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[원자력탐험대 26화] 우주선(宇宙線)

  • 2015.11.19.
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지구로 날아오는 높은 에너지 입자와 방사선

지구의 나이는 몇 살일까? 과학자들이 찾아낸 바로는 약 46억 살. 그런데 어떻게 수십 억 년이나 되는 지구의 나이를 알아냈을까? ‘방사성 탄소 연대 측정’을 통해서다. 앞서 우리는 방사선을 이용한 다양한 산업 분야를 살펴보면서 이 측정법을 다룬 바 있다. 과학자들은 이 측정법으로 지구 곳곳의 가장 오래된 암석 그리고 아폴로 11호가 달에서 가져 온 월석을 분석해 지구의 나이를 밝혀냈다. 재미있는 사실은 1940년대 본격적인 연구가 시작된 원자력과 방사선은 이미 지구가 탄생하기 이전부터 우주에 존재해 왔다는 사실이다. 바로 ‘우주선’이다. 오늘은 지구의 역사보다 더 오래된 방사선인 우주선의 신비에 대해 살펴보자.

△미지의 우주에서 날아오는 원자핵

영어로 ‘cosmic rays’라 불리는 우주선(宇宙線)은 ‘우주를 떠다니는 선’으로 해석할 수 있다. 선은 흔히 빛의 형태로 나타난다. 하지만 이 우주선은 아주 작은 점(알갱이)들이 촘촘히 이어진 점선의 모습을 떠올리는 게 이해하기 쉽다. 즉, 태양계를 포함해 우리 은하 전체 공간을 빠른 속도로 날아다니는 원자핵이나 전자들이 무수히 많이 모여 선을 이룬 것이다. 이러한 우주선은 태양에서도 발생한다. 그러나 대부분은 태양계 밖에서 날아오기에 ‘은하 우주선’이라고도 부른다.

△85%의 양성자선…스파크 챔버로 확인

은하 우주선은 여러 입자들로 구성돼 있다. 이 가운데 약 85%는 양성자(수소 원자핵)이며, 약 12%는 알파 입자(헬륨 원자핵), 나머지 3%는 전자와 그 밖의 무거운 원자핵으로 뭉쳐 있다.

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물론 이 우주선은 방사선처럼 우리 눈에 보이지 않으며, 냄새나 맛도 없다. 과학관 등에 가 보면, 우주선이 지나가는 길을 소리나 빛으로 만들어 이해할 수 있게 해 주는 장치인 ‘스파크 챔버’를 만날 수 있다. 이 장치는 아크릴 수지를 옆면에, 알루미늄 판을 위ㆍ아래에 놓은 가늘고 긴 상자가 수십 개 포개진 모습이다. 상자 속에는 폭발성이 강한 헬륨 가스가 채워졌으며, 위와 아래의 알루미늄 판은 전극 역할을 한다. 이 상자 안에 100만 분의 1초라는 아주 짧은 순간에 엄청나게 높은 전압을 걸어 주면, 순간 불꽃이 생긴다. 이것이 바로 우주선의 흔적이다.

△빛의 속도에 맞먹는 운동 에너지 가져

우주선이 전기적 자극에 예민하다는 것은 높은 에너지를 가졌다는 뜻이기도 하다. 실제로 지구 근처에서 발견되는 우주선은 1GeV(기가 전자 볼트, 1GeV는 10억eV) 이상의 엄청난 운동 에너지를 가진 것으로 확인된다. 이는 빛의 속도에 약 87% 정도에 이르는 빠르기다. 이처럼 빠른 속도로 지구에 도달하는 우주선은 거의 모든 방향에서 균일하게 날아온다고 한다.

과학자들은 우주선의 성분 분석을 통해 우주 물질의 충돌로 우주선이 발생한다는 사실도 알아냈다. 태양에서 나오는 우주선의 경우엔 태양의 플레어를 통해 방출되는 것으로 알려져 있다. 플레어란 태양 대기에서 수소 폭탄 수천만 개에 해당하는 격렬한 폭발을 말한다. 과학자들은 태양의 우주선을 연구해 이 붉은 별에 얼마나 풍부한 헬륨이 존재하는지도 알게 되었다.

지구에 도착하는 우주선을 표현한 그림. 다양한 방향에서 우주선이 쏟아져 온다.

△우주선은 미지의 어둠 밝히는 열쇠

인류는 이제 방사선의 하나인 우주선 연구를 통해 미지의 암흑 세계에 대한 다양한 사실을 알아가고 있다. 눈에 보이지 않는 우주선, 그리고 이를 포함한 방사선의 신비는 21세기 인류에게 보다 많은 지혜를 가져다 줄 것으로 기대된다.

<원자력 Q&A>
※ 기사를 읽고 원자력이나 미래 에너지와 관련해 평소 궁금했던 점을 메일(kids@snhk.co.kr)로 보내 주세요. 전문가의 자문 등을 통해 보다 알기 쉽게 여러분의 질문에 대한 답을 안내해 드립니다.

Q. 태양의 플레어와 흑점은 어떤 관련이 있나요? (김동건 군ㆍ서울 명지초등 6학년)

A. 지난해 10월 태양의 초대형 흑점이 발견되면서 생성 원인에 대한 과학자들의 눈과 귀가 집중된 바 있다. 플레어가 나타난 자리엔 어김 없이 흑점이 생긴다는 것. 즉 태양 표면에서 일어나는 폭발 현상인 플레어가 진행되면, 이후 강력한 에너지가 우주 공간으로 새어 나가고 이 자리에 까맣게 보이는 흑점이 관측된다는 것이다. 한편, 플레어가 나타나면 지구에서는 인공위성 장애나 통신 교란, 천연가스 배관의 폭발 등이 일어날 수 있는데, 이것은 바로 우주선과 대기가 만나 생기는 방전 효과의 결과다.

원자력탐험대 26화
– 작성 : 소년한국일보 윤석빈 기자 binys@snhk.co.kr

– 원문보기 : 소년한국일보 http://goo.gl/i2MA5D

 

 

 

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