초신성을 피하는 방법 : 스텔라 엔진 (KISTI)

우주에 존재하는 어떤 것도 '정적'이지 않습니다. 우리 은하(Milky Way, 은하수)안에서, 수십억의 항성들이 은하 중심을 공전하고 있습니다. 그 중에, 우리 태양과 같이 상당히 일관된 공전궤도를 가진 별들이 있는데, 태양의 경우 은하중심으로부터 30,000광년의 반지름을 가지는 궤도로 공전하며 2억 3천만 년에 한바퀴를 돕니다.

이 춤사위는 정교한 발레라기보다는 술 취한 아이들이 즐비한 빙상장에 더 가깝습니다. 이러한 혼란함은 은하를 위험하게 만듭니다. 우리 태양계는 일초에 수백 킬로미터를 이동하는 별들로 인해 이웃 별들이 계속 바뀌고 있습니다. 천체 사이에 있는 광대한 공간만이 우리를 위험으로부터 지켜주고 있는 것입니다.

하지만, 이러한 운이 미래까지 보장되지 않을 수 있습니다. 어느 시점에서, 우리는 어떤 초신성과 마주칠 수 있고, 초질량체가 지나가면서 지구를 향해 운석세례를 퍼부을수도 있죠. 위와 같은 상황이 일어난다고 하면, 대개 수천년, 혹은 수백만년 전에 미리 알아챌 가능성이 높습니다.

여전히, 이에 대해 뭔가를 해볼 수 있을만한 확률은 낮습니다. 우리가 우리 항성계를 아예 옮겨버리지 않는다면 말입니다.

쿠르츠게삭트 : 간단히 말해서 항성계를 옮기려면, 항성 엔진(Stellar Engine)이 필요합니다. 이 거대 구조물은 은하 사이로 별을 운항하는데에 쓰이는 물건이죠. 스텔라 엔진은 다이슨 스피어를 개발할 정도로 고도로 발달한 문명이 그들의 미래를 수백만년 앞서 보았을 때 만들법한 물건입니다.

하지만 우리가 어떻게 항성계 안에 존재하는 수천 수백만개의 물체를 옮길 수 있을까요? 좋은 소식은, 우리가 이 사항은 무시할 수 있다는 것입니다. 우리가 태양만 움직이면, 나머지 물체들은 중력에 의해 태양에 종속되어 어디든 따라오게 될 것이기 때문이죠. 항성 엔진이 어떻게 생겼을지, 어떤식으로 동작할지에 대해서는 많은 아이디어가 있습니다.

우리는 현재 우리가 가지고 있는 물리지식에 근거하여 이론상으로 만들 수 있는 두 가지 모델을 골랐습니다. 항성 엔진의 가장 단순한 형태로, 거대한 거울인 슈카토프 추진기 형상이 있습니다. 슈카토프 추진기는 기본적으로 로켓과 유사한 방식으로 작동합니다. 마치 로켓 연료처럼, 태양광의 형태로 방출된 광자들은 운동량을 가집니다. 그 운동량이 그리 크지는 않습니다.

예를 들어서, 우주 비행사가 우주 유영중에 라이트를 켰다면, 방출된 광자들이 아주 아-주 느리게 비행사를 반대방향으로 밀어낼겁니다. 스텔라 엔진은 이것보다는 좀 더 나은 성능을 보이는데, 태양은 굉장한 양(초당 10^45개)의 광자를 방출하기 때문입니다. 슈카토프 추진기의 기본적인 아이디어는 최대 절반까지의 태양광을 반사시켜 추진력을 생성하고, 우리가 보내고자 하는 방향으로 태양을 서서히 밀어내는 것입니다.슈카토프 추진기가 동작하려면, 태양에 대해 고정된 상대좌표를 가지고 있어야 합니다.

태양을 공전하는것과는 완전히 다르죠. 태양의 중력이 추진기를 끌어 당기려고 하겠지만, 광자의 방사압(밀어내는 힘)이 작용하여 한 군데에 고정될 수 있을겁니다. 이게 되려면 거울은 알루미늄 합금과 같은 물질을 마이크론 두께로 펴서 만든 아주 가벼운 반사체여야 합니다.

거울의 모양 또한 중요합니다. 태양을 구형으로 감싸는 것은 잘 작동하지도 않을 뿐더러, 다시 빛을 반사해서 태양을 달구고 이런저런 문제를 야기하는 것 말고는 별 효과가 없을 것 입니다. 포물선 형태를 이용하는게 더 합리적이죠, 포물선 형태를 이용하면 대부분의 광자는 태양을 비껴가면서 같은 방향으로 움직이게 튕겨나가기 때문에 추진력을 최대로 할 수 있습니다. 너무 적거나 너무 많은 태양빛으로 인해 지구를 얼려버리거나 태워버리는 불상사를 미연에 방지하기 위해, 슈카토프 추진기 거울은 태양 극점에 위치하도록 설치해야 합니다.

이 말은, 태양계면에 수직인 방향으로만 태양을 움직일 수 있다는 말이고, 우리 은하 내에서 한 방향으로만 태양을 이동시킬 수 있기 때문에 여정 설계에 다소 한계가 생긴다는 말이기도 합니다. 하지만 그 정도가 다입니다.

다이슨 구체를 만들정도의 문명에게 이 정도는 상대적으로 적은 노력으로도 성취 가능한 과제입니다. 복잡하지는 않은데, 그저 만들기가 어려울 뿐이죠. 최대로 움직였을때, 태양계는 2억 3천만년에 걸쳐서 100광년 정도 이동할 수 있을겁니다.

