5월의 작은 선인장

우주선이 저지르는 여러 가지 이야기들

우주선은 그 근원이 명확치 않은 매우 큰 에너지를 갖고 우주를 떠돌아다니는 입자들을 이야기한다.
그 에너지의 단위가 우리의 상상을 초월하기도 하고, 때로는 아직 인간이 입자가속기로도 만들지 못하는 에너지를 갖고 있는 것이 있을 것이라고 생각되기도 한다.

우주선은 과학자들이 추측하기로는 매우 먼 곳에서 날아오는 입자들로서, 별들의 초신성 폭발과 같은 현상이 발생할 때 큰 에너지가 갖게 되는 것이 아닌가 생각된다. 태양계는 비교적 최근 주변에서 발생한 폭발로 인해 만들어진 성운의 안쪽에 존재한다는 연구가 얼마 전에 있었다. 다른 말로 하면 태양계에서 아주 먼 별에서 태양을 바라보면 태양계는 행성상 성운의 안쪽에 존재하는 별로 보일 것이란다. 하지만 우주선은 태양계를 포함하고 있는 성운에 의한 우주선에만 영향을 미치는 것이 아니다. 우주 어디선가에서 발생한 아광속의 입자들이 성운을 뚫고서 태양계에 영향을 미치는 것이다. (태양계를 포함한 성운에서 발생한 우주선들이 충분히 큰 속도를 갖는다면 이미 지구를 훨씬 지나 있을 것이다.)
이런 우주선은 태양에서 오는 입자들(태양풍)보다 훨씬 높은 에너지를 갖고 있다.

매우 높은 에너지를 갖는 입자인 우주선이 지구에 도달하면 지구의 대기권중 열권과 중간권(수십~수백 km 상공의 대기들)에 분포하는 원자들과 충돌하여 여러 가지 소립자들을 발생시킨다.
그 중 대표적인 것이 뮤온으로, 뮤온은 가장 최초로 발견된 우주선의 이차 입자들 중 한 종류들이다. 뮤온은 속도와 수명을 고려할 때 지상에서는 관측이 이뤄지지 못해야 정상이었는데, 지상의 안개상자에서 빈번히 관측됨으로서 학자들 사이에서 빈번한 논란을 발생시킨 입자다. (나중에 상대론적 시간지연의 증거로 인식되기도 했다.)
또한 앤더슨은 안개상자를 분석하다가 전자의 반물질인 반전자(양전자)를 발견하기도 했다. 이 발견은 디랙의 방정식(슈뢰딩거의 파동방정식과 아인슈타인의 상대성이론을 고려하여 만들어진 원자 내에서 전자의 상태를 분석하는 방정식)을 통해서 계산된 결과에 나타난 반물질에 대한 결정적인 증거가 되기도 했다.
가장 최근에는 우주선의 이차입자로서 발생한 뉴트리노(중성미자)와 실험실에서 발생한 뉴트리노, 태양으로부터 날아온 뉴트리노를 분석하여 3종류의 뉴트리노(전자적 뉴트리노, 뮤온적 뉴트리노, 타우적 뉴트리노)는 서로 공명한다는 사실이 발견되기도 했다.

우주선에 포함되는 입자들은 뉴트리노나 중성자와 같이 전하를 띄지 않는 경우도 많지만 전자나 뮤온같이 전하를 갖는 경우가 많다. 그리고 지금도 여러분들의 몸속을 끊임없이 통과하고 있다. 이러한 입자들은 여러분의 몸속을 통과하면서 여러분들 몸의 구성원들 - DNA, RNA 등등 - 을 끊임없이 교란한다. 물론 이러한 원인은 일종의 돌연변이를 일으키게 하는 한 원인이 되기도 하고, 각종 질병을 발생시키는 이유가 되기도 한다. (천체의 관측결과와 생명체의 진화 사이의 연구를 해 보는 것도 재미있는 연구거리일 것이라고 생각한다.)

우라늄을 정제해서 자발적 연쇄적 핵분열의 임계질량보다 양을 적게 모아놓을 때 발생하는 자연적인 핵분열은 우라늄을 가열한다. 그래서 우라늄 금속덩어리나 우라늄광은 주변의 온도보다 항상 그 온도가 높다. 그런데 이 우라늄을 높은 고도의 장소 혹은 우주로 갖고 나간다면 어떻게 될까? 일반적인 지상에서보다 높은 고도에서 우주선의 양이 더 많고, 우주선에 포함된 중성자의 개수도 높은 고도나 우주에서 훨씬 더 많으므로 지상에서보다 더 뜨거워질 것이다. 원자폭탄이나 원자력발전소나 원자력 인공위성을 제작할 때는 우주선의 영향을 충분히 고려해야 한다.

인공위성을 만들 때 전자부품은 저온과 방사능에 노출돼도 안정적으로 작동하는 부품들을 사용한다. 우주에서의 인공위성의 온도는 -100~300℃ 정도의 범위에서 변한다. 지상의 0~100℃ 변화폭보다 훨씬 더 넓으므로 모든 부품은 넓은 온도변화에서도 작동하도록 만들어야 하기 때문이다. 또한 우주에는 우주선들이 훨씬 많은데, 이 우주선들이 반도체 부품을 통과할 때는 반도체에 예기치 않은 이온화를 형성시키고, 이 이온화는 예기치 않은 전류를 형성시킨다. 일반적인 전자제품에 사용되는 전자부품들은 그래서 우주로 나가면 거의 제대로 작동하지 않는다.

또한 우주선은 허블 우주망원경과 같은 우주로 올라간 광학기기에도 영향을 미치게 된다. 우주선이 망원경의 렌즈나 거울을 통과할 때 렌즈나 거울에 아주 미세한 구멍을 만든다. 이 구멍은 당연히 빛을 산란시킬 테고, 구멍이 적을 때는 상관없지만, 점점 많아지면서 서서히 성능이 떨어지게 될 것이다. (하지만 허블 우주망원경은 10년이 훨씬 더 지난 오늘날까지 잘 작동했다. 아마 그 영향은 매우 작은 것 같다. - 최근 허블 우주망원경의 폐기를 결정했다.) 또한 촬영용 ccd에 우주선이 부딪히면 예기치 못한 큰 전류를 형성하게 된다. 이 전류는 이미지에 노이즈로 작용하게 될 것이다. 물론 허블 망원경의 이미지를 처리하는 프로그램에서 이 노이즈를 적당히 걸러주는 알고리즘을 포함하고 있을 것이므로 우리가 보는 이미지에는 당연히 그 노이즈는 나타나지 않게 된다.

전하를 갖는 우주선은 물질 속을 통과할 때 물질들을 변화시킨다. 고체 물질들과 충돌할 때는 고체의 저항으로 에너지를 모두 잃고 멈출 때까지 고체의 결정을 교란시켜 눈에 안 보이는 구멍을 만든다. (이는 광학현미경으로 봐도 잘 안 보일 정도로 작은 구멍이다.) 액체나 기체 속을 지날 경우에도 순간적으로 분자들을 이온화 시킨다. 이온화된 분자들은 순식간에 다시 결합해서 중성의 상태로 돌아가지만, 이러한 현상이 우리에게 미치는 영향은 분명히 우리 일상생활에 무언가 영향을 미칠 것이라는 생각을 할 수 있게 한다.

우주선에 의해서 대기에는 수시로 많은 이온화된 길이 형성되는데, 이로부터 유추할 수 있는 것은 우주선과 번개의 관계이다.

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