[카테고리:] 기술

연구자들은 새로운 테라헤르츠(THz) 분광학 방법을 사용하여 전 세계 실험실에서 일반적으로 사용되는 2D 재료의 얇은 적층이 자연적으로 공동이라고 불리는 것을 생성할 수 있음을 발견했습니다. 이 작은 공간은 빛과 전자를 더 작은 영역으로 제한하여 상호 작용과 동작을 크게 변경합니다.

컬럼비아 대학 물리학과 조교수이자 논문 주저자인 제임스 맥아이버(James McIver)는 “우리는 양자 물질의 숨겨진 제어 계층을 발견했으며 물질의 이국적인 단계를 이해하고 궁극적으로 이를 미래 양자 기술에 활용하는 데 도움이 될 수 있는 방식으로 가벼운 물질 상호 작용을 형성하는 길을 열었습니다.”라고 말했습니다.

이 작업은 McIver가 막스 플랑크 물질의 구조 및 역학 연구소(MPSD)에서 연구 그룹을 이끌었던 함부르크에서 시작되었습니다. 이 연구소는 MPSD, Columbia, Flatiron Institute 및 Cornell University의 협력인 Max Planck-New York 무평형 양자 현상 센터의 일부입니다. 센터의 연구원들은 평형에서 멀어질 때 안정적인 물리적 시스템이 어떻게 반응하는지 연구합니다.

McIver 팀은 빛을 통해 이러한 질문을 탐구합니다. “매혹적인 거시적 특성을 지닌 2D 물질은 종종 블랙박스처럼 행동합니다. 물질에 빛을 비추면 문자 그대로 전자의 숨겨진 동작을 밝힐 수 있으며, 그렇지 않으면 보이지 않는 세부 사항을 드러낼 수 있습니다.”라고 MPSD의 박사 과정 학생이자 논문의 제1저자인 Gunda Kipp이 말했습니다. 그러나 한 가지 장애물은 2D 재료를 조사하는 데 필요한 빛의 파장이 사람의 머리카락보다 얇은 재료 자체보다 훨씬 크다는 것입니다.

이러한 규모 불일치를 극복하기 위해 연구원들은 THz 빛(많은 양자 효과가 발생하는 범위)을 약 1밀리미터에서 단 3마이크로미터로 압축하는 칩 크기의 분광기를 개발했습니다. 이 컴팩트한 디자인 덕분에 2D 재료 내에서 전자가 어떻게 움직이는지 직접 관찰할 수 있었습니다. 그들은 먼저 잘 알려진 탄소 형태인 그래핀을 사용하여 광학 전도성을 측정하는 접근 방식을 테스트했습니다.

그들이 발견한 것은 예상치 못한 것이었습니다: 뚜렷한 정재파였습니다.

“빛은 전자와 결합하여 하이브리드 가벼운 물질 준입자를 형성할 수 있습니다. 이러한 준입자는 파동으로 움직이며 특정 조건에서 뚜렷한 음을 생성하는 기타 줄의 정재파처럼 갇힐 수 있습니다”라고 MPSD 박사후 연구원이자 공동 저자인 Hope Bretscher는 설명했습니다.

기타에서 현의 고정된 끝 부분은 파도가 형성될 수 있는 위치를 정의합니다. 현을 손가락으로 누르면 웨이브가 짧아지고 음높이가 변경됩니다. 광학에서는 두 개의 거울이 그 사이에 빛을 가두어 과학자들이 공동이라고 부르는 내부에 정재파를 생성할 때 유사한 과정이 발생합니다. 재료가 해당 공동 내부에 배치되면 갇힌 빛이 재료와 반복적으로 상호 작용하여 전자 특성을 변경할 수 있습니다.

그러나 연구자들은 거울이 필요하지 않을 수도 있다는 것을 발견했습니다.

Kipp은 “우리는 재료 자체의 가장자리가 이미 거울 역할을 한다는 것을 발견했습니다.”라고 말했습니다. 그들은 THz 분광기를 사용하여 여기된 전자 흐름이 가장자리에서 반사되어 플라즈몬 폴라리톤이라고 불리는 일종의 하이브리드 광물질 준입자를 형성한다는 것을 관찰했습니다.

McIver 연구실에서는 여러 층으로 구성된 장치를 연구했는데, 각 층은 수십 나노미터로 분리된 공동 역할을 할 수 있습니다. 각 층에서 형성되는 플라즈몬은 차례로 상호 작용할 수 있으며 종종 강력하게 상호 작용합니다. Bretscher는 “두 개의 기타 줄을 연결하는 것과 같습니다. 일단 연결되면 음표가 변경됩니다.”라고 말했습니다. “우리의 경우에는 급격하게 변화합니다.”

다음 단계는 이러한 준입자의 주파수를 결정하는 요소와 빛과 물질이 얼마나 긴밀하게 결합되어 있는지를 이해하는 것이었습니다. “공저자이자 MPSD 박사후 연구원인 Marios Michael과 함께 우리는 실험 관찰과 일치하는 소수의 기하학적 샘플 매개변수만 필요한 분석 이론을 개발했습니다.”라고 Kipp이 말했습니다. “단 한 번의 버튼 클릭만으로 우리의 이론은 물질의 특성을 추출할 수 있으며 특정 특성을 얻기 위해 향후 샘플을 설계하고 조정하는 데 도움이 될 것입니다. 예를 들어, 캐리어 밀도, 온도 또는 자기장의 함수로 공명을 추적함으로써 다양한 양자 위상을 구동하는 메커니즘을 밝힐 수 있습니다.”

이 연구는 플라즈몬에 중점을 두었지만 새로운 칩 규모의 THz 분광기는 다양한 2D 재료에서 진동하는 다른 유형의 준입자를 감지할 수 있습니다. 팀은 이미 함부르크와 뉴욕에서 새로운 샘플을 테스트하고 있습니다.

Bretscher는 “이 전체 프로젝트는 다소 우연한 발견이었습니다. 우리는 이러한 공동 효과를 볼 것으로 기대하지 않았지만 앞으로 양자 물질의 현상을 조작하는 데 이를 사용할 수 있게 되어 기쁩니다”라고 Bretscher는 말했습니다. “그리고 이제 우리는 그것들을 볼 수 있는 기술을 갖게 되었고, 그것들이 다른 재료와 단계에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지 배우고 싶습니다.”

