2019 노벨 물리학상을 수상한 제임스 피블스(James Peebles), 미셸 마요르(Michel Mayor), 디디에 켈로(Didier Queloz)

2019 노벨 물리학상 수상자

2019년 노벨 물리학상을 수상한 세 과학자들:

제임스 피블스(James Peebles),

미셸 마요르(Michel Mayor)와

디디에 켈로(Didier Queloz)

Credit: Jonathan Nackstrand

2019년 노벨 물리학상 수상자로

제임스 피블즈(James Peebles), 미셸 마요르(Michel Mayor)와

디디에 켈로(Didier Queloz) 세 우주론 학자들로 선정되었다고

스웨덴 노벨 왕립 위원회가 지난 10월 8일에 발표했다.

빅뱅 발생 후, 우주의 초반기에 형성된 우주(universe)의 성분이

어떻게 은하계(galaxy)로 만들어지는가를 밝혀낸 

캐나다 태생 프린세튼 대학교의 원로교수인 제임스 피블스 박사에게는

90만 달러에 달하는 상금의 반이 상금으로 주어지며,

나머지 반은 아주 먼 곳에 떨어진 태양계에 우리의 태양계처럼

행성들이 그 별 주위를 공전하고 있는가를 밝혀 낸

미셸 마요르 박사와 디디어 켈로 박사에게 수여되었다.

올해 노벨 물리학상 수상자를 발표하고 있다.

노벨상 시상식에서 피블스 박사는 젊은 천문학 과학도들에게

연구하는 자세와 중요성을 포함한 유익한 조언과 응원의 메시지로 수상 소감을 발표했다.

Credit: Jonathan Nackstrand

프린스톤 대학교에서 알버트 아인슈타인 교수인 제임스 피블스 박사의 물리학 수상 소식은

본인을 비롯해서 주위의 많은 과학자들이 어느 정도 예상된 소식이었다.

그는 인터뷰 중에 "나는 지난 55년간 오직 Cosmology(우주학)에 관해서 연구해 왔다.

 이 학문의 초반부터 전공한 사람들 중에

내가 아마도 제일 늦게까지 살아있는 과학자이기에

솔직히 올해 노벨상 수상자로 어느 정도 기대했다." 라고 밝혔다.

우주 물리학자인 미셸 마요르 박사는 제네바 대학교의 명예 교수이며,

 2007년에 정식으로 은퇴했지만,

제네바 천문대에서 여전히 연구활동을 활발히 하고 있다고

동료 과학자들이 알려 주었다.

디디에 퀠로 박사는 케임브릿지 대학교 소속, 캐벤디쉬 연구소와

제네바 대학교에서 물리학 교수로 재직 중이다.

피블스 박사가 1960년대에 우주를 관찰하고 연구하기 시작할 시기에는

물리학자들이 제시한 어느 추론이나 예측을 입증하거나

혹은 반박할 자료가 턱없이 부족해서

우주의 거리는 그저 막연한 추측에 불과했고,

우주의 나이 역시 여러 학설로 분분했다.

"우리에게 알려진 사실이나 학설이 거의 별로 없어서

우리가 하고 있는 연주조차 맞는 방향으로 가고 있는지조차 가늠하기 어려웠다."

 라고 피블스 박사가 대답했다.

그의 오랜 연구 덕분에 수학적인 이론을 토대로

체계적인 우주학으로 자리잡게 하는데 큰 공헌을 했다.

시카고 대학교의 교수이자, 

과학 연구를 경제적으로 지원하는 카블리(Kavli)재단이사를 맡고 있는

마이클 터너 박사는, "제임스만큼 우리가 받아 들이는

현대의 패러디엄을 수립한 사람은 없다." 라고 그의 업적을 치하했다.

제임스 피블스 박사

1964년에 아르노 펜지아스(Arno Penzias)와 로버트 윌슨(Robert Wilson)

두명의 라디오 천문학자들이

주파수가 낮은 초단파(microwave)가

우주 전체에 존재하고 있다는 것을 우연히 발견했다.

