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지구의 한 천문대에서 정체불명의 신호가 포착됐다. 우주는 수많은 전파로 가득 차 있지만, 이번 신호는 달랐다. 일정한 주기와 변하지 않는 주파수, 그리고 명확한 방향성을 지닌 신호. 단순한 우연일 수도 있지만, 과학자들은 긴장했다. 인류가 오랜 시간 찾아온 외계 문명의 신호일까, 아니면 지금껏 알지 못했던 자연현상일까?

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이 신호의 정체는 바로 21cm 전파였다. 우주에서 가장 흔한 원소인 수소가 특정한 조건에서 방출하는 이 전파는 모든 문명이 자연스럽게 발견할 가능성이 높다. 만약 외계 생명체가 존재한다면, 그들 역시 이 신호를 알고 있을 것이다.

 

 

 

 

21cm 전파, 우주가 선택한 공통 주파수

우주는 무수한 전자기파로 가득 차 있지만, 먼 우주까지 도달할 수 있는 신호는 극히 제한적이다. 그중에서도 21cm 파장은 가장 보편적이고 신뢰할 수 있는 ‘우주적 주파수’로 꼽힌다. 그 이유는 무엇일까?

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이 파장은 수소 원자가 특정한 방식으로 에너지를 방출할 때 발생하는 신호다. 수소는 우주에서 가장 흔한 원소로, 그 전자가 특정 조건에서 에너지를 방출하면 21cm 파장의 전파가 형성된다. 이 현상은 ‘수소 스핀 플립(hydrogen spin-flip)’으로 알려져 있다. 수소 원자의 전자가 스핀 방향을 바꾸면서 21cm(1,420MHz) 전파를 방출하는 이 과정은 천문학에서 성간 물질과 은하를 연구하는 데 중요한 역할을 한다.

 

 

 

 

Hydrogen spin-flip은 수소 원자의 전자가 스핀 방향을 바꾸면서 21cm(1420MHz) 전파를 방출하는 현상이다. 이는 천문학에서 성간 물질과 은하를 연구하는 데 중요한 신호로 사용된다.

 

 

21cm 전파의 발견과 우주 탐사의 전환점

1944년, 네덜란드 천문학자 헨드릭 반 데 훌스트(Hendrik van de Hulst)는 중성 수소(HI) 원자가 스핀-반전 전이(spin-flip transition)를 겪을 때 21cm 파장의 전파를 방출할 것이라고 이론적으로 예측했다. 이는 은하 내 중성 수소 분포(Neutral Hydrogen Distribution)를 연구하는 중요한 방법으로 제시되었지만, 당시에는 관측되지 않았다.

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1951년, 하버드 대학교( Harvard University)의 에드워드 퍼셀(Edward Purcell)과 하롤드 에윈(Harold Ewen) 연구팀이 전파 간섭계(radio interferometer)를 이용해 최초로 21cm 전파선(21cm line)을 검출하며 이론을 입증했다. 같은 해, 네덜란드 천문학자 얀 오르트(Jan Oort)와 C.A. 뮐러(C.A. Muller) 연구팀도 독립적으로 이를 확인하며 21cm 전파의 존재가 확실해졌다.

 

이후 21cm 전파 천문학(21cm radio astronomy)은 우리 은하(Milky Way) 및 외부 은하들의 구조 연구에 활용되었으며, 성간 가스의 이동과 은하 회전 곡선(Galactic Rotation Curve) 분석에 기여했다. 현재도 전파 천문학(Radio Astronomy)과 외계 지적 생명체 탐색(SETI, Search for Extraterrestrial Intelligence) 연구에서 필수적인 관측 도구로 사용되고 있다.

 

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외계 문명이 있다면 알게 될 신호

과학자들은 어떤 외계 문명이라도 기본적인 물리 법칙을 연구하는 과정에서 21cm 방사선을 발견할 것이라고 예측한다. 중력과 에너지가 보편적 개념이듯, 21cm 전파 역시 자연의 기본적인 신호이기 때문이다. 또한, 21cm 전파는 먼지나 가스 구름 같은 장애물을 거의 방해받지 않고 통과한다. 마치 VIP 패스를 받은 손님처럼 우주의 복잡한 장막을 뚫고 멀리까지 도달할 수 있다. 이러한 특성 덕분에 장거리 우주 통신의 최적의 선택지로 여겨진다.

 

 

[사진=phys.org]

 

 

우리는 이미 신호를 보냈다

과학자들은 외계 문명이 존재한다면, 이 21cm 전파를 연구하면서 유사한 방식으로 이를 활용할 가능성이 높다고 보고 있다.

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NASA는 1970년대 초 태양계를 벗어난 ‘파이오니어’ 탐사선에 21cm 전파를 기반으로 한 다이어그램을 실었다. 이 명판에는 수소 스핀 플립 전이를 설명하는 그림이 포함되어 있으며, 외계 문명이 이를 해독할 경우 다른 정보까지 이해할 수 있도록 설계되었다. 이는 인류가 외계 문명을 대상으로 보낸 최초의 상징적 메시지라 할 수 있다.

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현재까지 21cm 전파를 이용한 탐색에서 명확한 외계 문명의 신호는 발견되지 않았다. 그러나 천문학자들은 지속적으로 우주의 다양한 전파를 분석하며 패턴을 찾고 있다. 만약 일정한 주기와 방향성을 가진 신호가 감지된다면, 이는 단순한 자연적 현상이 아닐 수도 있다는 말이다.

 

 

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