# (요약) What Causes Lightning? The Answer Keeps Getting More Interesting. 1. 조지프 드와이어(Joseph Dwyer)는 원래 지구 번개보다 우주 환경의 날씨를 연구하던 물리학자였음. 2. 그는 NASA의 윈드(Wind) 위성 센서로 태양 플레어와 태양에서 흘러나오는 입자를 관측했음. 3. 2000년 전후 플로리다로 옮긴 뒤, 자신과 학생들이 직접 연구할 수 있는 새로운 주제를 찾고 있었음. 4. 곧 사무실 창밖의 열대성 폭풍이 적절한 수수께끼를 제공했음. 5. 드와이어는 번개가 아직 해결되지 않은 문제라는 점을 깨달았음. 6. 뇌우는 수천 년 동안 인간을 사로잡아 왔지만, 내부 작동 방식은 여전히 크게 미스터리임. 7. 폭풍 구름은 불투명함. 8. 접근하기 위험함. 9. 실험실에 넣기에는 너무 큼. 10. 연구자들은 거의 300년 동안 연, 기구, 로켓 등을 구름 속으로 보내며 많은 사실을 알아냈음. 11. 하지만 번개 현상에 가까이 갈수록 이해의 큰 공백이 드러났음. 12. 지난 50년 동안 연구자들이 특히 집중한 공백은 번개 통로가 어떻게 시작되는가였음. 13. 최근 이 분야는 일종의 르네상스를 맞고 있음. 14. 드와이어처럼 천체물리학에서 넘어온 연구자들이 새로운 관측 방법을 고안했음. 15. 이들은 격렬한 우주 현상을 연구하던 다양한 장비를 지상 뇌우 관측에 적용했음. 16. 그 결과 번개가 진행될 때 X선을 방출하는 현상을 봤음. 17. 뇌운에서 감마선의 깜박이는 빛도 포착했음. 18. 아주 최근에는 번개가 예상과 다른 방향으로 진행하는 징후도 검출했음. 19. 아직 모든 조각이 완전히 맞춰진 것은 아님. 20. 그러나 번개에 대한 새로운 이해가 형성되고 있음. 21. 번개는 과거 물리학자들이 상상하던 거대한 전기 스파크와는 점점 덜 닮아 보임. 22. 전기가 핵심 역할을 하기는 하지만, 번개 형성과 형태는 물리학 전반의 영향을 받는 것으로 보임. 23. 우주 폭발, 입자물리학 같은 영역까지 관련됨. 24. 특히 번개를 촉발하려면 초신성, 블랙홀, 입자 가속기와 더 잘 어울릴 법한 극단적 사건이 필요한 것으로 보임. 25. 뉴멕시코 공대(New Mexico Tech)의 대기물리학자 카이타누 다 실바(Caitano da Silva)는 고에너지 과정이 번개 시작에 결정적 역할을 한다는 공감대가 커지고 있다고 말했음. 26. 그는 지금이 이 분야에 있기에 흥미로운 시기라고 평가했음. ## Trigger Point 27. 고대 그리스인, 스칸디나비아인, 힌두인들은 번개를 신들의 전쟁으로 보았음. 28. 중국에서는 천둥을 신이 악인을 벌하는 소리로 느꼈음. 29. 오늘날에도 뇌우의 위력은 사람들에게 경외심을 줌. 30. 다 실바는 브라질에서 번개가 많은 거대한 한랭전선들을 보며 자랐다고 말했음. 31. 그는 번개를 무서워하게 되었다고 했음. 32. 두려움은 매혹을 동반함. 33. 그러나 수세기 연구에도 불구하고, 다 실바 같은 물리학자들은 여전히 번개가 어떻게 시작되는지를 묻고 있음. 34. 한동안 연구자들은 답을 안다고 생각했음. 35. 18세기와 19세기에 전기가 해명되면서, 물리학자들은 큰 스파크를 인위적으로 만드는 법을 배웠음. 36. 한 금속 구에 전하를 쌓고 다른 구를 가까이 가져가면 스파크가 튀었음. 37. 물질 구조를 이해하게 되면서 그 이유도 설명되었음. 38. 분리된 전하는 두 구 사이에 전기장(electric field)을 만듦. 39. 