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모든 ESA 우주선 중에서 두 대의 화성 궤도선이 이 희귀한 방문객을 가장 잘 볼 수 있었습니다. 10월 3일 화성에 가장 가까이 접근했을 때 혜성은 약 3천만km 떨어져 있었습니다.

두 궤도선 모두 온보드 카메라를 사용하여 혜성의 움직임을 추적했습니다. 이러한 장비는 일반적으로 화성의 밝은 표면을 불과 수백 킬로미터에서 수천 킬로미터 위까지 캡처하도록 설계되었으므로 이렇게 먼 거리에서 희미한 물체를 관찰하는 것은 큰 과제였습니다.

ExoMars TGO는 CaSSIS(Color and Stereo Surface Imaging System)를 사용하여 일련의 이미지를 성공적으로 기록했습니다. 아래 애니메이션에서 혜성 3I/ATLAS는 중앙 근처에서 아래로 표류하는 희미한 흰색 점으로 나타납니다. 그 작은 흐릿함은 혼수상태라고 불리는 빛나는 구름으로 둘러싸인 얼어붙은 암석 핵으로 구성된 혜성의 심장을 표시합니다.

혜성은 너무 멀리 떨어져 있었기 때문에 CaSSIS는 핵과 혼수상태를 분리할 수 없었습니다. 핵 자체를 탐지하는 것은 지구에서 달에 있는 휴대폰을 찾으려는 것과 같았을 것입니다.

그러나 혼수상태는 분명하게 보입니다. 수천 킬로미터에 걸쳐 뻗어 있는 이 별은 햇빛이 혜성을 따뜻하게 하여 형성되며, 핵 주위에 흐릿한 후광을 형성하는 가스와 먼지를 방출합니다.

CaSSIS는 혼수상태의 전체 범위를 측정할 수 없었습니다. 그 이유는 혼수상태의 밝기가 핵으로부터의 거리에 따라 급격히 사라지고 결국 배경 소음 속으로 사라지기 때문입니다.

일반적으로 혼수상태에서 나온 가스와 먼지는 혜성이 태양에 가까워질 때 수백만 킬로미터에 걸쳐 늘어날 수 있는 긴 꼬리를 만들기 위해 흘러나갑니다. 꼬리는 혼수상태보다 훨씬 어둡기 때문에 현재 이미지에는 나타나지 않지만 3I/ATLAS가 가열되고 더 많은 얼음을 흘리면 향후 관측에서 볼 수 있을 것입니다.

CaSSIS 카메라의 수석 연구원인 Nick Thomas는 “이것은 장비에 대한 매우 어려운 관찰이었습니다. 혜성은 우리의 일반적인 목표보다 약 10,000~100,000배 더 어둡습니다.”라고 말했습니다.

작업은 계속됩니다

지금까지 Mars Express 이미지에서는 3I/ATLAS가 감지되지 않았습니다. 한 가지 이유는 Mars Express가 최대 0.5초(최대 한도)의 노출만 사용할 수 있는 반면 ExoMars TGO는 5초 노출을 사용할 수 있기 때문입니다.

연구원들은 두 궤도선의 데이터를 계속 처리하고 있습니다. 그들은 희미한 신호를 강화하고 혜성을 탐지할 가능성을 높이기 위해 여러 개의 Mars Express 이미지를 결합할 계획입니다.

팀은 또한 Mars Express의 OMEGA 및 SPICAM 분광기와 ExoMars TGO의 NOMAD 장비를 사용하여 혜성의 빛 스펙트럼을 연구하려고 시도했습니다. 혼수상태와 꼬리가 과학자들이 혜성의 화학적 구성을 식별할 수 있을 만큼 충분히 밝았는지 여부는 여전히 불확실합니다.

앞으로 몇 주, 몇 달 동안 연구자들은 3I/ATLAS를 구성하는 물질과 그것이 태양에 가까워짐에 따라 어떻게 변하는 지에 대해 자세히 알아보기 위해 데이터를 계속 분석할 것입니다.

ESA의 Mars Express 및 ExoMars 프로젝트 과학자인 Colin Wilson은 다음과 같이 말했습니다. “화성 궤도선이 화성 과학에 계속해서 인상적인 기여를 하고 있지만, 그들이 이와 같은 예상치 못한 상황에 대응하는 모습을 보는 것은 언제나 더욱 흥미롭습니다. 추가 분석을 통해 데이터가 무엇을 밝혀낼지 기대됩니다.”

드문 방문객

태양계 외부에서 발생한 혜성 3I/ATLAS는 2017년 1I/’오무아무아, 2019년 2I/보리소프에 이어 세 번째 성간 혜성입니다.

이 혜성은 완전히 이질적입니다. 우리 태양계의 모든 행성, 달, 소행성, 혜성 및 생명체는 공통의 기원을 공유합니다. 그러나 성간 혜성은 우리보다 훨씬 더 먼 세계의 형성에 대한 단서를 운반하는 진정한 외부인입니다.

혜성 3I/ATLAS는 2025년 7월 1일 칠레의 Río Hurtado에 있는 소행성 지상충격 최후 경보 시스템(ATLAS) 망원경에 의해 처음 발견되었습니다. 그 이후로 천문학자들은 지상 망원경과 우주 망원경을 사용하여 진행 상황을 모니터링하고 이에 대해 더 많은 것을 발견했습니다.

그 궤적을 토대로 천문학자들은 3I/ATLAS가 지금까지 관측된 혜성 중 가장 오래된 혜성일 수 있다고 의심합니다. 이는 이미 46억년이 된 태양계보다 30억년 더 오래되었을 수 있습니다.

