최근들어 가장 재미 있게 읽은 외계인 마틴님의 성간전쟁(1,2,3) 글 에서 저의 상상력을 자극한 등장인물이 하나 있었습니다. 바로 "아령성의 전투행성" 입니다. (이야기 내 에서의 태양계의 제9행성도 아령성의 전투행성과 동일한 개조행성 입니다)

출처: wiki commins created by NASA.

여기에 등장하는 아령성의 전투 행성은 지름 12,000km의 크기의 원형 모습을 하고 있으며, 행성 내부와 외부 사이에 500km가 넘는 지표가 존재 하고, 내부 공간에는 10억명의 인류가 거주 할 수 있는 공간이 있으며, 완벽한 순환계를 구성하고 있습니다. 광속의 50% 까지 짧은 시간에 가속 할 수 있으며, 주요 공격 수단으로 해치를 통해 발진할 수 있는 1만대의 전투함을 가지고 있습니다. 이야기 내 에서는 목성과 화성궤도 사이의 소행성을 가속시켜 지구를 공격하였습니다.

이 "아령성의 전투행성"이 어떤 모습을 갖추고 있을찌 상상해 보았습니다.

• 원형의 외관

  설정에 따르면, 전투행성의 모양은 원형입니다. 그리고 지름은 지구와 거의 같습니다.  그러니까 크기 자체는 지구와 거의 같은 형태 입니다. 다른점은 지구의 경우 행성외부 표면 부분에 생명이 거주하며, 대기를 가지고 있지만, 전투행성은 지표 500km 안쪽의 지하에 거주하고 있다는 점 입니다. 반지름의 8.3% 정도에 해당하는 이 지점은 지구의 경우 상부맨틀의 아래부분에 해당하며, 압력이 매우 높아서 암석이 변이를 일으키는 부분이기도 합니다.

• 내부 거주구역

  처음부터 새로 만들어진 인공행성이 아니라, 원래 존재하던 행성을 수천년을 두고 개조한 행성이라는 점. 그리고 크기를 보았을때 "목성형 행성"이 아닌 "지구형 행성"이 라는 점을 고려해 보면 전투행성은 내부가 비어있는 모습이 아니고 지표와 중심핵이 존재하고 지표아래 매우 견고한 구조의 거주구역이 존재 하는 모습일 것 같습니다. 중국의 인구가 16억 이라는 것을 고려하면, 10억의 인구가 거주하는 거주구역의 크기는 생각보다 작아도 됩니다.
  

  
  
  

• 운동 특성

  전투행성은 광속의 50%까지 가속이 가능합니다. 자전을 하지 않고 한 방향으로 계속 날아간다면, 소행성 및 성간물체의 충돌이 한쪽 면에만 발생되며, 다른 천체의 중력간섭에 의한 궤도 영향도 크게 됩니다. 행성이 원형을 유지 하면서 궤도 변환 및 보호에 최적의 효율을 내기위해서는 자전을 하면서 앞으로 나아가는 방식이 가장 좋아 보입니다. 문제는 이런 운동을 할 경우, 현재 인류가 사용하는 반작용을 이용하는 추진방식 보다는 효율적인 추진 방식이 필요 할 것으로 보입니다.

• 가속 및 감속

  광속의 90%까지 3일 이내에 가속하려면 3일내내 초속 1km 의 가속도가 필요합니다. 이때 가해지는 압력은 100G에 해당합니다. 가속과는 좀 다르지만 지구의 공전속도는 평균 초속 30km 정도입니다. 광속의 50% 까지 짧은 시간에 가속하려면 얼마의 가속도가 필요한지 정확히 계산해 보아야 겠지만, 지구의 공전속도를 보았을때 행성 자체가 가속의 압력을 견디는 것 보다, 탑승원의 몸을 걱정 하는 것이 먼저일 것 같습니다.

• 추진 장치

  아령성의 전투행성은 지구와 비슷한 크기를 고려할때, 비슷한 질량 가지고 있을 가능성이 높습니다. 이 어마어마한 질량의 물체를 짧은 시간에 광속의 50% 속도까지 가속할 경우 어마어마한 추진장치가 필요 하겠죠. 미래의 기술이 아니면 현재로는 불가능 한 일 입니다.

이 아령성의 전투행성을 가지고 장거리 우주여행을 할 경우 여러가지 장점을 가질 수 있습니다. 장거리 우주여행을 하기위하여 해결 해야 할 12가지 문제점 중 무려 10가지의 문제가 해결 될 수 있습니다. 가장 중요한 문제인 추진장치만 해결된다면 이 거대 우주선은 은하를 여행하는 가장 쾌적한 운송수단 일 것 같습니다.

태양의 일생은 가스구름 -> 수소연소 -> 첫번째 적색거성 -> 핼륨연소 -> 두번째 적색거성 -> 불안정한 떨림기간 -> 행성상 성운 -> 백색왜성 의 단계를 거치게 될 것으로 보입니다.

이 중에 요즘 제가 관심 있는 부분은 태양이 탄생 해서, 태양의 핵에 존재하는 수소가 고갈되기 까지의 약 110억년 정도의 기간 입니다. 마침 참고가 될 만한 자료를 찾아서 중간 부분을 옮겨 보았습니다.



A Star is Born (별의 탄생)

45억년전 수소점화 시작.

중앙핵에는 거의 110억년간 지속적으로 핵융합을 할 수 있는 충분한 양의 수소가 존재함.

어린태양은 현재와는 약간 다른 아래와 같은 특징을 가짐:

• 약간 작다 : 0.90 R_sun
• 약간 희미하다 : 0.70 L_sun
• 약간 차갑다 : 5586 K

위의 몇가지 자료에는 논란의 여지가 남아있긴 하다.

The Sun Today (현재의 태양)

현재의 태양은 중년의 별이며, 아래와 같은 특징을 가짐:

나이:	45억 5천만년
부피:	1 Msun = 1.99x1033 g
반지름:	1 Rsun = 700,000 km
광도:	1 Lsun = 3.83x1026 와트
온도:	5779 K
연료:	50%의 수소를 소모하였음

태양은 지금도 변화하고 있기 때문에, 현재의 태양은 위의 값보다 커진 값을 가지고 있을 것 이다.

"Quiet Adulthood" (조용한 어른)

태양은 현재도 핵에 존재하는 수소를 사용하면서 조용히, 점진적으로 변하고 있음:

• 약간씩 커진다.
  
• 약간씩 밝아진다.
  
• 온도가 약간씩 뜨거워지다가 약간씩 차가워진다.

전체적인 변화는 아주 작지만, 작은 행성의 입장에서 보면 효과가 클 수도 있다.

Mid-Life Crisis for the Earth (지구의 위기)

태양의 나이가 56억년 (현재의 11억년 이후) 일때:

• 태양은 현재보다 10% 밝아진다.
  
• 여분의 태양에너지는 온실효과(Moist Greenhouse Effect)를 일으킨다.
  

지구의 대기는 마르고, 수증기는 우주로 증발한다. 이같은 상황은 지구의 많은 생명들을 앗아갈 것이다. 몇가지 수중생물 종류와 단순생물들이 해양이나 얼마 남지 않은 수중환경에서 살아남을 것 이다.

Venus on Earth (금성과 같은 지구)

태양의 나이가 80억년 (현재의 35억년 이후) 일때:

• 태양은 현재보다 40% 밝아진다.
• 여분의 태양에너지는 온실효과(Runaway Greenhouse Effect)를 야기한다.
  

바다는 우주밖으로 증발해 버리고, 지구는 현재의 금성과 미슷하게 변한다. 이러한 상황은 지구상의 모든 생명의 종말을 의미한다.

Core Hydrogen Exhaustion (T=10.9 Gyr) (109억년후 수소 고갈)

태양의 나이가 109억년 일때:

• 태양의 핵에는 더이상 수소가 없다.
  
• 지난 110억년간 중앙핵에 착착 쌓여온 핼륨들이 불안정해지면서 자신의 무게에 의하여 붕괴된다. 이것은 핵을 가열하고 농축시킨다.
• 마지막 남아 있던 수소융합 부분이 핼륨핵으로 둘러쌓여 들어간다.

태양에 이러한 현상이 일어날때:

• 약간 커진다 : 1.58 R_sun
• 약간 밝아진다 : 2.21 L_sun

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태양이 지금보다 5% 더 뜨거워지면 모든 식물들이 죽어 버리고, 지금보다 10% 더 뜨거워지면 모든 동물들이 죽어 버립니다. 15% 더 뜨거워지면 강과 바다는 모두 증기로 변해 버릴 것 입니다.

인류는 아마 지금으로부터 10억년 안에 지구를 떠나야 할 것 입니다. 그리고 70억년 후의 우주에는 지구라는 행성 자체가 존재하지 않을 가능성이 매우 크다고 합니다.

