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과학과 놀자
우주망원경으로 텅빈 공간에서 수많은 은하 발견

지난 7월 12일, 미국 항공우주국(NASA) TV는 제임스 웹 우주망원경의 첫 관측 결과를 실시간으로 공개했다. 모두 다섯 가지의 고해상도 이미지와 분광 스펙트럼이며, 그중 공식 발표가 있기 하루 전에 조 바이든 미국 대통령에 의해 공개된 SMACS 0723 은하단 이미지에는 ‘제임스 웹의 첫 번째 딥 필드(Webb’s First Deep field)’라는 이름이 붙었다.딥 필드 이미지는 허블 우주망원경으로부터 시작됐다. 1995년 로버트 윌리엄슨 우주망원경과학연구소(STScI) 소장은 허블 우주망원경을 담당하고 있었다. 그런 그가 어느 날 아무것도 없는 것처럼 보이는 깜깜한 우주 공간을 찍어보자는 엉뚱한 제안을 한다. 이 제안을 들은 천문학자들은 모두 그가 미쳤다고 생각했다.당시 허블 우주망원경은 우주 비행사들이 현장에서 정비와 업그레이드를 해야 했고, 잦은 고장으로 수리에 들어가는 비용만 해도 천문학적이었기 때문에 여론이 좋지 않았다. 그런 상황에서 아무것도 보이지 않는 깜깜한 우주의 한 부분을 촬영하고자 각도를 미세하게 조정하고, 희미한 빛을 보기 위해 오랜 시간 촬영한다는 것은 도박이나 다를 바가 없었다. 만약 촬영에 소득이 없다면 가뜩이나 좋지 않은 여론에다 ‘눈에 보이는’ 관측 대상의 대기 리스트가 밀려 있는 상황에서 막대한 비용을 잡아먹게 될 것이라는 우려가 주를 이뤘다.하지만 허블의 첫 딥 필드 이미지인 ‘허블 딥 필드(Hubble Deep Field, HDF)’의 탄생은 천문학계에 큰 충격을 안겨준 사건이 됐다. 지구 궤도를 공전하는 허블 우주망원경은 1995년 크리스마스를 즈음해 약 열흘에 걸쳐 큰곰자리 주변의 매우 작은 한 영역(100m 떨어진 거리에서 바라본 테니스공 크기 정
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갯벌은 생태적기능·오염정화·재해예방 등 보물같은 공간

우리나라는 삼면이 바다로 둘러싸여 있다. 특히 서해안과 남해안은 동해안과 달리 밀물과 썰물의 차가 커서 바닷물이 빠지면 넓은 갯벌이 드러난다. 갯벌은 강의 하류와 바다가 만나는 지점으로, 밀물과 썰물 시간에 따라 물에 잠기거나 공기에 노출돼 생물 다양성이 풍부하다.선사시대부터 갯벌은 사람들의 생활 터전이었다. 식량 자원이 풍부한 바닷가에서 거주해 신석기시대의 조개더미가 발견되고, 삼국시대에는 미역을 먹었다는 기록도 《삼국유사》에서 볼 수 있다. 지금도 갯벌은 갯마을 사람들에게 먹을거리를 무한 제공하며 생물자원의 생산지 역할을 하고 있다. 또 갯벌은 육지에서 배출돼 퇴적되는 오염물과 부유물 등의 오염물질을 정화시키고, 홍수 및 태풍으로 인한 피해를 감소시키기도 한다. 게다가 아름다운 경관과 관광 등 여가 활동을 제공하니, 이 얼마나 소중한 곳인가!갯벌을 아직 가보지 않았다면 방학이나 주말을 이용해 찾아가보자. 갯벌 생태계에 가서 직접 다양한 종을 탐색한다면 종 다양성의 의미를 경험할 수 있을 것이다. 찰흙처럼 고운 곳, 모래가 많은 곳, 자갈이 깔린 곳, 갯바위로 이뤄진 곳 등 갯벌의 모습은 다양하다. 이 중 갯바위에는 여러 종의 생물이 부착해 살아가므로 갯바위가 보전된 지역에 가면 진흙 갯벌보다 다양한 종을 관찰할 수 있다.갯벌로 떠나기 전에는 조수간만 차에 대한 정보 및 기후 조건 정보를 잘 살펴봐야 한다. 밀물과 썰물의 시각은 매일 달라진다. 바닷물이 들어오는 속도는 매우 빠르므로 썰물 시각을 기준으로 2시간 전에 갯벌에 방문하는 게 적당하며, 썰물 시간일 때는 뭍으로 돌아오기 시작해야 한다. 또 조수간만의 차이가 가장 큰 ‘
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액체상태 거치지 않는 '마른 얼음'…산업현장 세척에도 활용