다음은 무엇입니까?

다음 달에는 Jupiter Icy Moons Explorer(Juice)를 이용해 혜성을 관찰할 예정입니다. Juice는 지난 주 화성 궤도선보다 3I/ATLAS에서 더 멀리 떨어져 있지만 태양에 가장 가까이 접근한 직후에 혜성을 보게 될 것입니다. 이는 혜성이 더 활동적인 상태에 있음을 의미합니다. 2026년 2월까지는 Juice의 관찰 데이터를 받을 수 없을 것으로 예상됩니다. FAQ에서 그 이유를 알아보세요.

3I/ATLAS와 같은 얼음 방랑자들은 더 넓은 은하계에 대한 드물고 확실한 연결을 제공합니다. 실제로 방문하는 것은 훨씬 더 큰 규모로 인류와 우주를 연결하는 것입니다. 이를 위해 ESA는 혜성 인터셉터 임무를 준비하고 있습니다.

혜성 인터셉터는 2029년에 주차 궤도로 발사될 예정이며, 그곳에서 적절한 목표(우리 태양계를 둘러싸고 있는 먼 오르트 구름의 깨끗한 혜성 또는 가능성은 낮지만 매우 매력적인 3I/ATLAS와 같은 성간 물체)를 기다릴 것입니다.

혜성 인터셉터 프로젝트 과학자인 Michael Kueppers는 다음과 같이 설명합니다. “2019년에 혜성 인터셉터가 선택되었을 때 우리는 성간 물체 하나만 알고 있었습니다. 바로 2017년에 발견된 1I/’Oumuamua입니다. 그 이후로 그러한 물체가 두 개 더 발견되어 모양이 매우 다양했습니다. 하나를 방문하면 그 특성을 이해하는 데 돌파구를 제공할 수 있습니다.”

혜성 인터셉터가 도달할 수 있는 성간 물체를 발견할 가능성은 여전히 ​​희박하지만, 우주에서 목표물을 기다리는 신속한 대응 임무의 첫 번째 시연으로서 이 신비한 방문자를 요격할 수 있는 미래 임무의 길잡이가 될 것입니다.

과학자들은 지구의 액체 금속 핵 내부의 움직임이 자성을 생성하는 방법을 설명하는 발전기 이론을 통해 이러한 보호력의 근원을 오랫동안 설명해 왔습니다. 녹은 철과 니켈이 천천히 냉각되면서 외핵에 소용돌이치는 대류가 형성됩니다. 그런 다음 행성의 회전으로 인해 이러한 흐름이 나선형의 나사 모양 패턴으로 뒤틀립니다. 이러한 움직이는 전기 전도성 물질은 자기장을 생성하는 전류를 생성하며 함께 지구 전체 자기장의 대부분을 형성합니다.

그러나 이론은 문제를 제기한다. 지구의 고체 내부 핵이 결정화되기 전에(약 10억년 전) 전체 핵은 액체였습니다. 그때에도 행성의 자기장이 존재할 수 있었을까요?

취리히 공과대학(ETH Zurich)과 중국 SUSTech 출신의 지구물리학자 세 명으로 구성된 그룹은 자연.

새로운 모델은 새로운 통찰력을 제공합니다

과학자들은 지구 내부 깊은 곳의 과정을 직접 관찰할 수 없기 때문에 컴퓨터 시뮬레이션에 의존하여 내부 역학을 모델링합니다.

이 새로운 작업에서 팀은 완전한 액체 코어가 여전히 안정적인 자기장을 유지할 수 있는지 테스트하기 위해 행성의 상세한 디지털 모델을 구축했습니다. Lugano의 CSCS에 있는 Piz Daint 슈퍼컴퓨터에서 일부 수행된 계산에 따르면 점도(액체 금속의 내부 마찰)가 공정에 측정 가능한 영향을 미치지 않는 경우에도 자성이 실제로 발생할 수 있음이 밝혀졌습니다. 이 발견은 지구 자기장이 오늘날에도 여전히 작동하는 것과 매우 유사한 메커니즘을 통해 역사 초기에 형성되었을 가능성이 있음을 시사합니다.

놀랍게도 연구진은 그러한 모델에서 점도가 거의 무시할 수 있는 수준으로 감소될 수 있음을 최초로 보여주었습니다. 이번 연구의 주요 저자인 Yufeng Lin은 “지금까지 정확한 물리적 조건에서 이러한 계산을 수행한 사람은 아무도 없었습니다.”라고 말했습니다.

지구 자기장의 역사를 이해한다

공동저자인 ETH 취리히 지구물리학 교수인 앤디 잭슨(Andy Jackson)은 “이번 발견은 지구 자기장의 역사를 더 잘 이해하는 데 도움이 되며 과거 지질학적 데이터를 해석하는 데 유용하다”고 말했다.

이것은 또한 생명의 출현을 다른 관점에서 보여줍니다. 수십억 년 전에 생명체는 우주에서 유해한 방사선을 차단하여 애초에 생명체의 발전을 가능하게 했던 자기장 차폐의 혜택을 받은 것 같습니다.

연구원들은 또한 새로운 발견을 사용하여 태양이나 목성과 토성과 같은 다른 천체의 자기장을 연구할 수 있습니다.

