별나게 다정한 천문학

별나게 다정한 천문학

이정환 지음

행성B / 2022년 5월 / 272쪽 / 17,000원





우리는 왜 우주를 보는가



물음표로 이루어진 우리의 우주

끝없는 호기심이 뻗어 가는 곳, 우주: 우리에게 호기심은 본능에 가깝습니다. 궁금한 것을 보면 절대 그냥 지나치는 법이 없습니다. 프랑스 화가 폴 고갱의 그림 제목처럼 ‘우리가 어디에서 왔고 어디로 가는지’는 인간이 세상에 던지는 가장 기초적인 질문이자 호기심의 출발입니다. 여러 학문 분야는 모두 그 호기심을 채우기 위한 수단이지요. 더 나아가 종교와 예술도 마찬가지라 볼 수 있겠지요. 지금 우리를 둘러싼 세계와 문명은 모두 인간의 호기심에서 출발했다고 봐도 과언은 아닐 것 같습니다.

그 꼬리에 꼬리를 무는 질문의 끝에는 우주가 있습니다. 우주는 우리가 몸담고 있는 시간과 공간, 그 자체이지요. 오늘날 우리가 존재하기 전부터 우주에는 138억 년이라는 도저히 상상조차 되지 않는 긴 시간이 흘렀습니다. 그 억겁의 시간 속에서 우리가 속한 은하와 태양과 지구가 만들어지고 우리가 지금 존재하고 있지요. 그래서 우리는 인간 존재의 의미를 알고 싶은 마음에 누구나 한 번쯤 호기심에 찬 눈으로 우주를 올려다봅니다.

우주를 품은 학문, 천문학: 우리의 호기심으로 가득한 우주는 긴 시간뿐만 아니라 광활한 공간으로도 우리를 압도합니다. 현재 인류의 기술로는 지구에서 가장 가까운 외계의 별까지만 가는 데도 10만 년 가까이 걸립니다. 그런데 그 별은 우리은하에 있는 수천억 개의 별 중 하나일 뿐이지요. 게다가 우리은하 역시 우주에 있는 수천억 개 이상의 은하 중 하나일 뿐입니다. 이 수많은 은하는 넓은 우주 공간에서 서로 거미줄처럼 얽히고설킨 커다란 구조를 이루고 있지요. 거미줄이 있으면 그 사이사이에 빈 공간도 있는 것처럼, 별과 은하가 거의 없는 텅 빈 거대한 우주 공간도 있습니다. <스타트렉>에 나오는 워프 엔진처럼 우리의 이동 기술이 발달하지 않는 이상, 우리에게 우주는 사실상 닿을 수 없는 곳입니다. 상상할 수도 없을 정도로 넓고 깊은 호기심의 바다와 같지요.

천문학은 그런 우주를 품는 학문입니다. 우주는 인간이 도달할 수 없는 먼 곳이지만 그곳에서 일어나는 일들은 우리와 무관하지 않습니다. 천문학자들은 지금 우리가 보는 드넓은 우주가 사실은 과거의 한 점으로부터 팽창해 왔다고 말합니다. 지금은 억겁의 시간을 가야만 하는 먼 곳도 과거에는 우리와 이웃처럼 가까웠다는 이야기입니다. 지금 우주 저 너머에서 일어나는 일도 과거의 어떤 시점에서는 분명 우리에게 큰 영향을 미쳤을 겁니다.

우리 주변을 구성하는 모든 물질은 저 먼 우주에서 만들어졌습니다. 연필에 들어가는 탄소, 매일 쓰는 스마트폰과 컴퓨터 반도체의 규소, 숟가락과 젓가락의 스테인리스강, 숨 쉬는 데 필요한 산소까지도 우주에 처음부터 있던 것은 아닙니다. 수많은 별과 은하가 그런 원소들을 만들어 우주 공간에 퍼뜨린 것이지요. 그렇게 우주 공간에 퍼진 물질들은 뭉쳐서 새로운 행성, 별 그리고 은하를 만듭니다. 우리 삶의 터전인 지구와 태양계도 이렇게 생겨난 천체들입니다. 그렇게 생각해 보면 하나부터 열까지 우리와 우주가 연결되지 않은 부분을 찾기가 힘들 겁니다.