노르웨이 과학기술대학교(NTNU) 전자 시스템학과의 Johann Riemensberger 부교수가 이끄는 연구팀은 기존 모델에서 발견된 몇 가지 과제를 극복하도록 설계된 새로운 종류의 레이저를 개발했습니다.

“우리의 결과는 빠르고 상대적으로 저렴하며 강력하고 사용하기 쉬운 새로운 유형의 레이저를 제공할 수 있습니다”라고 Riemensberger는 말합니다.

팀의 연구 결과는 다음과 같이 발표되었습니다. 자연광학. 이 프로젝트는 NTNU, 스위스 École Polytechnique Fédérale de Lausanne(EPFL) 및 Luxtelligence SA 간의 협력으로 이루어졌습니다.

자율주행차와 공기질 감지기

기존의 정밀 레이저는 부피가 크고 비용이 많이 들고 미세 조정이 까다로운 경우가 많습니다.

“우리의 새로운 레이저는 이러한 문제 중 몇 가지를 해결합니다”라고 Riemensberger는 말합니다.

이러한 개선으로 인해 이 기술은 주변 지도를 작성하기 위해 Lidar라는 기술을 사용하는 자율주행차에 특히 유용할 수 있습니다. Lidar는 레이저에서 나온 빛이 반사되는 데 걸리는 시간을 측정하거나 빛의 파동 위상의 작은 변화를 감지하는 방식으로 작동합니다. 새로운 레이저는 약 4cm 이내의 놀라운 정확도로 이러한 측정을 수행할 수 있습니다.

연구원들은 또한 레이저가 일반적으로 “시안화수소산”이라고 불리는 물질인 공기 중의 시안화수소 가스를 효과적으로 감지할 수 있음을 입증했습니다. 이 화합물은 소량으로도 독성이 매우 높기 때문에 신속하게 식별할 수 있는 능력은 안전 및 환경 모니터링에 필수적입니다.

첨단소재, 초소형 조명회로

연구진은 첨단 재료와 미세한 광 회로를 이용해 새로운 레이저를 만들었습니다.

레이저는 강력하고 안정적인 광선을 방출합니다. 또한, 사용자가 갑작스런 점프 없이 빠르고 원활하게 주파수를 쉽게 조정할 수 있다는 점도 장점 중 하나입니다.

Riemensberger는 “여러 컨트롤이 아닌 단 하나의 컨트롤로 쉽게 제어할 수도 있습니다.”라고 지적합니다.

레이저는 이미 사용 가능한 칩 기술을 사용하여 제작되었습니다. 이를 통해 저렴하게 대량생산이 가능하다.

Riemensberger는 “우리의 연구 결과를 통해 작고 저렴하며 사용자 친화적인 측정 장비와 고성능 통신 도구를 만들 수 있게 되었습니다.”라고 말했습니다.

이 작업은 EPFL(실험), Luxtelligence SA(칩 생산) 및 NTNU(설계 및 시뮬레이션) 간의 공동 작업이었습니다. Riemensberger가 아직 EPFL에서 박사후 연구원이었을 때 시작되었습니다. 이러한 협력은 ELLIPTIC이라는 EIC Pathfinder OPEN 장학금을 통해 계속됩니다.

헬싱키에서 열린 EPSC-DPS2025 합동 회의에서 결과를 발표한 옥스퍼드 대학의 케빈 올슨(Kevin Olsen) 박사는 “극 소용돌이 내부 대기는 표면 근처에서 약 30km 높이까지 극한의 저온을 특징으로 하며 소용돌이 외부보다 섭씨 약 40도 더 낮다”고 말했습니다.

이러한 극저온에서는 화성 대기의 소량의 수증기가 얼어붙어 극지방의 만년설 위에 침전됩니다. 이러한 변화는 오존 수준에 놀라운 영향을 미칩니다. 일반적으로 오존은 자외선 햇빛이 수증기를 분해하면서 형성된 분자와 반응할 때 파괴됩니다. 그러나 증기가 완전히 얼면 이러한 반응은 멈춥니다. 분해할 것이 아무것도 남지 않은 상태에서 오존은 소용돌이 내부에 쌓이기 시작합니다.

“오존은 화성에서 매우 중요한 가스입니다. 이는 산소의 반응성이 매우 높은 형태이며 대기에서 화학이 얼마나 빨리 일어나는지 알려줍니다.”라고 Olsen은 말했습니다. “오존의 양과 그것이 얼마나 가변적인지 이해함으로써 우리는 시간이 지남에 따라 대기가 어떻게 변했는지, 그리고 화성에 한때 지구처럼 보호 오존층이 있었는지 여부에 대해서도 더 많이 알 수 있습니다.”

2028년 발사 예정인 유럽우주국의 엑소마스 로잘린드 프랭클린 탐사선은 지구에서 고대 생명체의 흔적을 탐색할 예정이다. 만약 화성에 한때 자외선 복사로부터 표면을 보호하는 오존층이 있었다면, 그 보호 장벽은 수십억 년 전에 화성을 생명체가 훨씬 더 살기 좋은 곳으로 만들 수 있었을 것입니다.

화성의 극 소용돌이가 형성되는 방식

화성의 극 소용돌이는 화성의 25.2도 축 기울기에 의해 구동되는 계절 주기의 일부로 발전합니다. 지구와 마찬가지로 화성도 계절 변화를 경험하며, 북쪽 여름이 끝나갈 때 극지방 위에 소용돌이치는 소용돌이가 형성되어 봄까지 지속됩니다.

지구상에서 극 소용돌이는 때때로 불안정해지고 남쪽으로 표류하여 차가운 공기를 낮은 위도로 보낼 수 있습니다. 비슷한 과정이 화성에서도 일어날 수 있으며, 이는 연구원들에게 소용돌이 내부를 연구할 수 있는 귀중한 기회를 제공합니다.

“화성의 북극의 겨울은 지구처럼 완전한 어둠을 경험하기 때문에 연구하기가 매우 어렵습니다.”라고 Olsen은 말합니다. “소용돌이를 측정하고 관측 결과가 어두운 소용돌이 내부에 있는지 외부에 있는지 판단함으로써 실제로 무슨 일이 일어나고 있는지 알 수 있습니다.”

