물리학과

박현거 물리학과 교수가 2020년 찬드라세카 상의 수상자로 선정됐다. | 사진: 국가핵융합연구소 제공 박현거 교수, 플라스마 물리학계 3대 학술상 수상! UNIST 박현거 물리학과 교수가 제7회 ‘찬드라세카 상(S. Chandrasekhar Prize)’의 수상자로 선정됐다. 플라스마 물리학계 3대 학술상으로 불리는 찬드라세카 상의 수상자로 선정된 한국인은 박현거 교수가 최초다. 아태물리학협회(Association of Asia Pacific Physical Societies) 플라스마 분과(Division of Plasma Physics)는 10일(목) 박현거 교수를 2020년도 찬드라세카 상 수상자로 선정했다고 밝혔다. 박현거 교수는 지난 40여 년 동안 핵융합 플라스마 물리 연구를 개척해온 세계적 석학으로서, 기존 관측방식이 아닌 차원이 다른 독창적인 관측방법을 개발해 핵융합 플라스마 물리 난제를 해결할 길을 제시했다는 공로를 인정받았다. 그는 미국 프린스턴대학 플라스마 물리연구소(PPPL)에 재직하던 시절, 국제 협력을 바탕으로 핵융합 플라스마의 복잡한 전자운동을 2차원에서 실시간으로 관찰할 수 있는 초고속 마이크로파 영상 카메라를 개발했다. 이는 핵융합 플라스마의 자기유체 및 난류현상에 대한 명확한 관찰과 해법 마련의 바탕이 됐다. 이후 2007년 귀국한 박현거 교수는 POSTECH 물리학과에 재직하며 국내 핵융합 연구발전에 힘썼다. 특히 국가핵융합연구소의 한국형 핵융합연구로, ‘케이스타(KSTAR)’의 연구역량 향상과 후진양성에 집중했다. 박현거 교수는 지난 2015년부터 2017년까지 KSTAR 연구센터장을 겸임했으며, 현재는 고문을 맡고 있다. 박현거 교수는 KSTAR 연구센터의 센터장을 겸임했고 현재 고문으로 있다. | 사진: 국가핵융합연구소 제공 그가 개발한 3차원 영상 측정이 가능한 마이크로파 영상 카메라는 KSTAR 내부 플라스마 전 영역에서의 자기유체 현상의 발달 및 붕괴과정을 2, 3차원으로 동시에 관찰할 수 있다. 새로운 진단방식으로 관찰된 연구결과는 새로운 이론과 모델링을 촉발시켜 KSTAR의 플라스마 연구역량이 세계적 수준으로 성장하는데 큰 도움이 됐다. 현재 이 마이크로파 영상 카메라는 전 세계에 운전 중인 대부분 핵융합 장치에 적용돼, 핵융합 플라스마 물리연구에 필수 요소로 인정받고 있다. 박현거 교수는 “찬드라세카 상의 수상자로 선정돼 영광”이라며 “이번 수상은 KSTAR 연구센터와, KSTAR 플라스마 연구를 기반으로 한 한국의 핵융합 플라스마 물리분야가 세계적으로 주목받을 수 있는 계기가 될 것”이라고 소감을 전했다. 박현거 교수는 물리학 분야 최고 권위지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters, PRL)’에 총 36편의 논문을 게재한 것을 포함해 300여 편 이상의 SCI급 논문을 발표했다. 그의 수많은 성과 중 가장 대표적인 것은 핵융합 플라스마 중심부에서 일어나는 고전적 자기유체현상 중 하나인 ‘톱니현상’에 대한 명확한 물리기반을 확립한 것이다. 박 교수는 지난 2006년, 독일 텍스토르(TEXTOR) 핵융합 연구 장치에서 해당 현상을 최초로 2차원에서 관찰해 관련 연구논문 2편을 한 PRL에 동시 게재했고, 이어 KSTAR에서 국내외 연구자들과의 공동 연구를 통해 톱니현상에 대한 기존 연구들의 논란을 정리했다. 한편 찬드라세카 상은 2014년 아태물리학협회 플라스마 분과 창설과 함께 재정된 상으로, 1983년 노벨 물리학상을 수상한 수브라마니안 찬드라세카의 이름을 따 아시아 태평양 지역의 선구적인 플라스마 물리학 분야 연구를 장려하기 위해 마련됐다. 이 상은 미국물리학회 플라스마 분과의 ‘맥스웰 상(Maxwell Prize)’, 유럽물리학회 플라스마 분과의 ‘알벤 상(Hannes Alfvén Prize)’과 더불어 플라스마 물리학 분야의 3대 학술상으로 꼽힌다.

