우리가 거주하는 우주조차 유일한 우주도 아니라고 한다. 이것이 호킹이 밝힌 우주의 기원이라니 참으로 놀랍다.

호킹은 결론에서 말한다. 우리는 스스로 자신을 창조하는 우주의 일부일 수 밖에 없다. 누구에 의한 설계가 아니고 무에서 유를 만들어 내는 것은 우주의 속성이다. 우주에는 목적이 없다. 그저 있을 뿐이다. 우주와 우리의 존재 이유는 자발적 창조에 있다. 


영화 '인터스텔라'에 등장해 신비감을 심어준 차원이동 혹은 순간이동 같은 웜홀에 대해 궁금증이 인다. 그러한 세계가 과연 과학적으로 가능한 것인가 아니면 단순히 SF 영화의 작가 상상력으로 빚어진 존재인가. 이런 의문에 대해 현대 과학이 어느 정도까지 해석이 가능한지 알아본다.

웜홀은 블랙홀에서 화이트홀로 가는 통로라는 것이 전통적 개념이다. 블랙홀이 자기 중력이 미치는 주위 모든 물체들을 빨아 들인다면 이것들을 내뱉는 곳이 있어야 하지 않을까라는 생각으로 만들어진 곳이 소위 화이트홀이다. 그렇다면 이 둘을 연결시켜주는 통로도 있어야 하니 이것이 바로 워엄홀이다. 

그런데 과학이 진화하면서 생각도 진화하여 요즈음은 좀 달리 해석된다. 블랙홀로 흡입된 모든 물체들을 블랙홀 내부에서 자체 소화가 가능하다는 생각이다. 어떻게 그럴 수가 있는지는 차차 알아보기로 하자. 우선 그리되면 화이트홀이란 것이 딱히 쓸모가 없을 뿐더러 실제로 관측된 것도 아닌 상상 속의 창조물이니 이를 부정하는 생각이 주류를 이루게 되었다. 웜홀은 블랙홀과 달리 실제로 관측된 적은 없다. 단지 웜홀은 양자요동으로 자연발생적으로 생기고 그 크기가 양자 하나 들락거릴 수 있을 정도라니 관측하기가 쉽지않을 테다. 과학자들 혹은 SF작가들은 이 작은 구멍을 잘아 늘일 수만 있다면 아무리 먼 성간이동도 가능할 것이란 상상력을 발동시킨다.

웜홀이 블랙홀과는 상관없이 존재한다는 과학자의 논문도 있다. 물리학자 '킵 손'이 발표한 논문으로 '시공간의 웜홀과 성간여행에서의 유용성(Wormholes in Spacetime and their use for Interstellar Travel)'인데 이에 따르면 웜홀은 우주공간 속에 그 자체로 존재하며 별과 별 사이를 아주 빠르고 쉽게 이동하는 통로로 사용된다고 한다. 그의 이론은 워프 기술이라는 초광속 항행 기술로 설명되는데 이것은 웜홀이나 시공간 왜곡을 이용하여 우주공간에 지름길을 만들어 아주 빠르게 이동하는 개념이다. 실제로 시공간 왜곡 현상은 실측되기 때문에 이를 이용한 워프기술은 비교적 가시권에 있지만 웜홀은 아직 실측된 근거가 없기에 하나의 이론으로 치부될 뿐이다. 하지만 영화에도 나왔듯이 종이 비유로 설명된 워엄홀의 존재 가능성은 다분히 있다고 생각된다. 2차원 상에 펼쳐진 종이를 접어 구멍을 뚫어 펼치면 2개의 구멍 간의 거리는 아주 멀지만 둘을 3차원 상에서 마주치게 접으면 바로 갈 수 있는 통로를 만들 수 있다. 이와 같이 3차원 공간을 접어 구멍을 내고 4차원 시공간에서 마주치게 만들면 순간 이동할 수 있는 통로가 생기는데 이것이 웜홀이라고 한다.     