이 글에 먼저 블랙홀이란 무엇인가를 읽어 보시는 것이 좋습니다. ^^

화이트홀의 정의

우주 물리학에서 화이트홀 이란 블랙홀을 시간적으로 뒤집은 것이다. 화이트홀은 아인슈타인 방정식으로 Schwarzschild 웜홀을 설명하는 과정에서 나왔으며, 블랙홀과 달리 사건의 지평선으로부터 물질을 방출한다. 화이트홀은 수학적으로 존재하지만, 실제로 천체로서 존재할지는 불명하다. 최근에 스티븐 호킹 박사가 블랙홀에서 물질이 방출 될 수 있다는 이론을 발표 하면서, 화이트홀과 블랙홀은 같은 것 이라는 논쟁이 있다.

웜홀의 정의

웜홀은 화이트홀과 블랙홀을 연결하는 통로이다. 웜홀은 블랙홀이 회전할 때 만들어 지며, 그 속도가 빠를수록 만들기 쉬워진다. (물론 이론적으로 예상해 봤을때 말이다.) 블랙홀로 들어가는 물질은 파괴되기 때문에 웜홀을 통한 여행은 수학적으로만 가능하다. 웜홀의 존재를 가정하기 시작하면 이 문제는 3차원 영역을 넘어서 4차원적인 영역으로 넘어가게 된다. 웜홀의 개념은 아래 그림을 보면 좀 더 이해하기 쉬워진다.

블랙홀을 통과 하는 것은 가능할까?

블랙홀을 통과하는 물질은 그 압력으로 파괴된다. 이때 가해지는 압력을 상상해 보면 이렇게 될 것 같다.

블랙홀의 크기는 사건의 지평선의 크기로 측정 되는데, 사건의 지평선은 주위를 지나가는 빛이 블랙홀로 끌려가는 경계선을 나타낸다. 지구의 중력 가속도는 9.8m/sec 이다. 이것을 1G의 압력이라고 하고, 블랙홀의 크기(사건의 지평선의 지름)가 40만 킬로미터라고 가정하고, 물체가 블랙홀의 중심까지 끌려가는 시간을 1초라고 가정 했을때 블랙홀 근처에서의 압력은 2천만G가 넘게 된다. 인간이 만든 물건 중에 이런 압력을 견딜 수 있는 것은 아직 없는 듯 하다. 아마  블랙홀의  중력가속도는 이보다 클 가능성도 높을 것이다.

그렇다면 광속에 가까운 속도로 블랙홀에 접근하면 어떻게 될까? 상대성 이론에 의하면 물체가 광속에 가까워 지면 다른물체에 대한 상대적인 질량이 늘어나게 된다. 광속에 아주 가까운 속도가 될 수록 상대적인 질량은 무한대로 늘어나게 된다. 광속에 가까운 속도로 갈수록, 블랙홀과 비슷하게 되는 것이다. 그래서 물체는 광속보다 빠른 속도를 가질 수 없다. 그렇다면 광속에 가까운 물체가 블랙홀에 접근 한다면, 이런저런 이유로 속도는 더 이상 늘어날 수 없을 것이다. 그렇다면 가속력도 없지 않을까? 그럼 블랙홀의 엄청난 압력을 받지 않게 되는 걸까? 그럼 블랙홀을 통과해서 웜홀로 들어가는 것은 가능할까?

결론이 좀 허무하기는 하지만, 현재로서는 웜홀이 존재하는지, 또는 웜홀이 다른 장소로 연결되어 있는지 아무도 모른다. 그리고 블랙홀을 통과하는 방법이 있는지도 아무도 모른다. 하나 확실한 것은 수많은 별들이 직접 몸이 부서져가며 보여 주듯이, 블랙홀 근처에 그냥 다가서면 물체는 파괴되어 버린다. 광속에 가까운 속도로 접근하면 가능성이 있을까? 하는 상상을 하는 것이 고작이다. (그런점에서 블랙홀을 무슨 깔대기처럼 생긴 동굴이나 되는듯이 기어들어가는 만화나 영화들은 웃겨 보인다. ^^)

상대성 원리에 의하면 블랙홀을 그냥 통과하는 것은 불가능(물체는 빛의 속도보다 빠른 속도를 가질 수 없다, 블랙홀은 빛의 속도로도 탈출 하지 못하는 곳이다)하다. 블랙홀을 통과 한다면, 그 곳은 아마 다른 곳일 거라고 상상 하는 것은 그리 허황된 것 만은 아닌 것 같다.

우주전쟁 시리즈에 이어서 이번에는 광속여행에 대해서 궁금해 졌습니다. 글이 조금 길기 때문에 한번에 쓰지는 못하고 역시 시리즈로 쓸 생각 입니다. 이번 글에서 찾아보는 내용은 초광속 비행 중에 웜홀(블랙홀,화이트홀,웜홀)을 이용한 여행에 관한 것과, 광속보다 빠른 입자에 관한 내용입니다. :)

블랙홀의 정의

어지간한 초등학생 이상이라면 알고 있을 만한 '블랙홀'이라는 말은 천체의 한 종류를 가르키는 말이다. '블랙홀'도 별의 일종이라는 말이다. 일반적인 항성은 빛을 내보내지만, 블랙홀은 오히려 빛을 빨아들인다. 그래서 검은 구멍처럼 보이기 때문에 블랙홀 이라고 부른다.

블랙홀이 빛(뿐만 아니고 주위의 모든 물질)을 빨아들이는 이유는, 중력이 매우 높기 때문이다. 천체의 표면에서 물체를 던졌을때 그 물체가 천체의 중력을 이기고 우주로 나갈 수 있는 속도를 '탈출속도'라고 한다. 중력이 매우 높아서 탈출속도가 빛의속도(초속 30만 킬로미터)를 넘어서면 빛 조차도 빠져나올 수가 없게 되는데, 이게 블랙홀 이다. 사실 '탈출속도'는 질량과 크기에 상관이 있는데, 태양이 현재 질량을 유지한체 반지름 3킬로미터의 크기로 줄어들게 되면 블랙홀이 된다.

태양보다 30배 이상 질량이 큰 별은 '별의 진화'과정의 마지막에 블랙홀이 되어 생을 마감할 수 밖에 없다고 한다. 우주에는 이렇게 초신성이 폭팔 하면서 만들어진 블랙홀이 무수히 많다. 반면에 태양보다 수백만배 더 큰 질량의 블랙홀의 경우는 아직  정확한 실체를 모르고 있다.

출처: en.wikipedia.org created by NASA.

블랙홀의 성질

블랙홀의 주위를 지나는 빛이 빨려들어가는 경계를 '사건의 지평선'(이 현상은 상대성이론으로 설명이 된다)이라고 부르는데, 블랙홀의 크기는 '사건의 지평선'의 크기로 판단한다. (그 안에 실제 천체가 몇백 킬로미터 인지 콩알보다 더 작은지는 모른다)

영국의 물리학자 스티븐 호킹 박사는 최근 블랙홀이 주위의 모든 물질을 빨아들이면서 물리량이 영원히 사라져 버린다는 기존의 주장을 뒤집는 발표를 하였다. - 2004년 "제17차 일반상대론 및 중력에 대한 국제학회"

호킹 박사는 21일(현지시간) 아일랜드 더블린에서 열린 ‘제17차 일반상대론 및 중력에 대한 국제학회’에 참가해 블랙홀이 빨아들인 모든 것을 파괴시킨다는 지금까지 자신의 믿음은 틀렸다고 밝혔다.

이번 학회에서 그는 블랙홀로 빨려들어간 물질의 정보(물리량)가 ‘뭉개진 형태로’ 다시 나올 수 있다는 사실을 암시하는 새로운 계산 결과를 제시했다.

호킹 박사는 “당신이 블랙홀로 뛰어든다면 당신의 질량 에너지는 우리 우주로 되돌아올 것”이라며 “물론 당신에 대한 정보를 담고 있는 뭉개진 형태로 돌아올 것”이라고 설명했다.

그동안 호킹 박사는 블랙홀로 빨려들어간 물질의 정보, 예를 들어 물질을 구성하는 양성자나 중성자의 수와 같은 물리량이 영원히 사라져 버릴 것이라고 주장해 왔다.

그는 1975년 뭐든지 빨아들이기만 한다고 알려진 블랙홀이 오랜 시간이 지나면 빛을 내놓고 결국 증발해 버린다는 연구 결과를 발표했다. 이 빛은 ‘호킹 복사(Hawking radiation)’라 불린다. 그러나 이때도 블랙홀에서 빨아들였던 물질의 정보는 나오지 않고 단순한 빛만 사방으로 퍼져 나온다고 주장했다.

하지만 미시세계를 지배하는 양자역학에 따르면 정보가 완전히 소멸하는 현상은 불가능하다는 의견이 제기돼 왔다. 이런 입장에 섰던 대표적 과학자가 미국 캘리포니아공대의 존 프레스킬 교수. 이는 ‘블랙홀 정보 패러독스(역설)’라고 불린다.

이번 발표는 호킹 박사가 자신의 견해를 뒤집으면서 이 패러독스를 어느 정도 해결한 것이라는 평가를 받고 있다. 블랙홀도 양자역학의 지배를 받는다는 점을 인정한 셈이다.

원문 : (동아일보)호킹박사 “내 블랙홀 이론 틀렸다”…패배 인정에서 일부 인용

그리고 좀 더...