‘자석’이 갖는 물리적 특징을 이용한 컴퓨터 기억장치인 ‘자성 메모리(MRAM)’는 전원을 꺼도 데이터가 사라지지 않고(비휘발성), 처리 속도도 빨라 차세대 메모리로 주목받는다. 이 장치의 효율을 더 높이는 데 실마리가 될 연구결과가 나왔다. UNIST(총장 이용훈) 자연과학부의 박노정 교수팀은 인천대 김정우 교수팀, KIST 김경환 선임연구원과 공동으로 수억 분의 일 미터(m)의 얇은 두께를 갖는 자성체의 ‘자기이방성’(Magnetic Anisotropy)을 효과적으로 제어할 방법을 제시했다. ‘자기이방성’은 자성체 결정(結晶)의 축 방향에 따라 자성을 띠는 정도가 달라지는 성질이다. 이번 연구에서는 이 성질을 ‘온-오프 스위치(on-off switch)’처럼 사용해 에너지를 소모를 줄이면서 정보를 더 빨리 안정하게 저장할 가능성을 보인 것이다. 물질의 자성은 ‘스핀(Spin)’이라는 전자 회전운동에서 비롯된다. 스핀은 N-S극을 갖는 아주 작은 ‘자석 알갱이’로, 자기장을 가해 그 방향을 정렬할 수 있다. 이때 물질이 자성을 띠며 이를 ‘자화(磁化)’라 한다. 자성 메모리는 바로 이 ‘자화 방향’을 이용해 정보를 저장하고 읽는다. 하지만 자기장으로 자화를 조절하면 전력 소모가 많고 발열이 생겨 메모리 소자의 집적도를 높이기는 어렵다. [연구그림]이차원 자성 물질인 CrI₃의 자성 방향을 조절하는 방법을 표현한 모식도 이번 연구에서는 자기장이 아닌 ‘빛과 전기장을 이용해 자화 방향을 조절’할 수 있음을 이론적으로 증명했다. 이차원 물질인 요오드화크롬(CrI₃)에 빛과 전기장을 가하면 이 물질의 자기이방성 크기를 제어할 수 있음을 밝힌 것이다. 자성체는 자기이방성 크기에 따라 자화 방향이 달라지므로 자기장 없이도 자화 조절이 가능하다. 이 경우 에너지 소모는 줄이면서 정보를 더 빠르고 안정적으로 저장할 수 있다. 자성체의 자기이방성이 크면 스핀이 한쪽으로 정렬되는 성질이 강하다. 그 덕분에 입력된 정보가 안정적으로 저장되지만, 새 정보를 입력할 때 들어가는 에너지 소모는 크다. 이런 ‘딜레마’는 자가이방성을 조절해 극복할 수 있다. 정보를 입력할 때는 자가이방성 크기를 낮추고, 정보를 보관할 때는 자가이방성 크기를 높이는 것이다. 이렇게 조절하면 적은 에너지로 더 빠르게 효과적인 정보의 입력과 저장이 가능해진다. 연구팀은 이론계산을 통해 빛과 전기장을 이용해 원자 수준으로 얇은 자성체의 자기이방성을 아예 없애거나 5배까지 키울 수 있음을 밝혔다. 또 요오드화크롬의 자기이방성을 조절해 수직 방향으로 자화가 일어나는 현상을 강화할 수도 있었다. 수직 자화가 수평 자화보다 정보저장밀도가 높고 스핀 방향을 바꾸는 에너지 소모가 적으므로, 이번 발견은 향후 자성 메모리 개발에 도움을 줄 전망이다. 박노정 교수는 “빛과 같은 외부 자극이 있는 상태에서 스핀의 움직임을 정확하게 기술할 수 있는 ‘시간의존적 범밀도함수이론’을 활용했다”며 “이번 연구결과는 ‘고효율 자성 소자’ 구현에 필수적으로 여겨졌던 ‘자기이방성’을 빛과 전기장으로 매우 빠르게 제어할 수 있음을 보였다”고 연구의미를 밝혔다. 이번 연구결과는 세계적인 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 2월 12일자로 출판됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원으로 이뤄졌다.