더운 여름, 얼음과 함께 차가움의 대명사로 불리는 것이 있다. 하얗고 차가우며 물에 넣으면 흰 연기를 퐁퐁 내며 사라지는 드라이아이스. ‘마른 얼음’이라는 이름은 드라이아이스의 성질에 대해 중요한 정보를 제공해준다.얼음이 녹아 액체인 물로 변하고 그로 인해 주변이 젖는 데 비해 드라이아이스는 젖지 않는다는 것이다. 고체에서 액체를 거치지 않고 바로 기체로 날아가는 승화성을 지니고 있기 때문이다. 고체가 기체로 날아가거나 반대로 기체에서 고체로 변하는 승화는 일상생활에서 흔히 나타나는 현상은 아니다.아이스크림이나 냉동식품같이 언 상태로 판매되는 제품을 구입하면 대개 드라이아이스가 들어 있다. 얼음팩이나 젤 냉각팩보다 온도를 낮추는 효과가 크기 때문이다. 드라이아이스의 온도는 영하 78.5도로 일상생활에서 접할 수 있는 물질 중 가장 차갑다. 자체 온도가 낮은 데다 기체로 승화하면서 승화열을 흡수하는 냉각 효과도 더해지기 때문에 탁월한 냉각제가 된다. 이런 드라이아이스는 언제, 어떻게 발견돼 사용되기 시작한 걸까?1835년 프랑스의 과학자 샤를 틸로리에는 금속 탱크에서 액체 이산화탄소가 배출될 때 눈 같은 흰 물질이 생기는 것을 관찰했다. 이를 얼음이라고 생각한 틸로리에는 흰 물질이 녹지 않고 사라지는 것을 보고 어리둥절했는데, 동료 과학자들 덕분에 자신이 최초로 드라이아이스를 만들었다는 걸 알게 됐다. 액체 상태로 배출된 이산화탄소가 기체로 변하면서 열을 흡수해 급격하게 온도가 떨어져 고체가 된 것이다. 이 실험은 지금도 해볼 수 있다. 1회용 플라스틱 스포이트를 자른 뒤 곱게 간 드라이아이스 가루를 넣고 입구를 막아두면 드
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힘의 상호작용 속에서 입자에 의해 결정되는 우주

얼마 전 《사라진 중성미자를 찾아서》라는 책을 쓴 박인규 교수의 대중 강연을 들을 기회가 있었다. 유령 입자의 탄생에서 약력의 발견, 태양의 수수께끼, 정체를 바꾸는 입자, 중성미자에 대한 이야기였다. 강연을 들으며 우주를 이루고 있는 물질의 신기한 세계에 대한 호기심이 향수처럼 일어났다.중성미자 이야기를 시작하려면 물질을 구성하는 입자들에 대해 알아볼 필요가 있다. 대부분의 사람은 물질을 구성하는 기본 입자는 원자라고 답할 것이다. 실제로 원자의 어원도 그리스어로 ‘나눌 수 없는’이라는 뜻의 아토모스(atomos)에서 유래했다. 하지만 원자는 핵과 전자로 이뤄져 있고 다시 핵은 양성자와 중성자로 구성돼 있다.여기서 의문이 생긴다. 전자는 음전하(-)를 띠고, 양성자는 양전하(+)를 띠므로 둘 사이에는 인력이 작용해 핵 주위에 전자가 운동하고 있는 것은 지구가 중력에 의해 태양 주변을 돌고 있는 것과 비슷하게 이해할 수 있다. 그런데 같은 전하를 띤 양성자끼리 어떻게 핵에 단단하게 뭉쳐 있을 수 있을까. 흔히 원자의 구조를 이야기할 때 원자를 야구장 크기로 비유하면 핵은 야구공 크기 정도라고 표현한다. 수치로 표현하면 10만 분의 1 정도다. 그리고 이 핵에 원자 대부분의 질량이 모여 있다. 그렇다면 질량이 있는 물체 사이에 상호작용하는 중력이 전하를 띤 물체 사이에 작용하는 힘인 전기력보다 더 커서 그런 것일까. 계산해보면 두 양성자 사이에 작용하는 중력의 크기는 전기력의 크기보다 대략 1/10<윗첨자>36배다. 비교도 할 수 없이 약한 것이다.그렇다면 어떻게 핵이 만들어졌을까. 여기서 또 다른 힘의 존재를 유추할 수 있다. 그 정체는 바로 강력(강한