블랙홀에 빨려들어간 물질은 '뭉개진 형태로' 다시 우리우주로 되돌아 올 수 있다고 한다. 그럼 완전히 사라지지는 않는다는 말이다. 그럼 블랙홀을 통과한 '뭉개진 정보' 형태를 조합하여  다시 복원 하는 것도 가능할까? 이런 형식의 물질을 조합하는 장치가 만들어 진다면, 차라리 물질의 정보를 빛에 싫어 보내면 안정적인 광속여행이 가능하지 않을까? 이 방법이 훨씬 더 매력적으로 느껴진다. 물론 처음에 물질 전송장치를 그 장소까지 이동시키는 것은 우주선으로 옮겨야 할 것 같다. :)

지구연방의 우주탐사 역사에 한획을 그을 수 있는 "스파르타크 프로젝트"가 드디어 그 결실을 맺으려 한다. 스파르타크 우주선에 탑승할 18명의 명단이 오늘 공개 되었는데, 가장 나이가 많은 스파르타크 호의 선장 (25세, 남)을 중심으로, 가장 나이가 어린 게라시, 마르타, 베로니카의 나이는 이제 겨우 10세에 불과하다. 연방정부 과학처의 발표에 따르면, 이들이 약 80년간의 임무를 성공적으로 마치고 돌아오게 된다면, 75세의 나이로 다음세기가 되서야 도착할 것이라고 밝혔다.

출처: commons.wikimedia.org created by NASA.

이들 18명의 영웅을 선발 하는 데는 지원자 5만3201명을 대상으로 지난 1월부터 1년 가까이 진행된 철저한 심사가 있었으며, 심사 방식 및 진행은 철저히 비밀에 쌓여 진행 되었다.

이들 중 8명은 지질,탐사,물리,수학,의학,천문,항해 등의 분야에서 천제적인 자질을 인정 받은 젊은이들로 이루어져 있으며, 10명의 어린아이들은 천재적인 가능성을 가지고 있다. 이들은 8명의 리더로 부터 완벽한 교육을 받게 될 것이며, 다른 행성계에서의 탐사활동에 주도적인 역할을 담당하게 될 것이라고 밝혔다.

과학처는 또 현재 장거리 항해에 적용 될 수 있는 최신기술로 궤도상에서 건조된 가장 거대한 우주선인 스파르타크도 소개 하였는데, 스파르타크는 80년 이상 장기임무가 가능한 보급품을 싫을 수 있으며, 각종 탐사장비와 연구장치, 재활용 장치, 원심 중력장치 등이 설치되어 있다고 한다. 우주선의 최대 속도는 광속의 80%까지 가능 하며, 최대 가속은 0.5G 까지 낼 수 있다. 이는 현재 가장 빠른 우주선의 광속의 88% 속도에 근접한 속도로 장거리 우주선으로서는 가장 빠른 속력이다. 또한 최대가속은 0.5G 까지 가능 하다. (현재 최대가속은 1G까지 가능한 기술이 있지만, 장거리 우주항해에 필요한 원심 중력장치를 유지하려면 현재 기술로는 0.5G가 한계라고 한다.)

18명의 우주인은 11번 우주도시에서 장거리 우주여행을 위한 적응 훈련을 거친 후, 오는 9천9백5십년 1월1일을 기해 에리다누스에 속한 항성계를 향하여 22년 간의 긴 여행을 시작하게 된다. 향후 과학처는 지속적인 우주 탐사계획을 추진할 예정이다. 현재까지 지구와 가장 비슷한 환경이라고 관측되는 행성계는 에리다누스에 속한 항성계가 가장 많은 것으로 알려져 있다.

- 우주력 9천9백4십9년 3월 어느날 연방뉴스 -

참고로 이 글에는 1960년대 러시아의 SF 작가 Kirill Bulychev 의 단편 "I Was the First to Find You"의 인물들이 등장 합니다. 일종의 팬픽이라고 할 수 있습니다. ^^

대표적인 우주항공사 '제노이 코스모스'에서 최근 승무원 및 승객들의 피로를 최소화 하면서 최대항속을 유지할 수 있는 항해법을 소개 하였습니다. 이 항해법은 '제노이 코스모스' 우주항공사에서 지난 50년간 시험적용 해 본 결과 탑승인원의 피로도 및 평균운항속도 면에서 탁월한 효과가 입증되었다고 합니다. 우주선의 속도를 관측시간 당 그래프로 그려보면 파도처럼 보인다고하여, 파도항해법 이라고 불리우며. 세부 운항 방법은 아래와 같습니다.

1. 광속의 99.5% 속도까지 가속항해. (99.5% 가속기술은 최신기술이며, 시험 초기에는 90% 였음)
   
2. 승무원들의 생체시간이 오전 6시에 이를 때까지 무중력 항해. (광속의 99.5% 속도)
3. 생체시간을 기준으로 오후 3시에 이를때까지 0.8G 감속운행. (통계적으로 광속의 98.8% 까지 감속됨)
4. 0.8G 가속으로 전환하여 다시 9시간 가속운행.
5. 이후 6시간 동안 무중력 항해. (광속의 99.5% 속도)
6. 목적지가 가까워 오면 감속운행으로 전환

파도항해법을 이용하면 그 동안 승무원 들의 건강문제로 항해가 불가능하던 5광년 이상의 거리를 항해하는 것이 가능하며, 장거리 항해 후의 후유증도 크게 줄어들 것으로 전망 되고 있습니다. 다만 기존의 단순 항해 방식보다 10배 이상의 에너지를 더 사용한다는 단점이 있다고 합니다.

파도항해는 가속과 감속에 사용하는 가속력에 따라 3가지 운행 방법으로 분류 됩니다.

먼저 0.8G로 가속 및 감속하는 항해법의 경우 440일 동안 가속 또는 감속 상태에 들어가게 됩니다. 이 경우 승무원들의 상대시간은 347일(약 12개월)이 됩니다. 그리고 2G로 가속 및 감속 하는 경우 176일 동안 가속되며 상대시간은 138일 (약 4.5개월)이 됩니다. 이 경우 특수 슈트를 착용한 상태에서 생활하게 됩니다. 통계적으로 슈트를 착용한 상태에서 1.5G의 가속 및 감속(각각 관측시간 234일, 상대시간 185일)을 사용하는 것이 가장 효율적 이었다고 합니다.

평균적으로 "1.5G 파도항해"로 5광년을 이동하는 관측시간은 2078일 (5.69년), 상대시간은 563일 (1.54년)이며, 10광년을 이동 할 경우 관측시간은 3911일 (10.71년), 상대시간 782일 (2.14년)이 걸릴 것으로 예상된다고 합니다.

- 우주력 1만2십3년 7월 어느날 연방뉴스 -

지구에서 가까운 곳에 지적 생명체가 있는지 찾아 보려면 어디를 찾아야 할까?

일단 행성을 가지고 있는 항성이어야 할 테고, 태양보다 너무 크거나 작아도 곤란하고 나이차가 많아도 생명체가 있을 가능성이 작다. 태양과의 거리는 5파섹 (16.308광년) 이내로 찾아보자. 이 정도 범위내의 항성은 약 50개 정도 있다. 이 중에 나이가 최소 30억 년, 질량은 태양의 1.5배 이내, (행성을 형성하는 기준인) 철 함량이 태양의 절반 이상이 되는 항성을 골라 보면, (최근 까지 알려진 바로는) 4개(알파 센타우리 B,입실론 에리다니,입실론 인디 A,타우 세티) 정도를 고를 수 있다.

이런 행성들은 영화나 소설에 단골 배경으로 등장한다.

지구와 비슷한 환경을 가진 행성이 존재할 확률이 큰 이런 가까운 항성들은  관측된 자료가 비교적 많은 만큼, 영화나  과학소설, TV 시리즈 등에 단골 메뉴로 등장한다. 워낙에 시리즈가 다양한 스타트랙 관련물 에서도 위의 4가지 항성계들이 등장한다.

• 알파 센타우리

켄타우루스자리의 알파 센타우리는 태양계에서 가장 가까운 별이다. 이 별은 삼중성인데 알파 센타우리 A, 알파 센타우리 B, 프록시마 센타우리로 되어 있다. 지구에서 약 4.3 광년 떨어져 있으며, 알파 센타우리 B 에는 생명체가 존재 할 만한 환경의 행성이 있을 가능성이 있다. 비교적 많이 알려져 있는 만큼 무수한 소설,게임,영화등에 등장한다. 이 중에 Star Trek: The Original Series"Metamorphosis"(1967) 에피소드의 Zefram Cochrane이 알파 센타우리와 관계가 있다. 그 외 다른 에피소드나 영화판에도 여러번 언급이 된다. 참고 이미지

• 입실론 에리다니

에리다누스자리의 입실론 에리다니는 지구에서 약 10.5 광년 떨어진 항성이다. 허블 망원경으로 관측이 가능 할 정도로 가까운 거리이기 때문에 게임이나 소설에 배경으로 자주 등장 한다. Star Trek: Enterprise에서 등장하는 Vulcan 행성이 이 곳이라고 하기도 하지만, 지구와의 거리가 16광년이라는 설정을 보면 Vulcan 행성은 지구와 16.5 광년 거리의 40 Eridani 일 확률이 높다고 한다.