논문링크 : https://doi.org/10.1088/1741-4326/ab4631

김제형 교수팀은 2차원 반도체물질과 실리콘 MEMS 소자를 이용해 양자광원의 위치와 파장을 동시에 제어하는데 성공했다.ㅣ사진: 김경채 빠른 연산 속도와 높은 보안성을 갖는 차세대 정보처리기술로 ‘양자 컴퓨팅’과 ‘양자 통신’이 꼽힌다. 이런 양자 정보기술의 핵심은 고효율 ‘양자 광원(quantum light source)’을 생성하고 제어하는 기술인데, 이를 실현할 연구가 나왔다. UNIST 자연과학부의 김제형 교수는 원자 한 개 수준의 두께를 갖는 아주 얇은 ‘이차원 반도체 물질’과 부분적으로 힘(strain) 제어가 가능한 ‘실리콘 미세 소자(MEMS)’를 결합해, ‘양자 광원’의 위치와 파장을 동시에 제어하는 데에 성공했다. 제어 가능한 다수의 양자 광원은 광자 기반의 양자 컴퓨팅, 양자 통신, 양자 계측 등 다양한 양자 기술에 쓰인다. 따라서 이번 연구결과는 연산 속도와 보안성, 정확성을 기존보다 높일 양자 정보기술 시대를 앞당길 것으로 주목받고 있다. 양자 광원은, 전자의 스핀이나 초전도 전류처럼, 양자 정보 처리의 기본 단위인 ‘큐비트(Qubit)’를 구현할 수 있다. 큐비트는 양자 상태에서 1과 0이 중첩되거나 얽히면서 정보를 표현하는 단위로, 0과 1로 정보를 표현하는 기존 정보 처리의 단위인 비트(bit)보다 발전된 개념이다. 기존 정보 처리 기술의 핵심이 다수의 비트를 구현하는 ‘반도체 집적소자’이듯, 실용성 높은 양자 정보 처리를 위해서는 큐비트를 생성하고 제어하는 기술이 핵심이다. 더 많은 정보를 동시에 처리하기 위해서는 더 많은 큐비트가 집적돼야 하고, 큐비트 간 상호작용을 일으키기 위해서는 각 큐비트의 특성이 동일해야 한다. 따라서 광자(빛) 기반의 양자 정보기술을 상용화하려면, 실제 소자(chip) 위에 다수의 단일 양자 광원을 동시에 생성하고 제어하는 기술이 필요하다. 기존에는 아주 작은 양자점을 성장시켜 여러 개의 양자광원을 만드는 기술을 사용했다. 하지만 이 경우에는 광원의 위치와 파장을 균일하게 조절하는데 어려움이 있다. 그림1. 제어 가능한 반도체 양자 광소자 모식도 (왼쪽) 국소 응력 제어를 위한 실리콘 MEMS 구조와 결합된 이차원 반도체 (WSe2) 물질 모식도. (오른쪽 위) WSe2 단일 원자층 물질이 나노 피라미드와 결합되어 있는 전자 현미경 사진. (오른쪽 아래) 전기장으로 제어 가능한 실제 양자 광소자 시료 사진 피라미드 구조의 뾰족한 꼭짓점에 집중된 힘은 반도체 물질의 전자에너지 구조를 변형시켜 단일 양자광원을 만들어 낸다. 즉 피라미드 구조의 위치를 옮기면 양자 광원의 위치도 자유롭게 바꿀 수 있다. 양자 광원의 파장은 꼭짓점에 집중되는 힘의 크기에 따라 달라지는데 이 힘은 실리콘 MEMS 소자 외부에서 전기로 제어 가능하므로, 양자 광원의 파장도 원하는 대로 조절할 수 있다. 그림2. 양자 광소자 광학 특성 분석 (왼쪽) 매우 좁은 선폭을 갖는 단일 이차원 반도체 양자 구조 발광 스펙트럼 결과. (가운데) 광원의 양자 광학적 특성을 보여주는 이차　상관 관계 그래프. 그래프 가운데 부분이 내려가는 특성이 단일 광자원임을 나타낸다. (오른쪽) 시료의 국소 응력을 전기장으로 변화(Y축)시켜 가며 반도체 양자광원의 파장(X축)을 실시간 제어한 결과. 김제형 교수는 “반도체 기반 양자 광원의 위치와 파장을 제어하는 기술이 많이 제시됐지만, 이를 하나의 소자 내에서 동시에 제어하는 기술은 난제로 남았다”며 “이번 연구가 다수 양자 광원 기반의 양자 광학 연구에 도움이 될 것”이라고 전했다. 이번 연구결과는 세계적인 학술지 나노 레터스(Nano Letters) 9월 9일자 온라인 속보로 게재됐다. 연구 지원은 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 신진연구사업, 정보통신기획평가원 IT·SW융합산업원천기술개발 사업을 통해 이뤄졌다.