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고흐 그림 '해바라기'가 갈색으로 변하는 이유

암스테르담 반 고흐 미술관에 전시된 빈센트 반 고흐(1853~1890)의 1889년작 ‘해바라기’가 노란색에서 갈색으로 변하고 있다는 말을 들어본 적 있는가? 2018년 5월 영국의 일간지 가디언에 보도된 내용에 따르면 과학자들이 엑스레이 장비를 이용, ‘해바라기’를 수년간 관찰해 그림 속 노란색 꽃잎과 줄기가 올리브 갈색으로 변하고 있는 것을 확인했다고 한다.변색 원인은 고흐가 밝은 노란색을 표현하기 위해 크롬 옐로와 황산염의 흰색을 섞어 사용했기 때문이라고 추정했다. 크롬 옐로는 납을 질산 또는 아세트산에 용해하고, 중크롬산나트륨 수용액을 넣으면 노랗게 침전돼 만들어진다. 크롬 옐로에 포함된 납 성분은 대기에 포함된 황과 만나면 황화납이 되는데, 이것이 검은색이어서 고흐의 그림도 서서히 변하고 있는 것으로 추정된다. 또 오랜 시간 빛에 노출되면 그 반응이 촉진된다.당장 육안으로는 변색 부분이 잘 보이지 않지만, 시간이 지날수록 눈에 띄는 변화가 생겨 해바라기가 검은색으로 변할지도 모른다. 다행히 노란색 배경 부분은 빛에 덜 민감한 물감으로 칠해져 있어 해바라기 부분보다 변색 가능성은 작을 것으로 예상됐다. 이에 미술관에서는 전시장 조도를 낮춰 빛에 의한 변색을 최소화하려고 노력하고 있다.고흐의 ‘해바라기’ 사례처럼 예술품은 적절한 보존 처리와 보존 환경에서 보관해야 작품 손상을 막고 수명을 최대한 늘릴 수 있다. 회화 작품, 도서 같은 종이로 된 작품이나 목재로 된 작품은 온도, 습도에 따라 쉽게 손상되며 강한 빛에 의해 물감이 변색되기 쉽다. 또한 돌이나 금속으로 만든 예술품은 공기 중 산소와 반응해 산화되면 부식되거나 온도
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멜라토닌 분비되고 아데노신 쌓이면 잠에 빠져들어

여름이다. 장마와 폭염, 열대야 등으로 잠 못 이루는 밤이 찾아올 것으로 예상된다. 열대야를 극복하기 위해 대다수의 사람은 시원한 생맥주나 청량음료를 찾지만, 이는 잠시 더위를 쫓을 뿐 오히려 깊은 잠을 방해하는 요인이 된다. 건강한 수면을 취하려면 어떻게 해야 할까.우리 몸에는 언제 잠을 자야 하는지, 언제 깨야 하는지를 결정하는 주된 요인이 두 가지 있다.첫 번째는 멜라토닌이라는 호르몬이다. 멜라토닌은 척추동물의 경우 뇌 속에 위치한 솔방울샘(pineal gland)에서 분비된다. 사람의 경우 멜라토닌은 생후 2~3개월부터 분비하기 시작해 점차 증가한다. 다만 영아기에는 충분한 멜라토닌을 생성하지 못하기 때문에 모자라는 부분은 모유 수유를 통해 공급받는다.일반적으로 불면증을 앓는 환자의 70%가 50대 이상인 것으로 알려져 있다. 뇌가 노화됨에 따라 멜라토닌 분비가 감소하기 때문이다. 대한의학협회의 조사에 따르며 50대엔 멜라토닌 분비량이 청소년기의 절반에 불과하며, 65세 이상이 되면 3분의 1로 감소하는 것으로 나타났다. 어두워지면 멜라토닌 분비량도 늘어어둑해지면 솔방울샘에서 혈액으로 분비되는 멜라토닌의 양이 늘어나기 시작한다. 이 호르몬은 혈액을 타고 몸속을 돌아다니며 밤이 왔으니 잠자리에 들 때라는 생물학적 명령을 전달한다. 이런 식으로 멜라토닌은 우리 몸에 어둠의 신호를 체계적으로 전달함으로써 잠잘 시간을 조절하는 데 기여한다.멜라토닌은 해가 진 뒤 몇 시간 안에 분비되기 시작한다. 그런 뒤 농도가 빠르게 높아져 오전 4시 무렵 최고에 달한다. 그 뒤로 새벽에 햇빛이 눈을 통해 뇌로 들어오면, 솔방울샘에서 멜라토닌 분비가 차단돼 이른 아침
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세포에서 단백질의 발현·이동·분해 보여주는 표지자 역할