• 입실론 인디

인디언자리의 입실론 인디 A 는 지구에서 11.83 광년 떨어져 있고, 역시 생명체가 존재 할 만한 환경의 행성이 있을 가능성이 높은데, 영화,소설,게임의 배경으로 자주 쓰였고, Star Trek: The Original Series "And the Children Shall Lead" 에피소드에 등장한다.

• 타우 세티

고래자리의 타우 세티는 지구로 부터 12 광년거리에 위치한다. 동일한 이름의 게임이 있을 정도로 게임이나 소설의 배경으로 유명한데, Star Trek: The Next Generation "Journey's End" 에피소드에 등장한다.

아쉽게도 '스타트랙'의 모든 이미지는 저작권이 걸려 있어서 가져다 쓰기가 힘들군요. ㅜ.ㅜ

몇년 전 디스커버리 체널에서 '미래의 지구(원제 The Future is Wild)' 7부작을 방송 한 적이 있다. 각각 500만년,1억년,2억년 후의 지구의 모습과 생물들의 모습을 유추 해서 보여주었는데, The Future is Wild 홈페이지에 가면 자료를 찾을 수 있다.

출처: The Future is Wild

5백만년 후의 지구의 모습은 빙하기가 찾아오고, 대기는 습기가 부족하고, 해수면이 150미터 내려가 지중해는 분지로 변해 버린모습을 그리고 있다. 북미지역은 사막화되고, 아마존 숲은 강이 마르고 건조해지며, 유럽은 밤이면 영하 60도 까지 내려가는 지금의 시베리아와 같은 곳으로 변한다고 한다.

1억년 후에는 빙하기가 끝나고 따뜻해진 모습으로 그려졌다. 북극의 얼음이 녹아버려서 현재의 북극은 없어지고, 남극대륙은 북쪽으로 올라오며, 아시아는 남쪽으로 더 내려가서 평균 40도의 기온이 된다고 한다. 해수면이 100미터 올라가 지중해 연안이나 낮은 지역은 모두 바다 밑으로 가라앉아 버린다.

2억년 후의 지구는 판구조 운동에 의하여 하나로 합쳐진 거대한 하나의 대륙과 나머지 전영역을 차지하는 하나의 대양의 모습으로 예상된다. (마치 3억년전의 판게아 대륙과 판탈라사 해의 모습과 비슷하다) 대륙의 중앙에는 밤낮으로 영상 50도와 영하 30도를 오르내리는 거대한 사막이 존재하며, 30~60도의 높은 기온과 높은 습도를 가지는 거대한 삼림지대도 존재한다.

미래의 지구에서는 인류의 모습이 보이지 않았다. 이후 5백만년 전에 살아남지 못하고 멸종 되었다는 내용이다. 사실 지질학 쪽을 찾아보면 지구의 역사는 수 많은 빙하기로 이루어져 있다. 지금으로 부터 약 500만년 전에는 따뜻한 기후 였다고 알려져 있으며, 약 200만년 전에는 빙하기 (단순히 '빙하시대'라고 할때는 200만년 전에 있었던 제4기의 빙하시대를 가리키는 경우가 많다. 가까운 과거에 가장 크고 길었던 빙하기 라고 알려져 있다.) 였다고 알려져 있다. 마지막 빙하기(뷔름기:약 7만년 전부터 1만년 전까지)가 끝나고 따뜻해지기 시작 한 것은 약 1만년 전 부터라고 한다. 앞으로 500만년 안에(1만년 후가 될 수도 있고 500만년 후가 될 수도 있다) 빙하기가 찾아 올 것 이라는 것은 충분히 예측 가능한 일이다. 그렇게 되면 인류는 살아남지 못 할 가능성이 클 것이다. (동식물은 매우 큰 빙하기가 되면 거의 전멸 상태에 들어가게 된다) 하지만 그 안에 우주로 진출하여 태양계의 다른 행성에 이주할 가능성도 높다. 어느쪽이 되던 먼 미래의 지구에서는 거주하는 인류가 거의 없을 가능성도 매우 높을 것 이다.

외계인은 존재 할까? 존재 한다면 어떻게 생겼을까? 어디에 살까?

온 우주에서 지구와 환경이 비슷 하리라고 예상되는 행성의 갯수는 XXX개 정도, 관측적 근거가 있는 것은 아니고 다만 확률적인 계산 뿐이다. 외계인에 대한 자료를 찾아보면 대부분 추측이나, 미약한 관측적 근거를 가지고 추측하는 자료이다. 더구나 과학적 근거를 가지고 살펴보는 자료들은 대부분 창조과학 쪽에서 외계인의 존재 가능성을 부정하는 글이 대부분이다. 어쩔수 없는 것이 아직까지 외계인의 존재에 대한 관측의 시도는 성과가 전혀없다고 해도 과언이 아니다. 그럼에도 불구하고 요즘 자라나는 5살배기 어린아이들 까지 외계인이 있다고 믿고 있더라. (이것은 마치 산타클로스가 존재한다고 굳게 믿고 있는 동심으로 보아야 하는 것일까?)

 

출처: 지민이가 그린 외계인 그림

아무튼 "스페이스 오페라" 에서 등장하는 "외계인과의 멋진 우주전쟁 장면"을 무지무지 좋아하는 주인장으로서는 이런 (공상과학의 세계와 현실과학의 세계와의 엄청난 괴리가 존재하는) 현실이 정말 아쉬울 따름이다.

그럼 미래에 어느 때 즈음에 정말로 우주에서의 전투가 일어나게 된다면  상대는 누가 될 가능성이 가장 클 것인가?

제일 가능성 높은 것은 아마도 같은 "지구인" 일테고, 그 다음에 가능성 높은 것은 어떤 이유에서든 간에 가까운 행성으로 이주해간 "인간" 일 것이다. 거기에 조금 더 (미약한) 가능성을 찾아 본다면, 아주아주 오랜 시간이 흐른 뒤에 지구에 있던 어떤 생물(또는 무생물)이 진화해서 지성을 가지게 된다는 가정 일 것이다. (이런 상대는 원숭이 인간이 될 수도 있을 테고, 로봇이 될 수도 있을것이다)

이렇게 되면 아마도 각각의 상대방이 위치한 거리는 태양계 안쪽이 될 가능성이 매우 높을 것이고, 최대한으로 거리를 넓힌다고 하더라도, 대상은 태양계에서 가장 가까운 항성(약 4.5광년) 또는 행성(약 10광년)이 될 것이다.

가능성은 전혀 밝혀 진게 없지만, 만약 외계인이 있다면 그 외계인들이 위치한 곳은 가장 가까운 곳이라고 해도 지구에서 약 10~100광년 사이가 될 것이다. 이렇게 먼 거리는 현재로써는 어떻게 이동할 것인지 예상조차 할 수 없는 거리가 된다. 현재의 시간 속에서 외계인과의 우주전쟁은 상상 속에서나 가능한 일일 것이다.

관련글:

2007/11/04 - 외계인과 우주전쟁을 한다면 #2 - 이야기의 가정

참고글:

화성에 생명이?

과학자와 외계 생명체

외계생명체 유입설

왜 우주선을 타고 별들을 향해 여행하는 것이 불가능한지 12 가지 이유라는 내용의 글을 읽어 보았다.

원문의 출처 는 Encyclopedia 라고 하는데 링크가 깨져 있어서 찾을 수 없었다. 다만 번역 되어 있는 글을 볼 수 있었는데 번역 하신 분들은 "IT사역위원회" 라고 하신다.

이 글을 거꾸로 생각해 보면 12가지 문제를 해결하면 어느정도 우주여행의 실마리를 찾을 수 있다는 이야기가 된다. (자아 이제 하나씩 살펴보자) ^^

1. 신체의 악화 (Deterioration)
   • 문제점: 중력이 없는 상태에서 오래동안 있으면 몸이 약화된다.
   • 실마리: 가속과 감속에 필요한 가속압력을 이용한다.
2. 낡아짐과 고장 (Wear and Breakdown)
   • 문제점: 오래 동안의 우주선 가동으로 장비가 낡아져 고장이 생긴다. (15년간의 가동으로점도 다양한 문제점이  있었음)
   • 실마리:  계속 개선되어야 할 사항이고, 이에 따른 우주여행의 시간에 제약이 따름. (중간 기착지 필요)
3. 방사능 위험 (Radiation Hazards)
   • 문제점: 우주공간에 존재하는 고에너지 입자(X-ray,Cosmic rays ... )들이 사람에게 문제가 됨.
   • 실마리: 자기장이나 차폐막과 같은 구조물 아래 중앙 부분에 거주공간이 존재하여야 할 필요가 있음.
4. 유성들 (Meteoroids)
   • 문제점: 크거나 작은 물체에 충돌할 가능성이 매우 높다.
   • 실마리: 이 문제 때문에 보다 정밀한 관측 장치 및 "소규모 방해물 요격장치" 회피장치 등이 필요하다.
5. 가능성 없어 보이는 수리작업 (Repairs Unlikely)
   • 문제점: 100년 이상 걸리는 여행에 심각한 고장이 일어난다면 수리는 불가하다.
   • 실마리: 2번 문제와 더불어 이러한 문제 때문에 우주선을 높은 속도 까지 가속하여 운항시간을 단축 하여야 하며, 중간 기착지가 필수 적이다. 가능하면 단거리 항행 쪽이 유리하다.
6. 멀미 (Motion sickness)
   • 문제점: 원심력에 의한 중력 유지는 코리올리의 효과(Coriolis effect) 때문에 심각한 멀미를 유발 할 수 있다. (신체적인 혼란)
   • 실마리: 가속압력을 중력유지에 사용한다면 원심력에 의한 문제는 사라진다.
7. 공기오염 (Air Pollution)
   • 문제점: 작은 공간에서 100년 이상 온전한 환경의 균형을 유지하는 것은 힘들다.
   • 실마리: 이 또한 항행 시간을 단축 하는 방법과 생명유지 장치의 개선 밖에 방법이 없다. 광속에 가까운 속도까지 가속 하게 되면 상대적으로 우주선 안의 시간이 느려지게 된다.
     