현대 문명에 없어서는 안될

그러나 지구 자기장은 생명을 보호할 뿐만 아니라; 그것은 위성 통신과 현대 문명의 다른 많은 측면을 가능하게 하는 데 중요한 역할을 합니다. “따라서 자기장이 어떻게 생성되는지, 시간이 지남에 따라 어떻게 변하는지, 그리고 어떤 메커니즘이 자기장을 유지하는지 이해하는 것이 중요합니다.”라고 Jackson은 말했습니다. “자기장이 어떻게 생성되는지 이해하면 향후 발전을 예측할 수 있습니다.”

자기장은 지구 역사를 통틀어 수천 번 극성이 바뀌었습니다. 최근 수십 년 동안 연구자들은 자북극이 지리적 북극으로 빠르게 이동하는 것을 관찰했습니다. 우리 문명이 지구에서 자기가 어떻게 변하고 있는지 이해하는 것은 필수적입니다.

간단히 말해서:

• 취리히 공과대학(ETH Zurich)과 중국 SUSTech의 지구물리학자들은 점도가 영향을 주지 않고 지구의 올바른 물리적 체계가 영향을 미치는 모델에서 지구 핵의 발전기 효과를 입증했습니다.
• 자기장은 지구의 초기 역사에서 오늘날과 마찬가지로 핵이 완전히 액체였던 시절에 생성되었습니다.
• 이 발견은 우리가 지구 자기장의 역사를 더 잘 이해하고 미래 발전을 더 정확하게 예측하는 데 도움이 됩니다.

이러한 발견은 판 구조와 산소와 이산화탄소의 적절한 균형을 포함하는 질소-산소 대기를 모두 갖춘 지구와 같은 행성을 발견하는 것이 압도적인 가능성을 강조합니다.

이러한 행성 요구 사항을 고려할 때 SETI(외계 지능 검색)의 성공 가능성은 희박해 보인다고 그라츠에 있는 오스트리아 과학 아카데미 우주 연구소의 Manuel Scherf 박사와 Helmut Lammer 교수는 말합니다.

Scherf는 “우리 은하계에 외계 지능인 ETI가 존재하는 경우는 매우 드물 것”이라고 말했습니다.

행성의 이산화탄소 수준은 생명을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다. CO2 수준이 높을수록 광합성을 유지하고 대기가 우주로 누출되는 것을 방지하는 데 도움이 되지만, 너무 많으면 온실 효과 폭주를 유발하거나 공기를 독성으로 만들 수 있습니다. 판구조론은 탄소-규산염 순환을 통해 이산화탄소를 조절하고 대기와 지각 사이의 가스를 재활용하기 때문에 필수적입니다. 그러나 시간이 지남에 따라 이산화탄소는 암석에 갇혀 더 이상 대기로 되돌아오지 않습니다.

Scherf는 “어느 시점에서는 광합성이 중단될 만큼 충분한 양의 이산화탄소가 대기에서 빠져나오게 될 것”이라고 말합니다. “지구의 경우, 이는 대략 2억년에서 대략 10억년 안에 일어날 것으로 예상됩니다.”

오늘날 지구 대기는 대부분 질소(78%)와 산소(21%)로 구성되어 있으며, 극히 일부의 이산화탄소(0.042%)만 존재합니다. Scherf와 Lammer는 다른 세계에서 일어날 일을 모델링했습니다. 10%의 이산화탄소를 함유한 행성이 태양으로부터 더 멀리 떨어져 있거나 더 어둡고 젊은 별을 공전한다면 최대 42억년 동안 생물권을 지탱할 수 있습니다. 이에 비해 1%의 이산화탄소를 함유한 행성은 약 31억년 동안 거주 가능한 상태로 유지됩니다.

고급 생명체가 출현하려면 그러한 행성에도 최소한 18%의 산소가 필요합니다. 복잡한 동물은 더 높은 산소 수준을 요구하며, 이전 연구에 따르면 산소가 이 임계값 아래로 떨어지면 야외 연소를 위한 자유 산소가 충분하지 않을 것입니다. 불이 없으면 금속 가공이 불가능해 기술 문명의 발흥을 막을 수 있습니다.

Scherf와 Lammer는 이러한 잠재적인 생물권 수명을 지구상의 생명체가 기술을 발전시키는 데 걸린 시간(약 45억 년) 및 지능적인 종의 예상 수명과 비교했습니다. 문명이 오래 지속될수록 다른 문명과 시간이 겹칠 가능성이 높아집니다.

이러한 계산을 통해 연구자들은 10%의 이산화탄소를 함유한 행성의 기술적 종이 우리 은하계에 우리 문명과 동시에 존재하는 다른 문명이 하나라도 존재하려면 적어도 280,000년 동안 지속되어야 한다는 결론을 내렸습니다.

Scherf는 “10개의 문명이 우리 문명과 동시에 존재하려면 평균 수명이 천만년 이상이어야 합니다”라고 말합니다. “ETI의 수는 매우 적으며 문명의 수명에 크게 의존합니다.”

이는 우리가 ETI를 탐지한다면 인류보다 훨씬 오래되었을 것이라는 것이 거의 확실하다는 것을 의미합니다.

다음으로 가장 가까운 기술 문명이 약 33,000광년 떨어져 있다는 추정으로 이어지는 것도 바로 이러한 숫자입니다. 우리 태양은 은하계 중심에서 약 27,000광년 떨어져 있습니다. 이는 우리 태양계에 다음으로 가장 가까운 기술 문명이 은하수 반대편에 있을 수 있음을 의미합니다.

이 숫자는 절대적인 수치가 아닙니다. Scherf는 생명의 기원, 광합성의 기원, 다세포 생물의 기원, 지적 생명체가 기술을 개발하는 빈도 등 포함되어야 할 다른 요소가 있지만 현재로서는 정량화할 수 없다고 지적합니다. 이러한 각 요소의 확률이 높으면 ETI가 드물지 않을 수 있습니다. 만약 이들 요인 각각이 확률이 낮다면 좀 더 비관적인 전망이 필요하다.