이런 점에서 우주는 우리의 뿌리를 찾기 위한 최적의 대상이지요. 그래서 우주를 보고 공부하는 학문은 모든 문명에서 오랜 시간에 걸쳐 발전해 왔습니다. 흔히 과거의 천문학이라고 하면, 별의 움직임을 바탕으로 점을 치는 일을 많이 떠올립니다. 하지만 그 일의 실제 의미는 예전부터 그보다 훨씬 더 깊었습니다. 인간이 감히 도달할 수 없고 상상할 수도 없는 넓고 어두운 밤하늘을 바라보며 우리의 존재에 대해 끊임없이 질문을 던지는 일이지요. 그렇게 치열하게 질문을 던지고 우주에서 답을 찾으려 했던 많은 사람이 쌓아 온 탑이 오늘날의 천문학입니다. 저는 천문학이 이 세상의 모든 학문 중에서 생각에 담는 범위가 가장 넓은 아주 ‘통 큰’ 학문이라고 자부합니다. 우리가 일상에서 당연하게만 여겨 오던 것을 당연하지 않은 시선으로 바라봐 온 과정이지요.

엿볼수록 늘어만 가는 밤하늘의 물음표: 이러한 우주의 매력을 십분 느낄 수 있는 수단이 있습니다. 바로 천체 사진입니다. 세계 각지의 천문대와 연구소들은 연구를 위해 얻은 관측 자료에 색을 입혀 멋진 사진으로 만들어 대중들에게 공개하고 홍보하지요. 그리고 대부분의 천문대는 관측 후 일정 기간(보통 1~2년)이 지나면 관측 자료를 모든 사람에게 공개하고 있습니다. 특히 나사는 ‘오늘의 천체 사진’이라는 웹 사이트를 운영하는데, 세계 각지의 망원경에서 쏟아지는 관측 자료들을 매일 아름답고 멋진 사진으로 만들어 보여 줍니다.

밤하늘에 보이는 수많은 천체는 모두 타임머신과 같습니다. 천체에서 방출한 빛이 우리 눈에 도달하기까지는 짧게는 수십, 수백 년부터 수십억 년까지도 걸리기 때문입니다. 우리는 밤하늘에서 무수히 많은 지난 시간의 발자국을 보고 있는 셈이지요. 이런 까닭에 천체 사진은 우리의 호기심을 끊임없이 자극합니다. 그렇게 사진을 통해 우주를 엿볼수록 우리의 우주는 또다시 물음표로 채워집니다.



지구와 태양계는 어떻게 생명을 품었을까



지구는 기막힌 우연이다

살아 있는 지구: 2006년 영국의 공영 방송 BBC는 <살아 있는 지구>라는 11부작 다큐멘터리를 방영했습니다. 산, 바다, 강, 사막, 밀림, 초원, 극지방 등 지구의 여러 지역에서 살아가는 생물들을 관찰하여 보여 주었지요. 해저 화산이나 황산 동굴처럼 햇빛 한 줄기 비치지 않는 환경에서도 살아가는 지구의 생물들을 보면서 말로 다 할 수 없는 경이로움을 느꼈지요. 정말 지구는 우리의 눈에 보이지 않는 곳에도 많은 생명을 품고 있고, 그 생명들은 진화를 거듭하면서 놀랄 만큼 지구 환경에 맞게 잘 적응해 왔습니다. 지구는 정말 축복받은 생명의 행성이지요. 우리는 지구가 인류의 것이라고 생각하지만, 인류 역시 지구에 있는 수많은 생물 중 한 종일 뿐입니다. 우리가 살기 전에도 지구에는 상상할 수 없는 긴 역사가 있었습니다. 인류는 그 긴 세월 동안 기막힌 우연이 겹쳐 겨우 존재할 수 있게 된, 한없이 미약한 존재이자 또한 지구의 긴 역사 속에서 잠시 머물다 가는 손님에 불과합니다.

생명이 자라날 명당자리, 거주 가능한 구역: 긴 시간 동안 지구에는 여러 차례의 기적이 일어났습니다. 약 50억 년 전 태양계는 이제 막 탄생한 어린 천체들의 모임이었습니다. 중심에서 활활 타면서 빛나는 태양은 아직 어린 별이었고, 태양의 중력에 끌려온 먼지와 조그마한 암석, 얼음덩어리들이 태양의 주변을 돌고 있었습니다. 태양계 초기에는 이 덩어리들의 수가 엄청나게 많았겠지요. 이 미세한 덩어리들을 ‘미행성’이라고 부릅니다. 우리가 서 있는 지구, 그리고 밤하늘에 보이는 달, 금성, 화성, 그리고 여러 소행성은 모두 미행성에서 탄생하였습니다.

