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우주 연구의 돌파구는 언제나 거대 과학 시설에서 비롯됐다. 레이저 간섭계를 이용한 중력파 검출기, 수십만t 규모의 물탱크를 활용한 중성미자 관측기, 수백m 지름의 전파망원경이 대표적이다. 인류가 중력파를 직접 포착하고, 중성미자의 비밀을 풀어내며, 블랙홀 그림자를 그려낼 수 있었던 것도 모두 이런 시설 덕분이었다.
과학자들은 중력파나 중성미자 연구가 당장 실용적 가치가 없어도 나중에 미래 세대를 위한 지적 자산(資産)이 된다고 본다. 중성미자 연구로 견적원가계산 2015년 노벨 물리학상을 받은 가지타 다카아키 일본 도쿄대 교수는 앞서 조선비즈 인터뷰에서 “반도체 분야 발전은 양자역학을 이해하면서 가능했고, 항공기도 물리 현상을 이해했기에 가능했다”며 “기초과학을 해야 미래 세대가 쓸 수 있는 아이디어가 나온다”고 했다.
최근 미국과 일본, 중국은 앞다투어 차세대 거대 과학 시설을 완공하거나 확장하 중소기업진흥공단 연수원 며 국제 우주 연구의 허브로 자리매김하고 있다. 한국도 연구자들이 제한된 조건에서도 세계적 성과를 내며 경쟁력을 입증했지만, 거대 연구 인프라 투자에서 밀리면서 정체된 모습을 보이고 있다.



미국 워싱턴주 핸펀드에 있는 레이저간섭계중력파관측소(LIGO·라이고)의 전경./LIG 삼성카드연체재발급 O





◇미국·일본·중국, 새로운 발견의 전초 기지
미국은 2015년 레이저간섭계중력파관측소(LIGO·라이고)를 통해 세계 최초로 ‘우주의 진동’인 중력파를 검출했다. 중력파는 블랙홀 합병이나 별의 폭발 등 초대형 사건이 일 3천만원 대출 어날 때 중력 에너지가 물결처럼 퍼져 나가는 것을 말한다. 라이고의 관측 결과는 아인슈타인이 일반상대성이론에서 예측한 중력파를 100년 만에 입증했으며, 우주를 새로운 시각으로 연구할 수 있는 ‘중력파 천문학’이라는 새로운 분야를 열었다.
라이고는 유럽 비르고(Virgo) 간섭계, 일본 가그라(KAGRA·가미오카 중력파 검출기)와 함께 국 여성일수 제 네트워크를 구축해 블랙홀 병합과 같은 극한 우주 현상을 실시간 포착하는 시대를 열고 있다. 감도를 두 배 이상 끌어 올리면서 관측할 수 있는 우주의 범위는 두 배 넓어졌고, 은하는 여덟 배 더 포착할 수 있게 됐다. 2015년 기준 라이고-비르고-카그라 세 검출기가 기록한 중력파 사건은 300건을 넘어섰다.
일본도 거대 과학 시설로 중성미자 연구를 선도했다. 중성미자는 우주를 이루는 기본 입자의 하나로 지금까지 네 차례나 노벨 물리학상을 배출했을 정도로 중성미자는 현대 물리학과 천문학의 핵심 연구 주제이다. 일본은 중성미자 검출 실험 연구소인 슈퍼 가미오칸데 덕분에 그중 절반을 차지했다. 일본은 2027년 완공을 목표로 하이퍼 기미오칸데를 건설 중이다. 슈퍼 가미오칸데에 비해 8배 이상 큰 규모로, 6대륙 20국 이상의 연구소와 협력해 추진되고 있다.
최근 거대 과학 시설 분야에서 가장 두드러지는 국가는 중국이다. 중력파와 중성미자는 물론 전파망원경에서 모두 세계 선두에 있다. 중국은 2014년 제안된 우주 중력파 관측 계획을 바탕으로 ‘톈친 프로젝트’를 진행하고 있다. 2035년 전후로 위성 3기를 올려 우주 중력파 천문대를 구성하는 프로젝트다.
지난 8월 26일에는 세계에서 가장 강력한 중성미자 검출기인 중국의 장먼 지하 중성미자 관측소(JUNO)가 정식 가동됐다. 2014년부터 약 4200억원이 투입된 프로젝트로, 앞으로 6년간 중성미자 데이터를 분석할 계획이다.
중국은 2016년 지름 500m인 세계 최대 전파망원경인 톈옌(天眼)을 가동하며 세계 전파천문학의 최전선을 차지했다. 톈엔 이전엔 지름 305m인 미국 아레시보 전파망원경이 세계 최대 규모였는데, 2020년 붕괴 사고로 가동이 중단됐다. 톈옌의 정식 명칭은 FAST(500m구경구형전파망원경)이다.
중국은 신장 위구르 자치구에 세계 최대 규모의 완전 조종이 가능한 전파망원경인 QTT(치타이전파망원경)’도 건설 중이다. 톈옌은 고정형 전파망원경이다. QTT는 2022년 9월 착공해 2028년 완공 예정이며, 지름이 110m에 달한다.



