새소식 서울대학교에서 우주를 탐험하다, 천문학전공 공개 행사 ‘태어난 김에 소행성 일주’

2025-08-13

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연구성과 황호성 교수 연구팀, 암흑 물질만 있는 은하를 무더기로 발견하다.

암흑 물질만 있는 은하를 무더기로 발견하다. - 은하, 대체 별을 어디에 숨겼나? -   □ 연구필요성 우주의 약 95%를 차지하는 암흑물질과 암흑에너지는 표준 우주 모형에서 중심적인 역할을 한다. 이 모형에 따르면 은하는 암흑물질의 중력에 의해 가스가 모여 별을 만들면서 그 형성이 시작되는데, 일부 은하는 별을 만들지 못한 채 존재할 수 있다. 이렇게 별을 만들지 못하는 은하를 ‘암흑 은하(dark galaxy)’라고 하는데, 지금까지 발견된 천체는 극소수에 불과했다. 따라서 별이 없이 암흑물질과 가스로만 구성된 은하를 체계적으로 탐색하는 것은 우주 구조 형성 이론을 검증하고 암흑물질의 특성을 규명하기 위해 매우 중요한 작업이다. □ 연구성과/기대효과 이번 연구에서는 기존에 약 10개 정도만 알려졌던 암흑 은하 후보를 새롭게 142개 추가로 발견했다. 이는 지금까지 알려진 후보 수의 10배를 넘는 규모로, 표준 우주 모형의 은하 형성 이론을 검증하고 ‘잃어버린 딸린 은하’ 문제와 같은 우주론적 난제 해결에 실마리를 제공할 것으로 기대된다. 향후 이 후보들을 대상으로 한 정밀한 후속 관측과 분석을 통해, 은하가 왜 어떤 경우에는 별을 만들지 못하는지를 밝혀내고, 암흑물질의 분포와 성질을 이해하는 데에도 크게 기여할 전망이다. □ Journal Link : 연구성과가 게재된 학술지 논문 바로가기 (https://doi.org/10.3847/1538-4365/ade0b8) □ 연구내용 o 권민성, 이가인, 윤혜인 연구원과 황호성 교수(서울대학교)는 미국 국립전파천문대(NRAO)의 윤일상, 브라이언 켄트 박사와 함께 아레시보 전파망원경 탐사(ALFALFA)와 DESI 레거시 영상 탐사 자료를 활용하여, 별이 거의 없는 암흑 은하 후보 142개를 새롭게 무더기로 발견하였다. o 암흑 은하는 암흑물질과 암흑에너지를 포함하는 표준 우주 모형(소위 ΛCDM이라고 불리는)에서 자연스럽게 예측되는 천체지만, 현재까지 관측을 통해 알려진 후보는 약 10개 내외에 불과했다. 이번 연구는 기존 후보 수를 10배 이상 증가시켰으며, 이는 표준 우주 모형의 은하 형성 이론 검증과 암흑물질 연구에 중요한 자료가 될 것이다. o 본 연구 결과는 우주론의 대표적인 난제인 “잃어버린 딸린 은하 문제(missing satellite problem)” — 즉, 우주론적 수치모의실험에서 예측되는 우리 은하 주변의 딸린 은하의 수와 실제 관측되는 수 사이의 불일치 — 를 설명하는 데 암흑 은하가 중요한 역할을 한다는 것을 확인하였다. 다만, 이번 발견에도 불구하고, 여전히 이론적으로 예측되는 암흑 은하의 수에는 미치지 못하고 있어, 향후 더 많은 탐색과 후속 연구가 필요하다. o 이번 연구는 세 단계로 구성된 프로젝트의 두 번째에 해당한다. 첫째, 이가인 학생이 주도적으로  우주론적 수치 모의실험에서 암흑 은하의 특성과 관측 가능한 조건을 이론적으로 도출하였다. 