전기장이 임계 세기, 대략 미터당 300만 볼트에 이르면 공기가 붕괴하기 시작함. 40. 전기장은 느슨한 전자를 이웃 원자에 던져 넣고, 그 전자들이 더 많은 전자를 떼어냄. 41. 가파른 산비탈의 눈사태처럼 전자들이 연쇄 증식(avalanche)함. 42. 그 과정에서 공기가 가열되어 빛남. 43. 벤저민 프랭클린(Benjamin Franklin)은 1752년 유명한 연 실험으로 실험실 스파크와 하늘 번개의 연결을 제시했음. 44. 그 뒤 200년 동안 연구자들은 뇌운에서 일어나는 일이 금속 구 사이 스파크와 본질적으로 같고 규모만 더 크다고 믿었음. 45. 당시에는 번개의 수수께끼가 풀린 듯 보였음. 46. 그러나 20세기 중반 연구자들이 연 대신 로켓과 대형 기상기구를 사용하자 문제가 드러났음. 47. 구름 속에는 실제로 전기장이 존재함. 48. 작은 얼음 결정들이 양말과 카펫처럼 서로 문질러짐. 49. 추가 전자를 가진 결정들은 구름 하부에 모이는 경향이 있음. 50. 하지만 그 전기장은 약함. 51. 전형적인 뇌우는 스파크를 일으키는 데 필요한 전기장의 10분의 1 정도만 가짐. 52. 지금까지 측정된 가장 강한 전기장도 임계 세기의 3분의 1 수준에 불과했음. 53. 그런데 NASA 위성에 따르면 지구에는 어느 순간이든 2,000개가 넘는 뇌우가 존재함. 54. 이는 완만한 초보자용 비탈에서 눈사태가 쏟아지는 것만큼이나 이상한 관측임. 55. 오클라호마대 협력연구소의 마이클 스톡(Michael Stock)은 전기장을 전통적 절연 파괴 임계값 이상으로 끌어올려야 하지만, 자연에서는 그런 일이 일어나지 않는 것처럼 보인다고 말했음. 56. 눈에 보이는 번개는 공기가 뜨겁고 전하를 띤 아원자 파편 상태로 붕괴했다는 뜻임. 57. 따라서 전기장을 임계값 이상으로 밀어 올리는 어떤 과정이 있거나, 또는 다른 방식으로 공기 분자를 붕괴시키는 과정이 있어야 함. 58. 핵심 질문은 그것이 무엇인가임. 59. 한 단서는 다시 프랭클린에게서 옴. 60. 그는 뾰족한 끝이 스파크를 시작하거나 받기 쉽다는 점을 관찰했음. 61. 오늘날 물리학자들은 뾰족한 도체가 주변 전기장을 강화한다는 사실을 이해함. 62. 1960~1970년대 플로리다와 프랑스의 물리학자들은 뾰족한 작은 로켓을 폭풍 구름 속으로 쏘아 번개를 의도적으로 유도했음. 63. 로켓 뒤로 풀려나가는 전선이 번개를 지상으로 안내했음. 64. 대부분의 뇌운에는 로켓 끝의 금속침이 없지만 얼음 결정은 있음. 65. 그중 일부는 연필 지우개만큼 커질 수 있음. 66. 이런 얼음 덩어리들은 도체이기도 함. 67. 이들은 파편처럼 길쭉하게 늘어날 수 있음. 68. 물리학자들은 충분히 긴 얼음 파편이 전기장 세기를 10배 이상 높일 수 있다고 추정했음. 69. 여러 개의 이런 수상입자(hydrometeors)가 함께 작용하면 더 큰 효과를 낼 수 있다고 보았음. 70. 다시 한번 수수께끼가 풀린 듯 보였음. 71. 그러나 우주에서 폭풍을 관측하기 시작하면서 뇌운이 생각보다 훨씬 더 기묘하다는 사실이 드러났음. ## Runaway Avalanches 72. 1994년 심우주의 극단적 폭발을 찾던 위성이 우연히 뇌운에서 나오는 감마선 섬광을 포착했음. 73. 이 감마선은 종종 번개와 함께 나타났음. 74. 감마선은 가장 에너지가 높은 빛임. 75. 보통 죽어가는 별의 마지막 폭발이나 중성자별 충돌 같은 격변을 나타냄. 76. 