소용돌이 조사

Olsen은 화성 주변 궤도에 있는 ESA의 ExoMars 추적 가스 궤도선과 함께 작업합니다. 특히 우주선의 ACS(Atmospheric Chemistry Suite)는 태양이 화성의 반대편에 있고 대기를 통해 빛날 때 화성의 가장자리를 관찰하여 화성의 대기를 연구합니다. 햇빛이 흡수되는 파장은 대기 중에 어떤 분자가 존재하는지, 표면 위로 얼마나 높은지 알려줍니다.

그러나 이 기술은 태양이 북극 위로 떠오르지 않는 화성의 겨울의 완전한 어둠 중에는 작동하지 않습니다. 소용돌이 내부를 엿볼 수 있는 유일한 기회는 원형 모양을 잃을 때뿐이지만, 이것이 언제 어디서 일어나는지 정확히 알기 위해서는 추가 데이터가 필요합니다.

이를 위해 Olsen은 온도 측정을 통해 소용돌이의 정도를 측정하기 위해 NASA의 Mars Reconnaissance Orbiter에 있는 Mars Climate Sounder 장비를 사용했습니다.

“우리는 소용돌이 내부에 있다는 확실한 신호인 온도의 급격한 하락을 찾았습니다”라고 Olsen은 말했습니다. “ACS 관측 결과를 화성 기후 측심기(Mars Climate Sounder)의 결과와 비교하면 소용돌이 내부 대기와 외부 대기의 명확한 차이가 나타납니다. 이는 화성의 대기 화학과 극야 동안 조건이 어떻게 변화하여 오존이 형성되는지에 대해 더 많이 배울 수 있는 흥미로운 기회입니다.”

에 발표된 연구에 따르면 왕립천문학회 월간 공지팀은 또한 다리 너머로 160만 광년 더 뻗어 있는 거대한 가스 꼬리를 발견했는데, 이는 지금까지 기록된 종류 중 가장 큰 특징이 되었습니다.

ICRAR UWA의 수석 연구원인 Lister Staveley-Smith 교수는 이번 발견이 은하들이 서로 어떻게 영향을 미치는지에 대한 중요하고 새로운 통찰력을 제공한다고 설명했습니다.

Staveley-Smith 교수는 “우리의 모델링을 통해 이 은하들 사이에 작용하는 조석력과 거대한 처녀자리 은하단에 대한 근접성이 우리가 관찰한 가스 역학에 중요한 역할을 한다는 것을 보여주었습니다.”라고 말했습니다.

그는 은하들이 서로 궤도를 돌면서 태양 표면보다 약 200배 더 높은 온도에 도달하는 처녀자리 성단을 둘러싸고 있는 과열된 가스 구름을 향해 이동하면서 “램 압력”을 경험했다고 덧붙였습니다. 이 효과는 은하계에서 가스를 제거하고 밀도가 높은 환경을 통과할 때 가스를 가열했습니다.

“이 과정은 위성이 지구 대기권 상층부에 다시 ​​진입할 때 대기가 연소되는 것과 유사하지만, 그 기간은 10억년이 넘었습니다.”라고 그는 말했습니다.

“전자의 밀도와 은하가 뜨거운 가스 구름으로 떨어지는 속도는 왜 그렇게 많은 가스가 은하에서 다리와 주변 지역으로 끌려가는지 설명하기에 충분합니다.”

이번 발견은 호주 국립 과학 기관인 CSIRO가 소유하고 운영하는 ASKAP 전파 망원경을 사용하여 우주 전체의 수소 가스 지도를 작성하는 대규모 프로젝트인 WALLABY(Widefield ASKAP L-band Legacy All-sky Survey)의 일환으로 이루어졌습니다.

공동저자인 ICRAR UWA의 켄지 베키(Kenji Bekki) 교수는 연구팀이 별 형성의 핵심 성분인 중성수소에 대한 고해상도 관찰을 통해 거대한 가스 구조를 확인했다고 말했습니다.

“중성 수소는 별 형성에 중요한 역할을 하며, 이번 발견은 특히 밀집된 환경에서 은하계가 어떻게 상호 작용하고 진화하는지 이해하는 데 기초가 됩니다.”라고 Bekki 교수는 말했습니다.

Staveley-Smith 교수는 이 시스템이 우리 은하계 및 마젤란 성계와 강한 유사성을 갖고 있어 그러한 상호 작용을 자세히 연구할 수 있는 독특한 기회를 제공한다고 말했습니다.

“이러한 가스 다리와 그 역학을 이해하면 시간이 지남에 따라 은하가 어떻게 진화하는지, 은하 가스가 어떻게 재분배되는지, 은하가 별을 형성하거나 형성하지 않을 수 있는 다양한 조건에 대한 중요한 통찰력을 얻을 수 있습니다.”라고 그는 말했습니다.

“이것은 우주에서 가장 거대한 구조와 그 수명주기에 대한 우리의 더 넓은 이해에 기여하며, 이는 우리가 그들의 광대한 복잡성과 별 형성의 역사에 대해 더 많이 이해하는 데 도움이 됩니다.”

에 발표된 연구에 따르면 왕립천문학회 월간 공지팀은 또한 다리 너머로 160만 광년 더 뻗어 있는 거대한 가스 꼬리를 발견했는데, 이는 지금까지 기록된 종류 중 가장 큰 특징이 되었습니다.

ICRAR UWA의 수석 연구원인 Lister Staveley-Smith 교수는 이번 발견이 은하들이 서로 어떻게 영향을 미치는지에 대한 중요하고 새로운 통찰력을 제공한다고 설명했습니다.

Staveley-Smith 교수는 “우리의 모델링을 통해 이 은하들 사이에 작용하는 조석력과 거대한 처녀자리 은하단에 대한 근접성이 우리가 관찰한 가스 역학에 중요한 역할을 한다는 것을 보여주었습니다.”라고 말했습니다.