영화 '인터스텔라도' 킵 손의 생각을 받아들여 토성 근처에 생긴 웜홀을 통하여 성간여행을 하는 것으로 나온다. 이는 블랙홀과는 상관없이 별과 별 사이의 무지 먼 거리를 이동하는 통로로 사용된다. 실제로 보이저호처럼 우주공간를 여행해서 가려면 시간이 얼마나 걸리겠는가. 지구에서 가장 가까운 별의 거리가 4광년이니 시속 5만6천km로 달리는 보이저호로 간다해도 8만년이나 걸리는 먼 거리다. 워엄홀이 아니라면 성간여행을 할 방법이 없을 게다. 다중우주론을 받아 들인다면 다른 우주란 차원이 다른 세계일 테니 지금의 과학적 사고방식으로는 풀 수 없는 수수께끼가 즐비할 것이다. 성간이동의 통로라는 워엄홀도 그런 가능성의 하나가 아닐까 한다. 워엄홀은 얼음의 숨구멍처럼 차원이 다른 세계로 통할 수 있는 통로일 것이다.

웜홀을 우주의 지름길을 사용하는 이야기 중에 빼어난 작품으로 "도라도에서(at Dorado)"라고 제프리 랜디스(Geoffrey Landis)의 2002년작 단편소설이 있다. 이 작품의 배경은 웜홀 근처에 떠있는 우주정거장으로 여기서는 항구로 나온다. 이 항구 술집의 여급으로 나오는 주인공 치나에게는 이 항구를 기착점으로 삼는 우주선의 선원들이 그녀의 고객이다. 그녀에겐 남편도 있다. 다린이라는 우주 항해사인데 그는 직업상 여기저기 행성과 항구를 전전하며 살아가는 방랑벽 심한 사나이로 묘사되지면 진짜 문제는 그의 바람끼다. 항구란 항구엔 항상 현지처가 있었다. 그런데 그가 도가 지나쳐 치나가 있는 항구에서도 다른 여자와 딴 살림을 차린 것이다. 이를 알게된 치나는 그와 대판 싸우고 그의 물건들과 짐을 모두 밖으로 내던지며 그를 쫓아낸다. 집에서 쫓겨난 다린은 습관처럼 항구에 입항하는 우주선을 타고 웜홀을 통과해 다른 행성으로 여행 길에 오른다. 그런데 얼마 후 다린은 갈갈이 찢긴 시신이 되어 치나 앞으로 돌아온다. 웜홀을 통해 귀환하던 그의 우주선에 문제가 생겨 우주선이 산산조각나 버린 까닭이다. 

그런데 이게 왠 일인가. 다린의 시신을 붙들고 울고불고 하던 치나가 겨우 정신을 수습하고 출근한 바에 다린이 멀쩡한 모습으로 짠하고 나타난다. 사실 다린은 사고난 우주선은 내일 타기로 되어 있었다. 만약 이미 일어난 사실을 알고 있는 치나가 다린에게 우주선 사고소식을 알려주어 다린이 사고날 우주선에 승선하지 않는다면 인과율의 법칙에 의해 웜홀은 붕괴될 것이고 그 입구에 있는 항구도 무사하지 못할 것이다. 그럼 치나의 선택은 과연 어느 쪽일까?

다린이 느스레를 떤다. "이제 당신 외에 다른 여자는 없을거야. 이번엔 정말이야." 치나는 다린에게 마지막 키스를 하며 대답한다. "나도 알아요."

그런데 어떻게 이런 시간의 역전 현상이 일어 날 수 있을까?

웜홀이나 블랙홀 같은 특이점 시공간의 특이한 성질 때문이다. 우주선을 타고 공간이 압축되어 뒤틀린 웜홀 내부 시공간을 통과하는 과정에 공간뿐만 아니라 시간까지도 이동이 가능하다는 논리다. 우주선 이동속도가 광속에 가까울수록 시간이 느려진다는 상대성원리가 여기서도 적용된다. 우주선이 출입하는 웜홀의 입구와 출구 간의 상대론적 속도에 따라 미래나 과거로 갈 수 있다는 '킵 손'의 가설은 타임머신의 이론적 토대가 된 셈이다.

   

2015년 9월 어느날 독일의 물리학자인 마르코 드라고는 지구에서 13억 광년 떨어진 우주 어딘가에서 발생한 미세한 흔들림을 포착했다. 13억 광년이라면 이 빛(파)가 우주에서 출발한 때는 지구에 막 대기 중 산소가 형성되던 시기인 선캄브리아기였다. 당시 지구는 원시생명체가 막 태동할 무렵의 까마득한 옛날의 우주 빛을 포착한 셈이다. 

