두근두근 천문학

내 생애 처음 공부하는 두근두근 천문학

이광식 지음

더숲 / 2017년 8월 / 284쪽 / 16,000원





세상에서 가장 짧고 재미있는 우주의 역사



우주는 어디서 왔을까

우주가 팽창하고 있다니!: 17세기 독일의 수학자이자 철학자 고트프리트 라이프니츠(1646~1716)는 “세상에는 왜 아무것도 없지 않고 무엇인가가 있는가?”라는 원초적인 질문을 던졌다. 그리고 이런 말을 덧붙였다. “이 세상이 환상일 수도 있고, 모든 존재는 꿈에 불과할지도 모르겠지만, 내가 보기에 이들은 너무나 현실적이어서 우리가 환상에 현혹되지 않고 있다는 점을 입증하기에 충분하다.”

현실적으로 이 견고한 실재는 모두 어디서 온 것인가 하는 것이 그의 물음이었다. 인류가 지구상에 나타나 5천 년 넘게 문명을 일구어 왔지만, 그때까지 이에 대한 답은 누구도 알지 못하고 있었다. 그러나 우리는 지금 현대과학에 힘입어 그 정답을 알고 있다. 정답은 다음과 같다.

138억 년 전 원자보다 작은 원시의 알이 대폭발을 일으켜, 그때부터 시간과 공간, 물질의 역사가 시작되었다.

이른바 빅뱅 우주론이다. 빅뱅에서 출발한 우주는 현재 우리가 살고 있는 우주에 이르렀으며, 지금 이 순간에도 빛의 속도로 쉼 없이 팽창하고 있다. 우주가 팽창하고 있다니! 얼핏 생각하기엔 황당하기도 하고, 믿기 힘들기도 하지만, 여기에는 무시하지 못할 많은 과학적인 증거들이 있다. 그 첫 번째 증거는 은하들의 후퇴다. 주위의 모든 은하들이 우리로부터 멀어져가고 있는 것이다. 먼 은하일수록 후퇴속도는 더 빠르다. 이는 곧 우주가 팽창하고 있다는 얘기다.

5천 년 과학사에서 최대 발견 중 하나로 꼽히는 우주팽창이 알려진 것은 1929년이었다. 미국의 천문학자인 에드윈 허블(1889~1953)은 먼 은하일수록 빨리 후퇴한다는 사실을 발견하고 우주가 팽창하고 있다고 선언했다. 즉, 현재의 우주 상태는 모든 은하들이 서로 멀어지고 있는 중이다. 우주는 팽창하고 있다! 그렇다면 그 출발점이 있다는 말 아닌가? 필름을 거꾸로 돌리듯이 팽창을 거슬러 올라가면 그 출발점에 가 닿을 수 있지 않을까? 다시 말해, 우주팽창을 역으로 따라가다 보면 모든 물질이 한곳에 모여 있는 시작점에 이르게 될 것이다. 바로 우주의 모든 질량이 무한 밀도로 압축되어 있는 점으로, 이것을 특이점이라 한다.

빅뱅의 두 번째 강력한 증거는 우주배경복사다. 허블이 우주팽창을 발견하고 30여 년이 지난 1964년, 미국의 벨연구소에서 우주의 극초단파를 연구하던 천체물리학자 아노 펜지어스와 로버트 윌슨은 우주에서 일정한 소음이 난다는 사실을 발견했다. 이 소음은 어떤 한 영역에서 오는 것이 아니라, 우주의 모든 방향에서 균일하게 오는 것이었다. 그들이 최초로 발견한 이 마이크로파 잡음은 바로 빅뱅의 잔향으로, 우주배경복사라 불린다.

이 배경복사의 발견으로 빅뱅에 회의적이었던 과학자들도 더 이상 딴지를 걸지 않게 되었다. 이로써 인류는 비로소 만물이 태초의 한 원시원자가 폭발한 빅뱅에서 출발했다는 답을 갖게 되었다. 이처럼 만물의 기원을 최초로 과학적으로 설명한 빅뱅 이론은 20세기 가장 위대한 과학적 성취로 꼽힌다. 만물의 근원에 대해 늘 궁금해 했던 라이프니츠가 이 소식을 들었다면 아주 기뻐했을 게 틀림없다.