그는 은하들이 서로 궤도를 돌면서 태양 표면보다 약 200배 더 높은 온도에 도달하는 처녀자리 성단을 둘러싸고 있는 과열된 가스 구름을 향해 이동하면서 “램 압력”을 경험했다고 덧붙였습니다. 이 효과는 은하계에서 가스를 제거하고 밀도가 높은 환경을 통과할 때 가스를 가열했습니다.

“이 과정은 위성이 지구 대기권 상층부에 다시 ​​진입할 때 대기가 연소되는 것과 유사하지만, 그 기간은 10억년이 넘었습니다.”라고 그는 말했습니다.

“전자의 밀도와 은하가 뜨거운 가스 구름으로 떨어지는 속도는 왜 그렇게 많은 가스가 은하에서 다리와 주변 지역으로 끌려가는지 설명하기에 충분합니다.”

이번 발견은 호주 국립 과학 기관인 CSIRO가 소유하고 운영하는 ASKAP 전파 망원경을 사용하여 우주 전체의 수소 가스 지도를 작성하는 대규모 프로젝트인 WALLABY(Widefield ASKAP L-band Legacy All-sky Survey)의 일환으로 이루어졌습니다.

공동저자인 ICRAR UWA의 켄지 베키(Kenji Bekki) 교수는 연구팀이 별 형성의 핵심 성분인 중성수소에 대한 고해상도 관찰을 통해 거대한 가스 구조를 확인했다고 말했습니다.

“중성 수소는 별 형성에 중요한 역할을 하며, 이번 발견은 특히 밀집된 환경에서 은하계가 어떻게 상호 작용하고 진화하는지 이해하는 데 기초가 됩니다.”라고 Bekki 교수는 말했습니다.

Staveley-Smith 교수는 이 시스템이 우리 은하계 및 마젤란 성계와 강한 유사성을 갖고 있어 그러한 상호 작용을 자세히 연구할 수 있는 독특한 기회를 제공한다고 말했습니다.

“이러한 가스 다리와 그 역학을 이해하면 시간이 지남에 따라 은하가 어떻게 진화하는지, 은하 가스가 어떻게 재분배되는지, 은하가 별을 형성하거나 형성하지 않을 수 있는 다양한 조건에 대한 중요한 통찰력을 얻을 수 있습니다.”라고 그는 말했습니다.

“이것은 우주에서 가장 거대한 구조와 그 수명주기에 대한 우리의 더 넓은 이해에 기여하며, 이는 우리가 그들의 광대한 복잡성과 별 형성의 역사에 대해 더 많이 이해하는 데 도움이 됩니다.”

수년 동안 천문학자들은 은하수 중심 근처에 희미하고 널리 퍼져 있는 감마선 빛에 대해 의아해해 왔습니다. 이 신비한 빛의 근원은 불확실하며 두 가지 가능성이 남아 있습니다. 암흑 물질 입자의 충돌이나 밀리초 펄서로 알려진 빠르게 회전하는 중성자 별에서 비롯될 수 있습니다.

10월 16일에 발표된 새로운 연구에 따르면 실제 검토 편지두 설명 모두 현재 똑같이 그럴듯해 보입니다. 과도한 감마선이 노화된 별에서 나오는 것이 아닌 것으로 밝혀지면 암흑물질이 실제로 존재한다는 최초의 구체적인 증거가 될 수 있습니다.

“암흑 물질은 우주를 지배하고 은하계를 하나로 묶습니다. 그것은 매우 중요하며 우리는 그것을 어떻게 감지할 수 있는지에 대해 항상 필사적으로 생각하고 있습니다”라고 존스 홉킨스의 물리학 및 천문학 교수이자 파리 천문 과학 연구소와 소르본 대학의 연구원인 공동 저자 Joseph Silk가 말했습니다. “감마선, 특히 우리 은하 중심에서 관찰되는 과잉 빛이 우리의 첫 번째 단서가 될 수 있습니다.”

미스터리를 탐구하기 위해 Silk와 국제 과학자 팀은 고급 슈퍼컴퓨터 모델을 사용하여 은하계의 초기 역사와 진화를 처음으로 통합하여 암흑 물질이 은하계에서 존재할 가능성이 가장 높은 위치를 매핑했습니다.

오늘날 은하계는 물질이 거의 들어오거나 나가는 거의 자립형 시스템입니다. 그러나 처음 10억년 동안 이 은하계는 더 작고 암흑물질이 풍부한 은하들을 흡수하여 합쳐져 그 구조를 형성했습니다. 암흑 물질 입자가 은하계 핵을 향해 모여 집중됨에 따라 충돌 가능성이 커졌습니다.

팀이 모델에 이러한 보다 현실적인 상호 작용을 포함시켰을 때 결과 시뮬레이션은 NASA의 페르미 감마선 우주 망원경이 수행한 실제 감마선 관측과 거의 일치했습니다.

이 일치하는 지도는 은하수 중심의 과도한 감마선이 암흑 물질에서 유래할 수 있음을 암시하는 세 가지 증거를 완성합니다. 암흑 물질 입자 충돌로 인해 발생하는 감마선은 실제 세계에서 관찰되는 것과 동일한 신호를 생성하고 동일한 특성을 가질 것이라고 연구원들은 말했습니다. 그러나 이것이 확실한 증거는 아닙니다.

빠르게 회전하는 활력을 되찾은 오래된 중성자별(밀리초 펄서라고 함)에서 방출되는 빛은 기존 감마선 지도, 측정 및 신호 서명을 설명할 수도 있습니다. 그러나 이 밀리초 펄서 이론은 불완전하다고 연구원들은 말했습니다. 이러한 계산이 작동하려면 연구자들은 관찰한 것보다 더 많은 밀리초 펄서가 존재한다고 가정해야 합니다.

체렌코프 망원경 배열(Cherenkov Telescope Array)이라고 불리는 거대하고 새로운 감마선 망원경을 건설하면 답을 얻을 수 있습니다. 연구원들은 고에너지 신호를 측정할 수 있는 고해상도 망원경의 데이터가 천체 물리학자들이 역설을 깨는 데 도움이 될 것이라고 믿습니다.

연구팀은 은하수에서 나오는 이러한 감마선이 더 높은 에너지를 가지고 있는지, 즉 밀리초 펄서인지, 아니면 암흑 물질 충돌의 낮은 에너지 산물인지 테스트하기 위한 새로운 실험을 계획하고 있습니다.

