노벨상! 여러분은 노벨상이라는 말을 들으면 어떤 생각이 드는가? 다이너마이트를 만든 노벨과 우리나라 최초로 노벨상을 받은 故 김대중 대통령이 바로 떠오를 것이다. 사실 노벨상은 대부분의 사람들이 알고 있는 것보다 인류 역사에 지대한 영향을 미쳤다. 1901년에 처음으로 노벨상이 수여된 이래 노벨상은 인류의 지적 문명에 엄청난 진보를 가져왔다. 과학의 길을 걷는 사람이라면 누구나가 한 번쯤은 꿈꾸는 노벨상에 대해 알아보자.

 

1. 노벨상이란 무엇일까?

알프레드 노벨(1833-1896)은 지뢰와 수뢰를 비롯한 각종 군수품을 생산하는 공장을 운하는 아버지 밑에서 8남매 중 셋째로 태어났다. 그 당시 니트로리세린이라는 매우 불안정한 액체 폭약이 세계적으로 연구가 되고 있었다. 노벨은 이 액체 폭약을 고체로 만드는데 성공하였고 이 물건을 다이너마이트라는 상표명으로 판매를 하다. 이후 다이너마이트는 여러 나라에서 특허를 얻었고 채굴, 건설 산업 등 다양한 분야에서 널리 사용되었고 전쟁에서도 인명 살상용으로 사용이 되었다. 이를 통해 노벨은 엄청난 부를 축적하였다.

1896년 12월 10일 노벨이 이탈리아의 리비에라에서 숨을 거두고 1897년 1월 2일에 공개된 ‘다이너마이트의 제왕’ 노벨의 유언장이 세상을 놀라게 했다. 유언에는 그의 엄청난 유산 분배에 대한 것과 노벨상에 대한 내용이 있었다. 유산의 20퍼센트는 일가친척에게 17%는 병원이나 의학 연구소 등 여러 단체에 그리고 위의 37퍼센트를 제외한 나머지는 노벨 재단을 세워 노벨상을 만들도록 하였다. 유언장에서 나타나있듯이 노벨의 유언에 따라 5가지 부문의 노벨상이 만들어졌다. 노벨의 유언장에 따라 물리학, 화학, 생리학/의학, 문학, 평화 순으로 시상이 되며 노벨 사후에 노벨 경제학상이 추가적으로 만들어졌다.

 

2. 노벨 천문학상?!

노벨상에서 천문학 분야는 존재하지 않는다. 그렇다면 천문학에서 어떻게 노벨상이 나올 수 있을까? 그 답은 물리학과 천문학 사이의 관련성에 있다. 두 학문은 다른 학문에 비해 매우 밀접한 관계를 가지고 있다. 초기의 과학적인 천문학은 눈으로 밤하늘의 천체를 관측하여 경험적인 관측 기록을 토대로 경험 법칙을 발견하는데서 시작하였다. 예를 들어 천체 운동에 대한 케플러의 제3법칙이 있다.  근대 과학사의 문을 연 아이작 뉴턴(I1642-1727) 이후 물리학의 발전에 힘입어 천문학 또한 단순히 천체를 관측하고 이들의 운동을 분석하는 것에서 나아가 천체가 왜 그렇게 운동을 하는지 물리적으로 이해할 수 있게 되었다. 그 이후로도 양자역학, 전자기학 등 현대 물리학의 비약적인 발전을 통해 본격적으로 우주를 이해하기 시작하였다. 이처럼 천문학은 물리학이라는 견고한 초석 위에 세워진 학문이다. 이제 천문학과 물리학을 명확하게 구분 짓는 것은 다소 어려운 일이다. 천문학에서 큰 발견을 한 천문학자들 또한 노벨 물리학상을 받았다.

