‘우주팽창속도’ 서로 다른 두 값이 던진 물음의 의미는?

2014 플랑크위성 관측결과 vs 2016 허블망원경 은하 관측 결과

‘암흑에너지 성질, 우주론 모형 등 새 해석 가능성은?’ 관심 쏠려

우주 관측 장비와 기법의 발전에 따라, 허블상수의 수정은 지속돼


도움말: 송용선 천문연구원 책임연구원 일문일답

00expandingU2.jpg » 팽창하는 우주에서 은하들은 서로 멀어진다. 출처/ Wikimedia Commons


주는 지금 가속 팽창을 하고 있다. 먼 은하들에서 밝게 빛나는 초신성을 등대 또는 표준 촛불(standard candle)로 삼아 관측해 우주가 ‘가속’ 팽창하고 있음을 처음 발견한 것이 1998년이다. 끌어당기는 중력과 반대로, 아직 정체 모를 암흑에너지가 우주 팽창을 이끄는 척력으로 작용하고 있다는 것이다. 한참 전인 1920년대에 에드윈 허블이 처음 관측했듯이 이처럼 은하와 은하의 거리는 점점 멀어지며 우주는 팽창하는데, 지금까지 널리 인용되는 우주 팽창 속도(허블상수, H0)의 가장 정밀한 값(67.80 km/sec/Mpc)은 플랑크위성의 우주 관측 자료를 분석해서 얻어졌다(2014년 발표).


☞ 플랑크위성이 관측한 우주 팽창 속도(허블상수)

현재 널리 인용되는 허블상수로서, 67.80 ±0.77 (km/sec)/Mpc이다. 우주 거리 단위인 Mpc(메가파섹)은 3.26 × 100만 광년을 의미한다. 67.8 (km/sec)/Mpc 값은 1Mpc 거리에 있는 두 은하는 67.8 km/sec 속도로 멀어지고 있음을 의미한다. 허블상수는 관측 기술이 발전하고 변하면서 조금씩 수정되어 왔다. 참조: 위키백과 ‘허블의 법칙’ | Wikipedia.org 'Hubble's law'



은하 관측에서 나온 또다른 허블상수

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그런데 최근 18개 은하들에 있는 초신성들을 정밀 관측해 계산해보니 허블상수가 플랑크위성의 관측 값과 상당히 다른 것으로 나타나, 허블상수가 현대 우주론에서 풀어야 하는 문제로 다시 떠오르고 있다.


☞ 허블상수 논쟁

허블상수의 다른 값에 관한 관심은 이번이 처음이 아니며, 1990년대에는 이와 관련한 논쟁이 벌어진 적도 있다. 당시에 은하들의 초신성 또는 변광성 밝기를 관측, 측정하는 방식으로 우주 팽창 속도, 즉 허블상수를 구했는데, 당시 두 연구그룹 간이 서로 다른 값을 제시하며 이른바 ‘허블전쟁’이라는 논쟁적 상황을 전개한 바 있다.

참조: 동아사이언스 보도, http://www.dongascience.com/news/view/41


과학저널 <네이처>의 뉴스 보도를 보면, 1998년 우주 가속 팽창과 암흑에너지의 존재 가능성을 제시한 미국 존스홉킨스대학의 애덤 리스(Adam Riess, 노벨물리학상 수상) 교수와 연구진은 최근 18개 은하에 있는 초신성들의 밝기를 허블 우주망원경(HST)으로 정밀 관측해 얻은 허블상수의 값을 새롭게 제시했다. 이런 관측 방법으로는, 이번 관측 결과가 지금까지 가장 적은 불확실도(2.4%)를 지닌다고 연구진은 내세웠다. 이 결과에서 허블상수는 플랑크위성 관측에서 나온 값보다 8%나 더 크게 제시됐다(74 ± 2 [km/sec]/Mpc). 이 연구결과는 동료심사 전에 공개할 수 있는 공개접근 학술 데이터베이스인 아카이브(arXiv.org)에 발표됐다.