‘GE150974’(LIGO, 라이고)라 이름 지어진 이 미세한 떨림은 미국의 레이저 중력파 관측소로 즉각 전해졌다. 이는 이미 100년 전 아인슈타인의 일반상대성이론에 나와있는 중력파다. 이 사건으로 인하여 천문학계 및 물리학계는 엄청난 충격에 휩싸였으며 노벨 위원회조차 이를 주목했다. 결국 2017년 노벨물리학상을 중력파 검출에 공을 세운 라이고 연구진에게 돌아갔다.  100년 전 아인슈타인이 예언한 중력파의 존재를 처음으로 발견한 것이 수상 이유가 되었다. 

그럼 도대체 중력파가 무엇이길래 이렇게 온 학계가 들썩이고 연구자가 노벨상까지 받는 것일까?

중력파는 100년에 걸친 도전 역사를 가지고 있다. 중력파는 시공간이 뒤틀리면서 발생한 파동이다. 중력파는 중력이 변동을 일으칼 때 주위 시공간을 휘게 만들며 광속으로 퍼진다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면 질량을 가진 물체가 가속될 때 시공간이 변형되면서중력파가 방출된다고 한다. 다만 중력파가 너무 미세하기에 이를 포착하기가 너무 어렵다.  항상 그렇듯이 과학계는 이론적으로 완벽하더라도 실제로 증명되지 않으면 학설로 인정하지 않는다. 그래서 중력파를 포착하는 것은 역사상 물리학자들이 도전 과제였다. 100년에 걸친 끊임없는 도전의 역사를 마무리 지은 것이 1987년에 시작된 프로젝트 라이고(LIGO)다. 이것은 30 년이라는 긴 기간 동안 20개국에서 천여 명의 연구자들이 참여한 거대한 국제 프로젝트이다.  

결국 연구진은 레이즈간섭계 두 개를 사용해서 13억 년 전 두 블랙홀이 충돌하여 발생한 중력가 지구를 스칠 때 나타나는 변화를 관측하는데 성공했다. 원자핵의 수천 분에 일 정도도 않되는 지극히 미세한 떨림이었다. 데이터는 완벽했지만 관측한 데이터에 대한 검증에만 5개월이나 걸려 2016년 2월 마침내 논문이 발표되었다.  중력파 검출기 현재까지 네 번의 우주 진동을 포착했다. 인도와 일본에서도 새로운 중력파 관측 시설 건설에 착수했다.

중력파는 천문학에 새로운 패러다임을 제공한다  

중력파의 발견이 이토록 중요한 이유는 천문학에 중력파 천문학이라는 새로운 패러다임을 제시한다는 것이다. 여태껏 천문학은 전자기파 와 빛에 의지해 왔다.  중력파는 모든 물체를 잘 투과할 뿐만 아니라 처럼 다른 물질에 닿아 반사나 굴절되거나,  전자기파 처럼 다른 물질과 상호 작용도 하지 않는다.  블랙홀의 충돌이나 작용으로 인하여 생기는 중력파를 측정한다면 지금까지 이론상 상상만으로 추측했던 블랙홀의 내부상태를 알아 낼 수 있을지도 모른다. 이렇게 중력파의 발견은 베일에 쌓인 우주의 신비를 풀어내는 데 있어 완전히 새로운 패러다임을 제시해 줄 것이다. 가장 기대가 되는 것은 우주 빅뱅시 발생한 중력파 포착할 수 있다는 가능성이다. 포착만 되면 우주의 탄생 비밀을 푸는 단서가 될 수도 있겠다. 이미 포착된 중력파로 블랙홀 쌍성계를 발견하여 두 개의 블랙홀 별들이 서로의 인력에 끌려 춤을 추다가 하나의 블랙홀로 합쳐지는 역동적인 과정을 시뮬레이션해 낼수 있는 경지까지 왔다. 중력파 천문학이 선사할 앞으로의 우주 세계가 기대된다.  

또 혹 아는가. 우리에게 중력파 스마트폰이 주어질런지.  물질과의 충돌시 상호 간섭이 거의 없고 투과성이 좋은 중력파를 통신분야에 용용한다면 상상할 수 없을 정도로 완벽한 통신수단이 미래에 탄생할 가능성도 있다.