둘째, 이를 바탕으로 이번 연구에서 권민성 학생이 실제 전파(HI) 자료와 가시광 영상 자료를 결합 분석해 대규모 암흑 은하 후보 탐색을 성공적으로 수행하였다. 셋째, 더 다양한 규모의 암흑 구조를 탐색하기 위해 후속 연구가 진행 중이다. 구체적으로, 김수진 학생이 은하보다 큰 규모의 암흑 구조를 약한 중력렌즈와 광학 영상 자료를 통해 분석 중이며, 김이곤 학생은 은하보다 작은 규모에서의 암흑물질 덩어리를 찾기 위해 Gaia 우주망원경의 고정밀 천체 위치 자료를 분석하고 있다. 또한 윤혜인 박사 주도로 암흑 은하 후보의 물리적 특성을 면밀히 조사 중이다. o 이번 연구는 한국이 참여할 전망인 세계 최대 전파 망원경 SKA(Square Kilmetre Array)를 활용한 전파 탐사와 베라 루빈 망원경을 활용한 LSST (Legacy Survey of Space and Time) 가시광 탐사를 이용해서 훨씬 더 많은 수의 암흑 은하를 발견할 수 있다는 가능성을 제시한다. o 암흑 은하의 대량 발견은 표준 우주 모형의 은하 형성 이론을 관측적으로 검증할 수 있는 중요한 전환점이 될 수 있으며, 암흑물질의 존재와 성질을 밝히는 데에도 핵심적인 단서를 제공할 것으로 기대된다. 이번 연구 결과는 천체물리학 저널 보충 시리즈(Astrophysical Journal Supplement Series) 최신호에 게재되었다. □ 연구결과  ＜Title＞ Searching for Dark Galaxies with HI detection from the Arecibo Legacy Fast ALFA (ALFALFA) survey ＜Authors＞ Minseong Kwon, Ho Seong Hwang, Brian R. Kent, Ilsang Yoon, Gain Lee, Hyein Yoon  <Journal> The Astrophysical Journal Supplement Series (DOI: 10.3847/1538-4365/ade0b8)   <개 요> 표준 우주 모형에 따르면 초기 우주에서 암흑 물질이 중력적 수축을 통해 퍼텐셜 우물(암흑 물질 헤일로)을 만들고, 그 안에 가스가 모여 별을 형성해 은하를 만든다. 그러나 모든 암흑 물질 헤일로에서 별이 형성되는 것은 아니며, 별이 없이 가스와 암흑 물질만 남은 천체를 ‘암흑 은하’라고 한다. 이 천체는 표준 우주 모형의 난제 중 하나인 ‘잃어버린 딸린 은하’ 문제 해결과도 연결되는데, 딸린 은하의 암흑 물질 헤일로는 많이 생성되지만 별 형성 조건이 모두 만족되지는 않다는 것이다. 따라서 일부 헤일로는 별이 없어 가시광 영상에서 관측되지 않고(약 80%), 일부만 밝게 관측될 것으로 예측된다. 이처럼 암흑 은하는 표준 모형에서 자연스럽게 예측되므로, 이를 발견하는 것은 암흑 물질을 포함한 우주 모형 검증에 매우 중요하다. 이 연구 전까지는 10개 남짓 후보가 알려졌지만, 이 연구를 통해 그 개수를 150여개로 현저하게 늘렸다. 그러나 여전히 표준 은하 모형 예측의 1%에도 미치지 못하는만큼 추후 연구가 필요하다.  □ 용어설명 ※ ΛCDM: 현재 가장 널리 받아들여지는 표준 우주 모형으로, 우주의 가속 팽창을 설명하기 위해 필요한 암흑 에너지 역할을 하는 우주 상수 Λ와 우주 구조 형성을 설명하기 위해 필요한 차가운 암흑 물질(cold dark matter)을 핵심 요소로 포함하고 있다. ※ 잃어버린 딸린 은하 문제: 표준 우주 모형(ΛCDM)을 바탕으로 한 수치 모의실험에서는 우리 은하와 같은 거대 은하 주변에 수백 개의 작은 딸린 은하가 존재할 것으로 예측된다. 