이런 새로운 허블상수 값은 2012년에 적외선 영역의 스피처(Spitzer) 우주망원경이 관측해 얻은 허블상수의 값(74.3 [km/sec]/Mpc)과도 비슷하다.


이번 논문이 관심을 끄는 이유는, 허블상수가 우주론, 특히 암흑에너지의 우주론적 해석과 관련이 있기 때문이다. 우주 팽창 속도인 허블상수 값은 암흑에너지(우주 팽창을 이끄는 척력 작용), 암흑물질(팽창을 억제하는 중력 작용)과 같은 우주론 모형의 구성 요소와 깊은 상관관계를 지니기에, 제시된 허블상수가 다르다는 문제는 기존 우주론 모형에도 수정할 여지가 있는지를 살펴야 하는 문제로 이어질 수밖에 없다. 당연히 우주 나이의 문제도 이와 관련된다.


00planck2.jpg » 우주 질량-에너지의 구성비. 플랑크위성의 우주배경복사 관측의 결과로, 우주의 총 질량-에너지는 보통물질 4.9퍼센트, 원자 아닌 정체불명의 암흑물질 26.6퍼센트, 그리고 우주 팽창을 이끄는 정체불명의 힘인 암흑에너지 68.5퍼센트로 이뤄진 것으로 측정됐다.


허블상수 두 가지 값이 던지는 의미

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00expandingU3.jpg » 허블상수 값들. 출처/ https://science.nrao.edu/enews/6.4/ , James Braatz/NRAO 은하 관측 연구에서 플랑크위성 관측 허블상수와 다른 값이 나온 결과는 어떤 의미를 지닐까?. <네이처>, <포브스> 등의 뉴스 보도를 보면, 이번 연구진은 이와 관련해 몇 가지 해석을 제시했다.


먼저, 두 가지 값이 나오게 된 원인으로는 허블상수를 측정하는 서로 다른 두 방법론의 어딘가에서 몰랐던 문제가 있었을 가능성을 생각할 수 있다. 플랑크위성이 우주대폭발(빅뱅) 이후 38만 년 뒤부터 퍼진 우주배경복사(CMB)의 흔적을 관측해 암흑에너지와 암흑물질, 그리고 허블상수 값을 찾아나가는 방법을 쓴 데 비해, 이번 허블망원경 관측에선 18개 은하에 있는 대표적 초신성들의 밝기를 비교·분석하고 빛 스펙트럼을 분석해 은하들의 후퇴 속도를 찾는 방법을 썼는데, 이런 두 가지의 기존 방법론에 어떤 한계가 있을 수 있다는 것이다. 그러나 두 허블상수는 모두 다 현대 과학에서 할 수 있는 가장 정밀한 방법과 수준에서 얻어진 최선의 값으로 받아들여지고 있다.


당연히 두 값이 다 최선의 결과이고 그래서 모두 저마다 맞을 가능성도 있다. 만일 저마다 다른 방법을 써서 얻은 두 값이 다 옳다면, 두 값은 서로 다른 대상을 관측해서 얻어진 서로 다른 값일 가능성도 있다. 연구진은 이와 관련해 플랑크위성의 관측이 우주대폭발 직후 38만 년 뒤에 생성된 우주배경복사의 흔적을 관측해 얻어진 허블상수이며 이번 은하 관측은 현재 은하들이 멀어지는 속도를 보여주는 허블상수라는 점을 생각하면, 원시 우주와 지금 우주 팽창을 이끄는 ‘암흑에너지’의 세기가 다를 수 있다는 해석도 제시했다. 암흑에너지가 변화하며 증가했을 수 있다는 것이다.