우주선 "아발론호"

간만에 인간적인 SF영화를 한편 보았다. 넷프릭스로 다운받아 65인치 스마트TV로 보니 볼만했다. 칼 세이건의 <COSMOS>로 불이 붙은 우주여행이 이제 <페신져스>란 영화에까지 흘러온 셈이다.

이 영화는 120년의 동면여행 중 90년 일찍 깨어난다면 어떤 일이 벌어질까? 란 물음에서 시작한다. 어떤 재난 상황보다도 패쇄된 우주공간이 더욱 절박한 재난지대가 될 수도 있다는 생각이 드는 영화다. 영화는 우주수송선 아발론호(AVALON)가 식민 행성 '홍스테드2'를 향해 동면 승객과 승무원 5천여명을 태우고 120년의 우주항해를 하고있는 가운데 원인을 알수없는 이유로 한 승객이 90년 일찍 동면에서 깨어나면서 시작된다. 짐(크리스 포렛)은 지구에서 엔지니어로 사는 삶에 불만을 느끼고 120년 후 자신을 필요로 하는 세상을 꿈꾸며 식민 행성 '홈스테드2'에 탑승한다. 그러나 120년의 여정 중 30년 밖에 안된 시점에 홀로 우주선에서 깨어났으니 그 심정이 어땠을까? 

1년이 넘도록 우주선에서 이 재난 상황을 벗어날 방법을 찾아 온갖 시도를 하며 몸부림치지만 결국 실패한다. 결국 외로움을 견디지 못하고 자살을 하려는 순간 승객실에서 동면 중인 오로라(제니퍼 로렌스)를 발견하곤 사랑에 빠진다. 그녀를 동면에서 깨우는 것이 차마 저지를 수 없는 살인(오로라가 뒤에 사실을 알고 외친 말)에 가까운 행위란 걸 알고서도 번민 속에서 어찌할 수 없이 일을 저지르고 만다. 

그냥 사고로 90년 일찍 동면에서 깨어난 줄 생각하고 있던 오로라는 한동안 짐처럼 혼란과 절망 속에서 몸부림 치지만 둘은 점점 가까워지고 짐의 안내로 함께 우주유영을 한 뒤로 서로 사랑하는 커플이 된다. 뉴욕의 베스트셀러 작가였던 오로라는 250년 후의 세상을 소설에 담기 위하여 이 우주선에 올랐다. 그러나 뜻하지 않은 사고로 그녀의 꿈은 산산히 깨어졌지만 또 뜻하지 않은 사랑을 얻어 이렇게 노래한다. "그와 있으면 내 인생이 끝난 게 아니다. 이제 시작인 것처럼 느낀다."

그런데 뒤에 로봇 바텐더의 입을 통해 짐이 그녀를 동면에서 깨운 사실을 알게된다. 모르는 게 약이라는 말은 이를 두고 한 말일 것이다. 엄청난 분노에 절규하던 오로라는 연이어 벌어지는 우주선의 심각한 재난상황, 즉 바텐더 로봇이 오작동을 일으켜 주변을 파괴하는가 하면 중력단절로 인하여 수영 중이던 오로라가 공중에 뜬 물 속을 빠져나오지 못해 익사의 위기에 처하는 등 우여곡절을 겪는다. 이 모든 위기 상황이 우주를 부유하는 소행성의 우주선 충돌로 인한 사고로 일어난 것이며 급기야 우주선의 추진동력을 일으키는 원자로가 이상 과열되어 폭발할 위기에 이른다. 이에 둘은 다시 뭉쳐서 문제를 해결하고 그 과정에 우주 밖으로 튕겨져 나간 짐은 일시적으로 죽음에 이르나  오로라가 그를 구조해 살려낸다.

우주선의 전망대에서 별구경하는 짐과 오로라

둘은 우주선도 고치고 그 과정에 잃었던 사랑도 회복하여 더없이 행복한 둘만의 생활을 일궈간다. 뒤에 죽은 승무원의 동면기를 이용하여 다시 동면할 수 있는 방법을 알아낸 짐은 오로라에게 동면에 들어서 원래의 꿈을 이루길 종용하지만 오로라는 홀로 삶의 꿈을 찾아가기보다는 밍폐된 우주공간일망정 둘만의 사랑을 선택한다.

