Not Big Bang but Big Hum

1. Not Big Bang but Big Hum Group6 by 박성우

2. 위 곡은 테리 라일리가 실제 NASA가 우주탐사를 하며 모은 소리를 이용해 작곡한 크로노스 현악사 중주단의 ‘Sun Rings’라는 곡이다. • 그런데 여기서 하나의 의문이 생긴다. 빛과 같은 전자기파는 매질이 필요 없지만 소리는 탄성파이므로 매질을 통해 에너지가 전달되는데 진공상태인 우주에서 어떻게 소리를 모을 수 있을까?

3. <플라스마 상태> • 우주의 99.9%이상의 물질은 플라스마 상태로 존재한다. • 플라스마란... • 기체 상태의 물질에 계속 열을 가하여 온도를 올려주면, 이온 핵과 자유전자로 이루어진 입자들의 집합체가 만들어진다. 물질의 세 가지 형태인 고체, 액체, 기체와 더불어 '제4의 물질상태'로 불리며, 이러한 상태의 물질을 플라스마라고 한다. • 이처럼 전자와 원자핵이 분리되어 양이온이 생성된 상태인 플라스마의 양이온과 전자는 전하를 띈다. 이때 진동을 하면 일정한 진동수를 갖는 전자기파가 생성되는데, 우리는 이 전자기파를 모아 음파로 바꾸어 소리를 모으는 것이다. • 전기적으로 중성인 플라스마가 평형위치에서 미소하게 벗어났을 때, 평형을 회복하려는 힘의 작용에 의해 생긴 플라스마 진동이다

4. <플라스마란> 우리가 연구하고 있는 분야는 플라스마 상태 입니다. 플라스마란 무엇인가? 플라스마는 우리의 정맥을 흐르는 것과는 다른 (vein plasma= 단위시간 당 신장에 전달되는 혈액량) 우리가 이야기하는 플라스마는 물질의 상태입니다. 몇몇 사람들이 4번째 상태라 말하는 플라스마는 3가지의 물질 상태로 시작합니다. 고체 액체 기체 이것이 바로 플라스마를 이해하는 기본적인 방법입니다. 우리는 시작합니다. 예를 들어 고체상태의 얼음이 있다고 가정합시다. 에너지를 가하면 어떻게 될까요? 우리가 충분한 에너지를 가했을 때 녹아서 액체 상태가 됩니다. 에너지를 더 주어 온도를 높이게 되면 이것은 마침내 수증기 즉 기체상태가 됩니다. 그 후 훨씬 많은 에너지를 가하게 되면 원자 또는 분자가 나눠집니다. (break apart) 그리고 더 많은 에너지를 주게 되면 각각의 원자가 부서지기 (나눠지기) 시작합니다. 원자는 단지 양성자와 중성자로 이루어진 핵에 불과합니다. 구름 형태의 전자들이 주위를 돌고 있다. 그리고 충분한 에너지를 넣으면 전자가 너무 많은 에너지를 가지게 되어 원자에서 떨어져 나오게 되어 원자로부터 자유로워 집니다. 그리고 남게 되는 것은 음성을 띈 자유전자와 양성을 띈 하나의 또는 더 많은 전자가 열화 된 이온이 남습니다. 플라스마를 처음 생각할 때 이것을 양성과 음성의 전하를 띈 입자들로 구성된 구름형태의 무더기라고 생각하면 됩니다. 이것은 Hall Effect Thruster 이라고 하는 엔진인데 이런 엔진은 deep space probes 나 매우 큰 지구를 도는 통신 인공위성과 같은 곳에 사용됩니다. 이 Hall Effect Thruster가 작동하는 방법은 이 뒤쪽에 있는 연료로 가득 찬 저장 탱크 입니다. 예를 들면 저장하기 매우 쉬운 제논 혹은 크립톤과 같은 가스. 우리가 하는 것은 뒤쪽의 튜브가 제논 가스를 discharge pannel 이라 부르는 뒤쪽에 주입합니다. (동그란 원 손가락으로 가리키고 있는) 그 후 우리는 보통 cathode 라 불리는 튜브를 (위쪽을 가리키고 있음) 통해 전자라 불리는 음성을 띄는 전하를 들어가게 합니다. 이 튜브를 그러니까 간단하게 lightning bolt (번개, 전기 충격) 의 역할을 합니다. 이 전기 충격이 하는 역할은 (동그라미 진한 원을 가리키고 있음) 이 부분의 제논가스를 일정 수위 이상으로 가열시켜 이것을 플라스마로 만듭니다. 매우 뜨겁게 가열해 플라스마로 만드는데 플라즈마 상태가 되면 우리는 이 응용된 상태의 전자기장을 플라스마를 가속시키는 데 사용될 수 있습니다. 우리는 이 플라스마를 시간당 4000마일에서 10000마일까지 가속시킬 수 있습니다.