8. 에너지 공급 (Energy Sources)
   • 문제점: 태양에너지를 쓴다고 하더라도, 에너지 문제는 해결되지 않는다.
   • 실마리: 태양에너지도 쓸수 있지만, 원자력 에너지와 같은 다른 에너지도 써야한다.
9. 사람들 사이의 분쟁 (Interpersonal Conflicts)
   • 문제점: 갇혀진 공간에서의 삶은 심각한 문제를 초래한다.
   • 실마리: 7번의 문제가 생물학적 문제라면, 9번의 문제는 사회적 문제이다. 문제해결의 실마리는 동일 할 것이다.
10. 너무도 광대한 거리 (Distances Too Vast)
    • 문제점: 가까이에 있는 10광년 거리의 별에 가더라도, 현재 기술로는 330년 에서 3만년 정도가 걸릴 것 이다.
    • 실마리: 광속에 가까운 속도 까지 가속하는 방법이 실용화 되기 전까지는 장거리 우주여행은 거의 불가능 한게 사실이다. 현재의 기술로는 이룰 수 없다.
11. 무선 통신 (Radio contact)
    • 문제점: 너무나 먼 거리 때문에 무선통신도 역시 어렵다.
    • 실마리: 광속보다 빠른 통신 속도는 불가능 하다. 중간기착지도 도착하기 전 까지는 통신 없이 항해하는 수 밖에 없다.
12. 가능성 없는 목적지 (Objective Unlikely)
    • 문제점: 한번의 여행으로 유용한 정착지를 발견하지 못한다면, 다른곳으로 갈 연료가 없다.
    • 실마리: 광속에 가까운 속도로 가속하는 방법이 있다면, 가장 가까운 별까지 왕복 하는 것이 가능해 진다면, 한발씩 전진하는 것은 가능하다.

여기까지 대충 살펴 보았는데, 장거리 우주여행의 가장 큰 문제는 그 광대한 거리에 따른 시간의 문제가 가장 심각하다. 장거리 우주여행을 위한 가장 기초적으로 해결되어야 할 일은, 약 5광년의 거리를 여분의 물자를 싫고 10년 안의 시간에 도착하여 물자를 내려놓고, 다시 10년안의 시간에 되돌아 올 수 있는 방법을 개발하는 것이다. 여기에는 적은 연료로 오랫동안 가속 할 수 있는 기술이나, 충분한 가속을 오래동안 유지할 수 있는 기술, 광속에 가까운 속도 까지 가속 할 수 있는 기술 등이 중요한 영역이 될 것이다.

우주선을 광속의 99% 까지 가속하는 방법이 가능하다면 12가지 중 절반 이상을 차지하고 있는 시간적인 문제(1,2,5,6,7,9,10)는 어느정도 해결이 가능하다. 약 5광년의 거리에 중간 기착지를 만들었다고 쳤을때 여기까지 도착하는 시간은 가속하는 압력에 따라 아래와 같이 계산 해 볼 수 있다.

압력	실제 5광년을 여행하는 시간	실제(상대) 가속시간	우주선 안의 상대적인 시간
1G	2194일, 6년	350일(278일)	766일 (가속감속 556일, 210일 무중력)
2G	2018일, 5.5년	175일(139일)	513일 (가속감속 278일, 235일 무중력)
3G	1960일, 5.3년	116일(93일)	429일 (가속감속 186일, 243일 무중력)
5G	1913일, 5.2년	70일(55일)	361일 (가속감속 110일, 251일 무중력)
10G	1878년, 5.1년	35일(28일)	310일 (가속감속 56일, 254일 무중력)
25G	1857일, 5.0년	14일(11일)	280일 (가속감속 22일, 258일 무중력)

급하게 계산해 보느라 틀렸을 수도 있지만 결과는 흥미로왔다. 급속한 가속을 할 경우 우주선 안에서 280일이 지나면  도착이 가능하다.  1G의 압력 이면 지구의 중력과 동일한 환경이 되는데, 약 2년의 항해시간 중에 6개월 정도는 무중력 하에서 보내게 된다. 이 정도의 환경이면 어느정도 우주여행을 할 수 있지 않을까? 문제는 광속의 99% 까지 안정적으로 가속 및 감속하는 기술이 될 것이다.

관련글:
2007/11/29 -- 외계인과 우주전쟁을 한다면 #10 - 우주전함 간의 전투

현재 우주전함에 가장 가까운 모습을 지닌 것은 우주왕복선 일 것이다.

출처: commons.wikimedia.org created by NASA.

우주왕복선은 지구에서 우주로 나갔다가 다시 지구로 귀환하는 것을 목적으로 설계된 모양이다. 여기에는 장기간의 우주항행을 하기 위한 몇가지 고려가 빠져있다.

장기간의 우주 항해를 위한 한 두가지 고려를 더하여서 우주전함의 모습을 상상해 보면 아마 이런 모습이 되지 않을까 한다.

출처: 직접 그렸음

거주구역

• 가속도를 탑승한 사람의 아래방향으로만 받게 하기 위한 구조가 포함되어 있다. 가속이나 방향전환 중에 받는 압력을 아래쪽으로 유지하기 위하여 승무원들은 전부 자유자제로 방향 전환이 가능한 구체 안에 있어야 한다. 이 경우 어느방향으로 움직이던간에 가속 압력을 항상 아래 방향으로 유지 하는 것이 가능 하기 때문에 인공 중력이 생기게 된다. 최대 속도로 올라가서 가속을 더 이상 못할 때에는 무중력 상태가 된다.

추진구역

• 추진구역은 아무리 효율 좋은 추진방식을 개발 하더라도 전체 크기의 꽤 많은 비율을 차지하게 될 것이다. 여기에 방향 전환을 위한 보조 추진 장치도 필요하다. 우주항해의 순서는 가속항행->최대항행->감속항행 의 순서로 이루어 질 것이다.
  

무기구역

• 무기구역은 다른 구역에 비하여 부피가 작을 것이다. 하지만 자유로운 방향 전환을 위한 위치가 필수 적이다.

맨 앞부분에 해당하는 부분은 항해 도중 방해되는 물체를 저지하기 위하여 플라즈마나 레이저로 이루어진 보호장치가 필수 적일 것 같다.
항해가 최대항행을 넘어서 감속에 들어가면 추진부의 방향을 돌려야 하는데 이때 추진부가 앞쪽을 향하게 되기 때문에 방해물체를 보호하기 위한 장치가 후방부에도 고려되어야 한다.

정말로 방어막 같은게 개발 된다면 멋지게 생긴 우주전함을 만들 수 있을텐데, 그러지 못하는 것이 참으로 아쉬울 따름이다. ^^

이 글을 읽기전에 먼저 이런 잡담을 하게된 이전 글들을 읽어 보시면 좋을 것 같습니다.

• 외계인과 우주전쟁을 한다면 #1 - 이야기의 발단
• 외계인과 우주전쟁을 한다면 #2 - 이야기의 가정
• 외계인과 우주전쟁을 한다면 #3 - 이야기의 시작
• 외계인과 우주전쟁을 한다면 #4 - 본격적인 이야기
• 외계인과 우주전쟁을 한다면 #5 - 초광속비행
• 외계인과 우주전쟁을 한다면 #6 - 광속엔진
• 외계인과 우주전쟁을 한다면 #7 - 우주전함의 무기체계
• 외계인과 우주전쟁을 한다면 #8 - 에너지 빔 무기
• 외계인과 우주전쟁을 한다면 #9 - 우주전함과 입자빔
  

우주선에 관한 기술이 발전되고, 우주 항해를 위한 동력 문제가 충분히 해결된다면, 우주에서 사람이 탑승한 우주선을 고속으로 운행하는데 최고의 걸림돌은 가속에 따른 관성에 법칙에 의한 압력이 될 것이다.

이미지 출처: 위키백과

전투기의 조종사를 살펴보았을때 4G 이상이 되면 시야가 흐려지고 5G 이상이 되면 의식을 잃을 수 있다. F-16 전투기는 (일시적으로) 최대 9G 까지 압력을 받을 수 있다고 한다.