빅뱅 우주론의 등장

우주론, 신화와 상상에서 과학의 영역으로: 빅뱅 우주론이 지금은 대세가 되어 주류를 차지하고 있지만, 그전에는 다른 우주론과 치열한 경쟁을 벌여야 했다. 20세기 초까지만 하더라도 인류는 우주가 변함없이 영원히 계속될 거라고 믿고 있었다. 이같이 우주는 늘 같은 상태를 유지하며 변화하지 않는다는 이론을 학문적으로 처음 정립한 사람은 1948년 프레드 호일, 헤르만 본디 등으로, 이들이 주장한 우주론을 ‘정상 우주론’이라 한다.

빅뱅 우주론과 정상 우주론은 20세기 중반까지 천문학계를 양분해온 우주론으로 팽팽한 대결 상태를 유지했다. 팽창하는 대우주의 의미를 담고 있는 빅뱅 우주론은 현재 평창 일로에 있는 우주는 사실 먼 과거 어느 한 시점에 실제로 있었던 대폭발의 결과물이라고 주장하는 이론이다. 빅뱅 우주론의 씨앗은 일찍이 아인슈타인의 일반 상태성이론에 나오는 중력 방정식 속에 숨어 있었다. 일반 상대성이론을 말하기에 앞서 이보다 10여 년 전인 1905년에 발표된 아인슈타인의 특수 상대성이론을 간략하게 살펴보기로 하자.

특수상대성이론은 광속도 불변의 원리와 갈릴레오의 상대성이론을 기초로 하고 있다. 빛의 속도는 어떠한 경우에도 초속 30만km로 일정하며, 공간과 시간은 절대적인 것이 아니라 상대적인 것으로 각각 관찰자에 따라 정의될 뿐이라는 것이다. 곧, 특수 상대성이론은 모든 관성계에서 같은 물리법칙이 성립하고, 빛의 속도가 일정하기 위해서는 서로 다른 운동 상태에 있는 관측자가 측정한 물리량이 달라야 한다는 이론이다.

쉬운 예로, 광속으로 달리는 기차의 바닥에서 천장을 향해 수직으로 랜턴 불빛을 비춘다고 치자. 기차에서는 불빛이 수직으로 달리지만, 기차 밖에서 볼 때는 빛이 달린 거리는 기차 천장과 바닥 길이를 높이로 하는 이등변 삼각형의 빗변이 된다. 즉, 더 먼 거리를 달린 셈이다. 광속은 불변이므로 기차 속의 시간이 느리게 간다고 볼 수밖에 없다. 이처럼 기차 안팎의 시간 기준계가 다른 것을 알 수 있다. 이것이 특수 상대성이론에 따른 시간 지연이다. 이 같은 시간 지연과 공간 수축은 시간과 공간이 별개의 존재가 아니라 하나로 연결된 ‘시공간’이기 때문에 일어나는 것이다. 따라서 달리는 기차를 측정하면 길이는 짧아지고 질량이 늘어나며 시간이 느리게 간다.

또한 특수 상대성이론은 질량과 에너지의 존재의 두 가지 형식으로, 양자는 동등하며 서로 변환할 수 있음을 보여주었다. 물질은 얼어붙은 에너지다. 물체의 속도가 빨라지면 질량이 증가한다. 물체에 가해진 에너지의 일부는 속도를 높이는 데 사용되지만, 일부는 질량을 증가시키는 데 사용된다. 따라서 아무리 에너지를 높여 속도를 가속시키더라도 광속으로 이를 수 없다. 광속에 가까울수록 질량이 무한대로 늘어나기 때문이다. 질량과 에너지의 등가 관계를 나타내는 것이 다음의 방정식이다.