00expandingU1.jpg » '팽창하는 우주'의 여러 모형들. 그림 중의 사각형이 팽창 중인 현재 우주이며, 그 위쪽이 우주의 미래를 보여주는 여러 시나리오 모형들이다. 오른쪽은 감속 팽창의 우주 미래 모형이며, 오른쪽은 가속 팽창의 우주 미래 모형이다. https://www.spacetelescope.org/images/opo9919k/



불확실한 요소들…향후 연구 방향

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국내 우주론 연구자인 송용선 한국천문연구원 책임연구원(이론천문연구센터)은 이와 관련해 한겨레 과학웹진 사이언스온과 나눈 이메일 대화에서 두 가지 관측 방법과 현재 우주론에 남아 있는 몇 가지 불확실성의 요소를 짚어주었다.


먼저 은하 초신성을 관측해 우주 팽창 속도를 구하는 오래된 천문학적 방법론은 그동안 많이 개선되었지만 여전히 불확실성을 지니며, 이런 방법에 의거한 허블상수 관측에도 그동안 여러 다른 결과 값들이 제시된 바 있다고 말했다.


“천문학적인 방법, 즉 표준 밝기를 이용하는 경우는 그동안 많은 불확정성이 있었습니다. 표준 밝기를 이용한 허블상수 측정 방법의 불확정성에 대한 지적도 이어져왔습니다. 이번에 발표된 관측 자료는 허블 망원경 관측을 주도했던 천문학자들이 발표한 것인데, 이전에도 여러 다른 천문학자들이 서로 다른 허블상수 관측 값을 발표하기도 합니다. (플랑크위성의) 우주론적인 관측값과 비교하기 전에 이런 천문학적 방법을 쓰는 관련 학계 안에서 의견 일치가 먼저 이뤄져야 할 듯합니다.”


플랑크위성의 우주배경복사 관측 방법도 허블상수를 확정하기엔 여전히 불확실한 요소를 지니고 있다. 계속 풀어야 하는 주요한 문제들이 남아 있기에 현대 우주론 자체가 완성적이지는 않기 때문이다. 특히나 아직 정체를 모르는 암흑물질, 암흑에너지와 관련해서도 몇 가지 이론 모형이 있고, 그 가운데 가장 유력한 것을 가정해야만 지금의 허블상수 값이 도출되기 때문이다.


“엄밀하게 이야기하면, 우주배경복사로 허블상수(H0)를 직접 관측하는 것은 불가능합니다. 관측된 우주배경복사로 H0를 추정하기 위해서는 암흑물질과 암흑에너지를 가정해야 합니다. 플랑크위성이 보고한 값은 암흑물질이 ‘차가운 암흑물질(CDM; cold dark matter)’이고 암흑에너지가 ‘진공에너지’일 경우에 해당합니다. 가령 예를 들어 암흑에너지가 다른 모형(Quintessential (ω > -1)  또는 Phantom (ω < -1)에 해당한다면 허블상수는 더 작아지거나 더 커집니다.” (소문자 오메가 ω는 압력과 에너지 밀도의 관계식에서 두 물리량 사이의 비례 매개변수)”


“제가 보기에도 지금 허블상수가 얼마인지를 논의하는 것은 무리가 있다고 생각합니다. 우주배경복사는 우주 나이가 삼십만 년 되었을 때의 신호이기 때문에 그 이후에 벌어진 일을 알기엔 정확도가 다소 떨어집니다. 최근에 근거리, 중거리, 그리고 먼거리의 우주를 대상으로 한 우주 거대구조 연구가 활발해지고 있는데, 이것을 관측하면 암흑물질 및 암흑에너지가 무엇인지 알 수 있습니다. 그렇게 되면 우주배경복사의 정보와 교차하여 H0도 알 수 있을 것으로 생각합니다.”


송 책임연구원은 국제 공동연구 프로젝트로서 2018년에 시작하는 우주 거대구조 관측 사업(DESI 프로젝트)이 진행되면 훨씬 더 정확한 허블상수 값이 얻어질 수 있을 것으로 내다봤다. 또한 천문학적 관측 방법에서도 여러 새로운 관측 장비와 기법들이 발전하면서 더욱 더 정밀한 측정 값들이 제시될 것으로 기대된다. 허블상수는 처음 태어난 이래 계속 그랬던 것처럼 앞으로도 지속적으로 검증되고 수정되면서 새로운 값으로 거듭날 것으로 보인다.


