"우주 난류가 별과 블랙홀 탄생시켜"독일 연구진

우주의 난류(亂流)가 별과 블랙홀을 만들어내는 것으로 보인다는 새로운 연구가 나왔다고 사이언스 데일리가 18일 보도했다.

독일 헬름홀츠 연구센터(HZDR) 과학자들은 지금까지 알려진 것과 달리 전기 전도성이 매우 낮은 물질 원반 가장자리 `죽음의 지대' 안에서 우주 자기장이 난류를 형성할 수 있으며 이런 난류가 물질을 고밀도로 집중시킬 수 있음을 밝혀냈다고 물리학 리뷰 레터스에 발표했다.

초고속으로 회전하는 물질로부터 별과 블랙홀들이 어떻게 형성되는가 하는 것은 우주물리학의 가장 근본적인 의문이지만 이에 관해 지금까지 알려진 것은 자기장의 역할이 절대적이라는 것 정도이다.

그러나 현재의 지식으로는 물질이 높은 전기 전도성을 가질 때만 자기장이 역할을 할 수 있는데 엄청난 속도로 회전하는 물질 원반에서는 전도성이 매우 약하다는 것이 문제였다.

자기장이 없는 상태에서는 물질의 질량이 별이나 블랙홀 같은 고밀집 상태로 뭉칠 수 없는 것으로 알려져 있다.

약 46억년 전 거대한 가스 구름이 붕괴하면서 태어난 우리 태양계의 경우 가스 구름의 붕괴가 일으키는 인력이 입자들을 중심부에 집중시켜 먼지로 이루어진 거대한 강착 원반이 형성됐다.

연구진은 "케플러의 행성운동 법칙에 따르면 각운동량은 중심부에서 주변부로 갈수록 커지기 때문에 유체역학적 관점에서 보면 이런 강착원반들은 극도로 안정돼 있다"면서 "별과 블랙홀의 성장 속도를 설명하려면 이처럼 회전하는 원반의 안정성을 떨어뜨리면서도 동시에 질량을 중심부로 이동시키고 각운동량을 주변부로 이동시키는 어떤 메커니즘이 있어야만 한다"고 지적했다.

이 문제와 관련해 지난 1959년 러시아 물리학자 예프게니 벨리호프가 안정된 회전 흐름 속에서 자기장이 난류를 만들어 낼 수 있다는 가설을 처음 제기했으며 1991년에 와서야 비로소 미국 우주물리학자 스티븐 밸버스와 존 헐리가 이를 MRI(magneto rotational instability) 우주 구조 형성 이론으로 구체화했다.

밸버스와 헐리는 100만달러의 상금이 따르는 2013년도 쇼 상(Shaw Prize) 천문학 분야 수상자로 선정됐다.

그러나 MRI 가설의 타당성이 입증되려면 원반의 전기 전도성이 최저 수준임을 입증해야만 하는데 이것이 문제였다.

초거대 블랙홀 주위 강착원반의 외곽, 즉 원시행성계 원반의 `죽음의 지대'처럼 전도성이 낮은 영역에서는 MRI 효과를 수량적으로 포착하기가 어려웠기 때문에 논란이 가라앉지 않고 있는 것이다.

지금까지 MRI를 주로 실험적인 방법으로 연구해 온 HZDR 과학자들은 그러나 이런 현상을 설명할 수 있는 새로운 이론을 개발했다.

액체금속 실험에서 수직방향의 자기장만을 가지고 MRI를 시뮬레이션하려면 자기장의 세기가 강해야만 하며 동시에 회전 속도도 매우 빨라야 하기 때문에 이런 종류의 실험은 성공도가 매우 낮았다.

그러나 연구진은 수직 자기장에 원형 자기장을 추가함으로써 소규모의 자기장과 낮은 회전 속도에서 MRI를 관찰할 수 있었다.

이들은 원형 자기장이 전적으로 외부로부터 형성되지 않고 최소한 부분적으로라도 강착원반 안에서 형성될 경우 MRI 이론이 케플러의 회전운동 법칙에 매우 잘 들어맞는다는 사실을 입증했다.

연구진은 "이것이야말로 훨씬 더 현실적인 시나리오다.

수직 자기장이 존재하지 않는 극단적인 경우 원형 자기장이 원반의 안정성을 떨어뜨려 난류를 일으키며 이것이 수직 자기장의 구성요소를 만들어내고 원반의 특수한 회전 운동 형태 때문에 그다음엔 다시 원형 자기장이 만들어진다"고 밝혔다.

즉 수직 자기장이 존재하건 하지 않건 `죽음의 영역'처럼 전도성이 낮은 영역에서도 MRI가 가능하다는 계산이 나온다는 것이다.

이는 지금까지 우주물리학자들이 불가능하다고 생각했던 현상이다.

(서울=연합뉴스)