그러나 실제 관측에서는 이보다 훨씬 적은 수의 위성 은하만 발견되며, 이 불일치가 "잃어버린 딸린 은하 문제"로 불린다. 최근에는 별 생성 과정을 고려한 우주론적 유체역학 모의실험을 통해 이러한 불일치가 상당 부분 해소되었으며, 그럼에도 암흑 은하의 존재는 여전히 자연스럽게 예측된다. ※ ALFALFA (Arecibo Legacy Fast ALFA Survey): 미국 푸에르토리코에 위치한, 한때 세계 최대 단일구경이었던 305m 아레시보 전파망원경을 이용해 진행된 외부 은하 중성수소(HI) 대규모 탐사 관측 프로젝트. 수천 개의 은하에서 HI를 검출하여, 은하 형성과 진화 연구에 기초 자료를 제공하였다. □ 그림설명 [그림 1] 암흑 은하 후보 A215217의 예. (왼쪽) 가시광 컬러 영상 위에 HI 중성수소 분포를 등고선으로 표시 (등고선의 숫자는 1019cm-2 단위의 중성수소 기둥 밀도를 의미). 중심에 빨간색 가위표는 은하의 중심을 의미하고, 빨간색 두 동그라미는 각각 은하 위치 불확실도의 중앙값과 5를 의미한다. (오른쪽) 중성수소 관측에서 얻은 스펙트럼. 중심에 두 개의 봉우리가 자체 중력으로 회전하고 있는 은하와 비슷한 천체임을 암시한다.       [그림 2] (왼쪽) 142개 암흑 은하 후보들의 가시광 합성 영상. 중심에 특별한 밝은 천체가 보이지 않아서 별이 없다는 게 확인된다. (오른쪽) 무작위 배경 하늘의 대한 등급 (히스토그램으로 표시) 대비 왼쪽 영상 중심 영역의 등급 (빨간색 화살표 표시). 빨간색 화살표가 히스토그램 안쪽에 있다는 것은 왼쪽 영상 중심 천체의 등급이 천체가 없는 무작위 영역과 비슷하다는 것을 의미한다. 즉, 별이 보이지 않는다는 것을 정량적으로 뒷받침한다.       □ 연구자  ○ 성 명 : 권민성  ○ 소 속 : 서울대학교 물리천문학부(천문학) 석박사통합과정 학생        ○ 연락처 : mhee7173@snu.ac.kr   ○ 성 명 : 황호성                                                      ○ 소 속 : 서울대학교 물리천문학부(천문학) 교수                         ○ 연락처 : 02-880-8150, galaxy79@snu.ac.kr      ○ 성 명 : 이가인  ○ 소 속 : 서울대학교 물리천문학부(천문학) 박사과정 학생        ○ 연락처 : gainlee.cosmos@gmail.com    ○ 성 명 : 윤혜인  ○ 소 속 : 서울대학교 과학데이터혁신연구소 선임연구원   ○ 연락처 : hyein.yoon@snu.ac.kr    □ 관련기사 '별 볼 일 없는' 암흑 은하 무더기 발견…암흑물질 정체에 '한걸음 더' [동아사이언스, 2025/7/22] 우주진화 비밀 풀리나…'별 없는 은하' 후보군 무더기 발견 [연합뉴스, 2025/7/22] 서울대 연구팀, 별 없는 ‘암흑 은하’ 후보 142개 신규 발견 [헤럴드경제, 2025/7/22] 서울대 연구진, 별 없는 '암흑은하' 후보군 무더기 발견 [데일리굿뉴스, 2025/7/22] 안 보이던 은하들이 '우르르'…우주 진화 비밀 밝혀질까? [전자신문, 2025/7/22]  