수십억년 단위로 보았을때, 슈카토프 추진 방식은 은하 내에서 태양의 공전궤도를 거의 완벽하게 조정할 수 있습니다. 하지만 단기적으로 보았을 때, 이 방식은 초신성과 같은 위험을 피하기에는 충분히 빠르지 못합니다. 그래서 이것보다 더 나은 방안을 찾기로 했습니다. 이에 대해서 우리는 우리의 천체 물리학자 친구에게 이 영상을 위해서 더 빠른 항성 엔진을 구상해줄 수 있겠느냐고 부탁해 보았습니다.

그는 실제로 새로운 항성 엔진을 구상하는데 성공했고, 이에 관해서 저널에 논문을 출간도 했습니다. 해당 논문은 우리의 소스 관련 문서를 보시면 확인할 수 있습니다. 우리는 이 새로운 스텔라 엔진의 이름을 '카플란 추진기' 라고 부르기로 합니다. 카플란 추진기는 기존의 로켓과 유사한 방식으로 동작합니다. 한쪽으로 배기하여 반대방향의 추진력을 얻는 식으로요

이는 다이슨 스피어를 이용해 태양으로부터 핵융합에 필요한 물질을 가져와 동력을 공급받는 거대한 우주 정거장 플랫폼입니다. 카플란 추진기는 그 속력이 광속의 1퍼센트에 근접하는 고속의 입자 제트를 태양계 밖으로 뿜어냅니다.

두번째 제트는 예인선처럼 태양을 밀어내는 역할을 합니다. 카플란 추진기는 아주 많은 연료 - 초당 수십만 톤의 연료를 필요로 합니다. 이 연료를 충당하기 위해 이 추진기는 거대한 전자기장을 이용해서 태양풍으로부터 다량의 수소와 헬륨을 엔진으로 가져옵니다.

하지만 태양풍만 가지고는 연료를 충분히 공급할 수 없습니다. 그렇기 때문에 여기서 다이슨 구체가 필요하게 됩니다. 다이슨 구체의 힘을 이용해 태양광을 다시 태양표면에 집중시키면 작은 구역을 대단히 뜨겁게 달굴 수 있고 수십억톤의 질량을 태양으로부터 들어낼 수 있게 됩니다.

이 질량체들은 수소와 헬륨으로 수집 및 분류될 수 있습니다. 헬륨은 열핵융합로를 통해 폭발적으로 불태워집니다. 수십억도에 달하는 방사성 산소의 제트가 뿜어져 나오게 되고, 이는 우리 항성 엔진의 제 1 추진 시스템으로 작용하게 됩니다. 항성 엔진이 태양으로 곤두박질 치는걸 막기 위해 추진기는 균형을 유지할 수 있어야 합니다.

이를 위해 우리는 수집된 수소를 입자가속기의 전자기장을 이용해 가속시켜 다시 태양으로 쏘아보냅니다. 이렇게 함으로써 추진기는 균형을 유지할 수 있고, 추진기가 생성하는 추진력을 태양으로 전가할 수 있습니다. 수백만년 이내에, 이 엔진은 태양을 50광년은 이동시킬 수 있습니다. 초신성을 피하는데에는 충분한 거리입니다. 전속력 추친 했을때 태양계는 천만년 안에 은하 궤도에서 완전히 방향을 바꿀 수 있습니다.

이런 식으로 태양을 사용해도 되나요? 다행히도 태양은 너무 커서 수십억 톤의 물질조차도 약간의 표면을 긁는 것입니다. 사실 이 거대한 구조물은 태양의 수명을 연장시켜 줄 것이며, 질량이 작은 항성은 좀 더 오래 불타기 때문에 우리 태양의 수명을 수십억 년 연장시키게 될 것입니다

카플란 추진기로 태양계 전체를 우주선으로 만들 수 있습니다. 예를 들어, 은하계에서 거꾸로 선회하며 우리가 지나치는 수백, 수천 개의 별들을 식민지화 할 수도 있을 것입니다. 은하계를 완전히 탈출하여 은하계 너머로 확장하는 것이 가능할 수도 있습니다. 항성 엔진은 수년에서 수십년을 바라보는 문명이 아니라, 수백만에서 수억년을 바라보는 문명에 의해 만들어진 기계입니다.

우리의 태양이 언젠가 죽을 것이라는 것을 알고 있기 때문에, 항성 엔진은 인류의 먼 미래의 후손들이 성간 공간의 무시무시한 어두운 심연 속으로 모험하지 않고도 다른 별들을 여행할 수 있게 해줄 수 있을 것입니다. 우리가 항성 엔진을 만들기 전까지, 우리는 은하수의 변덕에 의지하며 표류하게 될 것이며, 물론 우리가 표류하는 곳이 마음에 들지 않을 수도 있습니다.

하지만, 아마도 우리의 후손들은 앞으로 수백만 년 동안 항해하며, 성간 문명을 이끄는 종족이 될 것입니다. 이것은 12,019년 마지막 영상입니다. 정말 많은 사람들에게 많은 일이 일어났습니다. 달력과 휴일은 인간의 개념에 불과하지만, 우리의 삶을 두뇌가 다룰 수있는 조각으로 자르는 데 도움이됩니다. 우리는 환멸과 희망이 뒤섞인 기묘한 혼합으로 12,019년을 남겨두고 있습니다.

세상이 망가졌긴 하지만, 우리는 그것을 고칠 수 있습니다. 며칠 후면 올해가 끝나고, 우리는 다시 시도할 수 있을 것입니다.