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방사선이 우주에서도?! 빅토르 헤스가 열기구에서 확인하다

  • 2014.08.05.
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지난 4월 미항공우주국(NASA)의 화성 탐사로봇 ‘큐리오시티’(Curiosity)는 화성에서 하늘로 치솟는 것 같은 빛을 촬영했습니다.

이 사진에 대해 인터넷과 SNS에서는 “화성에 미확인비행물체(UFO)가 나타났다”며 떠들썩했다고 합니다.

이에 대해 전직 NASA 천문학자 필 플라잇 박사는 그 빛이 UFO에서 발산한 빛이 아니라 우주에서 화성으로 떨어지는 ‘우주선(cosmic rays)’일 것으로 추측했습니다.

그는 지구에서는 대기가 우주선을 흡수하기 때문에 카메라에 미치는 영향이 거의 없지만 화성에는 대기가 없으므로 우주선이 카메라에 영향을 미치게 된다는 설명을 덧붙였습니다.

필 플라잇 박사가 말한 우주선(cosmic rays)은 그 이름에서도 유추할 수 있듯이, 우주에서 나오는 방사선을 말합니다.

이 우주선은 지금으로부터 약 100년 전 오스트리아의 물리학자 ‘빅토르 헤스(Victor Hess)’가 처음 그 존재를 밝혀냈습니다. 그는 지표가 아닌 대기에서도 방사능이 측정되는지 의문을 품었고, 그 의문을 풀기 위해 직접 열기구를 타고 몇 킬로미터 상공으로 올라가 목숨을 담보로 한 숱한 실험을 했습니다.

‘우주방사선’과 ‘빅토르 헤스’ 사이에 어떤 일들이 있었는지 좀 더 자세히 알아보도록 하겠습니다.

 

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빅토르 헤스(Victor Francis Hess)는 우주선의 존재를 최초로 밝혀낸 과학자입니다.

1883년 오스트리아에서 태어난 빅토르 헤스는 1901년부터 1905년까지 명문 그라츠대학교를 다녔습니다.

그는 졸업 후에도 물리학 연구를 계속하여 1910년에는 박사 학위를 받았습니다.

이듬해인 1911년~1913년에 걸쳐 헤스는 앞서 말씀드린 것처럼 방사선 효과에 대한 끊임없이 연구한 결과, 실험을 통해 우주에서도 방사선이 존재함을 확인하게 됩니다.

그는 이 업적을 인정받아 1936년 노벨 물리학상까지 수상했습니다.

그가 밝혀낸 우주선의 존재가 방사선의 근원을 찾을 수 있도록 도와주는 중요한 학문적 연결 고리가 되었기 때문입니다.

 

20세기 초 많은 과학자들은 대기에서 측정되는 이온화 방사선의 수치에 대해 의문을 가졌다고 합니다.

그 당시는 우라늄 등의 광석으로부터 방사선이 나오는 것을 앙리 베크렐과 퀴리 부부가 발견한 직후였습니다.

과학자들은 방사선의 근원이 광석이라면 지구로부터 멀어질수록 방사능 수치가 낮아질 것이라고 추측했고, 학계에는 그런 가정이 지배적으로 받아들여지고 있었습니다.

 

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그러나 헤스는 그런 가정에 의문을 가졌습니다.

간혹 대기에서 관측되는 방사능 수치가 지표에서 관측되는 방사능 수치보다 더 높게 기록되는 경우가 있었기 때문이었습니다.

빅토르는 자신이 품은 의문점을 해결하기 위해, 정밀한 측정 장치와 함께 직접 열기구를 타기로 결심합니다.

그는 목숨까지 내놓아야 할지 모르는 큰 위험을 감수하면서 밤낮을 가리지 않고 열기구를 조종하며, 방사능 수치를 측정했습니다.

구체적으로 헤스는 열기구에 검전기를 싣고 5.3㎞ 높이의 상공까지 올라가 방사능 수치의 변화를 정밀하게 측정했습니다.

그 후 헤스는 실험을 마치고 비엔나 과학 학회지에 자신의 측정 결과를 발표, 지표에서 약 1㎞까지는 방사선 수치가 줄어들지만 올라가면 갈수록 오히려 방사선의 수치가 증가한다고 주장했습니다.

그의 관측에 따르면 지상 약 5㎞ 고도에서 측정한 방사선의 양은 지표에서 측정한 양의 2배에 달했습니다.

이로써 우주에서 지구 대기로 들어오는 방사능, 즉 우주선이 존재한다는 결론이 내려지게 되었습니다.

헤스가 밝혀낸 ‘우주에도 방사능이 존재한다’는 사실은 이후 미국의 로버트 밀리컨에 의해 재입증되었습니다.

1925년 밀리컨은 우주에서 들어오는 방사선이라는 의미로 우주선(cosmic rays)이라는 용어를 최초로 사용했습니다.

 

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현재 방사선의 종류는 크게 자연 방사선과 인공 방사선으로 구분합니다.

자연방사선은 지표면이나 암석 같은 주변 물질에서 방출되는 방사선을 말합니다.

태양과 우주로부터 지구 대기를 뚫고 들어오는 우주선도 자연방사선에 포함됩니다.

 

우주선은 구체적으로 수소핵이나 무거운 핵, 전자, 감마선, 중성미자 등 우주에서 지구로 떨어지는 모든 입자를 뜻합니다.

이 우주선 중에는 에너지가 10의 18승~10의 20승 전자볼트(eV)로 초고 에너지 우주선(ultra-high-energy cosmic rays)이라 불리는 강력한 입자도 있다고 합니다.

이 강력한 우주선이 도대체 어디서 오는지는 아직 알 수 없습니다. 어떻게 그것이 빛의 속도를 지니고 있는지도 의문인 상태입니다.

 

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그런데 얼마 전 TA(Telescope Array) 국제연구그룹이 5.7×10의 19승 전자볼트 이상의 초고 에너지 우주선이 주로 큰곰자리의 북두칠성 부근에서 나온다고 발표했습니다.

이 연구팀은 미국 유타주에 건설한 TA 우주선 관측 장치의 지표 입자검출기로 2008년부터 5년간 취득한 데이터를 통해 이를 밝혀낸 것이라고 합니다.

 

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우주선의 근원에 대한 탐구가 약 100여 년 전에 걸쳐 계속해서 진행되고 있다고 생각하니 과학자들의 끈질긴 학문적 열정에 새삼 고개가 숙여집니다.

여러분들은 무언가에 대해 제대로 이해하고 밝혀내기 위해 포기하지 않고 끝까지 노력했던 적이 몇 번이나 있었는지요.

생명의 위협을 무릅쓰고 우주에서도 방사선이 나온다는 사실을 알려준 빅토르 헤스의 노력을 생각하니 그가 더욱 존경스러워집니다.

 

늦더위가 기승을 부리는 8월입니다.

모두들 더위에 지치지 마시고 새로운 열정을 지니고 파이팅하시길 바랍니다.

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