조종사 들이 착용하는 슈트가 1~2G 가량 압력을 줄여주는 효과가 있다는 것을 고려했을때, 미래에 더 좋은 슈트가 개발되어 2G 가량의 압력을 항상 줄여 줄 수 있는 효과를 가진다고 가정 했을때, 우주전함의 가속은 6G 이상으로 지속 하는 것은 불가능해 보인다. 여기에 항행시 장애물의 급속 회피 동작을 고려하면 5G 정도가 안전한 가속 일 것 같다. 이것도 처음 출발이나 도착시에 잠시간의 시간만 사용 가능 할 것 이다. 긴 항해동안 정해진 자리에 꼼짝 말고 앉아서 압력만 견디면서 갈 수는 없기 때문이다. 밥도 먹고 화장실도 가야한다. 출발시에 잠깐 급가속 한후에는 평 가속으로 돌입 해야 하는데 이 경우 슈트를 고려하더라도 3~4G 이상은 힘들다. 그리고 전투시 격한 움직임을 고려하면 전투 속도는 3G 이하의 가속으로 사용 가능 할 것 같다.

이 정도의 속도가 우주공간에서 얼마나 빠른 속도인지 알아보기 위하여 아래의 표를 살펴보자. 일단 한가지 절대적인 가정은 광속의 99% 의 속도 이상은 낼 수 없다는 것이다.

압력	가속	가속시간	이동거리
1G	초속 9.8m,시속 35km	350일	4조5천억km = 0.5광년 = 3만AU
3G	초속 29.4m,시속 105km	116일	1조5천억km = 0.16광년 = 1만AU
5G	초속 49m,시속 176km	70일	9천억km = 0.09광년 = 6천AU
10G	초속 98m,시속 350km	35일	4천5백억km = 0.047광년 = 3천AU
25G	초속 245m,시속 882km	14일	1조8백억km = 0.019광년 = 1천2백AU
100G	초속 980m,시속 3528km	3일	4백50억km = 0.005광년 = 300AU

1초에 초속 9.8미터(시속 35킬로미터)씩 계속 가속하면 1G의 압력을 가지게 된다. 이 경우 광속의 99% 속도까지 가속 하는데 350일이 걸린다. 이동한 거리는 약 44,942억 킬로미터, 태양에서 명왕성까지의 거리(약 60억 킬로미터)의 450배 거리(약 0.5광년)이다. 탄도 요격 미사일의 경우 최대가속도는 100G 라고 한다. 이 경우 3일만에 광속의 99% 까지 가속이 가능하고, 가속에 필요한 거리는 450억 킬로미터(0.005광년, 300AU), 명왕성 거리의 7.5배 이다. 만약 0.5광년 거리의 적을 찾아낼 수 있다면, 연료만 충분 하다면 185일 (약 6개월) 후에 타격이 가능하다는 이야기 이다.

이렇게 되면 우주전함에서 공격을 위한 가장 중요한 시스템은 아마 레이더와 같은 탐지장비가 될 것이다. 전파 망원경과 비슷한 구조의 수동 탐지장치로 약 1광년 이내의 적의 존재를 식별 할 수 있어야 할 것이며, 0.5광년 이내의 적의 위치를 탐지 할 수 있을 정도는 되어야 한다. 500만 키로미터 이하의 거리에서는 레이저 측정 장치와 같은 능동적 탐지장치로 적의 정확한 위치를 거의 오차 없이 계산 할 수 있어야 하겠다. (이렇게 되면 잠수함의 능동 소나와 수동소나와 비슷하다)

또한 안전을 위하여 우주선에 피해를 입힐 수 있는 콩알만한 아주 작은 물체까지도 최소한 100만 키로미터 이하의 근접거리에서 탐지 가능 하여야 한다.

탐지 거리가 이정도 된다고 가정 했을때 능동적으로 적을 찾아서 갈 수 있는 유도 미사일 공격 체계의 경우 적의 위치를 탐지 할 수 있는 최대거리인 약 0.5광년의 거리에서 발사 가능하며, 적이 광속의 99% 속도로 이쪽으로 곧장 날아오고 있다고 한다면 약 3개월 후에  타격이 가능하다. 직사 무기인 빔 종류의 공격 거리는 빔 자체의 발사거리와 상관 없이 목표의 오차없는 정확한 위치를 알 수 있는 거리와, 목표까지 빔의 궤도(반입자 빔은 자기장등에 의하여 궤도가 휠 수 있기 때문에 궤도 보정을 통한 발사 각도를 계산 할 수 있어야 한다)를 계산 할 수 있는 거리에 의해서 결정 될 것 같다. 약 500만 키로미터의 목표를 타격 가능 할 것 같다. 이때 목표를 타격 하는데 까지의 시간은 약 30초 (조준 및 발사 10초 미만, 발사후 목표까지 약 20초 미만) 미만 정도 일 것이다.

우주에서 함대전이 발생 한다면 약 4조 5천억 킬로미터에서 적이 발견 되면 일단 먼저 장거리 유도 미사일을 발사 하고 승무원들을 준비시켜 가속을 시작하여 2~3개월 동안 항해하여 몇천억 킬로미터 이하까지 거리를 좁힌 다음 전투속도 이하로 감속하고 단거리 유도 미사일을 발사하여 미사일 전을 개시하고 일주일 안에 몇백만 키로미터 이하로 접근 하게 되면 단거리 포격전이 이루어 질 것 같다. 장거리 미사일이나, 단거리 미사일이나, 포격전에서 모두 1발만 맞으면 우주의 재로 화하게 된다.

가장 근접한 400만 키로미터의 거리는 지구에서 달까지 거리의 10배 이상. 지구에서 금성까지 거리의 20분의 1이하 되는 거리로, 적의 영상을 눈으로 확인 하는 것은 불가능(만화에 나오는 우주전함의 함교는 필요 없는 물건이다) 할 테고, 빔마저도 몇십초, 미사일은 몇일 만에 결과를 알 수 있는.. 마치 눈으로 볼 수 없고 소나에 의지하여야 하며, 느릿느릿 기어가는 어뢰로 싸워야 하는 잠수함전과 매우 흡사한 전투 방식이 될 듯 하다.

이렇게 해서 일단 계획한 분량의 글은 전부 다 쓰긴 썼습니다. ^^ (휴우)
이제부터는 차차 연표, 배경, 기타 과학적 자료들.. 에 관한 글들을 생각 날때 마다 쓸 생각 입니다.
일단 중력이나, 항해에 관한 문제에 대해서 우주전함의 구조에 대해서 먼저 시작할 예정이고, 그 다음에 대상이 되는 외계인에 대한 고민 등을 해 볼 생각 입니다. 생각 보다 자료조사에 시간이 많이 들어서. 글이 얼마나 주기적으로 올라 올찌 모르겠습니다만, 의외로 재미 있어서 차근 차근 하나하나 써볼 생각 입니다. 나중에 글이 어느정도 모이면 그때 무얼 할까 생각 해보기로 하고, 일단 지금은 흥미가 땡기는 대로 이것 저것. ^^

이 글을 읽기전에 먼저 이런 잡담을 하게된 이전 글들을 읽어 보시면 좋을 것 같습니다.

• 외계인과 우주전쟁을 한다면 #1 - 이야기의 발단
• 외계인과 우주전쟁을 한다면 #2 - 이야기의 가정
• 외계인과 우주전쟁을 한다면 #3 - 이야기의 시작
• 외계인과 우주전쟁을 한다면 #4 - 본격적인 이야기
• 외계인과 우주전쟁을 한다면 #5 - 초광속비행
• 외계인과 우주전쟁을 한다면 #6 - 광속엔진
• 외계인과 우주전쟁을 한다면 #7 - 우주전함의 무기체계
• 외계인과 우주전쟁을 한다면 #8 - 에너지 빔 무기
  

먼저 번 글에서 우주전함의 주포로는 입자빔이 가장 유력하다고 했다. 그럼 입자빔을 주포로 가지는 우주전함은 어떤 모습과 특징을 가지게 될까 살펴 보도록 하자.

입자빔에는 여러가지 종류가 존재 하게 되는데, 여기서 우주전함에 사용하려는 입자빔은 위력이 가장 강하다고 생각 되는 "반입자"를 사용하는 방식이다. 이 경우 대기중에서는 사용이 불가능 하고, 우주에서만 사용이 가능하며, 빔의 진행이 자기장등에 영향을 받을 수 있다는 단점을 가지게 된다.

일단 주포의 모양은 입자의 가속을 위한 충분한 길이의 가속장치가 필요하다. 입자빔의 가속에는 현재 100~500미터 정도의 가속 장치가 필요 하지만 현재보다 미래를 가정하기 때문에 50미터로 줄일 수 있을 것이다. 포신은 50미터가 된다. (그럼 900mm 함포 정도 된다. 현대 전함에서 쓰는 150~300mm 함포의 3~6배 이상 길이) 50미터의 포신으로 입자를 1초안에 광속에 가까운 속도로 가속하는 것이 가능하여야 충분하다. 그리고  입자빔을 발사할때의 반동이나 입자빔의 위력을 고려할때 한번 발사 할 때 333그람의 반입자를 사용하는 것이 좋겠다. 이 정도의 반입자를 만드는데 현재는 600억 와트의 전력과  4일 정도의 시간이 필요하지만, 획기적인 기술발전으로 상온 핵융합엔진을 사용하여 전력을 공급하고, 반입자를 만들어 두었다가 발사 하는 것이 가능해 진다고 생각 하자. 그렇게 되면 50미터의 포신을 가진 333그람의 반입자를 광속에 가까운 속도로 약 3초에 한번씩 발사 하는 주포의 모양이 그려진다.