5. <번개> • 이와 같은 번개는 대표적인 자연 플라스마의 사례이다. • 번개가 칠 때 지구의 구름과 지표면 사이에 큰 전압 차가 생기는데 이때 순간적으로 전자가 이동을 하여 이온화 분자가 형성된다. • 이 플라스마의 진동을 통해 낮은 진동수의 전파가 생성되어 우리는 음파로써 이 소리를 들을 수 있다.

6. <오로라> • 다른 한 사례로는 태양 플라스마(태양풍)이 지구에 불어와 극지방의 대기와 작용하여 생성되는 오로라가 있다, • 오로라란… • 태양에서 방출된 대전입자(플라스마)의 일부가 지구 자기장에 이끌려 대기로 진입하면서 공기분자와 반응하여 빛을 내는 현상. 북반구와 남반구의 고위도 지방에서 흔히 볼 수 있다. • 오로라는 매우 낮은 진동수를 전파하는데 이는 마치 새가 지저귀는 소리처럼 들린다. • 오로라의 소리를 Auroral chorus라 한다.

7. . • Auroral Chorus

8. <Not Big Bang but Big Hum~> 최근 카시니호는 토성의 극지방 Auroral Chorus를 검출하였으며 찬스라x선 우주망원경은 블랙홀의 음파를 포착했는데 이는 가온도보다 57옥타브 낮은 내림나 음이었다. 실제로 Bing Bang 은 bang(뻥~)소리가 났을까? 2003 john kramer 워싱턴대 명예교수는 음파는 매질의 밀도가 변하며 발생한다는 원리를 바탕으로 우주전체의 온도분포를 물질의 밀도차이로 바꾸고 빅뱅이 일어난 뒤 우주팽창비율을 고려해 시간에 따른 우주 밀도 변화를 추적해 태초의 소리를 찾아냈다. 왜 우주전체의 온도분포를 우주밀도로 바꾸어서 태초의 소리를 찾았을까? 왜 밀도차이에 의해 음파가 발생할까? 파동이라는 것은 매질의 각각 다른 밀도차이에 의해 일어나는 현상이다. 우주는 분명히 소리가 있다. 이 현상을 설명하기 위해서 깊게 들어가보자. 우주의 99%가 플라스마 상태이다. 우주 배경복사도를 해석해보면 우주의 물질이 약간 불균일하게 분포되어 있다는 것을 알 수 있다. 이것은 우주의 온도가 약간 불균일하게 퍼져있다는 것이다. 같은 플라스마 상태의 물질이더라도 각기 다른 공간마다 온도가 서로 차이가 난다는 뜻이다. 같은 플라스마 물질이더라도 온도가 다르면 밀도에 변화가 생기기 때문에 전혀 다른 매질이 나타난다. 이 때 플라스마 진동이 일어나서 지구에서 파동을 받아들여 태초의 소리를 찾을 수 있게 되었다. 음파는 매질을 구성하는 입자의 진동에너지가 이웃하는 입자로 전달되는 형식이다. 그리고 기체 상태일 때에는 운동성을 가지고 있는 기체 입자가 파동을 전달하기 때문에 입자의 속도가 빠를 수록 파동 전달도 빨리 이루어 진다. 다른 조건은 동일하다고 할 때, 일반적으로 기체의 밀도가 낮을 수록 그 입자의 운동성은 높아지므로 기체가 매질일 경우 밀도가 낮을수록 음속이 빨라진다. 거의 진공 상태의 형식으로 플라스마가 존재하기 때문에 밀도가 낮기 때문에 음속이 빠르므로 음파가 발생하게 된다

9. 태초의 우주 • 미국 버지니아대의 마크 휘틀 교수는 빅뱅 60만년 후 발생했던 우주배경 복사(cmb)의 최신 데이터를 분석해 우주탄생의 소리 포착 빅뱅 후 처음 100만 년 동안 밝은 장3도 음정에서 어두운 단 3도로 바뀌었다. 다시 말해 우주 탄생의 순간인 빅뱅은 거의 완전한 침묵 상태에서 일어났을 수 있지만, 우주가 팽창함에 따라 음파도 성장했을 수 있다는 이야기이다. • 우주의 소리를 들어보면 우주 진화에 대한 독특한 관점을 갖게 된다. 우주란 복잡하고 머리 아픈 스펙트럼과 같은 과학적인 방법뿐만이 아니라 음악 미술 같은 다양한 방법으로 접근 했을때 오히려 상상했던 것 이상의 결과물을 얻을 수 있지 않을까?