E=mc² (E는 에너지, m은 질량, c는 진공 속에서 빛의 속도)



이 관계식에 따라 질량이 엄청난 에너지로 바뀌는 것을 인류는 원자폭탄으로 경험했다. 그 후 1916년에 발표한 아인슈타인의 일반 상대성이론은 한마디로 중력에 관한 이론이다. 일찍이 뉴턴은 중력에 관한 역제곱의 법칙으로 행성의 공전운동을 완벽하게 설명했다. 그러나 중력이 어떻게 그 먼 거리에 작용하는가에 대해서는 아무런 설명도 하지 않았다. 뉴턴은 “나는 가설을 만들지 않는다.”라는 말로 넘어갔을 뿐이다. 말하자면 제품의 사용설명서는 완벽한데, 제품의 작동방식은 전혀 언급하지 않은 셈이다. 그래서 일부에서는 뉴턴의 중력에 대해 ‘원격으로 작용하는 유령의 힘’이라고 비꼬기도 했다.

그러나 아인슈타인의 일반 상대성이론은 중력의 정체를 시공의 휘어짐이라고 정의했다. 그 근거는 중력과 관성력은 서로 같은 것이라는 등가원리다. 아인슈타인은 사고실험으로 자유낙하하는 엘리베이터 안에 있는 사람은 중력을 느끼지 못할 것이라고 생각했다. 말하자면 엘리베이터 안은 무중력 상태가 된다는 뜻이다. 자유낙하하는 엘리베이터는 가속도 운동을 하고 있기 때문에 관성력은 위로 나타나며, 이것이 중력과 서로 지워져 중력이 사라지는 것이다. 여기서 아인슈타인은 본질적으로 중력과 관성력은 같은 것이라는 결론에 이르렀다. 이것이 바로 일반 상대성이론의 핵심을 이루는 등가원리다.

이 등가원리가 가져온 결과는 매우 크다. 단순히 중력과 관성력이 같다는 것 이상의 의미를 지니기 때문이다. 가속도를 중력으로 바꾸어버림에 따라 가속계를 만들어내는 효과가 곧 중력효과가 되는 셈이다. 가속하고 있는 로켓의 창으로 날아든 빛은 휘어져 로켓의 맞은편 벽에 도달할 것이다. 여기서 빛이 중력장에서 휘어간다는 결론이 나오게 된다.

아인슈타인은 빛의 경로가 직선이 아니고 휘어진다면 곧 공간이 휘어져 있기 때문이라고 보았다. 빛의 경로는 공간의 성질을 드러내준다. 그래서 아인슈타인은 “오직 빛만이 우주공간의 본질을 밝혀주는 지표”라고 말했다. 일반 상대성이론에서 아인슈타인이 말하고자 하는 바는, 중력이란 두 물체 사이에 일어나는 원격작용의 힘이 아니라, 휘어진 시공간의 곡률 때문에 생겨나는 현상이라는 것이다. 이를 두고 미국의 물리학자 존 휠러(1911~2008)는 “물질은 공간의 곡률을 결정하고, 공간은 물질의 운동을 결정한다.”라는 말로 표현했다.

빛의 큰 중력장을 지날 때 경로가 구부러진다면, 그것을 가장 잘 관측할 수 있는 곳은 태양이다. 우리 주위에서 가장 큰 질량체이기 때문이다. 개기일식 때 태양 주위를 그쳐오는 먼 별빛을 관측하고, 태양이 없을 때 오는 별빛의 위치와 비교해보면 된다. 만약 태양 주위의 공간이 굽어 있다면 태양 근처를 지나오는 별빛은 휘어져 별의 실제 위치가 다를 것이다.

1919년 개기일식이 일어날 때, 영국의 천체물리학자 아서 에딩턴(1882~1944)은 팀을 이끌고 개기일식을 가장 잘 관측할 수 있는 아프리카 서해안의 한 섬에서 개기일식의 사진을 찍은 후 몇 달 전에 찍었던 별들의 위치와 비교해보았다. 그 결과, 별들의 위치가 아인슈타인이 예측했던 만큼 이동해 있는 것을 확인했다. 이 같은 빛의 휘어짐은 먼 은하들이 보여주는 중력렌즈 효과에서도 밝혀졌다. 중력렌즈 효과란 중력으로 인해 빛이 휘어져 렌즈 역할을 하는 현상을 말한다.

