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실험 천문학자들의 생생한 남극 탐험이자 흥미진진한 우주 관측기. 보이지 않는 블랙홀의 사진을 찍고, 우주가 태어나는 장면을 들여다보는 등 지금 남극점에서 진행 중인 최신 천문학을 소개한다. 지구에서 가장 넓은 사막이며 평균기온 영하 50도, 자연에서 생명체가 살 수 없는 곳인 남극의 일상생활 또한 흥미롭다. 극한의 환경에서 우주의 극한을 탐구하는 과학자들의 최첨단 프로젝트! 필요한 장비를 설계해 직접 설치하고, 관측을 통해 우주의 비밀을 밝혀나가는 실험 천문학자의 부단한 연구 과정을 읽으면 특별한 다큐멘터리를 보는 느낌이 들 것이다.

천문학자들의 상상이 펼쳐지는 남극점, 그 현장에 가다
인류 첫 블랙홀 사진을 찍고,
빅뱅의 첫 순간을 기록하는 전 우주적 프로젝트!

실험 천문학자들의 생생한 남극 탐험이자 흥미진진한 우주 관측기. 보이지 않는 블랙홀의 사진을 찍고, 우주가 태어나는 장면을 들여다보는 등 지금 남극점에서 활발히 진행 중인 최신 천문학을 소개한다. 지구에서 가장 넓은 사막이며 평균기온 영하 50도, 자연에서 생명체가 살 수 없는 곳인 남극의 일상생활 또한 흥미롭다. 극한의 환경에서 우주의 극한을 탐구하는 과학자들의 최첨단 프로젝트! 필요한 장비를 설계해 직접 설치하고, 관측을 통해 우주의 비밀을 밝혀나가는 실험 천문학자의 부단한 연구 과정을 읽으면 특별한 다큐멘터리를 보는 느낌이 들 것이다.
머리카락 굵기보다 좁은 영역의 하늘에서 블랙홀을 찾고, 138억 년 전에 출발한 과거의 빛을 들여다보기 위해 천문학자들은 남극점으로 간다. 그들은 희미한 빛의 떨림에 의지해서 우리가 사는 우주의 지도를 그리고자 하는 것이다. 이 책은 남극점 ‘암흑 영역 실험실(Dark Sector Lab)’에서 분주히 진행되는 사건 지평선 망원경(EHT) 프로젝트와 바이셉3(BICEP3) 망원경팀의 과학 이야기를 세세하게 담았다.
그동안 남극점에서 중요한 연구가 이루어졌고, 천문학에서 이곳을 빼놓고는 이야기할 수 없다. 습도 5퍼센트의 건조한 공기, 잡음 하나 찾기 힘든 고요함과 어두운 하늘을 자랑하는 남극점은 우주 관측에 더할 나위 없이 좋은 환경이기 때문이다. 1년 중 백야가 지속되는 남반구의 여름, 11월에서 2월까지만 수송기가 떠서 그만큼 접근이 어려운 지역이기도 하다. 하지만 전 세계의 천문학자들은 이곳의 하늘을 바라보며 무한한 상상을 펼치고, 지구의 끝에서 우주의 새로운 모습을 알아가고 있다.
《남극점에서 본 우주》는 남극점으로 가는 고된 방법부터 하루 한 번 인터넷 위성이 뜨고 지는 기지 생활, 전 세계를 놀라게 한 과학 소식까지 궁금한 모든 정보를 담았다. 이론이 검증되는 현장의 활기를 엿볼 수 있어 더욱 흥미롭다. 이 책은 학생들에게는 현장 연구 방식, 과학자의 사고법 등을 보여주어 과학 한다는 것에 대해 좀 더 구체적으로 생각하게 하고, 일반 독자들에게는 눈밭 위로 펼쳐진 우주에 대한 희열을 느낄 수 있게 한다. 끝이 없어 보이는 탐구 과정, 이것이 바로 우주를 탐사하며 얻는 최고의 즐거움이 아닐까. 지구에 발을 딛고 선 우리에게 닿은 138억 년 전의 빛을 남극에서 풀어낸다.
1부에서는 연구자들의 남극점 생활이, 2부에서는 EHT 프로젝트, 즉 지구 크기의 망원경으로 블랙홀을 사진에 담는 인류 최초의 도전이 차근차근 그려진다. 또한 3부의 바이셉팀은 빅뱅 직후 우주가 식으며 남겨놓은 열기, 우주배경복사를 연구해 우주 탄생의 비밀을 밝힌다. 특히 실내에서 데이터를 분석하는 연구자가 아닌, 남극에서 필요한 장비나 프로그램을 임기응변으로 만들어내고 망원경으로 관측까지 수행하는 실험 천문학자들의 실제 경험이 담겨 더욱 생동감 있다. 어디에서도 들을 수 없던 새로운 우주 이야기, 젊은 천문학자들의 패기 넘치는 남극점 우주 탐사가 시작된다.
EHT 프로젝트, 인류가 처음 블랙홀 사진을 찍기까지