우주론(cosmology)은 언제나 그랬던 것처럼 우주의 더 깊은 비밀에 더 접근하고자 지금도 계속 변화하는 중이다.


[참고자료]


▒ 애덤 리스 등의 논문(2016)  http://arxiv.org/abs/1604.01424v1

▒ 네이처 뉴스

-http://www.nature.com/news/measurement-of-universe-s-expansion-rate-creates-cosmological-puzzle-1.19715

▒ 포브스 뉴스

-http://www.forbes.com/sites/startswithabang/2016/04/12/the-biggest-problem-with-the-expanding-universe-might-be-trouble-for-dark-energy/#84d673560548

▒ 사이언스온 옛글 http://scienceon.hani.co.kr/89721 / http://scienceon.hani.co.kr/221068

▒ 암흑에너지, 암흑물질 관련 한글 자료 (물리학과 첨단기술)

-http://www.kps.or.kr/storage/webzine_uploadfiles/1008_article.pdf


  ■ 전문가 도움말 일문일답 

송용선 천문연구원 이론천문연구센터 책임연구원
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▷ 현대우주론에 의하면, 우주는 우주대폭발(빅뱅) 사건 이후로 팽창하며 식고 있는 중입니다. 그동안 관측과 분석 연구를 통해서, 특히 가장 정밀하다는 최근의 플랑크위성 관측 연구를 통해서, 우주의 총 질량-에너지는 원자로 이뤄진 보통물질 4.9퍼센트, 원자 아닌 정체불명의 암흑물질 26.6퍼센트, 그리고 우주 팽창을 이끄는 정체불명의 힘인 암흑에너지 68.5퍼센트로 이뤄진 것으로 측정됐습니다. 암흑물질은 중력으로 작용해 우주 팽창을 억제하지만, 암흑에너지는 척력으로 작용해 우주 팽창을 이끈다고 알려졌고요. 이런 플랑크위성의 우주배경복사(CMB) 정밀 관측을 통해서, 우주 팽창의 속도인 허블 상수는 그전까지 알려진 것보다 조금 작은 값으로 조정되었습니다. 그런데 우주배경복사의 관측을 통해서 어떻게 우주 팽창 속도로 알려진 ‘허블 상수’의 값을 얻을 수 있는지 궁금하네요.
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“엄밀하게 이야기하면, 우주배경복사로 허블상수(H0)를 직접 관측하는 것은 불가능합니다. 관측된 우주배경복사로 H0를 추정하기 위해서는 암흑물질과 암흑에너지를 가정해야 합니다. 플랑크위성이 보고한 값은 암흑물질이 ‘차가운 암흑물질(CDM; cold dark matter)’이고 암흑에너지가 ‘진공에너지’일 경우에 해당합니다. 가령 예를 들어 암흑에너지가 다른 모형인 Quintessential (ω > -1) 이면 H0는 더 작아지고, 또 다른 모형인 Phantom (ω < -1)이면 더 커집니다. (소문자 오메가 ω는 압력과 에너지 밀도의 관계식에서 두 물리량 사이의 비례 매개변수)


▷ 허블상수의 단위인 (km/sec)/Mpc은 어떤 의미인지요?
“우주의 두 물체는 우주 팽창에 의해서 멀어집니다. 그런데 그 거리가 멀수록 더 빠르게 멀어집니다. H0=67.8 km/s/Mpc 이라는 것은 만일 두 물체가 1Mpc 떨어져 있다면, 서로 67.8km/s 으로 멀어진다는 것입니다.” (1Mpc/메가파섹은 3.26 × 100만 광년)