 

3. 천문학 속의 노벨상

 

-1967년

한스 H. 베테(미국, 1906-2005)

베테는 독일에서 태어난 미국 물리학자이다. 그가 노벨상을 받은 업적은 「별의 내부에 있어서 에너지 생성에 관한 발견」 때문이다. 별이 수소 핵융합을 통해서 빛을 발한다는 상식을 이론적으로 처음 밝힌 과학자가 바로 한스 H. 베테이다. 태양과 같은 별의 표면에서 나오는 빛은 가장 가벼운 원소인 수소의 핵이 높은 온도에서 핵융합을 하여 헬륨의 핵이 될 때 잃어버리는 질량을 통해 생성이 된다. 수소 핵 4 개가 융합하여 하나의 헬륨 핵이 되는데 이 때 헬륨 핵 하나는 수소 핵 4개의 질량보다 작다. 즉, 비유적으로 표현하면 1kg 찰흙 4개를 합쳤더니 4kg가 안 되는 데 이 때 잃어버린 질량이 에너지로 바뀌면서 빛이 나는 것이다.

 

-1974년

마틴 라일(국, 1928-1984),
앤터니 휴이시(국, 1924-) 

이들은 영국의 전파 천문학자이다. 공동연구를 통해 노벨상을 수상 한 것이 아니라 전파천문학에서 각각의 공로를 인정받아 동시에 노벨물리학 상을 수상하였다.  먼저 마틴 라일은 전파망원경 개발에 지대한 공헌을 하였다. 전파는 파장이 길기 때문에 똑같은 구경의 망원경에 대해서도 가시광선에 비해 분해능이 굉장히 좋지 않다. 때문에 전파망원경은 분해능을 향상시키기 위해 망원경을 크게 만들어야 하는데 여기에는 물리적인 한계가 있다. 마틴 라일이 제안한 전파 간섭을 이용하면 멀리 떨어진 두 전파 망원경이 그들 사이의 거리만큼의 크기를 갖는 하나의 망원경처럼 관측할 수 있다. 전파 간섭을 통해 마틴 라일은 멀리 있는1) 전파은하들을 관측하여 거리가 멀수록 전파은하가 더 많이 분포하고 있다는 것을 발견하였다.  앤터니 휴이시는 전파 천문대에서 연구를 하던 중에 그의 제자와 함께 최초로 펄서를 발견하였다. 휴이시는 태양 코로나의 향을 조사하기 위해 대단히 빠른 반응속도를 갖는 수신기를 만들었는데 이를 통해서 우연히 펄서를 포착하게 되었다. 펄서란 맥동하는 별(pulsating star)의 줄인 말로 빠른 속도로 자전하는 중성자별에서 주기가 0.01초에서 수초 정도인 규칙적인 전파를 방출하는 천체를 말한다. 이 중성자별은 이론적으로 별의 마지막 생애에 해당하는 것으로 예측이 되었는데 휴이시가 실제로 관측하였다.

VLA 전파 망원경이다. 전파 간섭을 이용하면 사진 속 망원경을 다 포함하는 외접원에 해당하는 구경을 가진 망원경의 분해능을 얻을 수 있다. / http://web.tiscalinet.it/lonnic/center2.jpg
VLA 전파 망원경이다. 전파 간섭을 이용하면 사진 속 망원경을 다 포함하는 외접원에 해당하는 구경을 가진 망원경의 분해능을 얻을 수 있다. / http://web.tiscalinet.it/lonnic/center2.jpg

 

– 1978년

A. 펜지어스(미국, 1933-),
로버트 W. 윌슨(미국, 1936-) 

미국의 전파천문학자인 펜지어스와 로버트 박사는 뉴저지 주에 있는 벨 연구소에서 당시 가장 정밀하게 감지가 가능한 혼(horn) 모양의 안테나를 만들었다. 그런데 어딘가에서 전파 노이즈가 생성되어 처음에는 이를 제거하기 위해 노력하지만 실패하였다. 이후 그는 안테나가 어디를 향하든 노이즈가 등방하게 관측된다는 것을 알 수 있었다. 이 노이즈의 파장은 온도 3K에 해당하는 것이었다. 나중에 천문학자들에 의해 그 신호가 빅뱅의 잔재 신호인 우주배경복사라는 것을 밝혀냈다. 우주배경복사의 존재는 빅뱅 이론을 지지하는 엄청난 증거가 되었다.