이리하여 가속도에서 출발한 일반 상대성이론은 결국 중력이론으로 변신하여 우주 구조의 근본적인 문제에 대한 해석 틀을 제공함으로써 현대 우주론의 출발점이 되었다. 아인슈타인의 중력이론이 등장하자 비로소 우주론이 신화와 상상의 영역에서 벗어나 과학의 장으로 옮겨가게 되었던 것이다. 일반 상대성이론만큼은 인류 역사상 가장 위대한 지적 산물의 하나라는 평가를 받고 있다.

우주는 과연 영원불멸할까: 창조신화에서 출발해 빅뱅 우주론에 이르기까지 수많은 우주관이 역사의 수면 위로 떠올랐다가는 거품처럼 스러지곤 했지만, 인류가 생각해온 모든 우주관은 크게 두 가지 유형으로 구분할 수 있다 이른바 우주가 영원불멸인가, 아니면 어떤 기원을 갖는가 하는 것이다. 20세기를 대표하던 두 우주론 중 정상 우주론은 전자에 속한다. 1940년대 거의 동시에 나타난 정상 우주론과 빅뱅 이론은 둘 다 결정적인 증거가 없어, 한동안 격렬한 논쟁이 계속되었다.

한 세대 동안 대폭발 우주론과 선의의 경쟁을 벌인 정상 우주론은 영국의 프레드 호일, 헤르만 본디 등이 내세운 이론으로, 우주는 넓게 보았을 때 어느 쪽으로나 등방, 균일한 것처럼 시간적으로도 예나 이제나 앞으로나 변함없이 같다는 주장이다. 우주는 시작도 끝도 없으며, 따라서 진화도 없고 이대로 영원하다는 것이다. 여기서는 굳이 우주의 시작점을 정할 필요가 없다.

하지만 문제가 있었다. 허블이 발견한 우주의 팽창이 너무나 명백한 사실이므로 정적인 우주론은 발붙일 자리가 없었다. 따라서 진화하면서도 변화하지 않는 우주 모델을 생각해야 했다. 우주가 팽창한다면 시간의 흐름에 따라 우주의 물질 밀도는 낮아진다. 이 문제를 해결하기 위해 토머스 골드(1920~2004)는 우주가 팽창함에 따라 늘어나는 은하 사이의 공간에서 새로운 물질이 나타난다는 착상을 했다.

이것은 동적이면서도 무한한 우주라는 조건에 들어맞는다. 우주가 무한하다면 우주가 2배로 커져도 역시 무한하다. 은하 사이에 물질이 만들어지기만 하면 우주의 물질 밀도는 유지될 수 있으며, 우주 전체는 변하지 않고 그대로 남아 있게 된다. 이렇게 하여 정상 우주론이 등장하게 되었다. 이 이론은 이전의 영원하고 정적인 우주에 새로운 물질의 창생을 덧보태 약간 수정을 가한 것이다. 우주는 팽창하지만, 그 내용은 영원하며 근본적으로는 변하지 않는다. 별들은 수소 구름에서 태어난다. 별이 생을 마치고 죽으면 그 물질은 다시 우주 공간으로 돌아가고, 그것을 밑천 삼아 다른 별로 재생한다.

그러나 단 하나 불온한 사실이 있다. 새로운 별의 탄생에는 신선한 수소가 필요불가결하다. 만약 새로운 수소가 공급되지 않는다면, 빛의 속도로 팽창해가는 우주는 언젠가는 물질의 밀도가 0의 상태로 떨어지고, 마지막 항성의 빛이 꺼진 후에도 어떤 빛도, 생명도 존재하지 않는 대공허로 변해갈 것이다. 그러나 정상 우주론은 대우주를 통해서 신성한 수소가 무에서부터 끊임없이 창생된다고 주장한다. 이는 질량불변의 법칙에 위배된다고 생각할지 모르지만, 태초에 물질이 창생되었다면 지금 그러지 말란 법은 없지 않은가 하고 반박할 수 있는 것이다.