“제 생각에는 깨끗한 신호는 흡연 총이 될 것입니다”라고 Silk는 말했습니다.

그 동안 연구자들은 은하계를 도는 몇몇 선택된 왜소은하에서 암흑물질을 어디에서 발견해야 하는지에 대한 예측 작업을 수행할 것입니다. 예측을 매핑한 후에는 이를 고해상도 데이터와 비교할 수 있습니다.

실크는 “우리는 새로운 데이터를 보고 한 이론을 다른 이론보다 확증할 가능성이 있다”고 말했다. “아니면 아무것도 찾지 못할 수도 있습니다. 이 경우 해결해야 할 더 큰 미스터리가 될 것입니다.”

주요 시사점

• 감마선의 이상한 빛이 은하수 중심부에서 빛나고 있으며, 과학자들은 그 뒤에 무엇이 있는지 밝히기 위해 노력하고 있습니다.
• 한 가지 주요 이론은 암흑 물질 입자가 충돌하여 이 빛을 설명할 수 있는 감마선의 짧은 섬광을 방출한다는 것입니다.
• 연구원들은 강력한 슈퍼컴퓨터를 사용하여 은하수의 형성을 재현하여 그러한 충돌로 인한 암흑 물질과 감마선 신호가 나타날 위치를 예측했습니다.
• 시뮬레이션된 지도는 실제 망원경 데이터와 일치하며, 이를 확인하려면 더 많은 증거가 필요하지만 실제로 암흑 물질 상호 작용에서 빛이 나올 수 있음을 시사합니다.

수년 동안 천문학자들은 은하수 중심 근처에 희미하고 널리 퍼져 있는 감마선 빛에 대해 의아해해 왔습니다. 이 신비한 빛의 근원은 불확실하며 두 가지 가능성이 남아 있습니다. 암흑 물질 입자의 충돌이나 밀리초 펄서로 알려진 빠르게 회전하는 중성자 별에서 비롯될 수 있습니다.

10월 16일에 발표된 새로운 연구에 따르면 실제 검토 편지두 설명 모두 현재 똑같이 그럴듯해 보입니다. 과도한 감마선이 노화된 별에서 나오는 것이 아닌 것으로 밝혀지면 암흑물질이 실제로 존재한다는 최초의 구체적인 증거가 될 수 있습니다.

“암흑 물질은 우주를 지배하고 은하계를 하나로 묶습니다. 그것은 매우 중요하며 우리는 그것을 어떻게 감지할 수 있는지에 대해 항상 필사적으로 생각하고 있습니다”라고 존스 홉킨스의 물리학 및 천문학 교수이자 파리 천문 과학 연구소와 소르본 대학의 연구원인 공동 저자 Joseph Silk가 말했습니다. “감마선, 특히 우리 은하 중심에서 관찰되는 과잉 빛이 우리의 첫 번째 단서가 될 수 있습니다.”

미스터리를 탐구하기 위해 Silk와 국제 과학자 팀은 고급 슈퍼컴퓨터 모델을 사용하여 은하계의 초기 역사와 진화를 처음으로 통합하여 암흑 물질이 은하계에서 존재할 가능성이 가장 높은 위치를 매핑했습니다.

오늘날 은하계는 물질이 거의 들어오거나 나가는 거의 자립형 시스템입니다. 그러나 처음 10억년 동안 이 은하계는 더 작고 암흑물질이 풍부한 은하들을 흡수하여 합쳐져 그 구조를 형성했습니다. 암흑 물질 입자가 은하계 핵을 향해 모여 집중됨에 따라 충돌 가능성이 커졌습니다.

팀이 모델에 이러한 보다 현실적인 상호 작용을 포함시켰을 때 결과 시뮬레이션은 NASA의 페르미 감마선 우주 망원경이 수행한 실제 감마선 관측과 거의 일치했습니다.

이 일치하는 지도는 은하수 중심의 과도한 감마선이 암흑 물질에서 유래할 수 있음을 암시하는 세 가지 증거를 완성합니다. 암흑 물질 입자 충돌로 인해 발생하는 감마선은 실제 세계에서 관찰되는 것과 동일한 신호를 생성하고 동일한 특성을 가질 것이라고 연구원들은 말했습니다. 그러나 이것이 확실한 증거는 아닙니다.

빠르게 회전하는 활력을 되찾은 오래된 중성자별(밀리초 펄서라고 함)에서 방출되는 빛은 기존 감마선 지도, 측정 및 신호 서명을 설명할 수도 있습니다. 그러나 이 밀리초 펄서 이론은 불완전하다고 연구원들은 말했습니다. 이러한 계산이 작동하려면 연구자들은 관찰한 것보다 더 많은 밀리초 펄서가 존재한다고 가정해야 합니다.

체렌코프 망원경 배열(Cherenkov Telescope Array)이라고 불리는 거대하고 새로운 감마선 망원경을 건설하면 답을 얻을 수 있습니다. 연구원들은 고에너지 신호를 측정할 수 있는 고해상도 망원경의 데이터가 천체 물리학자들이 역설을 깨는 데 도움이 될 것이라고 믿습니다.

연구팀은 은하수에서 나오는 이러한 감마선이 더 높은 에너지를 가지고 있는지, 즉 밀리초 펄서인지, 아니면 암흑 물질 충돌의 낮은 에너지 산물인지 테스트하기 위한 새로운 실험을 계획하고 있습니다.

“제 생각에는 깨끗한 신호는 흡연 총이 될 것입니다”라고 Silk는 말했습니다.

그 동안 연구자들은 은하계를 도는 몇몇 선택된 왜소은하에서 암흑물질을 어디에서 발견해야 하는지에 대한 예측 작업을 수행할 것입니다. 예측을 매핑한 후에는 이를 고해상도 데이터와 비교할 수 있습니다.

실크는 “우리는 새로운 데이터를 보고 한 이론을 다른 이론보다 확증할 가능성이 있다”고 말했다. “아니면 아무것도 찾지 못할 수도 있습니다. 이 경우 해결해야 할 더 큰 미스터리가 될 것입니다.”