그로부터 88년 후 우주선이 목적지인 식민행성에 가까이 오자, 장면은 전환되어 승무원들이 먼저 동면에서 깨어 중앙 홀로 나오는데 짜잔하며 펼쳐지는 것이 나무들과 풀밭, 그 위에 노니는 닭들... 전형적인 전원풍경이다.  그러면서 이어지는 엔딩내레이션.

"너무 다른 곳만 바라보면 지금 우리에게 주어진 것을 누릴 수 없어요. 우주의 미아들로 우리는 만났지만 서로 만나 함께 만들어가는 새로운 삶을 찾았어요. 아름다운 우리의 삶을 찾았어요."

여태껏 상영된 <인터스텔라> <그래비티> <마션>같은 SF물 중에서 <페신져스>는 가장 인간적인 면모를 드러내는 작품이라 하겠다.  기존의 SF영화들이 우주비행사나 과학자들과 같은 우주 전문가들이 주인공으로 등장해  우주재난을 헤쳐나가며 해박한 우주지식과 더불어 스펙터클한 영상으로 사람들을 압도했다면 이 영화는 우주재난을 겪는 보통사람들(엔지니어나 작가 같은)이 절박한 재난에 봉착했을 때 그들의 마음의 움직인, 감정선에 초점을 맞춘 작품이라 하겠다. 나는 이 영화를 보면서 정말 우리의 생존에 필요하고 소중한 것이 무엇인지 곱씹을 수 있어 좋았다. 또 홀로그램이라든지 바텐더 로봇 등의 첨단 과학의 진수를 보면서 현재 과학의 발전에 찬탄을 금치못했으며, 그리고 무엇보다도 비록 영화 속이지만 환상적인 우주여행과 우주유영을 마음껏 맛보았다.





NASA의 우주인은 이번에 우주정거장에서 거의 1년에 가까운 355일간의 우주체류 신기록을 세운다. 이전 기록이 최장 6개월이었다는 걸 볼 때 이건 획기적인 기록이다. 그럼 왜 이리 위험을 무릎쓰고 무리한 도전을 하는 것일까? 이것은 화성 유인탐사 때문이라고 한다.

"지구는 인류의 요람이지만 인류가 요람에서 영원히 살 수는 없다"는 말로 유명한 러시아 우주 개척의 대부 콘스탄틴 치올콥스키의 말에서도 알 수 있듯이 지구를 대체할 행성 개척은 인류의 필수 과제로 보인다. 그동안 미국, 러시아, 유럽 등 세계각국이 피나는 노력을 경주한 결과 찾아낸 지구를 대체할 행성으로 가장 적격인 행성이 화성이다.

화성은 태양의 4번째 혹성으로 지구와 가까이 있으면서 축의 기울기가 25.19도, 자전주기가 24시간 39분 등 지구와 비슷한 점이 많다. 하성의 표면은 암석과 풍화된 흙, 거대한 얼음 등이 존재하니 화성의 돌과 흙을 이용하여 멋진 집을 짓고 얼음을 녹여 산소와 물을 얻고 햇빛으로 에너지와 농작물을 생산하면 지구와 같은 생활이 가능해진다. 

그런데 지구에서 화성을 왕복하려면 3년이나 걸린다. 화성과 지구는 둘 다 태양의 혹성으로 태양 주위를 공전하고 있다. 그래서 이 둘은 약 5500만km~2억km 사이를 서로 가까워지기도 하고 멀어지기도 한다.  지구의 공전주기가 365일인데 화성은 무려 687일로 두 배 가까이 되니 지구와 가장 가까운 화성은 평균 2년에 1달정도의 기간으로 찾아온다. 이 기간을 맞추어 화성 왕복 우주선을 발사해야 한다. 현재 기술로 화성 왕복 비행에 걸리는 시간이 6~8 개월 정도이니 타이밍을 기다리는 시간을 포함하면 화성왕복에 약 3년이 걸리는 셈이다. 