그럼에도 불구하고 Scherf는 SETI가 검색을 계속해야 한다고 강력히 믿고 있습니다.

Scherf는 “ETI가 드물더라도 실제로 알아낼 수 있는 유일한 방법은 검색하는 것입니다.”라고 말합니다. “이러한 검색에서 아무것도 찾지 못한다면 우리 이론의 가능성이 더 높아질 것이며, SETI가 뭔가를 발견한다면 그것은 우주에서 우리가 혼자가 아니라는 것을 알게 되므로 지금까지 달성한 ​​가장 큰 과학적 혁신 중 하나가 될 것입니다.”

이번 연구의 교신저자인 Xianghua Wang은 “이 연구는 태양 스펙트럼과 밀접하게 일치하는 초박형, 대면적 양자점 LED의 타당성을 보여줍니다.”라고 말했습니다. “이러한 장치는 눈에 편안한 차세대 디스플레이, 적응형 실내 조명, 원예 또는 웰빙 응용 분야를 위한 파장 조정 가능한 소스를 구현할 수 있습니다.”

많은 사람들이 자연스럽고 차분한 느낌을 주는 실내 조명을 선호합니다. 이전 접근 방식에서는 빨간색과 노란색 인광 염료를 사용하여 촛불과 같은 따뜻함을 만드는 유연한 LED를 사용하여 이러한 효과를 얻었습니다. 새로운 대안은 양자점(전기 에너지를 유색 빛으로 변환하는 작은 반도체 입자)에 의존합니다. 일부 연구팀은 이미 양자점을 사용하여 백색 LED를 만들었지만 햇빛의 전체 스펙트럼을 복제하는 것은 여전히 ​​어려운 일이며, 특히 햇빛이 가장 강한 노란색과 녹색 영역에서는 더욱 그렇습니다. 이 문제를 해결하기 위해 Lei Chen과 동료들은 얇은 흰색 양자점 LED(QLED)에서 균형 잡힌 태양과 같은 빛을 재현할 수 있는 양자점을 개발했습니다. 한편, Wang의 그룹은 상대적으로 낮은 전압에서 효과적으로 작동할 수 있는 효율적인 전도성 재료 설계를 제안했습니다.

연구팀은 아연-황 껍질로 코팅된 빨간색, 황록색, 파란색 양자점을 합성하는 것으로 시작했습니다. 그들은 자연광의 스펙트럼을 최대한 가깝게 일치시키는 데 필요한 정확한 색상 비율을 결정했습니다. 다음으로 연구진은 인듐 주석 산화물 유리 기판 위에 QLED를 조립하고 전도성 고분자, 양자점 블렌드, 금속 산화물 입자를 적층하고 마지막으로 알루미늄 또는 은의 상단 코팅을 입혔습니다. 퀀텀닷 층의 두께는 표준 색 변환 층보다 훨씬 얇은 수십 나노미터에 불과해 전체 프로필이 벽지와 비슷한 흰색 QLED가 탄생했습니다.

초기 테스트에서 얇은 QLED는 11.5V 전원 공급 장치에서 가장 밝고 따뜻한 백색광을 발산하면서 가장 좋은 성능을 발휘했습니다. 방출된 빛은 빨간색 파장의 강도가 더 높고 파란색 파장의 강도가 더 낮아서 수면과 눈 건강에 더 좋다고 연구진은 말했습니다. QLED로 조명된 물체는 실제 색상에 가깝게 나타나야 하며 연색성 지수가 92% 이상입니다.

추가 실험에서 연구원들은 작동 전압을 최적화하기 위해 동일한 양자점이지만 다른 전기 전도성 물질을 사용하여 26개의 백색 QLED 장치를 만들었습니다. 이러한 광원은 최대 광 출력에 도달하는 데 8V만 필요했으며 컴퓨터 모니터의 목표 밝기를 약 80% 초과했습니다.

저자는 중국 국립자연과학재단, 안후이성 자연과학재단, 중산시 주요 과학기술 특별 프로젝트의 자금 지원을 인정합니다.

일부 연구자들은 이러한 인쇄된 폴리머를 금속 및 세라믹과 같은 더 강한 재료로 바꾸는 기술을 개발했지만 EPFL 공과대학 재료 및 제조 화학 실험실을 이끄는 Daryl Yee는 이러한 접근 방식에 큰 결함이 있다고 말합니다. “이러한 재료는 다공성 경향이 있어 강도가 크게 감소하며 부품은 과도한 수축으로 인해 뒤틀림이 발생합니다.”라고 그는 말합니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 Yee와 그의 팀은 다음과 같은 논문에 설명된 새로운 접근 방식을 도입했습니다. 첨단소재. 연구진은 이미 금속 화합물과 혼합된 수지를 경화시키는 대신 먼저 하이드로겔이라고 알려진 간단한 수성 젤을 사용하여 프레임워크를 3D 프린팅했습니다. 그런 다음 이 “빈” 구조를 금속염에 담그면 화학적으로 젤 전체에 퍼지는 작은 금속 함유 나노입자로 변환됩니다. 이 과정을 여러 번 반복하면 금속 함량이 매우 높은 복합재를 만들 수 있습니다.