주요 시사점

• 감마선의 이상한 빛이 은하수 중심부에서 빛나고 있으며, 과학자들은 그 뒤에 무엇이 있는지 밝히기 위해 노력하고 있습니다.
• 한 가지 주요 이론은 암흑 물질 입자가 충돌하여 이 빛을 설명할 수 있는 감마선의 짧은 섬광을 방출한다는 것입니다.
• 연구원들은 강력한 슈퍼컴퓨터를 사용하여 은하수의 형성을 재현하여 그러한 충돌로 인한 암흑 물질과 감마선 신호가 나타날 위치를 예측했습니다.
• 시뮬레이션된 지도는 실제 망원경 데이터와 일치하며, 이를 확인하려면 더 많은 증거가 필요하지만 실제로 암흑 물질 상호 작용에서 빛이 나올 수 있음을 시사합니다.

이제 과학자들은 점진적인 여정의 전환점에 도달했을 수 있습니다. 미시간 대학과 공군 연구소(AFRL)의 연구원들은 독특한 내부 기하학적 구조를 통해 천연 소재에서는 볼 수 없는 방식으로 진동을 억제할 수 있는 복잡한 관형 구조를 3D 프린팅하는 방법을 시연했습니다. 이러한 창조물은 기계적 메타물질, 즉 구성이 아닌 디자인에서 전적으로 나오는 특성을 지닌 공학적 물질로 알려진 클래스에 속합니다.

진동을 차단하거나 줄이는 기능은 운송에서 건설에 이르기까지 다양한 산업 분야에서 유용할 수 있습니다. 팀의 연구 결과는 다음과 같이 발표되었습니다. 실제 검토 적용수십 년간의 이론과 컴퓨터 모델링을 바탕으로 진동을 수동적으로 방해할 수 있는 실제 구조를 생성합니다.

AFRL의 연구원인 James McInerney는 “여기가 진짜 참신함입니다. 우리는 실제로 이러한 것들을 만들 수 있다는 것을 깨달았습니다.”라고 말했습니다. McInerney는 이전에 새로운 연구의 저자이기도 한 물리학 교수인 Xiaoming Mao와 함께 일하면서 UM의 박사후 연구원이었습니다.

McInerney는 “우리는 이것이 좋은 목적으로 적용될 수 있다고 낙관하고 있습니다. 이 경우 진동 차단이 가능합니다”라고 말했습니다.

이 프로젝트는 DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)와 해군 연구실로부터 부분 자금을 지원받았으며 국립 과학, 공학 및 의학 아카데미가 관리하는 미국 국립 연구 위원회 연구 연합 프로그램의 지원도 포함했습니다.

기고자에는 um의 기계 공학 부교수인 Serife Tol이 포함되었습니다. 텍사스 대학의 Othman Oudghiri-Idrissi; 그리고 Afrl의 Carson Willy와 Abigail Juhl도 있습니다.

“수세기 동안 인간은 화학을 변경하여 재료를 개선해 왔습니다. 우리의 연구는 특이하고 유용한 특성을 생성하는 것이 화학이 아닌 기하학인 메타물질 분야를 기반으로 합니다.”라고 Mao는 말했습니다. “이러한 기하학적 원리는 나노 규모에서 거시 규모까지 적용할 수 있어 탁월한 견고성을 제공합니다.”

구조적 기초

McInerney에 따르면 이번 연구는 고전 구조 공학, 현대 물리학, 3D 프린팅과 같은 최첨단 제조 도구를 결합한 것입니다.

“우리가 처음부터 엄청나게 정밀하게 재료를 제조할 수 있을 가능성이 실제로 있습니다.”라고 그는 말했습니다. “비전은 우리가 매우 구체적으로 구성된 재료를 만들 수 있다는 것입니다. 그리고 우리가 묻는 질문은 ‘그것으로 무엇을 할 수 있습니까? 우리가 사용하던 것과 다른 새로운 재료를 어떻게 만들 수 있습니까?’입니다.”

Mao가 지적했듯이, 팀은 재료의 화학적 성질이나 분자 구성을 변경하지 않습니다. 대신 그들은 모양과 구조를 미세하게 제어하여 새롭고 유리한 기계적 특성을 생성할 수 있는 방법을 탐구하고 있습니다.

실제로 이러한 접근 방식은 이미 존재합니다. 예를 들어, 인간의 뼈와 플랑크톤 껍질은 복잡한 기하학적 구조를 사용하여 단순한 재료에서 놀라운 강도와 탄력성을 얻습니다. 3D 프린팅과 같은 기술을 통해 과학자들은 이제 금속, 폴리머 및 기타 물질의 자연스러운 디자인 원리를 복제하고 향상하여 이전에는 불가능했던 효과를 얻을 수 있습니다.

McInerney는 “강철과 플라스틱을 대체하려는 것이 아니라 이를 보다 효과적으로 사용하려는 아이디어입니다.”라고 말했습니다.

뉴스쿨과 올드스쿨의 만남

이 작업은 현대적인 혁신에 의존하지만 중요한 역사적 토대를 가지고 있습니다. 그 중 하나는 19세기의 유명한 물리학자 제임스 클러크 맥스웰(James Clerk Maxwell)의 연구입니다. McInerney는 전자기학과 열역학 분야의 연구로 가장 잘 알려져 있지만 역학에도 손을 대고 Maxwell 격자라고 불리는 반복 하위 단위를 사용하여 안정적인 구조를 만들기 위한 유용한 설계 고려 사항을 개발했다고 말했습니다.

새로운 연구의 또 다른 핵심 개념은 20세기 후반에 물리학자들이 재료의 가장자리와 경계 근처에서 흥미롭고 난해한 행동이 나타난다는 것을 발견하면서 나타났습니다. 이로 인해 토폴로지(topology)라는 새로운 연구 분야가 탄생했습니다. 이 분야는 여전히 활발히 활동하고 있으며 이러한 동작을 설명하고 현실 세계에서 이를 활용하는 데 도움을 주고 있습니다.

McInerney는 “약 10년 전에 Maxwell 격자가 위상 위상을 나타낼 수 있다는 사실을 발견한 중요한 출판물이 있었습니다.”라고 말했습니다.