시간이 지나면서 이 미행성들은 합쳐지기 시작했습니다. 서로 끌어당기는 중력 때문이지요. 마치 작은 레고 블록들이 합쳐져 멋진 로봇이 만들어지듯이, 우주에서는 미행성, 우주 먼지, 심지어 거대한 은하를 구성하는 별들도 이런 레고 블록 같은 역할을 합니다. 천문학에서는 이렇게 규모가 큰 천체를 이루는 조그만 구성 요소들을 ‘빌딩 블록’이라고 표현합니다. 지구 역시 빌딩 블록인 수많은 미행성들이 중력으로 뭉쳐져서 만들어졌습니다. 수많은 미행성이 합쳐지고 궤도가 여러 번 바뀌면서 지구는 태양계의 ‘거주 가능한 구역’에 자리 잡을 수 있었습니다. 이게 첫 번째 기적입니다.

거주 가능한 구역이란 태양계에서 액체 상태의 물이 지속적으로 생성되어 생명체가 존재할 수 있는 구역을 의미합니다. 다른 말로 ‘골디락스 존(goldilocks zone)’이라고도 하지요. 이 구역은 천체와 태양 사이의 거리에 따라 결정됩니다. 만약 어떤 행성이 태양과 너무 가깝다면, 낮에는 대기 온도가 수백 도까지 올라갔다가 밤에는 온도가 급격히 떨어져서 액체 상태의 물이 존재하기 힘듭니다. 대표적인 예로 수성이 그렇습니다. 반대로 어떤 행성이 태양과 너무 멀다면 물이 항상 얼음 상태로만 존재하겠지요. 천왕성이나 해왕성은 표면 온도가 영하 200도 이하로 내려갑니다. 물이 있다고 해도 표면에서는 절대로 액체 상태일 수가 없습니다.

그러므로 물이 액체 상태로 존재하기 위해서는 천체가 태양과 적당한 거리를 유지해야만 합니다. 그 적당한 범위를 거주 가능한 구역이라 부릅니다. 태양계에서는 금성, 지구, 화성 정도의 행성들이 거주 가능한 구역에 자리 잡고 있습니다. 그나마도 금성과 화성은 거주 가능한 구역의 가장자리에 있어서, 그 사이에 있는 지구가 가장 적당한 온도를 지닌 행성입니다. 덕분에 지구 표면의 70%가 항상 액체 상태의 물로 덮여 있는 푸른 행성이 될 수 있었습니다.

액체 상태의 물이 중요한 이유는 물의 큰 비열 때문입니다. 비열이란 물질의 온도를 높이는 데 필요한 열에너지의 양을 뜻합니다. 물이 표면의 70%를 덮고 있는 덕분에 지구의 표면 온도는 크게 변하지 않습니다. 덕분에 지구는 낮이면 400도까지 올라갔다가 밤이면 영하 150도로 떨어지는 수성보다는 훨씬 생명이 살기 좋은 조건이지요. 즉, 어떤 행성에 바다가 존재한다면 그 행성에는 생명이 살고 있을 확률이 높습니다. 그래서 거주 가능한 구역은 우리가 행성에 생명이 살 수 있는지를 판단하는 중요한 기준이 됩니다. 어떤 행성이 일단 거주 가능한 구역 밖에 있다면, 거기에는 생명체가 존재할 가능성이 거의 없다고 볼 수 있지요. 하지만 어떤 행성이 거주 가능한 구역에 있다고 해서 반드시 생명이 존재하는 것은 아닙니다. 생명의 행성이 되기 위해서는 몇 가지 조건이 더 필요합니다.

생명을 탄생시킨 바다와 대기: 금성과 화성도 넓게 보면 거주 가능한 구역 안에 있는데 왜 우리는 거기서 생명의 흔적조차 찾기 힘들까요? 그것은 거주 가능한 구역에 있더라도 물이 존재할 수 있는 여건 중에 하나만 맞춰졌지 정작 중요한 물은 없거나 부족할 수 있기 때문입니다.