이러한 “성장 주기”가 5~10회 후에 가열을 통해 남은 하이드로겔이 제거되고 원래 인쇄된 젤의 모양과 정확하게 일치하는 조밀한 금속 또는 세라믹 물체가 남습니다. 금속염은 인쇄 후에만 첨가되기 때문에 동일한 하이드로겔 템플릿을 사용하여 다양한 금속, 세라믹 또는 복합 재료를 만들 수 있습니다.

Yee는 “우리의 작업은 접근 가능하고 저렴한 3D 프린팅 프로세스를 통해 고품질 금속 및 세라믹을 제작할 수 있을 뿐만 아니라 3D 프린팅 이전이 아닌 3D 프린팅 후에 재료 선택이 이루어지는 적층 제조의 새로운 패러다임을 강조합니다”라고 요약합니다.

고급 3D 아키텍처 타겟팅

연구를 위해 팀은 철, 은, 구리로 자이로이드라고 불리는 복잡한 수학적 격자 모양을 제작하여 강력하면서도 복잡한 구조를 생성하는 기술의 능력을 입증했습니다. 재료의 강도를 테스트하기 위해 그들은 만능 시험기라는 장치를 사용하여 자이로이드에 점점 더 많은 압력을 가했습니다.

“우리의 재료는 이전 방법으로 생산된 재료에 비해 20배 더 많은 압력을 견딜 수 있었으며 수축률은 60~90%에 비해 20%에 불과했습니다”라고 박사 과정 학생이자 제1저자인 Yiming Ji는 말했습니다.

과학자들은 그들의 기술이 센서, 생체 의학 장치 또는 에너지 변환 및 저장 장치와 같이 강력하고 가벼우며 복잡해야 하는 고급 3D 아키텍처를 제작하는 데 특히 흥미롭다고 말합니다. 예를 들어, 금속 촉매는 화학 에너지를 전기로 변환하는 반응을 활성화하는 데 필수적입니다. 다른 응용 분야에는 에너지 기술을 위한 고급 냉각 특성을 갖춘 고표면적 금속이 포함될 수 있습니다.

앞으로 팀은 특히 재료의 밀도를 더욱 높여 업계의 활용을 촉진하기 위해 프로세스를 개선하기 위해 노력하고 있습니다. 또 다른 목표는 속도입니다. 반복적인 주입 단계는 더 강한 재료를 생산하는 데 필수적이지만 폴리머를 금속으로 변환하는 다른 3D 프린팅 기술에 비해 시간이 더 많이 걸립니다. Yee는 “우리는 이미 로봇을 사용하여 이러한 단계를 자동화함으로써 총 처리 시간을 단축하기 위해 노력하고 있습니다”라고 말합니다.

밸브에서 라우터, 조명까지

라우팅에 대한 아이디어는 엔지니어링 분야 전반에 걸쳐 일반적입니다. 기계공학에서는 매니폴드 밸브가 유체의 흐름을 제어합니다. 전자 제품에서는 Wi-Fi 라우터 또는 이더넷 스위치가 여러 입력 소스의 디지털 정보를 올바른 출력 포트로 전송하여 모든 신호가 목적지에 도달하도록 합니다. 그러나 빛을 사용하여 유사한 종류의 라우팅을 달성하는 것은 오랫동안 훨씬 더 복잡했습니다. 기존의 광 라우터는 복잡한 스위치 네트워크와 전기 제어 시스템에 의존하여 빛의 경로를 변경하므로 복잡성이 추가되고 속도와 성능이 모두 제한됩니다.

USC Viterbi School of Engineering의 연구원들은 이제 완전히 다른 접근 방식을 시연했습니다. 개념은 스스로 조직화되는 대리석 미로로 상상될 수 있다. 일반적으로 사람은 장벽을 들어 올리고 구슬을 올바른 구멍으로 안내하는 경로를 조정해야 합니다. USC 팀의 장치에서는 구슬을 어디에 떨어뜨리든 자동으로 올바른 목적지를 향해 굴러가도록 미로가 구성되어 있습니다. 빛은 이 시스템 내에서 동일한 방식으로 작동합니다. 열역학 규칙에 따라 스스로 적절한 경로를 찾습니다.

잠재적인 산업 영향

이 발견의 잠재적인 응용 분야는 학문적 연구를 넘어서는 범위까지 확장됩니다. 현대 컴퓨팅 및 데이터 전송이 기존 전자 장치의 한계를 계속 확장함에 따라 선도적인 기업(NVIDIA 등의 칩 설계자 포함)은 더 빠르고 에너지 효율적인 대안으로 광학 기술을 조사하고 있습니다. 광학 열역학은 빛 신호를 전달하기 위한 자연스럽고 자체 조직적인 방법을 제공함으로써 이러한 노력의 진행을 가속화할 수 있습니다. 칩 수준 통신 외에도 이 원리는 통신, 고성능 컴퓨팅 및 보안 정보 전송과 같은 분야에도 영향을 미쳐 더 간단하면서도 강력한 광학 시스템을 위한 길을 열 수 있습니다.

작동 원리: 열역학으로 길들인 혼돈

비선형 다중 모드 광학 시스템은 종종 혼란스럽고 제어하기 어려운 것으로 간주되어 왔습니다. 겹치는 조명 패턴이 많아 실용적인 목적으로 모델링하거나 설계하기가 매우 어렵습니다. 그러나 이러한 복잡성 자체가 아직까지 거의 개발되지 않은 풍부한 물리적 행동을 숨기고 있습니다.