지난 몇 년 동안 McInerney와 동료들은 진동 절연과 관련된 연구의 의미를 탐구했습니다. 팀은 해당 동작을 설명하는 모델과 이를 표시할 실제 개체를 디자인하는 방법을 구축했습니다. 이제 팀은 실제로 3D 프린팅된 나일론으로 그러한 물체를 만들어 모델이 가장 발전된 단계에 있음을 입증했습니다.

구조물을 대략적으로 살펴보면 이전에 구조물을 만드는 것이 왜 그토록 어려웠는지 알 수 있습니다. 그들은 내부와 외부 레이어가 연결된 튜브로 접혀서 말아 올려진 체인 링크 울타리와 유사합니다. 물리학자들은 유사한 패턴을 사용하는 전통적인 일본 바구니 직조를 참조하여 이러한 카고메 튜브라고 부릅니다.

그러나 이것은 그러한 구조의 잠재력을 실현하는 첫 번째 단계일 뿐이라고 McInerney는 말했습니다. 예를 들어, 이 연구는 또한 구조가 진동을 더 잘 억제할수록 지탱할 수 있는 무게가 줄어든다는 사실도 보여주었습니다. 이는 애플리케이션 측면에서 비용이 많이 들고 잠재적으로 수용할 수 없는 절충안이지만 근본적인 수준에 남아 있는 흥미로운 기회와 질문을 강조한다고 그는 말했습니다.

이러한 새로운 구조가 만들어짐에 따라 과학자와 엔지니어는 이를 테스트하고 특성화하고 평가하기 위한 새로운 표준과 접근 방식을 구축해야 하며 이는 McInerney를 흥분시키는 과제입니다.

“우리는 이러한 새로운 동작을 가지고 있기 때문에 모델뿐만 아니라 모델을 테스트하는 방법, 테스트에서 도출할 결론, 이러한 결론을 설계 프로세스에 구현하는 방법을 여전히 밝혀내고 있습니다.”라고 그는 말했습니다. “애플리케이션에 대한 질문에 답하기 전에 솔직하게 대답해야 할 질문이라고 생각합니다.”

나트륨은 훨씬 저렴하고 풍부한 대안을 제공하며 추출 시 손상이 훨씬 적습니다. 그러나 나트륨 기반 전고체 배터리는 오랫동안 일반적인 온도에서 리튬의 성능을 맞추는 데 어려움을 겪었습니다.

“나트륨 대 리튬의 문제는 아닙니다. 우리는 둘 다 필요합니다. 미래의 에너지 저장 솔루션에 대해 생각할 때 동일한 기가팩토리가 리튬과 나트륨 화학을 모두 기반으로 한 제품을 생산할 수 있다고 상상해야 합니다”라고 UChicago Pritzker 분자 공학 대학(UChicago PME) 분자 공학과 Liew Family 교수인 Y. Shirley Meng이 말했습니다. “이 새로운 연구를 통해 우리는 기초 과학을 발전시키는 동시에 궁극적인 목표에 더 가까워질 수 있습니다.”

Meng 그룹의 새로운 연구는 다음과 같이 발표되었습니다. 줄해당 문제를 해결하기 위한 중요한 조치를 취합니다. 연구진은 실온에서 영하의 온도까지 안정적으로 작동하는 나트륨 기반 전고체 배터리를 개발하여 해당 분야의 새로운 기준을 설정했습니다.

Meng의 에너지 저장 및 변환 연구소를 방문하면서 이 작업을 수행한 싱가포르 A*STAR 재료 연구 및 공학 연구소의 제1저자 Sam Oh에 따르면, 이 결과는 나트륨 기술이 전기화학적 성능에서 리튬과 경쟁하는 데 훨씬 더 가까워졌다고 합니다.

이 성과는 또한 재료 과학의 근본적인 발전을 의미합니다.

오 교수는 “우리가 가진 돌파구는 아직 보고되지 않은 준안정 구조를 실제로 안정화하고 있다는 것”이라고 말했다. “이러한 수소화붕산나트륨의 준안정 구조는 매우 높은 이온 전도도를 가지며, 이는 문헌에 보고된 것보다 적어도 한 자릿수 더 높고, 전구체 자체보다 3~4 자릿수 더 높습니다.”

확립된 기술, 새로운 분야

이 구조를 만들기 위해 연구진은 준안정 형태의 수소화붕산나트륨이 결정화되기 시작할 때까지 가열한 다음 빠르게 냉각하여 구조를 제자리에 고정했습니다. 이 방법은 재료과학의 다른 분야에서는 잘 알려져 있지만 이전에는 고체 전해질에 사용된 적이 없었다고 오씨는 말했습니다.

이러한 실질적인 친숙함은 발견을 실험실 연구에서 산업 생산으로 전환하는 것을 더 쉽게 만들 수 있습니다.

“이 기술이 확립되었기 때문에 우리는 미래에 규모를 더 잘 확장할 수 있습니다”라고 오씨는 말했습니다. “새로운 것을 제안하거나 프로세스를 변경하거나 확립해야 하는 경우 업계는 이를 받아들이기를 더 꺼릴 것입니다.”

염화물 기반 고체 전해질로 코팅된 O3형 음극과 준안정상을 결합하면 이전 나트륨 배터리를 능가하는 새로운 디자인을 제공하는 두껍고 면적이 큰 음극을 만들 수 있습니다. 얇은 음극을 사용한 설계 전략과 달리 이 두꺼운 음극은 비활성 물질을 덜 포함하고 음극 “고기”를 더 많이 포장합니다.

오 교수는 “음극이 두꺼울수록 배터리의 이론적인 에너지 밀도, 즉 특정 영역 내에 유지되는 에너지의 양이 향상된다”고 말했다.

현재 연구는 나트륨을 배터리의 실행 가능한 대안으로 발전시키고 있으며, 이는 리튬의 희소성과 환경 피해를 방지하기 위한 중요한 단계입니다. 이는 앞으로 나아갈 여러 단계 중 하나입니다.

오 박사는 “아직 긴 여정이지만 이번 연구를 통해 우리가 한 일은 이러한 기회를 여는 데 도움이 될 것”이라고 말했다.

과학자들이 우리 우주 이웃에 들어오는 성간 방문객을 확인한 것은 역사상 세 번째에 불과합니다. 그리고 이것은 특히 수수께끼였습니다.

3I/ATLAS가 새로운 기록을 세웠습니다.