본문링크 https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/ab20e2

본문링크 https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/23746149.2019.1633956

마이크로패턴된 그래핀 중간층을 매개로한 LED 선택성장기술을 이용하여, 금속전극상에 고밀도로 집적할 수 있는 마이크로-LED소자구현. Realizing high-resolution integration of GaN micro-LEDs directly on metal electrodes using a micro-patterned graphene interlayer The fabrication of optoelectronic devices on metal substrates is of great interest for applications including flexible LED displays and optoelectronics integrated with Si electronics. Since metals are highly conductive, both electrically and thermally, and when appropriately microstructured, can also be mechanically flexible, growing semiconductor heterostructures directly on metals can streamline the fabrication of thermally or mechanically-optimized optoelectronic devices. Nevertheless, previous efforts to grow high-quality inorganic films directly on metal electrodes faced challenges because of lack of epitaxial relations between semiconductor and metal, and large thermal expansion coefficient mismatches. Here, high-quality GaN microdisk LEDs were fabricated on W metal electrodes using CVD graphene films as an intermediated layerbetween the GaN and substrates. Graphene plays a critical role in the growth of high-quality GaN microdisk arrays because graphene, with its hexagonal crystal structure of carbon atoms, can have an epitaxial relationship with wurtzite GaN crystals and can also tolerate epitaxial growth of GaN at high temperatures. Furthermore, the GaN microdisk array formed on reduced heterojunction area between graphene and GaN did not show any cracking and tearing in GaN. The micro-LEDs exhibited good electrical connectivity with W and were fully operational as a light-emitting array. These results offer fast, efficient and reliable pathways for realizing high-resolution and high-performance optoelectronic devices that can be integrated with various electronics. Journal: Kunook Chung et al.,“GaN microstructure light-emitting diodes directly fabricated on tungsten-metal electrodes using a micro-patterned graphene interlayer”, Nano Energy 60, 82-86, (2019). [IF 15.548] https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.03.040