얼음 조각이 많은 구름에서 나올 것이라고 기대할 종류의 신호가 아니었음. 77. 따라서 아원자 입자의 빠르고 격렬한 세계에서 무언가가 벌어지고 있음이 시사되었음. 78. 바로 그 무렵 드와이어는 플로리다의 우렁찬 번개 폭풍을 목격하고, 그 기원에 대한 미스터리를 알게 되었음. 79. 천체물리학자였던 그는 아원자 세계에 익숙했음. 80. 그는 노벨상 수상자 C.T.R. 윌슨(C.T.R. Wilson)의 가설도 알고 있었음. 81. 그 가설에 따르면 빛의 속도에 가까운 상대론적(relativistic) 전자는 공기 원자의 저항을 거의 느끼지 않음. 82. 다 실바는 이를 눈보라를 뚫고 나가는 총알에 비유했음. 83. 따라서 충분히 빠른 전자는 전기장 안에서 점점 더 빨라지며 폭주(run away)할 수 있음. 84. 드와이어는 러시아 물리학자 알렉산드르 구레비치(Aleksandr Gurevich)가 1992년에 이런 폭주 전자가 최대 10만 개 정도의 전자 연쇄를 일으킬 수 있음을 보였다는 사실도 알고 있었음. 85. 이는 실험실 스파크를 시작하는 전자 눈사태와 비슷하지만, 수백~수천 미터에 걸쳐 전개되는 현상이었음. 86. 그는 또 이 상대론적 폭주 전자들이 공기 분자와 부딪힐 때 감마선을 방출할 수 있다는 점도 알고 있었음. 87. 이런 극단적 아원자 과정만으로는 뇌운을 밝히는 강한 감마선을 설명하기에 충분하지 않아 보였음. 88. 그러나 드와이어는 하나의 눈사태가 또 다른 눈사태를 연달아 촉발하는 복잡한 과정을 상상했음. 89. 드와이어의 과정에 따르면, 눈사태 속 전자가 원자와 충돌할 때 튕겨 나가며 감마선을 낼 수 있음. 90. 그 감마선은 전자와 그 반물질 쌍둥이인 양전자(positron)로 변함. 91. 구름의 전기장은 양전자를 눈사태가 시작된 근처로 되밀어 보냄. 92. 그곳에서 양전자는 다른 원자와 충돌해 또 다른 눈사태를 일으킬 수 있음. 93. 그러면 더 많은 감마선, 더 많은 양전자, 더 많은 눈사태가 이어짐. 94. 결국 궤도에서도 보일 정도의 섬광이 생길 수 있음. 95. 드와이어는 이를 마이크를 스피커 옆에 갖다 대면 순식간에 매우 커지는 현상에 비유했음. 96. 이렇게 겹겹이 쌓이는 상대론적 폭주 눈사태는 감마선을 설명할 수 있음. 97. 또 번개 시작에도 기여할 수 있음. 98. 눈사태가 이어질수록 전자들은 앞쪽에 쌓이고, 뒤에는 양전하를 띤 이온들이 남음. 99. 이 과정이 구름의 전기장을 강화함. 100. 드와이어는 컴퓨터 시뮬레이션으로 이 연쇄 과정이 눈사태를 증폭하고 감마선을 방출하며 전기장을 끌어올린다는 점을 보였음. 101. 비슷한 시기 얼음 파편의 형태를 정밀하게 모사한 시뮬레이션들은 그 파편이 생각만큼 날카롭지 않다는 사실을 보여주었음. 102. 이 결과는 수상입자 이론(hydrometeor theory)을 약화시키기 시작했음. 103. 그럼에도 드와이어의 상대론적 폭주 눈사태가 실제 구름 안에서 일어나는지, 또 그것이 전기장을 번개 발생에 충분할 만큼 높일 수 있는지는 논쟁적이었음. 104. 동료 연구자들의 의견은 갈렸음. 105. 연구자들은 현장에 더 가까이 가야 했음. 106. 2023년 7월 물리학자들은 NASA의 고고도 항공기에 감마선 검출기를 장착하고, 멕시코만·카리브해·중앙아메리카의 열대 폭풍 핵심 상공을 직접 비행했음. 107. 이 비행기는 성층권 높이까지 올라갔음. 108. 다 실바는 대부분의 사람이 무슨 수를 써서라도 피하고 싶어 할 높이라고 표현했음. 109. 이 관측 캠페인의 이름은 ALOFT였음. 