펜지어스와 로버트 박사가 만든 혼 모양의 안테나 / http://cfile5.uf.tistory.com/image/180CBC374E744DF30BBAFB
펜지어스와 로버트 박사가 만든 혼 모양의 안테나 / http://cfile5.uf.tistory.com/image/180CBC374E744DF30BBAFB

 

-1983년

수브라마니안 찬드라세카(미국, 1910-1995),
윌리엄 A. 파울러(미국, 1911-1995) 

별은 우주의 가스와 먼지 구름 사이에서 중력에 의해 압축되어 생성된다. 압축 과정에서 온도가 올라가고 충분히 뜨거워지면 별의 중심에서 수소 핵융합이 시작되고 빛을 발하게 된다. 수소가 다 소모되면 헬륨이 타들어 가는 핵융합이 일어나는데 핵융합이 계속해서 일어나면서 무거운 원소들이 차차 생겨난다. 어느 순간 별이 자신의 중력을 이겨내지 못하면 별이 폭발하여 전체 질량에 따라 질량이 작은 순서대로 백색왜성, 중성자성, 블랙홀이 된다.  찬드라세카는 인도 태생으로 영국의 인도 학생을 위한 장학금을 받아 영국의 케임브리지 대학교에서 박사학위를 받았다. 그는 별의 각 진화 단계에서 안정성에 대한 연구를 관측이 아닌 순수한 물리학적 기초를 바탕으로 연구를 하였다. 그의 가장 큰 공헌은 백색왜성의 구조에 대한 것이다.  파울러는 별의 진화 과정에서 일어나는 핵반응을 다루었다. 가장 가벼운 원소인 수소의 핵융합에서부터 별이 진화하면서 다양한 원소들의 핵융합이 일어나는 과정과 최종적으로 여러 종류의 화학원소가 생성되는지를 설명하였다. 또한 항성에서 일어나는 핵융합 과정이 어떻게 자연계에 존재하는 원소들의 비율을 결정하는지를 설명하였다.

 

-1993년

러셀 A. 헐스(미국, 1950-),
조지프 H. 테일러(미국, 1941-) 

테일러는 애머스트 대학교에 교수로 있을 때 그가 지도한 대학원생 헐스와 함께 푸에르토리코의 아레시보 전파 관측소에서 서로를 공전하고 있는 쌍성 펄서를 발견하였다.   펄서는 원자시계에 필적할 정도로 정확한 주기를 가지는 전파를 방출하는 천체이지만 헐스와 테일러는 주기가 계속해서 변하는 새로운 펄서를 발견하였다. 이전까지 발견된 펄서와 다른 펄서가 발견됨으로써 기존의 펄서 이론을 뒤흔들어 놓는 혼란을 초래하였다. 하지만 헐스와 테일러의 설명은 간단하였다. 바로 하나의 펄서 주변에 다른 펄서가 동반성으로 존재한다는 것이다. 즉 2개의 펄서가 서로를 돌고 있기 때문에 펄서가 움직일 때 도플러 효과2)로 인해서 주기가 계속해서 달라지는 것이다. 즉 펄서가 서로를 공전할 때 지구를 향해 운동하면 주기가 짧아지고 지구 반대쪽으로 운동하면 주기가 길어지는 것이다.  이러한 천체를 관측하는 도중에 그들은 더욱 중요한 발견을 하였다. 바로 중력파의 존재에 대한 것이다. 중력파란 굉장히 질량이 큰 천체가 가속이 되면 방출하는 에너지의 형태를 말한다. 이론적으로 질량이 큰 두 개의 펄서가 서로에게 중력을 주고받으면서 가속되면 이 때 중력파가 발생하면서 두 펄서가 가지고 있는 에너지를 잃어야 한다. 실제로 헐스와 테일러는 수년간의 관측을 통해 두 펄서의 공전주기가 줄어든다는 것을 알았고 이 줄어드는 정도가 일반상대성이론에서 예측하는 정도와 거의 일치하였다.