Ferroelectricity occurs in crystals with broken spatial inversion symmetry. In conventional perovskite oxides, concerted ionic displacements within a 3D network of transition‐metal–oxygen polyhedra (MOx) manifest spontaneous polarization. Meanwhile, some 2D networks of MOx foster geometric ferroelectricity with magnetism, owing to the distortion of the polyhedra. Because of the fundamentally different mechanism of ferroelectricity in a 2D network, one can further challenge an uncharted mechanism of ferroelectricity in a 1D channel of MOx and estimate its feasibility. Here, ferroelectricity and coupled ferromagnetism in a 1D FeO4 tetrahedral chain network of a brownmillerite SrFeO2.5 epitaxial thin film are presented. The result provides a new paradigm for designing low‐dimensional MOx networks, which is expected to benefit the realization of macroscopic ferro‐ordering materials including ferroelectric ferromagnets. Authors : Kyeong Tae Kang, Chang Jae Roh, Jinyoung Lim, Taewon Min, Jun Han Lee, Kyoungjun Lee, Tae Yoon Lee, Seunghun Kang, Daehee Seol, Jiwoong Kim, Hiromichi Ohta, Amit Khare, Sungkyun Park, Yunseok Kim, Seung Chul Chae, Yoon Seok Oh, Jaekwang Lee, Jaejun Yu, Jong Seok Lee, Woo Seok Choi Journal : Advanced Materials, 29 April 2019. https://doi.org/10.1002/adma.201808104 연구실 홈페이지 : http://xpem.unist.ac.kr/

논문링크 : https://doi.org/10.1088/1741-4326/ab0975

우주에서 날아오는 입자 중에는 초속 100m 야구공과 맞먹는 엄청난 에너지를 가진 존재가 있다. 이 특별한 입자가 어디서 생성됐는지 밝힐 단서가 나와 주목받고 있다. 류동수 자연과학부 교수가 이끄는 한국 연구진은 극한의 에너지를 가진 우주 입자, ‘초고에너지 우주선(Ultra-High Energy Cosmic Ray)’의 생성 관련 가설을 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 1월 2일(수) 온라인 판에 발표했다. 이 입자들이 처녀자리(Virgo) 은하단 내 천체에서 생성돼 그와 연결된 은하 필라멘트(Filament of Galaxy)를 따라 떠돌다가 지구로 왔다고 제안한 것이다. (논문 바로가기) 우주에서 지구로 날아오는 입자 중에서 큰 에너지를 가진 것들을 ‘우주선(Cosmic Ray)’이라고 부른다. 이중 어마어마한 에너지를 가진 입자를 ‘초고에너지 우주선’이라고 하는데, 입자 하나의 에너지가 10의 20승 전자볼트(1020eV) 이상인 것도 있다. 인간이 지구에서 만들어낼 수 있는 입자의 최대 에너지가 10의 13승 전자볼트인데, 이보다 백만~천만 배나 높은 에너지의 입자가 우주에서 지구로 떨어지는 것이다. 