110. 이 프로젝트는 한 세대 만에 가장 풍부한 새 데이터를 제공했음. 111. ALOFT는 폭풍 구름이 우주에서 보기에는 너무 약한 온갖 감마선을 내는 끓는 가마솥 같은 곳임을 보여주었음. 112. 이 프로젝트는 우주 기반 장비가 감지했던 번개 주변의 부드러운 감마선 빛과 갑작스러운 섬광을 확인했음. 113. 동시에 눈에 보이는 번개가 없을 때도 구름이 섬광을 낸다는 사실도 검출했음. 114. 가장 흥미롭게도 구름은 깜박거리기도 했음. 115. 네덜란드 에인트호번공대의 우테 에버트(Ute Ebert)는 다른 여러 현상의 동물원 같은 집합이 발견되었다고 말했음. 116. ALOFT 결과에 완전히 놀라지 않은 사람 중 하나가 드와이어였음. 117. 그는 ALOFT 팀 발표에 앞서, 항공기가 폭풍 위를 비행할 때 감마선 검출기가 무엇을 볼지 예측하기 위해 시뮬레이션을 다시 돌렸음. 118. 그는 오래전부터 상대론적 눈사태가 필연적으로 깜박이는 패턴으로 쌓인다는 점을 알고 있었음. 119. 그래서 입자 충돌이 만들어낼 정확한 깜박임 형태를 계산했음. 120. 2023년 12월 샌프란시스코 미국지구물리학회(AGU) 연례회의에서 두 팀이 결과를 발표했음. 121. 두 결과는 정확히 들어맞았음. 122. 이는 드와이어가 제안한 아원자 충돌이 실제 뇌우 내부에서 벌어지고 있다는 가장 강한 증거였음. 123. 이제 다른 이론가들도 이 틀을 바탕으로 연구를 확장하고 있음. 124. 펜실베이니아주립대의 전기공학자 빅터 파스코(Victor Pasko)는 지난해 여름 더 강한 전기장 같은 다른 조건에서 연쇄 과정이 어떻게 전개되는지 연구했음. 125. 그는 이런 경우에도 눈사태가 누적되어 번개를 시작할 수 있음을 발견했음. 126. 이는 전체 이론 틀에 추가 지지를 제공했음. 127. 다 실바는 에너지 높은 전자들이 실제로 역할을 한다는 생각이 점점 굳어지고 있다고 말했음. 128. 그는 아주 최근까지 사실상 이 이야기를 드와이어만 하고 있었다고 덧붙였음. ## At Odds With The Field 129. 고에너지 전자 눈사태 연쇄는 구름이 감마선으로 빛나고 깜박이고 섬광을 내는 현상을 매우 그럴듯하게 설명함. 130. 그러나 그것이 실제로 번개를 점화한다고 연구자들이 확실히 말할 수는 없음. 131. 한 가지 수수께끼는 번개가 구름 속 한 점에서 시작되는 것처럼 보이는 반면, 눈사태는 훨씬 넓은 영역에서 일어난다는 점임. 132. 눈사태는 구름을 번개 발생 직전 상태까지 끌고 갈 수는 있음. 133. 하지만 그것이 실제 번개 촉발과 어떻게 이어지는지는 아직 완전히 연결되지 않았음. 134. 드와이어 이론이 지지를 넓히는 가운데, 2025년 초 관측은 또 다른 번개 생성 이론을 다시 부상시켰음. 135. 뉴멕시코 사막에서 안테나가 빽빽한 두 관측소가 12개의 개별 번개에서 나온 전파를 포착했음. 136. 로스앨러모스 국립연구소의 쉬안민 샤오(Xuan-Min Shao)는 이 데이터를 이용해 번개 시작 시 전체 전류가 어떻게 움직였는지 재구성했음. 137. 그는 이상한 점을 발견했음. 138. 만약 드와이어의 연쇄나 다른 순수 전기장 구동 과정이 번개의 씨앗이었다면, 원시 번개(proto-bolt)는 시작부터 전기장 방향과 완전히 일치해 움직여야 했음. 139. 그러나 샤오는 이 사례들에서 두 방향이 약간 어긋나 있음을 발견했음. 140. 그는 이 기울기에서 외계적, 더 나아가 은하외적 기원을 지닌 우주선 소나기(cosmic-ray shower)의 증거를 봄. 141. 