 
▷ 그런데 최근에 화제가 된 논문을 보니, 플랑크위성이 우주배경복사 관측을 통해서 찾은 허블상수의 값과는 다른 허블 상수가 제시되었더군요. 18개 은하를 정밀하게 관측해보았더니 은하들의 후퇴 속도, 우주 팽창 속도(허블상수)는 74 ± 2로 측량된다는 것이 요지 같습니다. 이 논문에서 사용한 허블상수 측량 방법은 플랑크 위성의 방법과 다르다고 하는데요, 제가 이해하기로는 표준적인 밝기의 잣대가 되는 항성인 변광성들과 초신성들을 기준으로 삼아서 머나먼 은하의 거리를 서로 비교하여 측량하고, 또한 은하 빛의 스펙트럼에 나타나는 적색편이 현상(멀어지는 물체에서 나오는 빛 스펙트럼이 적색 쪽으로 이동하는 현상)을 분석해서, 우리은하에서 멀어지는 후퇴 속도를 측량하는 것으로 알고 있습니다. 이런 측정 방법을 사용한 것이 맞는지요?
“천문학적인 방법, 즉 표준 밝기를 이용하는 경우는 그동안 많은 불확정성이 있었습니다. 표준 밝기를 이용한 허블상수 측정 방법의 불확정성에 대한 지적도 이어져왔습니다. 이번에 발표된 관측 자료는 허블 망원경 관측을 주도했던 천문학자들이 발표한 것인데, 이전에도 여러 다른 천문학자들이 서로 다른 허블상수 관측 값을 발표하기도 합니다. (플랑크위성의) 우주론적인 관측값과 비교하기 전에 이런 천문학적 방법을 쓰는 관련 학계 안에서 의견 일치가 먼저 이뤄져야 할 듯합니다.”
[참조 http://cosmology.kasi.re.kr/conf2014/talk/Myung_Gyoon_Lee/H02014MGLee.pdf. ]

 
▷ 이번에 측정된 허블상수인 74 ± 2는 플랑크위성의 허블상수인 67.8 ± 0.77과 비교해서 상당히 큰 값입니다. 만일 이번에 제시된 허블 상수가 맞다면, 우주의 나이는 현재 138억 년으로 추정되는 값보다 훨씬 적어지게 되는지요? 아니면 우주 나이를 계산하는 데에는 이런 허블 상수 외에 또다른 변수가 있는 건지요?
“단순하게 H0 값만으로는 우주 나이 측정이 불가능합니다. 앞에서 답변해 드렸듯이 암흑물질 및 암흑에너지, 그리고 우주곡률 및 암흑 복사 에너지 등 다양한 요소들을 모두 고려해야 합니다.”

 
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▷ 현재 쟁점이 되는 것은 은하 관측을 통해서 얻어진 허블 상수와 플랑크위성의 우주배경복사 관측을 통해서 얻어진 허블 상수가 각각 서로 다른 방법론을 사용하고 있고, 각각의 방법에서는 둘 다 매우 정밀한 관측을 행해서 얻어진 값이기에, 무엇 하나가 옳다고 판정승을 하기 어렵다는 데 있는 듯한데요, 실제로 천문학자들이 보기에 그러한지요?
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“제가 보기에도 지금 허블상수가 얼마인지를 논의하는 것은 무리가 있다고 생각합니다. 우주배경복사는 우주 나이가 삼십만 년 되었을 때의 신호이기 때문에 그 이후에 벌어진 일을 알기엔 정확도가 다소 떨어집니다. 최근에 근거리, 중거리, 그리고 먼거리의 우주를 대상으로 한 우주 거대구조 연구가 활발해지고 있는데, 이것을 관측하면 암흑물질 및 암흑에너지가 무엇인지 알 수 있습니다. 그렇게 되면 우주배경복사의 정보와 교차하여 H0도 알 수 있을 것으로 생각합니다.”

 
▷ 그렇다면 정밀 관측을 통해서 제시된 두 가지의 서로 다른 허블 상수 문제는 앞으로 어떻게 풀리리라고 전망하시는지요?
“먼저 앞으로 5년 이내에 시작하는 우주 거대구조 관측 결과를 보아야 합니다. 이 관측을 통해서 먼저 암흑우주에 대한 이해를 해야 H0 문제도 해결되리라고 봅니다.”