이 긴 우주 체류 기간 중에 거의 없거나 약한 중력장과 강력한 우주방사능 등의 우주 환경이 우주인들에게 어떤 영향을 줄지, 또 그 긴 기간을 우주인들이 과연 버텨낼 수 있을지 해결해야 할 문제가 한 두가지가 아니다.  그래서 NASA는 우주인이 우주에 장기체류시 일어날 수 있는 정신적, 신체적 변화에 대하여 연구와 실험을 계속하고 있다. 이는 화성탐사에 꼭 필요한 해결과제이기 때문이다. 

이런 우주 장기체류시 인체변화에 대해 NASA는 한가지 재미있는 실험을 한다. 우주비행사 스콧 캘리에게 일란성 쌍둥이 형이 있었는데 마크 켈리이다. NASA는 이들이 쌍둥이인 점에 착안해 동생이 우주정거장에 오래 체류하는 동안 지구에 있는 형을 비교 대상으로 삼아 우주인의 우주 장기체류시 신체변화에 대한 연구에 하게 된다.  이들은 동일한 DNA를 가지고 있기 때문에 주변환경이 DNA에 미치는 영향을 쉽게 알아볼 수 있다. 

우주여행을 하면 생명이 연장될까?

1년 동안 우주에서 생활한 형은 동생에 비해 키가 약 5cm 자란 반면 근육과 골밀도는 감소했다. 근데 놀라운 차이는 소위 "장수 유전자'라 불리는 텔로미어(TELOMERE)의 변화였다. 인류의 최대관심사가 노화 문제인고로 텔로미어에 대한 연구는 세계 과학자들의 뜨거운 감자였다. 텔로미어는 DNA를 보호하는 일을 하지만 세포분열이 일어날 때마다 길이가 점점 짧아져 어느 순간 더이상 세포분열을 하지 못하고 죽게된다. 세포가 재생되지 못하는 것을 우리는 노화현상이라고 부른다. 텔로미어가 노화시계로 불리는 이유이다. 그런데 놀랍게도 우주에 있는 동생의 텔로미어가 형의 것보다 더 길어졌다. 이는 아인시타인이 상대성원리에서 말한 빠른 속도로 움직이면 시간이 느리게 간다는 말을 과학적으로 입증한 셈이다. 이 원리를 이용한 수많은 CFS영화에서 타임머신으로 시간여행을 하는 장면이 등장하기도 했다. 하지만 동생이 지구 귀환 후 시간이 좀 지나자 동생의 텔로미어가 원상복귀되어 과학자들은 이 이론을 일반화 시킬 수는 없다고 발표했다. 그래도 우주공간에서는 우주여행을 하면 생체시계가 느리게 가서 생명이 연장된다는 것이 증명되었다고 하겠다.



지구는 약 2억 5천만 년 전 고생대 페름기 때 하나의 초대륙 판게아가 있었다. 그후 공룡이 판치던 1억 5천만 년 전 중생대 쥐라기 시대를 거치면서 대륙이 점차 분리되어 현재의 5대양 6대주를 만들었다. 앞으로 2억 5천만 년 후에는 다시 대륙이 합쳐져 '판게아울트라' 라는 하나의 대륙이 돨 것이라 하니 지구는 살아있는 생명체 같이 역동적이다. 지구의 대륙이 한 덩어리였던 판게아(PANGAEA) 시대로 여행해 보자.



베게너의 대륙이동설


알프레도 베게너(Alfredo Wegener)는 1910년대의 독일의 기상 및 물리학자이다. 그는 아프리카의 서해안과 남아메리카의 동해안이 마치 퍼즐 조각처럼 잘 맞아떨어지는 걸 우연하게 발견하곤 두 대륙간의 동식물 화석이 같다는 논문을 읽은 후 지금의 지구 대륙의 모습은 하나의 대륙 판게아에서 분리되어 이동했다는 '대륙이동설'을 주창했다. 본래 하나였던 대륙들이 판게아로부터 떨어져나와 지금의 대륙들로 분화되었다는 학설이 대륙이동설인데 이는 대륙이동을 일으키는 힘의 근원을 증명하지못해 베게너가 죽을 때까지 학설로 인정을 받지 못했다. 


 '판게아' 시대 이후에도 대륙은 이합집산을 계속하며 현재의 멋진 세계지도를 완성했으며, 미래의 초대륙 '판게아울트라'는 마지막 판게아라는 의미인데 지금의 인도양은 대륙 속에 호수처럼 갇히는 형태로 하나의 대륙이 형성된다고 하니 신비롭다.


