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지금, 당신의 머리 위로 우주가 내린다 우주먼지

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지금, 당신의 머리 위로 우주가 내린다 우주먼지

2017.05.21 15:00

우주는 어떻게 만들어졌을까. 지구 생명체는 어디에서 왔을까. 지금 이 순간에도 이 비밀을 풀 열쇠들이 당신의 머리 위로 쏟아져 내리고 있다. 바로 우주먼지다. 우주먼지를 왜 찾는지, 어떻게 찾는지 알면 당신도 우주먼지 헌터가 될 수 있다.

 


1분 요약


지구에는 연간 약 1만4000t의 우주먼지가 떨어진다. 과학자들은 성층권이나 남극 등 지구먼지가 적은 곳에서 우주먼지를 찾고 있다.


우주먼지는 46억 년 전 태양계가 만들어질 당시 생성된 것이 많다. 크기가 작아서 대기에 의해 녹거나 휘발되지 않고 내려앉은 경우 초기 태양계에 대한 많은 정보를 얻을 수 있다.


최근 도심에서도 우주먼지를 찾은 해외 연구가 나왔다. 독자들도 직접 우주먼지를 찾아보자.

 

지평선에서 위쪽으로 황도를 따라 솟아있는 빛은 ‘황도광(zodiacal light)’이다. 우주먼지가 태양빛을 반사한 것으로, 일몰 뒤 서쪽 하늘이나 일출 전 동쪽 하늘에서 볼 수 있다. - eso 제공
지평선에서 위쪽으로 황도를 따라 솟아있는 빛은 ‘황도광(zodiacal light)’이다. 우주먼지가 태양빛을 반사한 것으로, 일몰 뒤 서쪽 하늘이나 일출 전 동쪽 하늘에서 볼 수 있다. - eso 제공

우주먼지는 우주에서 지구로 날아온 1mm 이하의 작은 입자를 말한다. 지구에는 연간 약 1만4000t의 우주먼지들이 땅으로 내려앉고 있다(doi:10.1186/ BF03352491). 한반도는 지구면적의 0.06% 정도를 차지하고 있으므로, 우리나라에는 매년 약 8.4t의 우주먼지가 떨어진다고 할 수 있다. 이렇게 많은 우주먼지가 쏟아지고 있었는데 우리는 왜 몰랐을까.

 


비행기 띄우고, 극지 눈 퍼 올리고


우리가 몰랐던 이유는 우주먼지가 맨눈으로 관찰하기에는 아주 작고, 월등히 많이 발생하는 지구의 다른 먼지들과 섞여 있기 때문이다. 과학자들은 지구에서 우주먼지를 찾기 위해 두 가지 방법을 주로 사용하고 있다. 지구먼지가 적은 성층권에 비행기를 띄우거나, ‘청정구역’ 남극에서 찾는 것이다.


첫 번째 방법은 비행기 위에 넓은 아크릴판을 올리고 우주먼지가 붙을 수 있게 실리콘오일을 바른다. 이 비행기가 성층권을 날면서 위에서 떨어지는 우주먼지를 받는다. 이렇게 회수하면 우주먼지가 아크릴판에 부딪히면서 부서진다는 단점이 있다. 실리콘오일을 세척할 때 우주먼지 속 유기물이 씻겨갈 수도 있다.

 

우주먼지를 찾기 위해 남극의 눈을 퍼담고 있는 이종익 극지연구소 K-루트사업단장. - 극지연구소 제공
우주먼지를 찾기 위해 남극의 눈을 퍼담고 있는 이종익 극지연구소 K-루트사업단장. - 극지연구소 제공

두 번째는 남극의 빙하 속이나 빙하가 녹은 물, 눈에서 찾는 방법이다. 빙하 속에는 오래 전에 지구로 날아온 우주먼지들이 들어 있다. 하지만 빙하의 무게에 눌려 압축돼 있어서 빙하를 녹여 회수하는 과정에서 부서지기 쉽다. 빙하가 녹은 물을 걸러 우주먼지를 찾는 경우에는 많은 양의 우주먼지를 찾을 수 있다. 하지만 우주먼지 속 황화광물이나 탄산염광물이 물과 화학반응을 일으키면서 성분이 변해 있는 경우가 많다.


극지의 눈은 우주먼지를 찾을 수 있는 최적의 방법이다. 깨끗한 얼음 결정이 우주먼지를 둘러싸고 있어서 오염이 없고, 화학적 변성이 적은 우주먼지를 얻을 수 있기 때문이다. 극지연구소는 2013년부터 남극에 최근 2년 사이 내린 깨끗한 눈을 채집해 우주먼지를 연구하고 있다.