자 이제 주포의 위력을 살펴보자. 1톤의 바위를 부수는데 10만쥴이 필요하다고 한다. 반입자 1그람이 통상의 소립자와 충돌하면, 180조 쥴의 감마선을 방사하며 소멸 한다고 한다. 그럼 반입자 1그람으로 180억톤의 바위를 부술 수 있고, 333그람의 반입자를 쏘는 주포 한방은 약 6경 쥴의 감마선으로 약 6조톤의 바위를 날려 버릴 수 있다. 미국이 비키니 군도에서 실험한 수소폭탄이 방출한 감마선의 약 20배의 양이다. 이 정도면 우주전함의 주포로써 손색이 없을 정도의 위력이다. (이런 주포 6문을 탑재한 우주전함의 위력은 대단할 것 이다) 그리고 속도 및 사정거리는 1초에 약 30만키로미터 거리의 목표를 맞출 수 있을 것이고, 5초에 150만키로미터의 목표를 맞출 수 있을 것이다.

입자빔을 사용하는 주포는 레이저와는 다르게 엄연히 무게를 가지는 입자를 가속하는 방식이기 때문에 발사시에 반작용이 생기게 된다. 이 반작용은 포탄의 무게와 가속도에 의하여 영향을 받는데, 아무런 지지대가 없는 우주에서 1초 안에 광속에 가까운 속도로 입자를 가속하는 방식을 쓸때는 꽤 문제가 되게 된다. (전함이나 전차가 함포나 전차포를 발사 하는 경우, 물이나 땅의 지지를 받을 수 있고 발사속도가 느리기 때문에 문제가 되지 않는다) 입자가 준비된 후에 발사 하는데 1초가 걸린다고 가정 하면 입자는 속도 0 에서 광속에 가까운 초속 30만 키로미터까지 1초동안 가속 된다는 이야기 이다. 이때 걸리는 힘을 계산해 보면 (뉴턴의 제 2법칙(운동의 법칙)에 따르면 힘=질량X가속도 이고, 가속도=속도의변화량/시간 으로 나타낼 수 있다) 힘=333그람X초속30만키로미터 의 값이 나오게 된다. 이 값은 10만톤X초속1미터의 힘과 동일한 값이다. 즉 우주전함의 무게가 10만톤 일때(세계 2차 대전 당시 독일의 비스마르크가 4만1천7백톤, 일본의 전함 야마토는 6만5천톤, 현재의 미 항공모함 니미츠는 10만톤 이상 무게가 나간다) 주포를 한번 발사 할 때마다 초속 1미터(시속 3.6 키로미터)로 뒤로 밀린다는 뜻이다. 이 정도 반동은 감당할 수 있지 않을까 한다.

어느 미래에 50미터의 길이 주포로 10초 안에 150만 키로미터 위치의 목표를 수소폭탄보다 센 위력으로 타격 할 수 있는 10만톤 무게의 우주전함이 나타나는 것은 충분히 가능 할 것 같다. ^^

이 글을 읽기전에 먼저 이런 잡담을 하게된 이전 글들을 읽어 보시면 좋을 것 같습니다.

• 외계인과 우주전쟁을 한다면 #1 - 이야기의 발단
• 외계인과 우주전쟁을 한다면 #2 - 이야기의 가정
• 외계인과 우주전쟁을 한다면 #3 - 이야기의 시작
• 외계인과 우주전쟁을 한다면 #4 - 본격적인 이야기
• 외계인과 우주전쟁을 한다면 #5 - 초광속비행
• 외계인과 우주전쟁을 한다면 #6 - 광속엔진
• 외계인과 우주전쟁을 한다면 #7 - 우주전함의 무기체계

앞에서 우주전함의 주포에 관하여 언급 했었는데, 이러한 우주전함의 주포는 "Directed Energy Weapon" (지향성 에너지 빔 무기)라고 부를 수 있다. 이런 종류의 무기에 해당 하는 것에는 레이저(Laser Beam), 입자 빔(Particle Beam), X-ray Laser 와 같은 마이크로파 무기, 플라즈마 (Plasma) 등이 있다. 초광속 비행 이나 광속 엔진 등에 비하면 이 쪽 분야는 상당히 많은 연구가 이루어진 편인데, 가장 체계적인 자료를 찾을 수 있는 것이, 레이건 대통령이 1983년에 발표한 Strategic Defense Initiative (SDI) 프로젝트에 관한 자료 들이다. 이 프로젝트에는 우주에서 사용가능한 직사무기 체계가 포함되어 있는데, 이것을 통해 우주전함의 주포가 어떤 모양이 될것 인가 예상 해볼 수가 있겠다.

"우주전함 야마토" 에서 파동포를 발사하는 장면

마이크로파 무기

고강도 마이크로파 무기는전자장비나 단위 전자 부품을 파괴하고 기능을 손상시키는 비살상 전자파무기의 일종이다. 주로 EMP 라는 이름으로 게임이나 영화에 많이 등장하는 무기로, 전자 장비를 파괴하거나 전자기 장비 사용의 방해가 가능한 공격무기와 방어무기체계로 이용이 가능하다. 마이크로파의 특성은 인명이나 건물등 구조물에 피해를 주지않으면서 전자 장비를 파과할 수 있으며, 광범위한 지역을 동시에 공격할 수 있다. 기후의 변화에 무관하며 두꺼운 방호벽을 투과 할 수가 있다. 안테나의 구조와 방향 조정이 가능하여 투사 범위를 조정할 수 있으며 마이크로파의 강도를 조절할 수도 있다.전파의 특성상 사정거리가 수 만 Km 에 이르며, 공급에너지의 보충에 따라 무한정으로 사용이 가능하며 재발사의 비용이 거의 없다. (레이저나 입자빔은 발사하기 위한 준비 시간이 필요하므로 한번 발사 한 후에 다음 발사까지 시간이 걸린다)

고출력 레이저 무기

레이저는 기본적으로 출력이 높은 빛을 집적하여 특정 목표에 에너지를 전달하는 방식의 공격을 수행한다. (특성상 몇초동안 목표를 가열하여 파괴하는 방식이 주를 이룬다) 지향성이 우수하고 광속으로 전파되며, 전파특성이 영향을 받게 되기 때문에(빛의 특성상 파장을 가지기 때문에 파장에 따라 대기투과 효율이 다르다) 목표의 종류 및 레이저가 전파되는 공간의 특성에 따라 적합한 레이저를 사용하여야 한다. 현재 세계적으로 연구가 진행중인 유도탄 요격용 레이저는 대부분 화학레이저로서 레이저 발생에 필요한 에너지를 화학 반응을 통해 공급한다. 지상에서는 불화중수소(DF: Deuterium Fluoride) 레이저, 공중에서는 산소-요오드 레이저(COIL: Chemical Oxygen-Iodine Laser), 우주에서는 불화수소(HF: Hydrogen Fluoride) 레이저가 적합한 것으로 알려져 있다. 선진국의 경우에 화학레이저는 무기체계에 활용 가능한 정도의 출력(MW급)을 달성한 단계이며, 무기체계 응용을 추진 중이고 정확도 및 기동성 등을 향상시키는 연구가 주를 이루는 것으로 알려져 있다. 일반적으로 25 kW 레이져는 수백 km 원거리에 있는 적 무기체계의 센서를 파괴시킬 수 있고, 3~4km의 거리에있는 금속판에 구멍을낼 수 있으며, 출력이 100kW에 이르면 수십 km에 있는 목표를 파괴시키기에 충분하다. 전기 구동 방식의 고체 레이져(SSL, Solid State Laser) 기술은 현재 출력 100kW 미만에 머물러 있다.

입자 빔 무기

입자 빔 무기는 입자를 가속시켜 발사 하여 목표를 타격 하는 무기이다. 입자빔 속의 개별 입자는 입자의 무게와 속도에 상응하는 운동 에너지를 보유하고 있게된다. 입자빔에 사용되는 입자의 종류로는 양자,전자나 수소 입자등이 있으나 전기적인 중성인 중성자나 수소 입자가 우주에서 지구 자장이나 대기권 하전 입자와의 간섭을 받지 않으므로 지향성 특성이 탁월하여 입자빔의 매체로서 사용될 가능성이 높다. 고속의 입자빔이 목표물에 도달하게 되면, 입자의 운동에너지가 목표물의 원자 및 분자 구조와 충돌하여 운동에너지가 열에너지로 변환되면서 고열이 발생, 목표물이 파괴된다. 특성상 입자빔 무기는 앞에서의 다른 에너지 빔 무기들에 비하여 비교적 강력한 파괴력을 가질 것으로 예상된다. 관련글 : 입자 빔 무기에 대한 이해

입자빔 무기는 대기권 내에서 사용되는 하전 입자빔 무기체계와 외기권인 우주에서 사용될 중성자빔 무기로 대별되며, 대기권내의 입자빔 무기체계는 강력한 가속 에너지원과 매우 정확하게 빔의 특성을 조정하는 기술이 요구되며, 외기권 중성자 빔 체계는 가속문제는 거의 기술적인 애로가 없으나 외기권에서 원거리에 위치한 지상의 목표물에 정확하게 빔의 초점을 일치시키는 문제가 기술적인 장애로 부각되고있다.