USC 연구원들은 이러한 비선형 환경에서 빛이 열 평형을 향해 이동하는 가스와 매우 유사하게 동작하며, 여기서 무작위 충돌이 결국 안정적인 에너지 분포를 생성한다는 것을 깨달았습니다. 이러한 통찰력을 바탕으로 그들은 비선형 격자의 빛이 팽창, 압축, 심지어 상전이와 유사한 과정을 겪을 수 있는 방법을 설명하는 “광학 열역학”의 이론적 틀을 개발했습니다. 이 모델은 빛의 자연스러운 자체 조직을 이해하고 활용할 수 있는 통일된 방법을 제공합니다.

스스로 빛을 전달하는 장치

팀의 시연 자연광학 이 새로운 이론으로 설계된 최초의 장치입니다. 신호를 적극적으로 조정하는 대신 시스템은 조명이 자체적으로 경로를 지정하도록 설계되었습니다.

이 원리는 열역학에서 직접 영감을 받았습니다. 줄-톰슨(Joule-Thomson) 팽창으로 알려진 가스가 자연적으로 열 평형에 도달하기 전에 압력과 온도를 재분배하는 것처럼 USC 장치의 빛은 먼저 팽창의 광학적 유사체, 그 다음 열 평형의 두 단계 과정을 거칩니다. 그 결과, 외부 스위치가 필요 없이 지정된 출력 채널로 광자의 자체 조직 흐름이 이루어집니다.

새로운 지평을 열다

혼돈을 예측 가능성으로 효과적으로 전환함으로써 광학 열역학은 비선형 시스템의 복잡성에 맞서 싸우기보다는 활용하는 새로운 종류의 광소자 생성의 문을 열어줍니다. “라우팅을 넘어 이 프레임워크는 정보 처리, 통신 및 기본 물리학 탐구에 대한 영향을 통해 조명 관리에 대한 완전히 새로운 접근 방식을 가능하게 할 수 있습니다.”라고 USC Viterbi 광학 및 포토닉스 그룹 연구실의 박사 과정 학생인 이번 연구의 주요 저자인 Hediyeh M. Dinani가 말했습니다.

Steven과 Kathryn Sample 공학 분야 석좌교수이자 USC Viterbi Demetrios Christodoulides 전기 및 컴퓨터 공학 교수는 “한때 광학 분야에서 다루기 힘든 과제로 여겨졌던 것이 자연적인 물리적 과정으로 재구성되었습니다. 이는 엔지니어가 빛과 기타 전자기 신호의 제어에 접근하는 방법을 재정의할 수 있습니다.”라고 덧붙였습니다.

밸브에서 라우터, 조명까지

라우팅에 대한 아이디어는 엔지니어링 분야 전반에 걸쳐 일반적입니다. 기계공학에서는 매니폴드 밸브가 유체의 흐름을 제어합니다. 전자 제품에서는 Wi-Fi 라우터 또는 이더넷 스위치가 여러 입력 소스의 디지털 정보를 올바른 출력 포트로 전송하여 모든 신호가 목적지에 도달하도록 합니다. 그러나 빛을 사용하여 유사한 종류의 라우팅을 달성하는 것은 오랫동안 훨씬 더 복잡했습니다. 기존의 광 라우터는 복잡한 스위치 네트워크와 전기 제어 시스템에 의존하여 빛의 경로를 변경하므로 복잡성이 추가되고 속도와 성능이 모두 제한됩니다.

USC Viterbi School of Engineering의 연구원들은 이제 완전히 다른 접근 방식을 시연했습니다. 개념은 스스로 조직화되는 대리석 미로로 상상될 수 있다. 일반적으로 사람은 장벽을 들어 올리고 구슬을 올바른 구멍으로 안내하는 경로를 조정해야 합니다. USC 팀의 장치에서는 구슬을 어디에 떨어뜨리든 자동으로 올바른 목적지를 향해 굴러가도록 미로가 구성되어 있습니다. 빛은 이 시스템 내에서 동일한 방식으로 작동합니다. 열역학 규칙에 따라 스스로 적절한 경로를 찾습니다.

잠재적인 산업 영향

이 발견의 잠재적인 응용 분야는 학문적 연구를 넘어서는 범위까지 확장됩니다. 현대 컴퓨팅 및 데이터 전송이 기존 전자 장치의 한계를 계속 확장함에 따라 선도적인 기업(NVIDIA 등의 칩 설계자 포함)은 더 빠르고 에너지 효율적인 대안으로 광학 기술을 조사하고 있습니다. 광학 열역학은 빛 신호를 전달하기 위한 자연스럽고 자체 조직적인 방법을 제공함으로써 이러한 노력의 진행을 가속화할 수 있습니다. 칩 수준 통신 외에도 이 원리는 통신, 고성능 컴퓨팅 및 보안 정보 전송과 같은 분야에도 영향을 미쳐 더 간단하면서도 강력한 광학 시스템을 위한 길을 열 수 있습니다.

작동 원리: 열역학으로 길들인 혼돈

비선형 다중 모드 광학 시스템은 종종 혼란스럽고 제어하기 어려운 것으로 간주되어 왔습니다. 겹치는 조명 패턴이 많아 실용적인 목적으로 모델링하거나 설계하기가 매우 어렵습니다. 그러나 이러한 복잡성 자체가 아직까지 거의 개발되지 않은 풍부한 물리적 행동을 숨기고 있습니다.

USC 연구원들은 이러한 비선형 환경에서 빛이 열 평형을 향해 이동하는 가스와 매우 유사하게 동작하며, 여기서 무작위 충돌이 결국 안정적인 에너지 분포를 생성한다는 것을 깨달았습니다. 이러한 통찰력을 바탕으로 그들은 비선형 격자의 빛이 팽창, 압축, 심지어 상전이와 유사한 과정을 겪을 수 있는 방법을 설명하는 “광학 열역학”의 이론적 틀을 개발했습니다. 이 모델은 빛의 자연스러운 자체 조직을 이해하고 활용할 수 있는 통일된 방법을 제공합니다.