이 두 과학자들은 이 대단한 발견으로 1978년 노벨 물학상을 수상했지만,

피블스 박사를 포함한 몇몇 과학자들이 수립한  이론적인 수학적인 계산을

내놓을 때까지 초단파(background microwave)의 존재와

의미는 제대로 입증하지 못했다.

피블스 박사와 그의 연구팀은 우주에 그득한 배경 초단파 방사선은

빅뱅 발생으로 인해서 너무도 뜨거운 우주가  40만년이 지난 후에

어느 정도 식게 되면서, 수소와 헬리움처럼 가볍고 간단한 원소가 형성된 시기에

만들어진 잔재물이라고 예측을 했다.

이 배경 초단파 방사선은 우주 공간에 

모든 방향으로 고르게 분포되었고,

켈빈 온도로 0도 조금 위의 아주 차가운 온도에서만

완전히 균등하고 일률적으로 반사하지 않는 것을 밝혀냈다.

피블즈 박사는 이로 인해서

우주 어딘가에 미미한 변동이 존재한다는 것을 계산해 냈고,

이 미미한 변동이 존재하는 지역에서  물질이 서로 뭉쳐지기 시작해서

이 구조가 마침내 별, 항성, 은하계와 우주를 이루는

물질의 토대가 되었다는 학설을 내 놓았다.

피블스 박사는 우주 전체는 기하하적으로 평평하며( 위의 도면에서 1번 피크(peak),

우리가 알고 있는 물질과 에너지는 전체 우주 비중의 5%에 불과하며 (2번 피크),

우주의 26%는 '어두운 물질' 로 채워졌다.(3번 피크) 라고 밝혀냈다.

이 세개의 피크를 분석 종합하면,

우주의 31%(5%+26%)는 물질로 구성되었고,

나머지 69%는 '어두운 에너지(dark energy)로 채워졌다 라고

피블스 박사는 결론을 내리게 되었다.

1980년대 초반에 피블스 박사는  우주는 우리 눈에 보이지 않는 

'차갑고 어두운 물질' 로 차 있으며,

이 물질은 우리가 알고 있는 물질과 달리 서로 상호 반응은 하지 않지만,

이 물질 때문에 발생한 중력으로 은하계들이 만들어졌다는 학설을 제시하면서,

 아인슈타인이 이미 제시했다가 그의 '최악의 실수' 라는 반응을 

우주 상수(cosmological costant) 콘셉트를 그의 학설에 포함시켰다.

아인슈타인은 우주의 크기는 변하지 않으며, 중력은 안정적으로 균형이 잡혔다라는

이론을 이 우주상수으로 설명하려고 했지만,

실제로 우주는 사실 팽창한다는 것이 입증이 되면서 뒷전으로 밀려났다.

1980년대에는 피블스 박사를 포함해서 대다수의 물리학작들은

'차고 어두운 물질'  컨셉트에 회의를 품고 있었다.

하지만  피블스 박사는 어두운 에너지라고 알려진 우주상수를 사용해서,

당시에 제기된 우주의 질량은 실제로 훨씬 낮다는 것을 입증했다.

ESA(유럽 천문 기관)의 플랭크 우주 탐사선이 발견한

빅뱅 후 우주 전체데 존재하는 배경 초단파(background microwave)

photo: NASA

1990년 즈음에 우주의 관측 기록과 몇 차례 실행된 NASA 임무 중에 얻은 자료는

피블스 박사의 이론에 힘을 싣게 되었다.

마침내 1998년에 두 연구팀이 피블스 박사의 학설대로 우주는 팽창할 뿐 아니라

그 팽창 속도에 가속이 붙어서 진행된다는 것이 입증되었다.

이 획기적인 발견은 2011년 노벨 물리학상 수상으로 이어졌다.

터너 박사는 "피블스 박사는 1965년에 우주 배경 초단파 발견 이후,

이 분야에 관한 대부분의 연구에 리더로 참여했다." 라고 말했다.

피블스 박사는 우주의 대부분은 여전히 미스테리로 남아있다.

그래서 젊은 과학자들이 계속해서 어두운 물질/에너지(dark matter/energy)를

밝혀내야 한다 라고 덧붙였다.