블랙홀은 예상했던 모습 그대로였다. 일반상대성이론의 예측대로 중력의 영향 때문에 빛은 고리 모양으로 밝게 빛나며 가운데는 어두운 블랙홀 그림자가 자리하고 있었다. 도플러 효과로 인해 블랙홀을 둘러싼 플라스마가 회전하는 방향에 따라 우리에게 접근하는 아랫부분은 밝게, 멀어지는 방향으로 움직이는 윗부분은 어둡게 보였다. 예측과 다르지 않았지만, 다르지 않아 더욱더 놀라웠다. 기자회견을 통해 공개되는 그날까지도 볼 때마다 경이로움을 느꼈다. (182쪽)

2019년 4월, 인류 최초로 찍은 블랙홀 그림자 사진이 공개되어 〈뉴욕타임스〉 〈가디언〉 등을 비롯한 전 세계 언론의 집중을 받았다. 지구 곳곳에 흩어진 망원경을 이어 ‘지구만 한 망원경’을 만든 신개념 EHT 프로젝트는 블랙홀의 진짜 모습을 사람들에게 보여주었다. 중력파 발견에 이어 아인슈타인의 일반상대성이론이 틀리지 않았음을 다시 한 번 확인한 순간이기도 했다. 블랙홀 사진이 퍼지자 ‘도넛, 고양이 눈, 사우론’ 등의 애칭이 붙었고, 순식간에 대중의 사랑을 받았다.
EHT 프로젝트는 은하 중심마다 있는 초대질량블랙홀을 직접 관측하려는 시도다. 영화 〈인터스텔라〉에 등장하는 블랙홀 가르강튀아의 화려한 빛의 띠는 이 연구를 바탕으로 구현한 모습이기도 하다. 그런데 흔히 볼 수 있는, 도넛 같은 사진 한 장이 왜 모두를 들뜨게 했을까? 블랙홀의 어디를 보고 일반상대성이론이 맞는지 틀렸는지 말할 수 있는 것일까? 왜 전파 망원경으로 블랙홀을 관측해야 했을까? 간섭계는 무엇이고, 어떻게 지구만 한 망원경을 만든 것일까?《남극점에서 본 우주》는 이 역사적인 사진 한 장 뒤에 숨은 궁금한 이야기를 차근차근 풀어나간다.

EHT 프로젝트팀 전원, 브레이크스루상 수상!

EHT 프로젝트와 BICEP팀의 연구가 전 세계를 떠들썩하게 한 결과를 내기까지는 한두 명의 영웅이 아닌, 무수히 많은 사람들의 참여와 노력이 있었다. 2019년 가을, EHT 프로젝트의 구성원 347명(이 책의 저자 김준한 포함)은 ‘과학계의 오스카상’, ‘실리콘밸리의 노벨상’이라 불리는 브레이크스루(breakthrough) 재단의 상을 받았다. 상금은 300만 달러이며 개개인의 공을 인정해 347명에게 동등하게 돌아갔다. (브레이크스루 재단은 러시아의 물리학자 유리 밀너의 아이디어로 시작해 페이스북의 마크 저커버그, 구글의 세르게이 브린, 알리바바의 마윈 등의 기부로 만들어졌으며, 2013년부터 기초물리학상, 생명과학상, 수학상을 제정하며 수상자를 선정하고 있다.)
이 책에는 세계 각지에 흩어져 있는 연구자들의 협력이 어떻게 이루어졌는지, 이론을 검증해내기까지 얼마나 많은 벽에 부딪혔는지 가감 없이 기록되어 있다. 남극점에서 전 세계적 프로젝트의 일원으로 활약한 두 젊은 실험 천문학자는 “화려한 결과에 빠르게 이르기보다는 과장됨 없이 한 걸음씩 진실한 결론에 도달하는 과학을 하고 싶다”는 포부를 밝힌다.