스스로 빛을 전달하는 장치

팀의 시연 자연광학 이 새로운 이론으로 설계된 최초의 장치입니다. 신호를 적극적으로 조정하는 대신 시스템은 조명이 자체적으로 경로를 지정하도록 설계되었습니다.

이 원리는 열역학에서 직접 영감을 받았습니다. 줄-톰슨(Joule-Thomson) 팽창으로 알려진 가스가 자연적으로 열 평형에 도달하기 전에 압력과 온도를 재분배하는 것처럼 USC 장치의 빛은 먼저 팽창의 광학적 유사체, 그 다음 열 평형의 두 단계 과정을 거칩니다. 그 결과, 외부 스위치가 필요 없이 지정된 출력 채널로 광자의 자체 조직 흐름이 이루어집니다.

새로운 지평을 열다

혼돈을 예측 가능성으로 효과적으로 전환함으로써 광학 열역학은 비선형 시스템의 복잡성에 맞서 싸우기보다는 활용하는 새로운 종류의 광소자 생성의 문을 열어줍니다. “라우팅을 넘어 이 프레임워크는 정보 처리, 통신 및 기본 물리학 탐구에 대한 영향을 통해 조명 관리에 대한 완전히 새로운 접근 방식을 가능하게 할 수 있습니다.”라고 USC Viterbi 광학 및 포토닉스 그룹 연구실의 박사 과정 학생인 이번 연구의 주요 저자인 Hediyeh M. Dinani가 말했습니다.

Steven과 Kathryn Sample 공학 분야 석좌교수이자 USC Viterbi Demetrios Christodoulides 전기 및 컴퓨터 공학 교수는 “한때 광학 분야에서 다루기 힘든 과제로 여겨졌던 것이 자연적인 물리적 과정으로 재구성되었습니다. 이는 엔지니어가 빛과 기타 전자기 신호의 제어에 접근하는 방법을 재정의할 수 있습니다.”라고 덧붙였습니다.

직경이 약 1~3m인 이 소행성은 이미 지구를 통과한 지 불과 몇 시간 만에 카탈리나 스카이 서베이(Catalina Sky Survey)에 의해 발견되었습니다. 이 크기의 우주 암석은 실제 위협을 나타내지 않습니다. 대기권에 들어가면 밝은 불덩어리가 생기고 때로는 땅에 작은 운석이 남을 수도 있습니다.

발견 직후 ESA 행성 방위청 소속 천문학자들은 호주 사이딩 스프링에 있는 라스 컴브레스 천문대 망원경을 사용해 이 물체를 관찰했습니다.

광활한 우주 속에서, 특히 그 위치가 여전히 불확실한 상황에서 이렇게 작은 물체를 찾아 추적하는 것은 놀라운 성과입니다. 이러한 후속 관찰을 통해 과학자들은 소행성의 거리와 가장 가까운 접근 시기를 뛰어난 정밀도로 결정할 수 있었습니다.

위험 이해: 크기가 위협을 형성하는 방식

폭이 불과 몇 미터에 불과한 소행성 2025 TF는 행성 규모에서 무해한 것으로 간주되는 지구 근처 물체 클래스에 속합니다. 이 작은 우주 암석은 매년 여러 차례 지구 대기권으로 들어가며 일반적으로 표면 높이에서 부서집니다. 그들이 더 낮은 고도에 도달하면 그 결과는 일반적으로 장엄한 불덩어리이며 때로는 땅에 작은 운석이 흩뿌려지는 경우도 있습니다. 이 규모의 사건은 피해를 거의 일으키지 않으며 종종 과학자들이 소행성의 구성에 대해 더 많은 것을 배우는 데 도움이 됩니다.

이에 비해 2013년 러시아 첼랴빈스크 상공에서 폭발한 것과 같이 약 20미터 크기의 물체는 충격파로 건물을 손상시키고 사람에게 부상을 입힐 수 있는 강력한 공기 폭발을 생성할 수 있습니다. 그 폭발은 수백 킬로톤의 TNT에 해당하는 에너지를 방출하여 과학자들에게 적당한 크기의 소행성이라도 국지적인 영향을 미칠 수 있다는 사실을 상기시켜주었습니다.

직경이 수백 미터 이상인 더 큰 소행성은 훨씬 더 큰 위험을 초래합니다. 이러한 사건은 드물지만 지역적, 심지어 전 세계적으로 결과를 초래할 가능성이 있습니다. 이러한 이유로 ESA의 행성방위국(Planetary Defense Office) 및 NASA의 행성방위조정국(Planetary Defense Coordination Office)과 같은 국제적 노력은 이러한 물체를 모니터링하고 목록을 작성하여 수년 또는 수십 년 전에 잠재적인 영향을 예측합니다.

하늘 위의 글로벌 아이즈

전 세계 관측소 네트워크는 밝은 혜성부터 2025 TF와 같이 희미하고 빠르게 움직이는 소행성에 이르기까지 움직이는 물체를 찾기 위해 지속적으로 하늘을 스캔합니다. Catalina Sky Survey 및 Pan-STARRS와 같은 조사에서는 지구에 가까운 새로운 물체를 정기적으로 발견하는 동시에 전용 후속 망원경이 궤도를 개선합니다.