 


왜 우주먼지인가


극지연구소는 2013년 1월 4일과 2014년 1월 30일에 회수한 약 450kg의 눈을 냉동고에 넣어 한국으로 가져왔다. 이 눈을 필터가 달린 장치에 녹여 142개의 우주먼지를 찾았다. 2015년 12월 7일에도 400kg의 눈을 담아 한국으로 가져왔으며, 눈을 녹여 우주먼지를 찾는 작업을 하고 있다. 기자가 취재를 간 당시에도 실험실에서는 한창 눈을 녹여 우주먼지를 찾는 중이었다. 눈에 보이지도 않을 만큼 작은 우주먼지들을 왜 이렇게 힘들게 찾고 있는 걸까.

 

극지의 눈을 녹여 우주먼지를 걸러내는 모습. - 극지연구소 제공
극지의 눈을 녹여 우주먼지를 걸러내는 모습. - 극지연구소 제공

이종익 극지연구소 K-루트사업단장은 “우주먼지는 46억 년 전 태양계가 만들어질 당시 생성된 것들이 많아 초기 태양계가 어떻게 만들어졌는지에 대한 비밀을 담고 있다”며 “특히 우주먼지는 작기 때문에 떨어지면서 지구 대기에 의해 녹거나 증발하지 않고 형태와 성분을 그대로 유지한 경우가 있어서 운석보다 더 많은 정보를 품고 있을 가능성이 높다”고 말했다.


운석은 주로 화성과 목성 사이의 소행성대와 그 안쪽에서 온다. 약 90%가 S형(암석질) 소행성에서 유래한다. 하지만 우주먼지의 경우 소행성대 바깥의 C형(탄소질)이나 D형(규산염과 탄소질) 소행성과 태양계 밖에서 오는 혜성에서 유래하는 경우가 많다. 탄소질이 풍부한 우주먼지에서는 아미노산을 포함한 복잡한 유기물질이 발견되기도 한다. 이는 지구 생명의 탄생에 우주먼지가 중요한 역할을 했음을 시사한다(doi:10.1038/342255a0).

 

극지연구소가 남극에서 찾은 우주먼지의 크기와 종류 - 과학동아 제공
극지연구소가 남극에서 찾은 우주먼지의 크기와 종류 - 과학동아 제공

우주먼지 우리도 찾을 수 있다


그간 과학자들은 지구먼지가 적은 곳에서만 우주먼지를 찾아왔다. 1950년대에는 도심 지역에서도 우주먼지를 탐색했으나 인간이 만든 오염물질 때문에 포기했다. 그런데 최근 노르웨이의 아마추어 과학자 존 라르센이 해냈다. 파리, 오슬로, 베를린 등 유럽 도시의 지붕에서 모은 300kg의 먼지 속에서 500개의 우주먼지를 발견한 것이다. 도심에서 우주먼지를 발견한 것은 그가 처음이다. 이 내용은 2016년 12월 5일, 미국지질학회지에 발표됐다. 라르센은 공동저자로 논문에 이름을 올렸다(doi:10.1130/G38352.1).


재즈 기타리스트이자 작곡가인 라르센은 8년 전, 방금 닦아낸 테이블에 반짝이는 작은 금속 입자가 떨어진 것을 목격했고, 우주에서 온 입자라는 생각이 들었다. 이후 도심에서 우주먼지를 찾기 시작했지만 쉽지는 않았다. 6년 동안 단 한 톨의 우주먼지도 찾지 못했다. 그러다가 2년 전 하나의 우주먼지를 찾았다. 라르센은 다양한 우주먼지 후보들을 영국 임페리얼칼리지런던의 매슈 겐지 박사에게 보냈는데, 그 중 하나가 우주먼지로 확인된 것이다. 라르센은 “무엇을 찾아야 할지 알고 나니 어느 곳에서든 찾을 수 있게 됐다”며 “누구든 자신과 같은 방식으로 우주먼지를 쉽게 찾을 수 있다”고 3월 10일자 ‘뉴욕타임스’와의 인터뷰에서 밝혔다.

 

우주먼지를 찾는 방법 - 과학동아 제공
우주먼지를 찾는 방법 - 과학동아 제공

자석과 현미경으로 우주먼지 만난다


우주먼지를 찾기 위해서는 네 가지가 필요하다. 비닐로 된 지퍼백과 자성이 강한 네오디뮴 자석, 구멍의 크기가 0.5mm와 0.1mm인 체, 그리고 실체현미경이다.


먼저 지어진 지 5년 이상 된 건물 옥상으로 가서 구석에 모여 있는 먼지를 모은다. 공기가 깨끗한 곳일수록 오염물질이 적어 우주먼지를 찾기 쉽다. 먼지가 젖어 있는 경우에는 수집이 어려우므로 잘 마른 먼지들로 모은다. 2장 혹은 3장의 지퍼백을 뒤집고 그 안에 자석을 넣어 장벽을 만든다. 지퍼백을 여러 장 겹치는 이유는 먼지가 자석에 붙는 사이에, 만에 하나 지퍼백이 손상되면 자석에 직접 달라붙은 먼지들을 분리하기가 무척 어렵기 때문이다.