바이셉팀, 우주의 시작이자 미래인 빅뱅의 첫 순간을 기록하다

때로는 우주의 지도를 제작하는 과정에서 새로운 설명이 필요하거나 우주론을 다시 검증해야 할 순간이 오기도 한다. 지금의 지도에는 현재의 우주론으로 설명하기에는 어려운, 상당히 차가운 영역인 ‘냉점’이 있다. 이 영역을 살피며 표준 우주론 모형을 넘어선 다양한 가능성을 열어놓는 설명도 등장했다. (299쪽)

남극점에서 주요하게 이루어지는 연구 가운데는 우주 탄생의 실마리를 찾는 거대 프로젝트 바이셉이 있다. 바이셉3 망원경으로 하늘의 좁은 영역을 1년 내내 들여다보며 빅뱅의 순간을 관측한다. 138억 년 동안 우주를 여행한 빛, 우주배경복사에 숨겨진 정보를 찾아 우리 우주를 설명하는 정확한 방식을 찾고자 하는 것이다. 망원경에 최첨단 기술을 적용해 우주의 지도를 사진으로 남긴다. 블랙홀 그림자와 마찬가지로, 단 한 장의 사진에 우주를 이해할 정보가 숨어 있다는 것은 놀라운 일이다. 바이셉팀이 쫓는 것은 오래된 우주배경복사 가운데서도 더욱 찾아내기 어려운 빛의 특정 신호이며, 이 미약한 신호를 잡아내고자 지구상에서 가장 건조한 곳, 남극점 얼음 평원에서 하늘을 올려다본다.
2014년 3월, BICEP팀의 연구 결과는 전 세계 학계를 떠들썩하게 했고, 한국과 해외 언론에서도 많이 다루어졌다. 우리가 아는 우주를 뒤흔들 놀라운 관측이라는 발표였지만 이 결과가 왜 중요하고, 어떤 점이 논란이 되었는지는 잘 알려지지 않았다. 저자 강재환은 이에 대한 현장 및 이론 연구 과정을 하나하나 짚으며 과학자들의 끝없는 앎의 추구를 살펴본다. 또한 빅뱅의 순간에 가장 가까이 다가가, 가속 팽창하는 우주의 새로운 미래 또한 자세하게 그린다.
2019년 노벨 물리학상은 우주 진화의 이론적 발견에 큰 공을 세운 제임스 피블스에게 돌아갔다. 《남극점에서 본 우주》 3부는 이번 노벨상에 대한 촘촘한 해설이기도 하며, 우주 진화를 설명하는 과학 이론에 현장의 연구까지 더해 풍성한 지식을 얻을 수 있다.

지금의 천문학에서는 새로운 발견과 번뜩이는 질문이 끊이지 않는다. 흥미로운 질문과 발견은 점점 정밀한 관측을 요구하고 더욱 많은 연구 인력, 예산을 필요로 한다. 모든 방면에서 규모가 커지는 현대 과학은 예전처럼 특출한 영웅 한 명이 모든 답을 내놓을 수 있는 구조가 아니다. 하나의 연구에 수많은 사람이 몸담고 관측, 이론, 실험, 자료 분석에서 협업이 필수다. 우리가 뉴스와 교과서에서 한 줄로 만나는 과학적 사실이 밝혀지기까지는 보이지 않는 곳의 무수한 노력이 있었다. 김준한, 강재환 박사는 이러한 숨은 노력을 드러내고자 이 책에 정성껏 과학자의 일을 담아냈다. 무한히 성실한 연구와 관측, 무수한 실패를 딛고 밝혀지는 우주 이야기는 많은 이들에게 감격의 순간을 함께 느끼게 할 것이다.