이런 엄청난 에너지를 가진 우주 입자가 어디서 어떻게 생성됐는지는 아직 모른다. 다만 남반구와 북반구에 거대한 망원경 등이 설치돼 초고에너지 우주선을 관측하며, 그 기원을 밝힐 자료를 축적하고 있다. 최근 성과는 미국 유타주의 사막에 설치된 입자검출장치인 ‘텔레스코프 어레이(Telescope Array)’에서 나왔다. 미국 유타 사막에 설치된 텔레스코프 어레이 실험 장치의 모습. 입자검출장치가 1.2km 간격으로 넓은 지역에 펼쳐져 있고, 건물 내부에 망원경 여러 대가 세 지점에서 입자검출장치를 둘러싸는 형태로 설치돼 하늘을 관측한다. | 미국 유타대 제공 텔레스코프 어레이 국제공동실험그룹은 2008년 5월 11일부터 2013년 5월 4일까지 5년에 걸쳐 72개의 초고에너지 우주선(5.7×1019eV 이상)을 검출했다. 이중 19개가 큰곰자리 북두칠성 부근의 비교적 좁은 영역(hotspot)에서 나왔다. 그런데 북두칠성 근처에는 초고에너지 우주선이 만들어질 만한 천체가 없다. 이 때문에 천체물리학자들은 여러 가능성을 따져보는 중이다. 류동수 교수는 “한국 연구진은 초고에너지 우주선이 집중된 영역, 즉 핫스팟에서 처녀자리 은하단과 연결된 은하 필라멘트들이 있는 걸 발견했다”며 “처녀자리 은하단 속 천체에서 초고에너지 우주선이 생성돼, 은하 필라멘트를 따라 이동하다가 지구로 왔을 가능성을 제시하고 컴퓨터 시뮬레이션으로 모사해봤다”고 이번 연구를 설명했다. 처녀자리 은하단의 모습. (201103_VirgoGCM_andreo 출처는 NASA) 우주라는 거대구조는 거미줄처럼 그물망(Cosmic Web)을 이루고 있다. 여기서 필라멘트는 은하들이 가늘고 길게 나열된 줄 형태의 천체이고, 필라멘트가 교차하는 지점에 은하단이 위치한다. 이번 연구에 따르면, 초고에너지 우주선은 은하단 속 천체에서 만들어졌고, 우주 공간 속 자기장과 상호작용하면서 은하 필라멘트를 따라 이동한다. 그러다 일부 입자가 우리은하 방향으로 튕겨져 지상에서 드문 드문 검출되는 것이다. 류 교수는 “처녀자리 은하단에는 ‘처녀자리 A 전파은하(Virgo A Radio Galaxy)’처럼 초거대질량 블랙홀을 포함하는 활동성은하핵도 포함돼 있다”며 “이런 은하와 은하단 충격파 등이 초고에너지 우주선의 기원일 수 있음을 강력하게 시사하는 연구”라고 밝혔다. 처녀자리 A 전파은하의 모습(M87VirgoA-Montage_hi 출처는 미국국립전파천문대) 그는 이어 “이번 연구는 초고에너지 우주선의 우주 공간 이동에 대해 연구한 첫 번째 사례”라며 “21세기 천문학과 물리학계의 난제로 꼽히는 ‘초고에너지 우주선의 기원’을 규명하는 중요한 단서가 될 것”이라고 덧붙였다. 이번 연구의 제1저자는 김지현 UNIST 박사후연구원, 교신저자는 류동수 교수이며, 강혜성 부산대 교수와 김석 한국천문연구원 박사후연구원, 이수창 충남대 교수가 함께 참여했다. 연구 수행은 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 선도연구센터지원사업(고에너지 천체물리 선도연구센터)의 지원으로 이뤄졌다. 류동수 교수와 1문 1답 Q1. 우주에서 지구로 오는 고에너지 입자들을 연구하신다고 들었습니다. 이 분야 연구의 목표를 여쭤도 될까요? A1. ‘우주가 무엇이고 어떻게 만들어졌는지’에 대한 답을 찾으려는 겁니다. 우주에서는 고에너지 물리현상에 의한 전파, 엑스선, 감마선 복사(radiation)와 더불어 고에너지 우주선(cosmic ray) 입자, 중성미자(neutrino), 중력파 등이 만들어집니다. 이를 관측하고 생성 원리를 파악하면 ‘우주란 무엇인지’에 대한 답에 한 발짝 다가갈 수 있을 거예요. 저를 비롯한 천체물리학자들은 이렇게 보이지 않는 존재들의 비밀을 우주의 기원을 밝히고 있죠. Q2. ‘초고에너지 우주선’이라는 존재는 꽤 낯선데요. 자세히 설명해주세요. A2. 우주에서 지구로 들어오는 존재들은 꽤 다양한데요. 그 중에서 에너지가 매우 높은 입자가 ‘우주선’입니다. 이 존재를 처음 발견한 사람이 빅터 헤스(V. Hess)인데, 1963년 노벨 물리학상을 받았죠. 우주선 중에서도 에너지가 극한으로 높은 것들이 있는데, 이들은 초고에너지 우주선이라고 합니다. 1㎢ 면적에 1년에 1개씩만 떨어질 정도로 발견하기 드물죠. 