안녕하세요. 박조훈 전문가입니다.
Q. GPS 위성이 정확한 위치 정보를 제공하기 위해 시공간 왜곡(시간 지연)을 보정해야 하는 이유는 무엇인가요?
GPS는 보편적으로 현재 우리가 사용하는 위치정보 시스템이지요. 지구 궤도를 도는 30여개의 위성들이 정확하게 사용자에게 정보들을 제공하는데 여러 위성들이 사용자의 신호를 동시에 수신하며 신호가 도달한 시간 차이를 이용하여 자기의 위치를 계산하고 나노초 단위의 시간 정확성을 가지고 진행을 하게 됩니다. GPS위성이 보내는 시간 정보가 정확해지기에 이를 중요하게 생각하며 시간은 절대적이지 않고 시공간의 왜곡이 발생하게 되는데 이는 특수상대성이론(빠르게 움직이면 시간이 느리게 흐르는 시간지연)과 일반상대성이론(중력이 약할수록 시간이 빠르게 흐른다)의 과정에 의해서 발생하게 됩니다. 이로 인하여 하루에 약 38마이크로 초의 시간 오차가 발생하기에 이를 그대로 두면 10km이상의 위치 오차를 발생시키게 된다고 합니다. 따라서 내부 시계를 통해 오차를 조정하게 되며 지상의 관제소와 주기적으로 동기화하며 실시간으로 오차를 ㅣ세하게 조정한다고 알려져 있습니다.
Q. 우주망원경의 대명사라할 수 있는 허블망원경과 제임스웹 망원경의 차이점은?
허블으주망원경의 경우 1990년 발사되어 지구 저궤도인 약 570km상공에서 자외선과 가시광선 근적외선을 이용하여 관측을 하고 있으며 2.4m의 주거울을 가지고 15년정도를 사용하려고 처음엔 만들어졌지만 지속적으로 연장운영중입니다. 제임스 웹 우주망원경은 2021년 발사되어 태양과 지구의 라그랑지에점 L2지점에(지구에서 150만km떨어진곳)서 적외선을 이용하여 촬영하고 있습니다. 주로 적외선을 이용하며 주거울이 6.5m정도 되며 극도로 추운지역에서 10년정도의 활용을 위해 쏘아졌지요. 허블의 경우 가시광이나 자외선관측에 특화되어 인간의 눈에 보이는 범위의 우주를 정밀하게 이미지화하여 빛나는 아름다운 천체들을 촬영하였지요. 제임스 웹 우주 망원경의 경우 적외선 관측에 최적화되어 먼 우주에서 오는 빛을 통해 우주 팽창으로 인한 적색편이를 관측하는 활동을 하여 초기 우주의 모습이나 별의 탄생, 외계행성의 대기 등을 관측하려고 하고 있습니다.
Q. 우리가 흔히 얘기하는 우주의 팽창이 시공간의 팽창을 말하는건지 단순히 물리학적으로 팽창한다는 말인가요?
우주의 팽창이라는 표현은 단순히 물리적인 거리 증가 뿐만 아니라 훨씬 더 근본적인 개념으로 시공간 자체의 팽창을 이야기 합니다. 이는 단순히 은하들이 주변으로 움직이는것이 아니라 그 은하들 사이의 공간자체가 늘어나고 있음을 의미하여 우주는 고정된 공간 안에서 팽창하는 것이 아닌 공간의 크기 자체가 커지고 있는 것이지요. 우주의 거리 척도를 나타내는 것이 스케일 팩터로서 이 척도가 시간이 지남에 따라 증가하고 있다는 것은 공간 자체가 확장되고 있따는 것을 의미하는 것입니다. 은하들이 공간 안을 움직이는 것처럼 보이지만 실제론 그 공간 자체가 늘어나 멀어지고 있는 것이지요. 우주는 고정된 무대가 아니라 시공간 자체가 동적인 실체로서 아이슈타인의 상대성이론을 빗대어 질량과 에너지가 시공간의 곡률을 결정하게 한다고 보는 것이지요. 이에 대한 관측증거가 허블의 법칙입니다!
Q. 영화 아바타에 등장하는 우주선에서, 하이브리드방식 엔진은 정확히 어떤 추진방식인가요?
영화 아바타에선 알파센타우리A에 위치한 판도라 행성으로 지구에서 광속의 약 70%속도로 6년 미만의 시간에 도달할수 있또록 설정된 우주선이라고 합니다. 하이브리드 추진을 한다고 알려져 있는데 이는 반물질을 물질로 충돌시켜 완전한 질량-에너지 변환을 유도하여 생성된 막대한 에너지를 추진체를 가열시켜 고속으로 분사시키거나 전기장으로 제어된 방식으로 배출하여 추진력을 생성한다고 보고 있지요. 또한 지구에 위치한 거대 레이저로 우주선 뒤에 달린 반사막을 밀어주는 과정을 거쳐 연료를 실어 나를 필요 없이 질량을 최소화 하게 하는것입니다. 현재 기술로는 도달이 불가능하며 공상과학의 재미를 더하는 요소라고 생각되어집니다.
Q. 암흑에너지라는 개념은 정확히 어떤 가설을 중점으로 하여 설명하는건가요?
암흑에너지는 1998년 초신성 Ia형의 밝기를 관측해본 결과 먼 은하들이 예상보다 더 빠르게 멀어지고 있음을 알게 되었꼬 이는 중력만으로는 설명하지 않는 팽창속도가 있따는 뜻으로 가속팽창하게 된다고 보게 되면서 암흑에너지라는 개념을 도입하게 된것입니다. 이를 설명하는 중심가설로 우주상수가 있는데 이는 아이슈타인이 1917년 일반상대성이론에 추가했떤 항으로서 공간 자체에 균일하게 존재하는 에너지의 밀도로 밀도와 압력이 일정하며 시간에 따라 변화하지 않으며 음의 압력을 가지며 우주 팽창을 가속시킨다고 보고 있지요. 암흑에너지를 우주 전체에 퍼져 있는 스칼라장으로 보는 퀀테센스 가설은 시간에 따라 스칼라장이 진화하며 그 밀도가 점점 달라지게 된다고 보고 있습니다. 이외에도 극단적인 가속팽창을 이야기하는 팬텀에너지, 암흑에너지가 ㅏ니라 중력이 달라서 생긴다는 변형된 중력이론등도 있습니다. 암흑에너지는 빛이나 입자로 직접 관측된적은 없지만 우주 관측 현상에서 간접적으로 필요성을 가지게 합니다.