손주비(천문학자, 하버드-스미스소니언 천체물리 연구소)
어느 날 무심코 연 우편함에 특별한 편지가 도착해 있었다. 발송지는 남극. 김준한, 강재환 박사가 남극에서 만나 연구 중이라는 반갑고도 각별한 이야기였다. 그래서인지, 전 세계인의 주목을 받는 최신 연구를 수행하고, 그 과학적 성과를 쉽게 설명해주는 이 책이 더 반갑다. 《남극점에서 본 우주》는 시작부터 끝까지 손에서 놓기 힘든 흥미로운 여행기이기도 하다. 생동감 넘치는 과학 지식에 신비로운 남극의 경험이 더해져 독자에게는 더욱더 즐거운 독서가 될 것이라 확신한다.

이강환(천문학자, 전 서대문자연사박물관장)
남극은 지구상에서 우주를 관측하기 가장 좋은 곳입니다. 접근이 어렵고 사람 살 곳이 못 된다는 것만 제외하면요. 이 극한의 환경에서 우주의 극한을 탐구하는 과학자들이 있습니다. 최첨단의 과학을 연구하는 젊은 천문학자들이 남극에서 들려주는 이야기. 남극에서는 이런 일들이 벌어지고 있습니다.

황호성(천문학자, 한국천문연구원)
남극점에서 우주를 바라본다니! 미국에서 남극을 오가며 대활약 중인 두 젊은 과학자의 이야기를 읽으며, 나도 남극의 밤하늘을 올려다보는 상상을 한다. 블랙홀의 그림자를 찾기 위해서, 또 우주의 기원을 찾기 위해서 과학자들이 남극에서 어떻게 고군분투하는지, 천체물리학의 최전선에서 벌어지는 일들을 김준한, 강재환 박사가 들려준다. 직접 우주를 연구하는 두 과학자의 증언으로, 이보다 더 생생할 수 없다!

책머리에 7

1부 남극점의 여름
오지로 가는 천문학자 19
남극점에 닿기까지 26
아문센-스콧 남극점 기지 51
남극점의 이모저모 59
특집_ 남극점에서 우리는 84

2부 블랙홀 그림자를 찾아서
블랙홀 95
우리은하의 초대질량블랙홀 109
초장기선 전파 간섭계 120
남극점 망원경 140
인류 최초의 블랙홀 사진 160

3부 우주의 시작을 찾아서
지구에서 빅뱅까지 195
우주배경복사 관측 220
인플레이션 우주 232
바이셉 251
끝나지 않은 우주의 지도 만들기 293

참고 자료 301
그림 출처 310
찾아보기 314

실험 천문학자들에게는 관측소 출장이 일상이다. 애리조나 사막의 산봉우리로, 하와이의 해발 4,000미터가 넘는 산꼭대기와 칠레의 고원으로, 심지어 남극이나 그린란드로 향한다. 왜 이들은 오지를 찾아다니는 것일까? 열거한 세계 곳곳의 지역은 공통점이 있다. 고도가 높고 건조하다. 그리고 대도시에서 멀리 떨어져 어두운 밤하늘이 보존된 장소이기도 하다.
_24쪽 〈1부 남극점의 여름〉

병원에서 의사를 만나 건강검진을 받고 각종 질병에 대한 검사를 위해 피 여러 통을 뽑아야 하는 건 기본이고, 치과 진료까지 마쳐야 한다. 몇 년 전부터는 흥미롭게도 사랑니 발치를 미리 하도록 요구하고 있다. 위급 상황이 생길까 봐 기지마다 의사가 상주하지만 남극에서 가장 가까운 병원이 수천 킬로미터 떨어져 있으니 혹시 모를 상황에 대비하기 위함이다.
_27쪽 〈1부 남극점의 여름〉