이걸 검출하기 위해서 남반구와 북반구에 대형 실험장치가 설치됐고, 수백 명의 국제공동연구진이 관측과 실험을 이어가고 있어요. 검은색 원은 텔레스코프 어레이 실험에서 검출된 초고에너지 우주선을 나타낸다. F1~F3 필라멘트 부근에서 다수의 초고에너지 우주선이 발견됐음을 알 수 있다. 색채는 은하까지의 거리를 나타낸다. Q3. 천문학자와 물리학자가 초고에너지 우주선 검출과 연구에 집중하는 이유가 무엇인가요? A3. 21세기 물리학계에서 뽑는 난제 중 하나로 ‘초고에너지 우주선의 기원’이라는 주제가 포함돼 있습니다. 도대체 어디서 오는지 어떻게 생성됐는지 거의 밝혀지지 않았거든요. 특히 먼지보다 훨씬 작은 양성자 입자 하나가 초속 100m 야구공만큼 큰 에너지를 담고 있다는 점도 눈길을 끕니다. 지구상에서 가장 큰 인공입자가속기인 유럽입자물리연구소(CERN)의 거대강입자가속기(LHC)에서 만들어내는 빔 에너지보다 백만~천만 배 높은 에너지를 가진 셈이니까요. 이런 막대한 에너지를 가진 입자를 만들어내는 우주의 초거대 가속기는 대체 무엇인지 과학자들의 호기심을 자극하고 있는 겁니다. Q4. 지금까지는 추정된 ‘우주의 초거대 가속기’는 무엇인가요? A4. 거대 질량 블랙홀을 가진 활동성은하핵에서 분출되는 제트류, 혹은 은하계 먼 우주에서 발생한 감마선의 폭발, 은하단 충격파 등 대규모 충격파 등이 꼽힙니다. 인플레이션 시기에 만들어진 결함이나 우주 거대구조를 구성하고 있는 암흑물질 입자 등도 이론적으로 추정되고 있어요. 초고에너지 우주선이 처녀자리 은하단 내 천체에서 생성(Source)돼 은하단과 연결된 은하 필라멘트를 따라 전파하다가(붉은색 곡선) 우리 은하로 오는 모습(남색 직선)을 3차원 근 우주(Local Universe)에서 도식적으로 보여주는 그림 Q5. 2008년부터 2013년까지 텔레스코프 어레이 연구진이 관측한 자료가 초고에너지 우주선의 기원 찾기에 아주 중요하다면서요. A5. 그렇습니다. 텔레스코프 어레이 국제공동연구진이 5년간 검출한 데이터 중에서 5.7×1019eV 이상의 에너지를 가지는 초고에너지 우주선은 72개였는데요. 이중 19개가 큰곰자리 북두칠성 부근의 좁은 영역에서 나왔어요. 이 영역은 적경 146.6도, 적위 43.2도에 해당하는데요. 관측된 초고에너지 우주선의 4분의 1이 이 지점에서 나온 만큼 이 입자의 기원을 밝힐 중요한 근거로 생각됩니다. 참고로 텔레스코프 어레이 국제공동연구진은 전 세계 과학자 150여 명으로 꾸려졌는데요. 이중 한국 과학자로는 4명 교수급(류동수 UNIST 교수, 박일홍 성균관대 교수, 천병구‧김향배 한양대 교수)과 다수의 연구원, 학생이 있습니다. Q6. 이번 논문에 이름을 올린 연구자도 모두 한국인이라는 점이 눈에 띕니다. A6. 텔레스코프 어레이 연구진은 초고에너지 우주선 관측과 검출에 집중하고 있습니다. 앞서 설명한 것처럼 지구에 도착하는 입자가 드물기 때문에 꾸준히 데이터를 축적할 필요가 있습니다. 그래야 더욱 정확한 방향으로 연구할 수 있어요. 이번 연구는 텔레스코프 어레이 장치들로 관측한 결과를 이용해 이론적인 계산을 진행한 것입니다. 이미 검출된 초고에너지 우주선의 위치와 근처 천체들의 환경을 함께 고려해 가능성을 제시한 것이죠. 그러다 보니 의견을 모으고 계산을 해낸 한국 연구진(TA 참여 연구진과 은하 천문학자)만 저자로 이름을 올리게 됐습니다. 초고에너지 우주선의 경로를 컴퓨터 시뮬레이션으로 모사한 그림. 하얀색 점이 초고에너지 우주선이며, 생성 후 필라멘트를 따라 이동하다가 튕겨져 나가는 걸 보여준다. Q7. 초고에너지 우주선의 기원을 처녀자리 은하단 속 천체로 추정할 근거가 하나 더 생겼다고 해석됩니다. A7. 맞습니다. 초고에너지 우주선이 많이 검출된 북두칠성 인근에는 이런 큰 에너지를 가진 입자가 생성될 만한 천체가 없습니다. 거기서 가장 가까운 천체 중의 하나가 처녀자리 은하단인데요. 이번 연구는 초고에너지 우주선이 필라멘트를 따라 떠돌다가 지구로 왔을 가능성을 보여줍니다. 다시 말해 처녀자리 은하단에 속하는 천체, 예를 들면 처녀자리 A 전파은하처럼 특별한 천체에서 초고에너지 우주선이 만들어지고, 자기장을 따라 우주 공간을 떠돌아다니다가 지구로 튕겨왔을 수 있다고 강하게 추정할 수 있습니다.