알본 기후현 가미오카 광산에 있는 중성미자 검출 장치인 슈퍼가미오칸데. 산 정상에서 지하 1000m 지점에 지름 39m, 높이 41m의 거대 수조가 있고 그 안에 순수한 물 5만t이 담겨 있다. 수조의 사방 벽면에는 커다란 전구 모양의 중성미자 검출 장치가 1만1129개 달려 있다. 중성미자가 물 분자를 이루는 원자나 전자와 부딪힐 때 발생하는 원형의 전자파를 감지한다./일본 도쿄대


◇韓 원전서 중성미자, 갱도서 암흑물질 연구
한국도 우주 연구에서 거대 과학 시설로 경쟁력을 갖췄다. 앞서 전남 영광의 한빛 원자력발전소에 구축된 리노(RENO) 중성미자 연구시설에서 나온 성과가 2016년 브루노 폰테콜보 상과 2023년 유럽물리학회 상을 받았다. 중성미자는 태양이나 초신성에서도 나오지만, 원자력발전소의 핵분열에서도 검출할 수 있다.
강원도 정선의 예미랩은 새로운 암흑물질 탐색을 이어 나가고 있다. 과학자들은 우주에서 빛을 내 우리가 관측할 수 있는 물질은 5%에 불과하고 70%는 우주가 팽창하도록 밀어붙이는 암흑에너지, 25%는 빛을 내지 않으면서 물체를 끌어당기는 암흑물질로 본다. 예미랩은 정선 예미산에 있는 한덕철광의 광산 갱도를 활용해 구축한 연구 시설로, 2022년 완공해 2023년부터 가동되고 있다.
하지만 후속 대형 프로젝트는 번번이 좌절되고 있다. 유인태 성균관대 물리학과 교수는 “지하 100m에 80만㎥ 규모의 세계 최대 중성미자 관측소를 지으려고 계획했지만, 정부 투자를 받지 못해 중단됐고, 지금까지도 크게 진전은 없는 상황”이라며 “새로운 정부가 들어선 만큼, 중성미자 관측소 사업을 계속 추진하려고 한다”고 밝혔다.
유 교수는 “과학 연구가 점점 고도화되고 있고, 그만큼 대형 연구 시설이 필요하다”며 “기초과학뿐 아니라 과학 전반에 걸쳐서 국제적인 경쟁력을 가지기 위해서는 대형 시설이 필요한 시기”라고 밝혔다.



강원도 정선 예미랩./기초과학연구원(IBS)


이런 사정은 중력파 분야도 마찬가지다. 2013년부터 한국중력파연구협력단이 차세대 중력파 검출기 모델을 구상해 제안했으나, 연구비 확보에 실패하면서 논의 단계에서 그쳤다. 현재 라이고 한국 실험그룹의 책임자를 맡고 있는 이경하 성균관대 교수는 이제는 국제 협력뿐 아니라, 국내에서 거대 시설을 위한 연구를 활성화해야 한다고 밝혔다.
이 교수는 “라이고 프로젝트는 미 국립과학재단(NSF)이 전액 지원하는데, 최근 미국 내 정치 상황으로 연구비에 대한 불안이 커지면서 유럽과 같은 곳에서 외부 자금을 찾는 시도가 이어지고 있다”며 “새 정부가 들어 한국의 연구개발(R&D) 지원이 올라간 상황에서, 라이고와 협력하기에 적기”라고 했다.
중력파 관측기의 핵심 부품은 거울이다. 라이고는 수㎞ 떨어진 진공 터널 양 끝에 거울을 설치하고 레이저를 쏜다. 이 레이저가 이동하는 도중에 중력파가 지나가면 거울이 미세하게 움직인다. 이때 레이저가 노이즈(잡음) 없이 반사되도록 하려면 코팅 기술이 중요하다. 이 교수는 “지금은 프랑스의 LMA라는 회사만 (거울 코팅을) 할 수 있지만, 반도체 강국인 한국이 충분히 개발해 낼 수 있는 영역”이라며 “시장 규모가 작다는 이유로 시도조차 안 하는 게 아쉽다”고 말했다.
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