남극점에 간다고 하면 사람들이 가장 많이 묻는 말이 “펭귄을 볼 수 있냐”는 것이다. 우리의 최종 목적지인 남극점은 여름철에도 기온이 영하 30도 수준인 극한의 환경이기에 기지에서 일하는 대원들 이외에는 자연에서 생명체가 살 수 없다. 날이 조금은 따뜻한 대륙 바깥쪽으로 나가야 생물들이 등장하고, 맥머도 기지 주변에서나 늦은 여름이 되면 운이 좋아야 펭귄을 볼 수 있다.
_45쪽 〈1부 남극점의 여름〉

남극에 간다고 했을 때 또 한 가지 자주 받는 질문은 그곳의 밤하늘은 어떤지, 오로라는 볼 수 있었는지다. 불행히도 답은 ‘아니오’인데, 우리가 작업을 위해 방문하는 기간은 남극의 여름, 즉 낮이기 때문이다. 지구의 끝 남극에서는 1년에 해가 한 번만 뜨고 지기에 여름, 겨울이 낮, 밤과 같은 의미가 있다.
_66쪽 〈1부 남극점의 여름〉

남극에서 연구할 기회가 주어진 시간은 매일매일이 중요하다. 기지에서 는 월요일부터 토요일까지의 업무가 기본이다. 정해진 기간에 임무를 완수해야 하는 과학자들은 일요일도 반납하고 일에 매진하는 경우가 부지기수다. 아침부터 늦은 저녁까지 대부분의 시간 동안 한정된 인원이 함께 지내고, 일터에서 만나는 사람들과 같이 생활한다.
_84쪽 〈1부 남극점의 여름〉

블랙홀 그림자를 관측해낸다면 일반상대성이론의 예측대로 블랙홀이 존재한다는 직접적인 증거가 된다. 또한 그림자 주위의 고리가 얼마나 밝은지, 어떤 모습인지는 여러 가지 조건에 따라 결정된다. 예를 들면 블랙홀을 둘러싼 고온의 플라스마가 어떤 상태에 있는지, 블랙홀 근처에서 자기장이 어떤 배열을 이루는지, 블랙홀을 어떤 방향에서 관측하는지 등이 영향을 준다. 그렇기에 블랙홀의 직접 관측은 단순한 이론의 검증을 넘어서, 블랙홀의 특성과 주변 시공간을 이해하는 데 큰 도움을 줄 수 있다. 이제는 영화가 아니라 밤하늘에서 블랙홀을 찾아 나설 때다.
_108쪽 〈2부 블랙홀 그림자를 찾아서〉

어쩌면 최초의 블랙홀 사진보다 중요하다고 생각할 법한 과학 뉴스들이 전해졌을 때를 뛰어넘은 대중의 관심은 너무 압도적이라 인간의 인식에서 눈에 보이는 이미지의 역할과 시각화의 중요성에 대해서도 고민해볼 기회가 되었다.
_182쪽 〈2부 블랙홀 그림자를 찾아서〉

마이크로파는 대기 중의 수증기 영향을 많이 받는다. 138억 년을 막힘없이 날아오다가 지구 대기에 턱 하고 막혀버려서 관측을 못한다면 그만큼 허무한 일도 없을 것이다. 하지만 신호가 완전히 막히는 것은 아니다. 남극이나 칠레 아타카마 사막처럼 높고 건조한 지역에서 관측을 하고, 풍선을 띄워 대기상층에서도 관측하지만, 우주로 나가는 것이 가장 좋다.
_222쪽 〈3부 우주의 시작을 찾아서〉

얼룩무늬 신호가 아주 약하게 하늘에 새겨져 있는 모습을 떠올려보자. 그리고 그것이 빅뱅 순간의 급팽창으로 인한 떨림과 연결되었다고 생각하면 놀랍다.
_273쪽 〈3부 우주의 시작을 찾아서〉

자연을 탐구하는 데 계속되는 도전장을 극복하며 우주에 대한 이해를 끊임없이 확장시키는 탐험은 여전히 진행 중이다.
_297쪽 〈3부 우주의 시작을 찾아서〉