우주선 소나기는 심우주의 격렬한 사건이 남긴 최종 산물임. 142. 예를 들면 물질을 빨아들이는 블랙홀에서 방출된 입자나, 별 폭발이 쏘아낸 원자 파편이 있음. 143. 그것은 폭발하는 별의 양성자일 수도 있고, 초대질량 블랙홀에서 튕겨 나온 전자를 잃은 철 원자일 수도 있음. 144. 이런 파편은 우주를 수십억 광년 여행한 뒤 지구 대기에 충돌함. 145. 그 격렬한 충돌은 전자, 양전자, 기타 입자의 분출을 임의의 각도로 구름 속으로 쏟아 보냄. 146. 이런 전자와 양전자는 전기장이 임계값보다 훨씬 낮아도 분자에서 전자를 떼어내 눈사태를 시작할 수 있을 만큼 충분한 에너지를 가질 수 있음. 147. 일부 물리학자들에게 샤오의 주장은 설득력이 큼. 148. 캘리포니아대 샌타크루즈의 데이비드 스미스(David Smith)는 데이터가 다른 어떤 것, 아마도 우주선 이온화의 방향을 지도화하고 있어야 한다고 말했음. 149. 그는 데이터가 매우 설득력 있다고 평가했음. 150. 다른 연구자들은 이 발견을 어떻게 해석해야 할지 아직 이르다고 말함. 151. 샤오의 재구성 기법은 아직 완전히 확립되지 않았음. 152. 우주선 소나기에는 충분히 이해되지 않은 입자물리도 많음. 153. 네덜란드 전파천문연구소의 브라이언 헤어(Brian Hare)는 그래서 그것이 설명하기 어려운 공백을 메우는 ‘마술 지팡이’처럼 쓰이기 쉽다고 말했음. 154. 그러나 샤오와 다른 연구자들이 비스듬히 진행하는 번개 사례를 더 많이 본다면, 그 세부를 이론가들이 해명하도록 자극할 수 있음. 155. 드와이어는 이것이 매우 멋진 생각이며 실제일 수 있다는 단서가 있다고 말했음. 156. 그는 만약 이 메커니즘이 맞다면, 우리가 번개를 볼 때마다 은하 어딘가의 죽어가는 별과 물리적 연결이 생기는 셈이라고 했음. 157. 지난 수십 년간 번개 연구는 약한 전기장을 가진 구름에서 자연이 어떻게 번개를 끌어내는지에 대한 여러 아이디어를 만들어냈음. 158. 이 이론들은 논문에서는 경쟁하지만 현실에서는 서로 협력할 가능성이 큼. 159. 어떤 구름에서는 긴 얼음 바늘이 번개를 촉발할 수 있음. 160. 다른 구름에서는 감마선을 만드는 전자 홍수가 그 역할을 할 수 있음. 161. 여러 메커니즘이 함께 작동해 전기장을 돌아올 수 없는 지점 너머로 밀어 올릴 수도 있음. 162. 연구자들은 번개와 함께 나타나는 감마선과 전파를 더 정밀하게 측정해야만, 어떤 단일 메커니즘 또는 메커니즘 조합이 가장 흔한지 판별할 수 있음. 163. 그러나 물리학자들이 번개 시작의 수수께끼에 가까워질수록, 기존 어떤 이론에도 맞지 않는 예상 밖 현상도 다시 발견하고 있음. 164. 예를 들어 ALOFT가 본 감마선에는 미묘한 패턴이 있음. 165. 최근 몇 년 동안 네덜란드의 전파망원경 배열은 번개가 시작점에서 가지를 뻗기 시작하는 장면의 가장 선명한 영상들 가운데 일부를 제공했음. 166. 이 영상들은 어떤 부분은 빠르게 뻗고, 어떤 부분은 비교적 느리게 움직이며, 어떤 부분은 진행 중 바늘 같은 구조를 뻗는다는 사실을 보여줌. 167. 이런 특징들은 설명이 더 포괄적으로 발전하더라도 번개가 실제로 어떻게 작동하는지에 대한 문제 제기가 계속 새로 열릴 것임을 시사함. 168. 드와이어는 더 들여다볼수록 점점 더 기묘해진다고 말했음. 169. 그는 현재의 매우 단순한 그림은 분명히 크게 불완전하다고 결론지었음.