 
▷ 표준우주론의 모형이 이런 두 가지 허블 상수의 문제로 인하여 영향을 받을 가능성도 있을까요?
“만일 H0=74가 맞다면, 이 우주는 Phantom 모형의 암흑에너지가 가득차 있는 것이고, 이 미지의 입자를 찾기 위한 노력이 진행될 것입니다.”

 
▷ 이번에 은하 관측을 통해 더 큰 허블 상수를 제시한 연구진은 (1)허블 상수를 측정하는 방법론에 문제가 있을 가능성 (2)두 가지 관측값이 모두 맞으며 단지 두 방법이 관측한 것이 서로 다를 대상일 가능성을 제시하는 듯합니다. 특히나 두번째의 가능성과 관련하여, 우주배경복사를 통한 관측은 우주대폭발 직후의 허블 상수이며, 이번의 은하 관측을 통한 허블 상수는 최근의 허블 상수일 가능성이 있다면, 그것은 우주 팽창을 이끄는 힘인 암흑에너지가 가변적이어서 그동안 증가해온 것으로도 볼 수 있지 않느냐는 가능성을 제시하고 있는 듯합니다. 그럴 가능성을 어떻게 생각하시는지요?
“위에서 답변을 드렸습니다.”

 
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▷ 우주론 연구자로서, 이번 연구결과와 논란을 어떻게 바라보시고, 어떤 점에서 흥미롭다고 여기시는지요? 개인 연구자로서 다시 한번 말씀해주시면 고맙겠습니다. (혹시 관련 연구를 하고 계신 게 있다면 함께 말씀해주세요)
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“현재 비교적 근거리에서 우주 거대구조를 관측한 BOSS 실험이 종료되었습니다. 저는 이 자료를 이용해서 작년에 암흑에너지의 정체 규명을 위한 논문을 발표했습니다 [ http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2014/12/005/meta ]. 그 결과 암흑에너지가 진공에너지일 가능성에서 크게 벗어나지 못했습니다. 논문에 나와 있듯이 H0=67이 현재로서는 가장 믿을 수 있는 결과라는 결론에 이르렀습니다. 하지만 아직 정확하지 않습니다. 말씀하신 67은 진공에너지를 가정했을 때의 이야기이고, 암흑에너지를 미지로 상정하게 되면 그렇게 정확하게 나오지 않습니다.”

 
▷ 제가 묻지 못했으나 허블상수나 암흑에너지 등과 관련한 연구 동향과 관련해 말씀해주실 게 있다면 말씀해주세요.
“현재 천문연 우주론 그룹은 암흑에너지의 정체 규명을 위한 우주 거대구조 국제공동협력 연구인 DESI (Dark Energy Spectroscopy Instrument) 프로젝트에 참가하고 있습니다. 2018년부터는 관측이 시작되는데, 이 실험이 끝나면 제 생각에 이 H0 문제는 해결될 것이라고 봅니다. 우주론적인 관측은 비교적 정확하여, 만일 우주배경복사와 우주 거대구조를 합쳐서 나온 H0라면 제 생각에 진리 값입니다. 그 때 다시 표준 밝기의 결과와 비교하면 될 것 같습니다.”


오철우 기자 cheolwoo@hani.co.kr      

@한겨레 과학웹진 사이언스온      



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오철우 한겨레신문사 과학담당 기자, 사이언스온 운영
1990년 한겨레신문사에 입사해 편집부, 사회부, 문화부, 생활과학부 등을 거쳤으며 주로 과학담당 기자로 일했다. <과학의 수사학>, <과학의 언어>, <온도계의 철학> 등을 번역했으며, <갈릴레오의 두 우주체제에 관한 대화>를 썼다.
이메일 : cheolwoo@hani.co.kr      

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