지퍼백으로 감싼 자석으로 먼지 속을 헤집는다. 우주먼지에는 철과 니켈이 풍부하기 때문에 자석에 이끌려 붙게 된다. 자석이 강할수록 철이나 니켈 성분이 있는 먼지들이 잘 붙는다. 중요한 점은 자석이 강하다고 해도 우주먼지들이 쉽게 끌려오는 것이 아니기 때문에 먼지 속을 꼼꼼하게 헤집어야 한다.


표면이 먼지 입자로 덮이면 지퍼백을 뒤집어 먼지를 넣고 자석과 분리한 뒤, 지퍼백을 닫는다. 지퍼백에는 먼지를 수집한 일시, 장소를 꼭 적어야 한다. 이런 데이터들이 있어야 먼지입자 샘플들을 분류하기 쉽고, 학술적인 가치가 있다. 샘플들을 집으로 가져온 뒤에는 체로 쳐서 작은 입자(0.5mm와 0.1mm 사이)를 골라낸다. 0.5mm 체를 위에, 0.1mm 체를 아래에 놓고 체를 쳐서 0.5mm 체는 통과하고 0.1mm 체에 걸려있는 입자만을 택한다. 우리가 사용할 입자는 0.5mm와 0.1mm 사이의 크기에 해당하는 것으로 0.1mm 체를 통과한 작은 입자와 0.5mm체 위에 남은 큰 입자들은 버려도 좋다.


채집한 입자는 현미경 관찰 전에 입자표면의 또 다른 작은 먼지들을 제거하기 위해 세척을 해야 한다. 물보다는 알콜로 세척해서 표면의 불순물을 제거하고 건조한다.

 

Jon Larsen 제공
Jon Larsen 제공

이제 입자들을 현미경으로 관찰해 보자. 찾고 있는 우주먼지 입자는 대부분 구형이다. 완벽한 구형이거나 일부분이 솟아있는 구형일 수도 있다. 또 검거나 짙은 회색에 광택이 나는 입자를 찾아야 한다. 끝부분에 입자와는 다른 결정이 붙어 있을 수도 있다. 라르센이 찾아낸 우주먼지들(위 사진)의 모양을 참고하면 더 쉬울 것이다. 입자들은 이쑤시개나 끝이 뾰족한 붓으로 골라내면 된다. 사진을 찍을 수 있는 현미경이라면 입자마다 사진을 찍어 두는 것이 좋다.


우주먼지처럼 보이는 지구의 물질과 텍타이트(유리질 돌)를 알아두는 것도 중요하다. 자동차가 브레이크를 잡을 때 휠이 마모되면서 생기는 작은 철 알갱이는 우주먼지와 헷갈리는 대표적인 지구먼지 입자다. 또 투명한 구형 입자는 보기에는 아주 예쁘지만 우주먼지가 아니다. 도로에 사용하는 반사페인트에서 떨어져 나온 구슬이거나 텍타이트다. 텍타이트는 큰 운석이 떨어질 때 충돌지점의 표면 토양이 순간적으로 녹아서 생기는 물질이다.


끈기를 갖고 분리한 ‘아마도 우주먼지’인 입자들은 다시 일시와 장소를 적어 따로 보관한다. 이렇게 분리한 입자들이 진짜 우주먼지인지는 어떻게 확인해야 할까? 바로 과학동아와 극지연구소가 함께하는 우주먼지 헌터 프로젝트를 통해서 할 수 있다.

 

Ryan Thompson(w) 제공
Ryan Thompson(w) 제공

당신도 찾을 수 있다! 우주먼지 헌터 프로젝트


우주먼지 찾기 어려워 보인다고? 함께라면 그렇지 않다. 과학동아와 극지연구소가 우리 주변의 우주먼지를 찾을 ‘우주먼지 헌터’를 모집한다.


우주먼지 헌터가 되면 극지연구소에서 우주먼지를 연구하고 있는 연구원들에게 직접 강연을 듣고, 우주먼지를 모으는 방법에 대해 배울 수 있다. 또 일정 기간 동안 우주먼지를 모은 뒤, 극지연구소의 전자현미경을 이용해 분석해서 우주먼지의 실체를 가려내게 된다. 우주먼지를 찾은 경우 논문에 공동저자로 이름을 올릴 수도 있다.


우주먼지 헌터가 되고 싶은 사람은 이름과 나이, 소속, 개인 현미경 보유 여부나 학교 현미경 사용 가능 여부를 적어 6월 15일까지 이메일(hsr@donga.com)로 보내면 된다. 학교나 동아리 등 단체의 신청도 가능하다.


문의 (02)3148-0823

 


더 읽을거리

in 과학동아 31년 기사 디라이브러리(정기독자 무료)
‘별과 생명의 씨앗 우주먼지’(2011.9) dl.dongascience.com/magazine/view/S201109N031

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