2025-07-23

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연구성과 이정은 교수팀, 우주에서 화학실험실을 발견하다.

이정은 교수팀, 우주에서 화학실험실을 발견하다. - 간헐적 폭식 중인 태아별 B335 -   □ 연구필요성 별이 형성되는 과정에서 생명의 기원이 되는 유기분자가 어떻게 만들어지고 진화하여 행성에 포함되는지 이해함으로서 태양계와 지구 생명 탄생의 기원을 탐구한다. □ 연구성과/기대효과 우주에서 일어나는 화학현상은 실시간의 직접적인 실험을 통해 연구할 수 없고, 주로 이론적 수치계산을 통해서만 이루어져왔다. 하지만, 이번 연구를 통해, 복합유기분자의 화학현상을 실시간으로 들여다볼 수 있는 “천연 화학실험실”을 발견하였다. 이 우주 실험실의 지속적인 관측을 통해, 생명의 근원이 되는 복합유기분자의 생성과 변화를 더 잘 이해할 수 있을 것으로 기대한다. □ 문단 1  o 서울대학교 물리천문학부 이정은 교수가 이끄는 국제공동연구팀이 약 537광년 떨어진 태아별 B335를 대상으로, 고감도·고해상도 전파간섭계인 Atacama Large Millimeter/submillimeter Array(ALMA)를 활용하여 약 10년에 걸친 추적 연구를 통해 생명 발현에 중요한 복합유기분자의 실시간 변화를 세계 최초로 밝혀냈다.  o 태아별은 주변 물질을 흡입하여 스스로 수소 핵융합을 일으킬 만큼의 질량을 얻어야 독립적인 별로서 탄생한다. 이 과정은 수백만 년에 걸쳐 이루어지지만, 태아별은 수년에서 수십 년간의 짧은 폭발적 물질 흡입 기간과 약 천 년 정도의 정체 기간을 반복적으로 경험하면서 간헐적으로 성장한다. 물질을 폭발적으로 흡입하는 짧은 시기에는 태아별의 밝기가 증가하며 주위 물질을 가열한다. 이 과정에서 우주먼지 표면에서 생성되어 얼음 상태로 존재하던 복합유기분자들이 기체로 승화하게 된다. 이후 물질 흡입이 줄어들면 태아별의 밝기가 어두워지고, 이로 인해 우주먼지의 온도가 낮아지면서 복합유기분자는 다시 우주먼지 표면에 응축되어 얼음 상태로 복귀할 것으로 예측돼 왔다. 하지만 이번 연구를 통해 기화된 복합유기분자가 기존 이론적 예측보다 더 오랜 시간 동안 기체 상태로 존재한다는 사실이 새롭게 밝혀졌다. □ 문단 2  o 연구를 주도한 이정은 교수는 “대부분의 천문학 연구는 단일 관측 데이터, 즉 스냅샷 형태의 이미지를 기반으로 우주의 긴 시간 동안 일어나는 현상을 물리학적·화학적 이론을 통해 해석해 왔습니다. 이는 천문학적 시간 규모가 인간의 시간 규모와 비교할 수 없을 정도로 길며, 우주의 환경을 그대로 재현한 실험실을 구축하는 것이 불가능하기 때문입니다. 그러나 이번 연구는 우주에 존재하는 ‘천연 실험실’을 발견한 것과 같습니다. 고감도·고해상도 전파간섭계 관측을 통해 얼음 상태의 유기분자가 기화하는 과정을 직접 관측했으며, 장기적인 모니터링을 통해 기화된 유기분자가 다시 얼음 상태로 돌아가는 데 소요되는 시간이 기존 예측과 다르다는 점을 확인했습니다. 앞으로 이 우주 실험실을 계속 추적 관측한다면, 복합유기분자의 상태 변화뿐 아니라 태아별 주변에서 일어나는 화학적·물리적 과정을 실시간으로 연구할 수 있을 것입니다”라고 설명했다.  o 기존에는 태아별 주변의 화학적 변화에 대한 여러 이론적 예측이 있었으나, 관측 장비의 한계로 인해 검증 연구는 더디게 진행돼 왔다. 이는 복합유기분자가 태아별에 매우 가까운 영역에서만 기체 상태로 존재하며, 단순 분자들에 비해 신호 세기가 약해 이를 추적하려면 고감도·고분해능의 관측 장비가 필요했기 때문이다. 연구팀은 ALMA의 탁월한 감도와 고해상도를 활용하여 태아별의 폭발적 물질 흡입 과정 중 일어나는 다양한 분자들의 변화를 실시간으로 정밀하게 추적했다. 연구진은 ALMA를 사용해 이 태아별을 지속적으로 관측함으로써 성간 기체의 냉각 과정, 성간 기체에서의 화학 반응, 그리고 우주먼지 입자와 기체 입자 간 상호작용의 시간적 척도에 대한 이해를 심화할 계획이다. □ 문단 3  o 천문학자들은 실험실 실험을 통해 연구를 진행하기 어려운 특성상 이론과 모델을 활용하여 우주에서 일어나는 시간에 따른 변화 과정을 예측해왔다. 그러나 이번 B335의 시계열 관측은 태아별 주변에서 생명 발현과 관련된 복합유기분자들이 어떻게 화학적으로 진화하는지 생생히 보여주는 천연 상태의 우주 실험실을 발견하여, 천문학적 이해를 새롭게 확장시키고 있다. o 공동 저자인 텍사스 대학교 오스틴의 닐 에반스(Neal Evans) 교수는 “약 20년 전, 당시 제 대학원생이었던 이정은 교수는 1995년에 관측된 B335 데이터를 바탕으로 태아별의 광도 변화가 화학적 특성에 미치는 영향을 분석하기 위해 컴퓨터 수치 계산을 이용한 이론 실험을 진행했습니다. 