쌍성 펄서 개념도 / https://gravitytalking.files.wordpress.com/2012/11/wd_00_300dpi.jpg
쌍성 펄서 개념도 / https://gravitytalking.files.wordpress.com/2012/11/wd_00_300dpi.jpg

 

-2002년

레이먼드 데이비스(미국, 1914-2006),
고시바 마사토시(일본, 1926-),
리카르도 지아코니(이탈리아, 1931-) 

기존에는 태양이 빛을 발할 때 세 가지의 에너지원이 제시가 되었다 . 첫째는 석유처럼 태양에 물질이 타면서 발생되는 화학 에너지, 둘째는 태양이 수축하면서 방출하는 중력 에너지, 마지막으로 수소가 융합하면서 발생되는 핵융합 에너지이다. 당시에는 뚜렷한 증거가 없어서 태양의 에너지원에 대한 오랜 논란이 이어지고 있었다. 1967년에 노벨상을 받은 한스 H. 베테는 수소 핵융합 과정에서 중성미자3)가 생성된다는 것을 이론적으로 예측을 하였고 데이비스와 고시바는 이 중성미자에 대한 연구를 하였다.  데이비스는 중성미자 물리학이라는 새로운 연구 분야를 개척했다. 데이비스는 1950년대에 사우스캐롤라이나 주의 원자로에서 중성미자 연구를 시작하였고 1970년대 초에 사우스 다코다 주의 금광 깊은 곳에 중성미자를 측정할 수 있는 장비를 설치하였다. 615t 용량을 가진 매우 큰 탱크에 드라이클리닝에 쓰이던 테트라클로로에틸렌을 채워 넣었다. 중성미자는 물질과 반응할 확률은 1조개 중 1개 정도로 매우 낮은데 중성미자가 테트라클로로에틸렌을 만나면 아르곤 원자를 만들어 낸다. 그는 탱크 속에 생성된 아르곤 원자의 수를 세서 중성미자의 존재를 최초로 입증해 냈다.  고시바 교수 역시 도쿄 서쪽의 카미오카 광산 지하 1000m에 거대한 탱크를 설치하고 5000t의 물을 채워 넣었다. 중성미자와 물이 매우 드물게 반응하면서 발생되는 미약한 빛을 관측하는 것이다. 중성미자를 관측하던 중에 우리은하의 위성 은하인 대마젤란성운에서 초신성 1987A가 폭발하는 일이 있었다. 초신성 폭발 시 엄청난 중성미자가 생성된다고 예측하는데 실제로 이 물탱크에서 다량의 중성미자가 측정되었다. 데이비스와 고시바는 태양의 에너지원에 대한 논쟁을 종결지었고 중성미자에 대한 연구를 인정받아 노벨상을 수상하였다.  자이코니는 오늘날에 X선 천문학의 아버지로 불린다. 1901년 뢴트겐이 X선의 발견으로 최초의 노벨상을 수상한 이후 자이코니는 X선을 이용하여 우주를 관측하였다. 아쉽게도 X선은 지구 대기를 통과하지 못하기 때문에 1962년에 로켓을 발사시켜서 우주에서 오는 대량의 엑스선을 발견했다. X선 천문학은 우주에 대한 우리의 관점을 극적으로 변화시켰다.

카미오카 과안 지하에 서치된 물탱크 / https://pbs.twimg.com/media/BmKNU-pCcAEUfGr.jpg
카미오카 과안 지하에 서치된 물탱크 / https://pbs.twimg.com/media/BmKNU-pCcAEUfGr.jpg

 

-2006년

존 매더(미국, 1946-),
조지 스무트(미국, 1945-) 

1964년에 첸지어스와 윌슨은 우주배경복사를 발견하였다. 이를 더 정확하게 관측하기 위해서 매더와 스무트는 NASA의 고다드 우주비행센터에서 우주배경복사 탐사선을 개발하는데 참여하였다. 코비(COBE)라는 이름의 이 위성은 1989년도에 발사되었고 우주 생성 초기에 발생된 극초단파를 관측하였다. 우주 생성 초기에 생성된 이 빛은 130억 년 동안 우주가 팽창하면서 파장에 1000배나 길어지고 온도가 3K 정도로 낮아졌다. 매더는 이 빛을 측정하는 장치의 책임자로써 우주배경복사의 온도를 매우 정확하게 결정하고 스무트는 매우 작은 온도 차이를 감지할 수 있는 장치를 개발하였다. 우주배경복사의 존재는 빅뱅 우주론은 지지하는 강력한 증거가 되었다.