또한 입자빔의 가속장치는 보통 100 내지 500 m 이상의 가속거리를 필요로하기 때문에 적당한 길이의 가속장치를 개발하여야 하는 기술적인 어려움이 있으며, 입자빔 가속에는 순간적으로 수 백 내지 수천만 와트의 전력이 필요하므로 이러한 동력장치 또한 개발이 필요하다.

자 후보가 될 만 한 것들을 몇가지 살펴 보았는데 이 중에 우주전함의 주포로 가장 적합해 보이는 것은 입자 빔 이다. 빔 무기중에 파괴력이 가장 뛰어나며 적당한 길이로 개발된 가속장치는 긴~ 주포의 포신 부분이 될것 같다. 입자 빔에 비하면 고출력 레이저는 포신이 필요 없으며, 입자 빔에 비하여 위력이 떨어지므로, 부포 또는 방어용 무기로 사용 되는 것이 적합해 보인다. 마이크로 파 무기는 ECM 이나 미사일 방어용 무기로 사용 될 듯 하다.

아래의 글은 1983년 당시 레이건 대통령이 Strategic Defense Initiative (SDI) 프로젝트를 발표하고 나서 Dr. Richard M. Roberds 가 1984년에 조사한 내용이다. 양성자 빔이나 중성자 빔의 원리 대한 자료를 찾다가 비교적 정확해 보이는 자료를 찾게 되어 앞부분에 해당하는 내용을 간단히 번역해 보았다. 물리용어나 군사용어 들이 많고, 영어 사전에도 없는 단어들이 간혹 있어서 오역한 내용이 있을 수도 있으며, 정확한 번역 보다는 필요한 문맥 만 읽어보고 입자 빔의 원리를 이해하는 것을 목적으로 하였기 때문에 의역이 많으니  참고하여 읽으시기를..

원문출처: Introducing the Particle-Beam Weapon

소련의 ICBMS 에 대항하여 최신무기로 방어하자는 레이건 대통령의 제안이 논란을 불러일으키고 있다. 이와 같은 방어 시스템은 개발하는데 돈이 많이 들고, 위험요소가 많은 기술이며, 개발 되더라도 가격에 비하여 효율이 떨어진 다는 주장과, 최신 기술을 계속 개발 하여야 한다는 주장이다. 이런 무기를 개발 할 수 있고, 효과적으로 배치 할 수 있다면 이것은 국가안보적으로 중요한 일이다. 이런 무기가 가능 하다면 먼저 개발하는 것은 소련이 아니라, 미국이 되어야 한다.

빔무기를 사용하면 ICBM 공격을 방어할수 있는 가능성을 높일 수 있다. 빔무기는 "탄환"이 필요없고, 거의 빛의 속도를 가진다는 특징이 있기 때문에, 빠르게 움직이는 목표를 효과적으로 저지할 수 있다. 우주에서 수천 킬로미터의 긴 거리를 타격 할 수도 있다.

그리고 치사량의 에너지를 초단위로(또는 100분의 1초 단위로) 전송 할 수 있다. 탄약도 필요없고, 파워 제너레이터를 위한 연료만 있으면 된다.

빔무기에는 크게 세가지 종류가 있다 : 마이크로파 빔무기, 고 에너지 레이저, 입자 빔. 마지막 두가지만 정부의 지원을 받았다.

고 에너지 레이저 (HEL)를 이용한 무기는 20년 이상 개발 되었으며, 어느정도 수준있는 결과들을 내고 있다.

반면에 입자 빔 (PBW)의 연구는 최근까지 잠잠 했지만 Advanced Research Projects Agency (현재는 DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency)로 불리움) 의 협찬으로 프로젝트가 시작되어 1960년에 첫번째로 시연하게 되었다. 코드네임 Seesaw인 이 프로젝트는 입자 빔을 탄도미사일을 방어에 사용할 수 있는지 조사하는 것이 목적이다. 입자빔은 레이저에 비하여 살상력이 더 높을 것으로 예상된다.

입자 빔의 성공적인 개발을 위하여 서는 여러 분야에서의 상당히 수준높은 기술의 연구가 필요하다. 이 글은 입자 빔 에 대한 기본적인 이해를 도와, DOD와 국방위원회의 (입자빔 개발)결정에 도움이 되기 위하여 작성한다.

입자 빔이란 무엇인가?

입자 빔은 다른 빔무기 와 에너지가 전달되는 방식에서 다르다. 몇가지 작동방식이 있지만, 공통적으로 입자 빔 무기는 원자 또는 입자를  (충분한 양의  에너지를 공급해서) 빛의 속도에 가까운 속도까지 가속시킨 다음, 매우 강한 에너지 빔으로 모아서  발사하는 방식이다.

현재 빔에 사용되는 입자는 전자,양성자, 또는 수소 원자이다. 수소 원자는 원자들 중에 가장 작은 원자 인데 이 수소 원자의 핵이 양성자 이다. 수소 원자는 하나의 양성자와 하나의 전자를 가지며, 핵의 무게는 전자의 2000배에 해당하며, 양성자와 전자는 각각 + 와 - 의 전기값을 가진다.

입자 빔은 우리가 잘 알고 있는 자연현상인 "번개"와 비슷한 현상이다. "번개" 에서는 '전자'에 해당하는 입자들이 - 전기값을 가지는 구름으로 부터 + 전기값을 가지는 구름이나 지구의 한 부분으로 흐르게 된다.  "번개"에서 전자들은 미터당 50만 볼트 정도로 가속되며, 이 값은 입자 빔 보다 적은 값이지만 전자의 갯수가 훨씬 더 많기 때문에 자주 더 파괴적인 결과를 가져온다.

빔무기로 사용한다는 목적을 고려해 보면 수소원자는 중성값을 가지기 때문에 수소입자를 사용하는 방식은 지구 자기장의 영향에 민감하지 않고, 빔안에서 같은 값을 가지는 입자들간의 상호 반발력 때문에 확산되기 쉬운 성질도 없기 때문에 빔 무기로 사용하기에 적합하다. (대기중에서는 공기분자와 충돌하여 자연적으로 중화될 것이다)

입자 빔이 목표를 파괴하는 방식은 빔에 주입된 에너지를 목표에 전달하는 방식이다. 빔안의 입자들이 목표를 이루고 있는 물질의 원자,양성자 또는 전자와 충돌하면 빔안의 입자가 가지고 있던 에너지가 목표의 입자를 통과하게 된다. 마치 당구공끼리 충돌 하듯이 말이다. 그 결과 목표는 굉장히 높은 온도까지 급속하게 뜨거워진다. 이것은 어떤물체가 폭팔하는 광경과 동일하다. 목표가 폭팔 할 만큼 충분한 에너지라면 말이다. (이것이 꼭 파괴를 의미하는 것은 아니다)

입자 빔의 원리를 전기적 특성으로 설명 하는 부분 생략 (앞부분의 번개와 비슷 하다는 설명으로 충분 할 듯)

입자 빔 무기의 종류

입자 빔 무기에는 크게 양성 또는 음성 입자를 사용하는 빔 무기와 중립 입자를 사용하는 빔 무기 두가지 종류가 있다. 대기중(내기권)에서 사용하기 위한 양(음)성자빔을 개발 하는 것과 우주(외기권)에서 사용하기 위한 중성자빔을 개발 하는 것은 전혀 다 기술들이 필요하다. 먼저 충분히 높은 동력이 필요하고, 우주에서 운영 되는 것과 달리 대기중에서 특징을 정의 하는 것이 필요하다. 내기권에서 사용되는 고출력 동력부와 입자가속기를 개발 하는 것은 매우 위험도 높은 기술에 의존하게 된다.

외기권용 무기에서도 상당한 기술적인 문제들이 있다. 하지만 내기권용 무기 보다는 어렵지 않다.  외기권용 빔 무기는 수천키로 떨어진 목표에 에너지를 집중하여 맞출 수 있어야 한다. 그러기 위해서는 첫째, 무기가 높은 강도로 만들어져야 하고, 중성자 빔은 입자 가속기 부분에 하찮은 문제가 남아 있다. 둘째, 목표를 조준할 수 있는 시스템이 필요하다. 이 시스템은 빔의 오차를 보정 할 수 있어야 한다. (이것을 포착 하는 것은 매우 힘들다) 그리고 필요한 경우 빗나간 것을 목표로 방향을 변경 하여야 한다.

내기권과 외기권에서 사용되는 입자 빔 무기는 차이가 있기 때문에 두가지 다른 종류의 무기체계가 필요하다. 하지만 기초적인 부분에서의 개발은 두가지 다 동일하다.

입자 빔 무기를 위한 개발 영역

이 부분은 구체적인 기술 영역을 설명 하는 부분이므로 그림 한장으로 대체, 나머지 부분 모두 생략