제임스 피블스 박사는 캐나다 매니토바주의 수도의 근교인 세인트 보니퍼스(St. Boniface)에서 1935년 4월 25일에 태어났다. 어렸을 때부터 그는 주위의 사물들이 어떻게 작동하는지 늘 호기심이 많았다. 한 예로 그는 전기 커피 기계가 어떻게 작동하는지 부모가 허락하지 않자 엄청나게 떼를 썼다고 한다. 그의 과학에 관한 호기심은 당시 유명한 물리학 교수인 스탠딩 박사가 교수로 재직중인 매니토바 대학교에 진학했고, 그의 재능을 파악한 스탠딩 박사는 그에게 당시 물리학계의 리더인 프린스튼 대학원으로 진학하라는 권유를 받아 들여서 프린스튼 대학교로 가게 되었다. 피블스 박사는 그의 첫 멘토인 스탠딩 교수의 조언은 그저 제가에게 한 권유가 아니라 확신에 찬 명령이었다고 회고했다. (참고로, 스탠딩 교수는 올해 초에 93세로 타계했다.) 프린스튼 대학교에서 그의 두번째 멘토인 로버트 딕(Dr. Dick) 교수의 지도로 1962년에 박사박위를 획득했다.  그는 당시 아무도 관심을 갖지 않았지만, 한번 해 볼만한 분야인  cosmology(우주학)에 관해서 연구해 보라는 딕 지도교수의 권유로 시작한 우주학 분야를 55년간 한결같이 꾸준한 연구활동을 했다. 그는 박사학위를 획득한 후, 프린스튼 대학교에서 조교수, 부교수를 거쳐서 1972년에 정교수로 오랫동안 재직했으며, 2000년에는 명예교수로 추대되었다.

한때는 스승과 제자로, 후에는 동료로 함께 오랫동안 연구활동을 펼쳐 온

미셸 마요르 박사(왼쪽)와 디디에 켈로 박사

천문학자들은 오랫동안 행성들이 별 주위를 일정한 궤도를 따라서 공전한다고 믿어 왔다.

하지만  1992년에 태양계 바깥쪽에 위치한 첫 행성들을 발견되면서,

그후, 그동한 자연스럽게 받아 들여졌던 이 학설이 흔들리기 시작했다.

"당시는 대부분의 천문학자들은 우리가 이미 알고 있던 행성 외에

새로운 행성들을 발견하지 못할거라고 믿었고,

대부분의 별(star)들도 그 주위를 도는 행성이 형성될 가능성이 아주 낮으며,

우리 태양계처럼 생물체가 존재하는 태양계는 아주 희귀하다고 믿고 있었다."

라고 예일대학교의 데브라 피셔 천문학 교수가 당시의 상황을 설명했다.

켈로 박사가 발견한 지구에서 약 50 광년 거리에 떨어졌으며,

페가수스 별자리에 속해진 51 페가시 행성(exoplanet)

Credit: ESO/M. Kornmesser/Nick Risinger

올해 노벨 물리학상 공동 수상자인 디디에 켈로 박사 역시

다른 행성들을 발견할 거라고 전혀 기대하지 않았다.

켈로 박사는 프랑스 남부의  Haute-Provence 천문대에서

당시 대학원 학생 자격으로 그의 지도교수인 마요르 박사가 진행하는 연구를 위해서

연구에 필요한 기기를 준비하거나, 컴퓨터 소프트웨어 프로그램을 만들고 있었다.

그들이 찾고자 하던 행성을 발견한다면, 눈으로 확인하기 보다는

그 태양계의 중심에 위치한 별이 보낸 빛에서 행성의 중력으로 인해서
정기적으로 발생되는 빛의 변동(fluctuation of light)을 찾고자 했다.

(아래 세개의 도표 참조)

소리의 진원체가 이동하면서 주파수가 변경되는 도플러 영향

소방차의 사이렌이나 기차의 경적을 울리면서

움직이는 차가 가까워 오면, 소리의 음정이 높아지게 (주파수가 증가) 들리고,

반대로 차가 멀어져 가면 음정이 낮아지는(주파수가 감소) 도플러 현상처럼,

행성이나 별이 지구로 가깝게 다가 오면, 빛의 주파수가 높은 파란색 변동(Blueshift)이 되고,

반대로 멀어져 가면 주파수가 낮은 빨간색 변동현상(Red shift)을 보인다.