 

-2011년

애덤 G. 리스(미국, 1969),
솔 펄머터(미국, 1959-),
브라이언 P. 슈미트(미국, 1967-) 

현재 천문학계에는 여러 가지 우주에 대한 이론이 제시되고 있지만 이 중에서 가장 널리 인정받는 것은 바로 빅뱅 우주론이다. 우주가 태초에 대폭발에서 시작하여 오늘날에 이르기까지, 그리고 미래에도 계속 팽창한다는 것이다.  1988년부터 초신성 우주론 프로젝트를 이끌었던 펄머터와 1990년부터 ‘High Z SN Search Team’을 이끌었던 리스와 슈미트는 거리에 따라서 우주가 팽창하는 속도를 정확하게 측정하기 위해서 Ia형 초신성을 관측하였다. Ia형 초신성은 백색왜성에 물질 유입이 생겨서 태양 질량의 1.4배가 되면 순간 폭발하는 것을 말하는데 똑같은 질량에서 폭발하기 때문에 항상 거의 밝기가 같다. 즉, 모든 Ia형 초신성의 밝기가 같기 때문에 지구에서 관측하는 밝기에 따라서 거리를 측정할 수 있다. 그들은 이를 통해 우리 은하로부터 거리에 따른 팽창 속도를 측정하였다. 1998년 이 팀은 우주 나이가 어렸을 때, 즉 거리가 멀리 떨어져 있는 초신성을 관측하더니 예측보다 더 희미했다. 이는 초신성이 생각보다 훨씬 멀리 떨어져 있다는 것이었고 우주가 가속 팽창한다는 것을 의미했다. 종전의 천문학자들은 우주의 팽창이 점점 감속 될 것이라고 예상했는데 놀랍게도 이 예상과는 정반대의 일이 벌어지고 있음을 보여주었다. 우주가 가속 팽창하는 이유로 천문학자들은 암흑에너지를 제시하였다. 암흑에너지란 서로 어내어 우주를 팽창 시키는 정체 모를 에너지를 의미한다.

 

요즘 들어 천문학에서 노벨물리학 상이 나오는 주기가 짧아지고 있다. 이는 이 분야가 빠르게 성장하고 있다는 것을 말한다. 이러한 세계적인 흐름 속에서 대한민국의 천문학 또한 나날이 발전하고 있다. 대한민국의 천문학자들은 상대적으로 부족한 관측 장비를 가지고 세계의 천문학자들과 어깨를 나란히 하고 있다. 우리 모두의 관심이 우리나라의 천문학을 더욱더 발전시킬 것이라 믿어 의심치 않는다. 언젠가 대한민국에서도 순수과학 분야에서 노벨상을 받는 세계적인 과학자가 나오길 기대해 본다.

 

[1895년의 노벨 유언장  발췌문]

“이 돈(3천만 스웨덴 크로네)으로 기금을 마련하여 그 이자로 매년
지난해 인류에게 가장 큰 공헌을 한 사람에게 상을 수여하도록 한다.
이자에서 나오는 상금은 다섯 개 부문으로 나누어 지급한다. 일부는
물리학 분야에서 가장 중요한 발명이나 발견을 한 사람에게 돌아가고,
일부는 가장 중요한 화학적 발견이나 진보를 이룬 사람에게 돌아가고,
일부는 생리학 또는 의학 분야에서 가장 중요한 발견을 한 사람에게
돌아가고, 일부는 문학에서 이상적인 방향으로 가장 탁월한 작품을
발표한 사람에게 돌아가고, 일부는 민족 간의 화합, 기존 군대의 폐지
또는 축소, 평화회담의 성사와 촉진에 가장 크게 기여한 사람에게 돌아간다.”


1) 보통의 은하는 대부분을 가시광선 역에서 에너지를 방출하지만 전파 은하의 경우 가시광선과 비슷하거나 그 이상의 에너지를 전파 역에서 에너지를 방출한다.
2) 관측자와 관측 대상의 운동 상태에 따라서 파동의 진동수가 변하는 것처럼 보이는 것이다. 예를 들어 경찰차 사이렌이 우리를 향해 접근할 때는 주파수가 높아졌다가 멀어질 때 주파수가 낮아진다. ”
3) 중성미자란 페르미에 의해 명명된 중성의 아주 작은 입자이다. 중성미자는 핵반응을 통해서 생겨나 부수적인 물질인데 물질과 거의 반응하지 않아서 우리가 사는 환경에서 중성미자를 느끼는 것은 불가능하다.

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