측정 결과 3I/ATLAS는 시속 245,000km의 놀라운 속도로 움직이고 있으며, 이는 태양계 내에서 관측된 가장 빠른 물체로 기록되었습니다.

그 규모도 어마어마할 것 같습니다. 초기 추정에 따르면 이 몸체의 직경은 최대 20km에 달할 수 있으며, 연구자들은 이것이 태양 자체의 형성보다 앞선 것일 수도 있다고 믿고 있습니다.

외계인이 아닐까?

일반적으로 천문학자들은 우주에서 새로운 물체를 발견할 때 그것이 암석, 얼음 또는 이 둘의 조합으로 구성되어 있다고 가정합니다. 그러나 3I/ATLAS는 너무 이상한 특성을 보여서 일부 과학자들은 이것이 더 특이한 것이 아닐까 궁금해하기 시작했습니다.

하버드 천체물리학자 Avi Loeb와 그의 팀은 최근 “성간 물체 3I/ATLAS 외계인 기술인가?”라는 제목의 논문을 게시했습니다. arXiv 사전 인쇄 서버에서. (이 논문은 아직 동료 검토를 거치지 않았습니다.)

과학계에서 잘 알려져 있고 때로는 분열을 불러일으키는 인물인 Loeb는 이전에 2017년에 발견된 최초의 성간 물체인 1I/’Oumuamua가 외계 우주선일 수 있다고 주장했습니다.

그가 잠재적으로 인공적이라고 생각하는 여러 특징 중에서 Loeb는 3I/ATLAS가 비정상적으로 금성, 화성, 목성에 가까운 궤도를 따른다는 점을 지적합니다. 이는 그가 흥미로운 정렬이라고 생각합니다.

우리는 우리 자신의 외계인 탐사선을 보냈습니다

우주를 떠도는 외계 탐사선에 대한 아이디어는 이상하게 들릴 수도 있지만, 인간은 1970년대에 몇 대를 직접 보냈습니다. 보이저 1호와 2호 모두 공식적으로 우리 태양계를 떠났고, 파이오니어 10호와 11호도 그리 멀지 않습니다.

따라서 외계 문명이 존재한다면 자체 은하 탐험가를 파견했을 것이라고 생각하는 것은 무리가 아닙니다.

그러나 이것은 우리에게 중요한 질문을 던집니다. 인사를 하기 위해 튀어나온 작은 녹색 남자가 없다면, 3I/ATLAS나 다른 성간 물체가 외계 탐사선인지 어떻게 알 수 있을까요?

외계인 탐사선 탐지 101

무언가가 자연 물체인지 외계 탐사선인지 결정하는 첫 번째 단계는 물론 그것을 발견하는 것입니다.

우리 태양계에서 우리가 보는 대부분의 것들은 스스로 빛을 방출하지 않습니다. 대신, 우리는 태양에서 반사되는 빛을 통해서만 그것들을 볼 수 있습니다.

더 큰 물체는 일반적으로 더 많은 햇빛을 반사하므로 우리가 더 쉽게 볼 수 있습니다. 따라서 우리가 보는 것은 더 큰 혜성과 소행성, 특히 지구에서 더 멀리 떨어져 있는 경향이 있습니다.

작은 물체를 발견하는 것은 매우 어려울 수 있습니다. 현재 우리는 목성처럼 태양으로부터 멀리 떨어져 있는 물체를 10~20미터 크기까지 추적할 수 있습니다.

우리 보이저 탐사선의 크기는 약 10미터입니다(무선 안테나를 포함할 경우). 외계 탐사선이 유사하다면 목성과 화성 사이의 소행성대 어딘가에 있을 때까지 우리는 그것을 발견하지 못할 것입니다.

의심스러운 것을 발견하면 그것이 실제로 탐사선인지 아닌지 알아내기 위해 몇 가지 정보를 찾아볼 것입니다.

우선, 자연적 기원일 가능성이 가장 높기 때문에 우리는 외계인이 관련되지 않았다는 증거를 찾을 것입니다. 이 방향에 대한 한 가지 단서는 물체가 혜성과 같은 방식으로 가스의 “꼬리”를 방출하고 있는지 여부일 수 있습니다.

그러나 우리는 외계인 기원에 대한 힌트를 찾고 싶을 수도 있습니다. 매우 강력한 증거 중 하나는 통신의 한 형태로 프로브에서 나오는 모든 종류의 전파입니다. 이는 프로브가 여전히 작동 중이고 완전히 작동하지 않는다고 가정합니다.

또한 프로브에 닿는 햇빛으로 인해 발생하는 정전기 방전의 징후도 찾아볼 수 있습니다.

또 다른 죽은 선물은 기동이나 추진의 징후가 될 것입니다. 능동 프로브는 경로를 수정하거나 안테나 위치를 변경하여 원점과 신호를 주고받을 수 있습니다.

그리고 진정한 스모킹 건은 안정된 궤도에서 지구에 접근하는 것입니다. 자랑하려는 것이 아니라 지구는 태양계에서 진정으로 가장 흥미로운 곳입니다. 물, 건강한 대기, 강한 자기장 및 생명체가 있습니다. 의사결정 능력이 있는 탐사선이라면 우리의 흥미로운 작은 행성에 대한 데이터를 조사하고 수집하고 싶어할 것입니다.

우리는 결코 알지 못할 수도 있습니다

그러나 어떤 식으로든 명확한 신호가 없으면 일부 성간 물체가 자연적으로 만들어진 것인지 외계인이 만든 것인지 아는 것이 불가능할 수 있습니다.

3I/ATLAS와 같은 물체는 우주가 광대하고, 낯설고, 놀라움으로 가득 차 있다는 것을 상기시켜 줍니다. 대부분은 자연스러운 설명을 가지고 있습니다. 하지만 가장 이상한 물건은 다시 볼 가치가 있습니다.

현재로서는 3I/ATLAS는 먼 성계에서 온 비정상적으로 빠르고 오래되고 얼어붙은 방문객일 가능성이 높습니다. 그러나 그것은 또한 테스트 사례 역할도 합니다. 즉, 우리가 우주에 대해 검색하고 관찰하고 질문하는 방식을 개선할 수 있는 기회입니다.