어떤 힘이 지구의 판을 바꾸는 것일까?


지구 내부로 들어가 보자. 지구의 중심에는 고체상태의 내핵이 있고 그 주위에 끊고있는 철의 성분이 액체상태의 외핵, 그 바깥을 맨들이라 하는 무거운 암석층이 뒤덮고 있다. 멘틀 위를 지각이 둘러싸고 있는데 지구를 사과라 하면 사과껍질에 불과하다. 지각과 맞닿은 맨틀을 합하여 '판'이라 부르는데 지금 지구를 표면을 이루고 있는 판은 총 10개가 넘는데 태평양판, 유라시아판 등의 이름으로 불린다. 


하부 맨틀은 외부핵의 열로 인하여 밀도도 낮고 온도도 높지만 상부 맨틀은 식어서 차갑고 단단하다. 아로 인하여 맨틀에서는 끊임없는 대류 현상이 발생하고 있다. 전통 판구조론에선 상부맨틀의 대류 작용이 판을 움직이는 주 원인이라고 말해 왔으나 그것만으로는 지각의 움직임을 설명하기에 부족하다. 이를 보완하여 나온 새로운 학설이 1990년대 등장한 '플룸 구조론'이다. 플룸이란 하나의 열기둥으로 핵과 맨틀 사이의 경계로 가라앉거나 맨틀 속으로 떠오르는 등 부침을 반복하는데 이것이 판을 움직인다고 한다. 


맨틀보다 가벼운 지각은 판에서 떨어져 나가 맨틀 안에 쌓여서 큰 덩어리를 이루면 맨틀 아래로 가라앉기 시작하는 데 이것을 '차가운 플룸(Cold Plume)'라 부른다. 이는 핵과 맨틀의 경계면까지 침하하여 '뜨거운 플룸(Hot Plume)'로 변하여 지표면으로 올라온다. 이러한 플룸의 대류활동으로 지각의 판은 퍼즐처럼 이합집산을 반복한다는 것이다. 


이들 플룸 중 거대한 것들을 슈퍼플룸이라 하는 데 남태평양과 아프리카 아래의 두 수퍼플룸이 어떻게 움직이느냐에 따라 대륙의 판도가 달라진다. 남태평양 수퍼플룸은 반시계 방향으로 움직이고 있기에 남아메리카 대륙도 반시계 방향으로 회전에 약 2억년 후면 유라시아 대륙과 만나게 된다. 반대로 아프리카 수퍼플룸은 시계방향으로 아프리카 대륙을 움직여 유라시아 대륙과 만나게 만든다 하니 판게아 시대 때는 서로 붙어 있었던 아프리카와 남아메리카 대륙이 '판게아울트라' 시대에는 서로 등을 돌려 다른 대륙에 접하게 된다니 흥미롭다. 


한 개의 초대륙은 약 5억년 주기로 거듭해 만들어 졌다. 지질구조와 화석들로 우리가 모르는 아득한 옛날 이 지구상에 무슨일이 일어났었는지 알 수가 있다. 고생대 페름기 판게아가 만들어질 무렵 지구상엔 사상초유의 거대한 대멸종 사건이 일어난다. 시베리아 화산분출을 시발로 전 지구적인 화산폭발과 용암유출이 장기간 계속되면서 용암이 석탄층을 태워 대기를 유해 가스로 오염시켜 90%가 넘는 지구 생물이 질식사 하게 된다. 하지만 끊질긴 생명은 이 모든 난관을 극복하고 살아남아 현세에 이르고 있다.


지구상에 생명이 탄생하기 전 아득한 과거부터 지구의 내부는 판을 움직여 퍼즐놀이를 계속해 왔다. 수십 수백 억년의 세월이 흘러 인류가 지상에서 사라져도 지구는 판의 퍼즐놀이를 멈추지 않을 것이고 그 동안 몇 차례의 판게아 시대를 맞을지 알 수가 없다. 이 거대한 대륙을 움직이는 장엄한 지구의 위용을 단명한 인간으로서 감상할 수 없다는 것이 참으로 유감이다. 



통신위성을 이용한 위성항법이란 무엇인가? 