백문이 불여일견, 보아야 믿지, 보고 나서 이야기하자. 우리가 일상생활에서 빈번하게 사용하는 말이다. 눈으로 보고 확인하는 것이 사실관계 확인에서 얼마나 중요한지를 알려주는 말이다. 많은 생명과학적 연구와 발견이 17세기 네덜란드 과학자 안톤 판 레이우엔훅이 현미경을 발명한 이후 시작됐다.맨눈으론 볼 수 없는 미생물, 우리 몸속 다양한 기관을 구성하는 세포 등을 눈으로 관찰하게 된 뒤에야 과학자들과 의학자들은 질병의 원인체를 규명하고, 그것이 우리 몸속에서 어떤 과정을 거쳐 질병을 일으키는지를 연구해 치료제를 개발하게 됐다. 현재는 전자현미경 등 다양한 기기를 통해 우리 몸속 세포뿐 아니라 세포 내 소기관, 소기관을 구성하는 단백질과 유전물질인 DNA까지도 눈으로 관찰할 수 있는 경지에 이르렀다.그렇다면 눈에 보이면 모든 게 해결될까. 구슬이 서 말이어도 꿰어야 보배라는 말이 있듯이 세포 속의 핵이며 미토콘드리아 등을 눈으로 들여다볼 수 있다 해도 그것이 어떤 기능을 하는지, 어떤 상호작용을 해 우리가 숨 쉬고 살아갈 수 있는지를 이해하려면 보다 세부적인 연구가 필요하다. 생명과학에서는 생명체를 구성하는 많은 요소 가운데 특히 단백질에 주목하고 있다. 이는 단백질이 생명체의 기본 체조직을 구성하는 주요 성분일 뿐 아니라 호르몬과 효소, 항체 등 주요 생체 기능을 수행하는 물질이기 때문이다. 유전적, 환경적 요인에 의해 일어나는 대부분의 질병이 유전자 변형에 따라 발생하는 단백질의 구조와 기능적 이상이라는 것을 고려할 때, 생체 내 주요 단백질에 대한 연구는 생명과학 및 의학 발전을 위해 필수불가결하다고 할 수 있다.지구상의 생명체가
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물체의 원형복원 속성에 따라 탄성·점탄성·소성 분류

우리는 다양한 소재로 구성된 물체와 접촉하면서 살고 있습니다. 일상에서는 다양한 물체의 움직임과 변형에 관한 경험을 체득하고, 이를 통해 대화에서 소재가 된 물체의 움직임을 머릿속으로 그려볼 수 있습니다. 예를 들어 ‘테니스공처럼 튀어 올랐다’는 표현이나 ‘알루미늄 캔처럼 찌그러졌다’는 표현을 통해 듣는 사람은 대화 속 물체가 어떻게 변형되고 움직이는지 상상할 수 있습니다.반면 온라인 게임에서부터 메타버스나 디지털트윈 등 다양한 이름을 갖는 디지털 공간에서 물체의 운동이나 변형을 현실감 있게 표현하려면 사람 사이의 언어가 아니라 수식으로 표현된 물리학적 개념이 컴퓨터 언어로 코딩돼야 합니다. 디지털 공간에서 현실 세계와 같은 다양하고 세밀한 물리적 현상을 표현할 수 있다면 외부에서 작용하는 힘에 대해 제품 또는 구조물의 운동이나 변형을 미리 예상해볼 수 있습니다. 관심 있는 환경 조건에서 물체의 운동이나 변형을 소프트웨어로 구체화해 놓고 검토하는 방법을 공학 분야에서는 CAE(computer-aided engineering)라고 합니다.일반적으로 외력이 작용해 물체에 발생한 변형이 원래 형태로 회복 가능한지 여부나 변형이 점차 크거나 작아지는가에 따라 탄성(elasticity) 점탄성(viscoelasticity) 소성(plasticity) 개념을 활용할 수 있습니다.탄성은 단단한 스프링같이 외부에서 작용한 힘(외력)에 의해 조금이라도 즉각적으로 변화하면서 원래의 형태로 복원하려는 성질이라고 정의할 수 있는데, 물체가 변형하는 정도가 작용한 힘에 정비례하는 것으로 가정합니다. 튀어오르거나 복원되는 느낌을 나타내는 ‘탄성이 좋다’는 표현과 크게 다르지 않지만, 물리

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