하지만 당시에는 517년 전 B335가 이미 자연 실험을 수행했다는 사실을 알지 못했습니다. 그 실험의 결과가 빛에 담겨 우주를 가로질러 우리에게 도달한 것은 2015년 이었습니다”라고 회상했다. o 또 다른 공동 저자인 RIKEN 연구소의 야오 룬 양(Yao-Lun Yang) 박사는 “제임스 웹 우주망원경(JWST)를 이용하여 B335에서 관측한 얼음 분자 자료를 ALMA로 얻어진 기체 분자 자료와 결합하여 분석하면, 복합유기분자의 화학적 특성을 더 깊이 이해할 수 있을 것”이라고 덧붙였다. o 이번 발견은 생명 발현의 구성 요소들이 우주에서 어떻게 생성되고 진화하는지를 이해함에 중요한 기여를 할 것이다. 연구 결과는 천체물리학 저널 레터(Astrophysical Journal Letters) 최신호에 게재되었다.    □ 연구결과   ＜Title＞  A Natural Laboratory for Astrochemistry, a Variable Protostar B335  ＜Authors＞ Jeong-Eun Lee, Neal J. Evans II, Giseon Baek, Chul-Hwan Kim, Jinyoung Noh and Yao-Lun Yang  <Journal> The Astrophysical Journal Letter (DOI: 10.3847/2041-8213/ad841f)    참고 사이트: https://alma-telescope.jp/en/news/coms-202412  <개 요>   태아별은 주위 물질을 폭발적으로 흡입하는 짧은 시기를 반복적으로 거치며 성장하는데, 이 때 데워진 우주먼지에서 얼음 상태로 존재하던 복합유기분자들이 기체로 승화한다. 이 시기가 끝나면 기화했던 복합유기분자들은 우주먼지 표면에 응축되어 얼음 상태로 복귀할 것으로 예측 되어왔다. 하지만 태아별 B335의 폭발적 물질 흡입 과정을 고감도 고해상도 전파간섭계 ALMA로 10년에 걸쳐 추적 관측한 결과, B335의 광도가 증가함에 따라 주위 복합유기분자들이 빠르게 승화했지만, 그 이후 광도가 다시 감소했을 때에도 기체 상태에 있는 복합유기분자들의 양이 크게 변하지 않아, 기화된 복합유기분자가 이론적 예측보다 더 오랜 시간 동안 기체 상태로 존재한다는 사실이 새롭게 밝혀졌다. 이 연구는 최초로 복합유기분자의 상태변화를 실시간으로 추적한 사례로, 천연 화학실험실을 확보한 것과 같다. 그러므로, 태아별 B335를 지속적으로 관측하면 태아별 주변에서 일어나는 화학적·물리적 과정을 실시간으로 연구할 수 있을 것이다.  □ 용어설명   ※ 태아별, 원시별은 같은 용어이며, 아직 중심에서 핵융합이 일어나지 않은 상태를 의미한다.    ※ ALMA(아타카마 대형 밀리미터/서브밀리파 간섭계) : 전파간섭계는 여러 대의 전파망원경을 배열하고 이를 서로 간섭시켜, 거대한 하나의 전파망원경처럼 작동하도록 만드는 방법을 말한다. ALMA는 칠레 아타카마 사막에 건설해 운영하고 있는 세계 최대의 전파간섭계로 유럽남방천문대(ESO), 미국국립과학재단(NSF), 일본국립자연과학연구소(NINS), 캐나다국립연구회, 대만과학기술부(MOST), 대만중앙연구원(ASIAA) 그리고 한국천문연구원(KASI)과 협약을 맺고 있다.   □ 그림설명 [그림1] B335의 변광에 따른 ALMA 이미지. (위) 먼지의 연속복사 세기 (가운데) 복합유기분자, 메탄올 선복사 세기 (아래) 태아별의 변광과 유기분자의 상태를 보여주는 삽화 (Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) / J.-E. Lee et al.)    [그림2] 시간에 따라 변광하는 B335. (왼쪽) 중적외선 관측으로부터 얻어진 광도 변화. 가로축은 율리우스 날짜, 세로축은 태아별의 광도 (광도: 초당 방출 에너지) (가운데) ALMA로 관측된 연속복사 세기 변화. (오른쪽) ALMA롤 관측된 복합유기분자 선복사 세기 변화. (Credit: J.-E. Lee et al.)     [그림3] 변광하는 태아별 B335 주변 “천연 화학실험실”.  Phase2에서 태아별이 폭발적으로 밝아지면, Phase1에서 먼지 표면에 얼음상태로 붙어있던 복합유기분자들이 기화된다. Phase3에서 태아별이 다시 어두워져, Phase1 상태로 돌아가도, 유기분자들이 먼지 표면으로 응축되지 못하고, 여전히 기체상태에 머물러 있다.  (Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) / J.-E. Lee et al.)   □ 연구자    ○ 성 명 : 이정은    ○ 소 속 : 서울대학교 물리‧천문학부(천문학) 교수       ○ 연락처 : 02-880-6623, lee.jeongeun@snu.ac.kr              