GNSS(Global Navigation System: 글로벌 위성항법 시스템) 


인공위성들에서 수신된 신호를 기반으로 지상및 공중에 움직이는 물체의 위치, 고도, 속도 등의 정보를 알아낼 수 있는 시스템이다. 현재 GNSS는 1~15m의 오차 범위 내에서 정확한 위치정보를 제공할 수 있어 군사용 뿐만아니라 민간의 비행기나 배, 자동차에서 등산이나 자전거 여행에 이르기까지 개인 탑재 GNSS로 널리 쓰인다. GNSS는 인공위성, 관제시스템, 사용자로 구성되어 있는 셈이다.


24개 통신위성 중 한 개 이상의 통신위성의 신호를 수신할 수 있는 수신기와 지상의 신호 감시국만 있으면 지상은 물론 지구 궤도상에서도 위치를 포착할 수 있다. 이들 24개의 통신위성은 약 20,200km 고도에서 경사각 55도로 6개의 원 궤도를 그리며  지구 주위를 돌고 있는데 이들의 공전주기는 11시간58분이다. 통신 주파수대는 S-band대를 사용하고 있다. 통신위성들에서 발신된 전파를 수신 단말기로 받아 전파가 수신기에 도달한 시간에 빛의 속도를 곱하여 위성으로부터의 거리를 구하여 사용자의 위치를 구하는데, 이때 통신위성 2 이상 가능한 많은 위성의 전파를 수신할수록 위치의 오차가 줄어든다. 전파수신 위성 하나에 한 개 씩의 위치선이 나오기 때문에 이들이 만나나는 점이 사용자의 위치가 된다.  GNSS는 사용자가 어디에 있던 그 위치에 상관없이 전파 수신만 되면 위치를 알아낼 수 있고, 수신 단말기가 소형이며 항상 실시간으로 위치 파악이 쉽다는 점들이 돋보이는 장점이다. 


이미 널리 알려진 GPS(Global Positioning System)은 GNSS에 해당하는데 1970년대 초에 미국에서 군사목적으로 움직이는 군인들의 위치, 속도, 시각을 정확하게 추정할 수 있었다. 지금은 민간에게도 개방되어 널리 사용되고 있으며 GNSS의 대표적 시스템이 되었다. 2000년 초에 PDA에 장착한 소형GPS로 자동차의 내비게이션 제품을 내놓은 것이 민간 사용의 시초이며 이후 스마트폰 등에 대거 보급되면서 GPS 범용화 시대를 맞았다. 미국의 지피에스에 대항하여 러시아에서는 글로나스(GLONASS, GLObal NAvigation Satellite System)로 맞불을 놓았다. 이도 역시 24개의 통신위성으로 구성되어 지구 전역을 다 커버할 수 있다. 이미 지피에스와 글로나스가 서로 호완되는 스마트폰도 출시되었다. 세계각국은 이 위성항법 시장에 모두 뛰어들어 중국은 베이더우(Beidou)를 유럽연합(EU)는 갈릴레오(Galileo)를 구축했다.


SBAS(Satellite Based Augmentation System): 위성기반 오차보정 시스템

한국형 초정밀 GPS 오차 보정시스템으로 GPS의 오차를 3m 이내로 줄여서 지구상 어디에서도 사용할 수 있는 내비게이션 시스템이다. 한국항공우주연구원이 주관으로 개발하는 이 사업은 'KASS'라고 불리는데 개발이 완료되면 세계 7번째 SBAS 보유국이 된다. 


KASS 계획은 2020년 7월부터 항공기 외의 모든 분야에 무상으로 서비스가 제공되고 2022년에는 항공기에도 정식 서비스가 개시된다. 통신위성에서 무상으로 서비스가 제공되는 GPS 특성상 이 SBAS도 추가 수신단말기를 마련하지 않고 단지 소프트웨어 업그레이드 만으로도 사용할 수 있게 된다.


KASS 개발이 완료되면 항공 분야에서도 비행기 사고감소, 연료비 절감 등의 효과를 볼 것이며, 위치기반서비스 분야에서도 통신기기의 성능이 개선되어 네비게이터 오류 감소, 자동차와 선박의 사고예방, 응급환자의 신속한 후송 등 여러 긍정적인 효과가 예상된다.





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