당시에는 이런 방법으로 목성처럼 거대한 행성에서 시작된 빛은 측정할 수 있었지만,

우리의 태양계 바깥의 존재하는 행성(exoplanets)에서 온 빛을 측정해서

그들의 움직임을 알아내는데는 수년이 걸렸다.

그래서 켈로씨가 박사논문을 획득한지 수년 후에야 행성의 존재를 알아냈다.

행성이 지구쪽으로 다가 오면, 푸른 빛을 띄고,

반대로 지구와 멀리 떨어져 이동하면, 붉은 빛을 띄는 현상을 설명하며,

행성의 이동 속도를 측정할 수 있는 것을 설명한 도표

태양계 중심이 있는 별이 발사한 빛의 강도는 그 주위를 공전하는 행성이

그 별과 지구 사이를 지나칠 때에 감소한다는 것을 보여주는 도표

1994년에 마요르 박사는 안식년을 이용해서 하와이로 연구차 대학교로 떠난지

얼마 후, 켈로 박사는 먼 거리에 위치한 스무개의 별의 존재와

그 중 변덕스런 궤도 패턴을 보이는 별을 발견했다.

그 별이 바로 우리가 살고 있는 태양계의 흡사한

51 광년 거리에 떨어져 있는 51 페가시(Pegasi) 이다.

이런 대단한 발견을 한 켈로 박사는 엄청 기뻐하기 보다는

측정기기의 오작동이나 그의 소프트웨어에 문제가 발생해서 생긴 결과라고 믿고

오히려 창피해서, 겁을 먹고 그의 지도교수이자 멘토였던

마요르 박사한테도 아무런 이야기를 하지 않지 않았다고 인터뷰 중에 밝혔다.

이 51 페가시의 발견된지 6개월이 지나서야

켈로 박사는 그의 데이타가 맞다고 인정하자,

그 때서야  그가 발견한 데이타를 마요르 박사에게 여섯번에 걸쳐서

팩스를 보내면서, 자신이 먼 거리에 있는 행성을 발견한 것 같다라는 말을 덧붙였다.

팩스를 받은 마요르 박사는 "Yes, maybe."라고 미지근한 반응을 보였다고 한다.

수 년 후, 마요르 박사는 제자였던 켈로 박사의 데이타를 믿지 않았다고 실토을 했으며,

켈로 박사는 아마도 마요르 박사가 자신에게 일부러 관대한 답을 해 준 것 같다고 했다.

하지만, 계속 진행된 그들의 연구 결과는 처음과 같은 패턴을 계속 보여 주었다.

1995년 10월 6일에 마침내 그들이 오랫동안 연구해 온 결과를 발표했다.

그들이 발견한 먼 곳의 행성은 비록 생명체가 살기엔 너무 뜨겁지만,

앞으로 천문학자들이 우리의 지구같은 행성이 존재하는 태양계에 대한

연구를 진행할 수 있을지 제시해 준 대단한 연구 보고였다.

2019년 노벨 물리학상을 수상한 과학자들이 밝혀 낸 우주의 비밀을

요약해서 설명한 도표

예일대학교의 피셔 박사는 "이 발견은 완전히 우리의 견해를 바꾸어 주었고,

지금 당장은 이 획기적인 발견이 많은 이들에게 크게 환영받지 않더라도,

100년 후에는 크게 각광받을만한 대단한 업적이다." 라고 말했다.

그들의 연구 발표가 있은 후, 우리가 속해 있는 은하계에

4,000 여개의 먼 곳에 위치한 행성들이 발견되었고,

그 중 몇몇개는 생물체가 살 수 있을 확률이 있는 행성도 발견해 냈다.

작년에 NASA에서 발사한 성능좋은 TESS 망원경 덕분에

새로운 행성(exoplanets)들이 지속적으로 발견되고 있다.

그리고 커다란 행성들이 그들의 중심에 있는 별에 아주 가까운 거리에

위치한 궤도 위로 공전하는 것이 그리 생소하지 않다는 것도 밝혀졌다.