2024-12-24

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연구성과 윤혜인 박사, 2024년 한국여성과학기술단체총연합회 미래인재상 수상

[ 서울대학교 램프(LAMP) 사업단 박사후 연구원 윤혜인 박사 ]   우리 전공 윤혜인 박사가 2024년 한국여성과학기술단체총연합회 미래인재상을 수상하였습니다. 한국여성과학기술단체총연합회는 한국과학기술계를 이끌어 갈 미래가 촉망되는 젊은 여성과학기술인을 발굴, 격려하고자 2010년부터 ‘미래인재상’을 제정하여 시상해오고 있습니다. 윤혜인 박사는 우리 전공에서 램프(LAMP) 사업단 박사후 연구원으로 재직 중이며, 은하 연구, 그 중에서도 은하의 중성 수소 특성에 관한 연구를 선도하고 있습니다. 현재는 호주 ASKAP 전파 망원경을 이용한 FLASH 탐사팀의 project scientist를 맡고 있으며, 시드니 대학교 honorary research fellow로도 활동 중입니다. 시상식은 지난 2024년 11월 21일 한국과학기술회관에서 열렸습니다. * 관련 링크: https://www.kofwst.org/kr/notice/notice.php?bgu=view&bbs_data=aWR4PTExMTQyJnN0YXJ0UGFnZT0mbGlzdE5vPSZ0YWJsZT0mY29kZT1ub3RpY2Umc2VhcmNoX2l0ZW09JnNlYXJjaF9vcmRlcj0=%7C%7C&ckattempt=1      

2024-11-29

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연구성과 이가인 대학원생, 엡실룬(Epsiloon)에 논문 소개

물리천문학부 천문학전공 박사과정 이가인 (제1저자) 물리천문학부 황호성 교수 (교신저자/지도교수)   우리 전공의 이가인 대학원생(지도교수 황호성, 교신저자)이 제 1저자로 쓴 최신 논문이 프랑스 과학 잡지, 엡실룬(Epsiloon) 11월호 기사에서 소개되었습니다. 이가인 학생은 IllustrisTNG 우주론 시뮬레이션 자료 분석을 통해, 별은 없이 암흑 물질과 가스로만 이루어진 암흑 은하(dark galaxy)에 형성과 진화에 대해서 연구했습니다. 이 결과는 The Astrophysical Journal 에 출판되었습니다. * 관련 링크: https://www.epsiloon.com/tous-les-numeros/n41/voici_les_galaxies_noires/ * 논문 링크: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad1e5d 엡실룬(Epsiloon)은 2021년 프랑스에서 창간된 과학 잡지로, 환경 문제부터 천문학까지 다양한 주제를 심도 있게 다루는, 수준 높은 잡지로 알려져 있습니다.    

2024-11-15

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