이러한 협력적인 노력은 행성 방어의 중추를 형성합니다. 천문학자들은 폭이 불과 몇 미터라도 지구에 매우 가깝게 지나가는 물체를 감지하면 감지 시스템을 테스트하고 예측 모델을 개선할 수 있습니다. 각각의 관찰은 잠재적인 위험을 조기에 식별하는 능력을 강화하여 과학자들에게 향후 발생할 수 있는 귀중한 데이터를 제공합니다.

클로즈 패스가 중요한 이유

소행성 2025 TF는 결코 위협을 가하지 않았지만, 이와 같은 저공비행은 우리 태양계 이웃이 얼마나 역동적이고 주의 깊은지를 강조합니다. 모든 근접 만남은 지구의 취약성을 일깨워주고 현대 천문학의 정확성이 점점 더 높아지고 있음을 보여주는 역할을 합니다. 발견 직후 이러한 작은 물체를 성공적으로 추적한 것은 행성 방어 노력이 얼마나 멀리까지 왔는지, 그리고 우주가 우리에게 보내는 모든 것에 글로벌 과학계가 얼마나 대응할 준비가 되어 있는지를 보여줍니다.

딥러닝을 통해 연구된 먼지 악마의 움직임

“최첨단 딥러닝 접근 방식을 사용하여 우리는 50,000개가 넘는 위성 이미지에서 먼지 악마를 식별할 수 있었습니다.”라고 제1저자인 Valentin Bickel은 설명합니다. 팀은 베른에 위치한 화성 카메라 CaSSIS(컬러 및 스테레오 표면 이미징 시스템)와 스테레오 카메라 HRSC(고해상도 스테레오 카메라)의 이미지를 사용했습니다. CaSSIS는 유럽 우주국(ESA)의 ExoMars 추적 가스 궤도선에 탑재되어 있고, HRSC 카메라는 ESA 궤도선 Mars Express에 탑재되어 있습니다. “따라서 우리 연구는 전적으로 유럽 화성 탐사 데이터에만 기초하고 있습니다”라고 Bickel은 계속합니다.

다음으로 팀은 먼지 악마 약 300마리의 스테레오 이미지를 연구하여 움직임과 속도를 확인했습니다. 베른 대학에서 CaSSIS 카메라 시스템 개발을 이끌었고 ESA의 PRODEX 프로그램을 통해 SERI의 스위스 우주국에서 자금을 지원받은 공동 저자인 Nicolas Thomas는 다음과 같이 설명합니다. “스테레오 이미지는 화성 표면의 동일한 지점에 대한 이미지이지만 몇 초 간격으로 촬영되었습니다. 따라서 이러한 이미지는 먼지 악마의 움직임을 측정하는 데 사용할 수 있습니다.”

Bickel은 다음과 같이 강조합니다. “스테레오 이미지를 순서대로 결합하면 먼지 악마가 표면을 가로질러 얼마나 역동적으로 움직이는지 관찰할 수 있습니다.” (베른 대학교 웹사이트의 이미지 참조)

화성 바람, 이전 예상보다 강해

결과에 따르면 화성에서 먼지 악마와 이를 둘러싼 바람은 행성 전체에 걸쳐 최대 44m/s, 즉 약 160km/h의 속도에 도달할 수 있으며, 이는 이전에 가정했던 것보다 훨씬 빠른 것입니다(이전 표면 측정에서는 바람이 대부분 50km/h 미만으로 유지되고 드물게 최대 100km/h에 도달할 수 있는 것으로 나타났습니다).

높은 풍속은 다시 화성의 먼지 순환에 영향을 미칩니다. “이러한 강하고 직선적인 바람은 이전에 가정했던 것보다 훨씬 더 많은 양의 먼지를 화성 대기로 가져올 가능성이 매우 높습니다.”라고 Bickel은 말합니다. 그는 계속해서 다음과 같이 말합니다. “우리의 데이터는 화성의 바람이 표면에서 먼지를 들어올릴 만큼 강한 곳과 시기를 보여줍니다. 이러한 발견이 약 20년 동안 전 세계 규모로 이용 가능한 것은 이번이 처음입니다.”

미래의 화성 임무는 연구 결과로부터 이익을 얻을 수 있습니다

얻은 결과는 향후 화성 임무에도 특히 중요합니다. 이번 연구의 공동 저자이자 독일 항공우주센터(DLR) 우주연구소 소속 다니엘라 티르쉬(Daniela Tirsch)는 “화성의 바람 상태를 더 잘 이해하는 것은 향후 착륙 임무를 계획하고 실행하는 데 매우 중요합니다.”라고 설명합니다. “바람 역학에 대한 새로운 발견의 도움으로 우리는 화성의 대기와 관련 표면 과정을 보다 정확하게 모델링할 수 있습니다.”라고 Tirsch는 계속합니다. 이러한 모델은 향후 임무에 대한 위험을 더 잘 평가하고 그에 따라 기술 시스템을 조정하는 데 필수적입니다. 따라서 새로운 연구는 모래 언덕과 경사 줄무늬의 형성에 대한 연구뿐만 아니라 화성의 날씨 및 기후 모델 생성에 대한 연구와 같은 화성에 관한 여러 연구 분야에 대한 중요한 결과를 제공합니다.

연구원들은 먼지 악마에 대한 관찰을 더욱 강화하고 CaSSIS 및 HRSC를 사용하여 먼지 악마에 대한 표적화되고 조정된 관찰을 통해 얻은 데이터를 보완할 계획입니다. “장기적으로 우리의 연구는 화성 임무 계획을 보다 효율적으로 만드는 데 도움이 될 것입니다”라고 Bickel은 결론지었습니다.