그러면 물질이 어떻게 무에서 창조되는가? 우주가 팽창하면서 온도가 떨어지면 우주를 가득 채우고 있는 양자장이 음의 압력을 내게 되고 물질 사이에 밀힘(척력, 반중력)을 일으켜 우주공간이 급팽창한다. 공간이 팽창한 만큼 우주의 에너지가 증가하는데, 이 에너지가 급팽창이 끝나면서 물질로 바뀐다. 우리는 우주가 팽창한다는 사실이 발견되고, 우주의 팽창에는 중심이 없으며 모든 은하는 서로 멀어지고 있다는 사실을 근거로 우주에는 특별한 중심이 없고 어떤 방향으로도 동일하다는 등방성을 ‘우주원리’로 받아들이게 되었다. 이 원리는 우리 은하가 있는 우주공간이나 수십억 광년 떨어진 다른 곳의 우주공간이나 근본적으로 별반 다를 게 없으며, 우주가 사는 곳이 우주의 어떤 특별한 장소가 아니라는 것이다.

그런데 정상 우주론은 여기서 한걸음 더 나아가 우주는 시간적으로도 동일하다고 주장한다. 이는 공간적으로 동일할 뿐만 아니라, 우리가 존재하는 이 시대도 우주의 다른 시대와 같다는 말이다. 곧, 우리는 우주의 특별한 장소, 특별한 시대에 살고 있는 것이 아니라는 뜻이다. 이 우주원리는 시공간 모두에 대해 대칭성을 주장하는 것으로 ‘완전 우주원리’라 부른다.

이 아름다운 이론에 의하면, 대우주는 죽음과 재생의 무한한 순환으로 영원히 지속된다. 이 이론대로라면 대우주는 태초도 없고 종말도 없이 영구적으로 일정한 물질밀도를 가지며 정상상태로 남아 있을 수 있다. 이처럼 정상 우주론은 떠들썩한 탄생이나 음울한 종말이 없다는 점에서 무척이나 매력적인 우주론이다.



알수록 놀라운 태양계 이야기



우리가 사는 동네, 태양계

초속 17km로 40년을 날아야 태양계를 빠져나간다: 우리가 사는 동네인 태양계는 태양과 그 중력장 안에 있는 모든 천체, 성간 물질 등을 구성원으로 하는 주변 천체들이 이루는 체계를 말한다. 태양 이외의 천체는 크게 두 가지로 분류되는데, 8개의 행성이 큰 줄거리로 본문이라면, 나머지 약 160개의 위성, 수천억 개의 소행성, 혜성, 유성과 운석, 그리고 행성 간 물질 등은 부록이라 할 수 있다.

인류가 태양계의 존재를 인식하기 시작한 것은 16세기에 들어서였다. 그전에 인류 문명이 진행되었던 수천 년 동안 태양계라는 개념은 형성되지도 않았다는 얘기다. 그들은 지구가 우주의 중심에 부동자세로 있으며, 하늘에서 움직이는 다른 천체와는 절대적으로 다른 존재라고 믿었다. 기원전 3세기 고대 그리스의 천문학자 아리스타르코스가 태양 중심의 우주론을 주창하기도 했지만, 태양계라는 개념의 기원은 아무래도 16세기 코페르니쿠스가 주창한 태양 중심의 지동설에 닿아 있다고 볼 수 있다.

17세기에는 그 계승자 요하네스 케플러가 태양 중심설에 기초한 행성운동의 3대 법칙을 발견하고, 이어 갈릴레오가 망원경으로 달과 목성의 4대 위성, 은하수 등을 관측해 지동설을 확고한 기틀 위에 세움으로써 태양계가 인류의 인식 속에 뚜렷이 자리 잡기에 이르렀다. 오늘날 우리는 수천억 개의 은하들이 존재하는 대우주 속에서 우리 은하는 조약돌 하나밖에 되지 않는다는 사실을 알 뿐 아니라, 우주 속에서 태양계가 차지하는 부분은 그야말로 망망대해 속의 거품 하나에 지나지 않는다는 사실도 잘 알고 있다. 그러나 인간의 척도로 볼 때 태양계는 우리가 생각하는 것보다 훨씬 광대하다.