물 분자는 수소 원자 두 개와 산소 원자 하나로 이루어집니다. 수소는 가장 가벼운 원소이며 우주에 가장 많이 존재하는 원소이지요. 산소 원자도 별에서 흔하게 만들어집니다. 따라서 이 두 원소가 결합한 물 분자는 우주 전체에서도 생각보다 흔하게 존재합니다. 원시 태양계의 수많은 미행성도 물 분자를 품고 있었습니다. 그런 미행성들이 뭉치면서 지구가 생겨났기 때문에 원시 지구에도 물이 많이 존재했지요. 생성 초기의 금성이나 화성도 마찬가지였을 겁니다. 하지만 문제는 그 많은 물이 다시 우주로 날아가 버리는 경우가 대부분이라는 점입니다. 행성에서 물 분자들을 액체 상태인 ‘바다’로 잡아 두려면 어느 정도 이상의 중력이 필요합니다. 천체의 크기가 일정 이상이 되지 않으면 중력이 약해서 물 분자가 우주로 날아가 버리기 쉽습니다. 그래서 거주 가능한 구역에 있다 하더라도 지구 크기의 수백분의 일밖에 되지 않는 작은 소행성들은 바다를 지니기 힘듭니다.

물이 우주로 증발하지 않기 위해서는 일정 수준의 대기도 필요합니다. 흔히 물이 끓어 증발하는 온도를 섭씨 100도로 알고 있지만, 그것은 1기압(우리가 일상적으로 느끼는 대기압)일 때의 이야기입니다. 기압이 낮아지면 물 분자의 운동이 좀 더 활발해 낮은 온도에서도 증발하기 쉽습니다. 화성은 지구 기압의 약 160분의 1밖에 되지 않을 정도로 대기가 매우 희박합니다. 이런 곳에서는 바다가 있더라도 금세 많은 양이 증발해 버리지요. 증발한 물이 구름이 되어 다시 비로 표면에 쏟아지는 순환이 일어난다면 참 좋을 텐데 아쉽게도 화성은 그런 작용조차 일어나지 못할 만큼 기압이 낮습니다.

물을 잡아 두기 위한 적당한 중력과 적당한 양의 대기가 모두 잘 갖춰진 지구에서는 약 40억 년 전쯤에 큰 바다가 형성되었습니다. 지구에서 바다의 존재는 생명이 살 수 있는 대기를 만드는 데도 큰 도움이 되었습니다. 초기 지구의 대기는 화산 폭발 등으로 생긴 이산화탄소가 많아 생명체가 살기 힘들었습니다. 하지만, 바다가 이산화탄소를 녹이면서 대기 중 이산화탄소량은 점차 줄어들게 되었지요.

최초의 생명체가 나타난 것도 이즈음입니다. 과학자들은 햇빛을 받아 광합성을 하면서 양분을 얻는 박테리아가 지구 최초의 생물이라고 추정하고 있습니다. 이 박테리아들은 이산화탄소와 햇빛을 통해 광합성을 하고 산소를 뱉어 냈습니다. 이산화탄소와 달리 산소는 바닷물에 잘 녹지 않습니다. 그래서 박테리아가 뿜어낸 산소는 공기 방울로 물속에서 올라와 지구 대기로 유입되었습니다. 그렇게 해서 지구는 점점 이산화탄소는 줄어들고 산소가 늘어나 마침내 산소가 풍부한 대기가 만들어졌습니다.

이렇게 해서 지구는 생명을 품기에 매우 안정적이고 균형 잡힌 환경을 지닌 행성이 된 것입니다. 하지만 이 순환이란 자칫 깨지기 쉬운 것이어서, 작은 환경의 변화도 이 순환 체계를 뒤흔들 수 있습니다. 최근 지구 곳곳에서 나타나고 있는 이상 기후 현상은 그 균형이 위태롭다는 것을 알려 주고 있지요.

훌륭한 지구 보호막, 오존층: 바다와 대기의 형성으로 이제 지구는 살 만한 행성이 되었습니다. 하지만 이때까지도 생명체는 바닷속에서만 살 수 있었지요. 물속으로 들어오는 햇빛으로 광합성을 하며 살아가는 바다 생물들은 아직 육지로 올라올 수는 없었습니다. 바로 강한 태양 빛 때문이었습니다. 당시 지구는 태양에서 오는 자외선, 엑스선, 감마선과 같은 고에너지의 빛에 무방비 상태였습니다. 이런 고에너지의 빛은 세포 안의 DNA 구조를 망가뜨려 버립니다. 수십억 년 전이나 지금이나 태양으로부터 엄청난 양의 방사선이 지구로 오는 건 변함이 없습니다. 달라진 것은 지구이지요. 현재 지구는 ‘오존층’과 ‘지구 자기장’이라는 이중 보호막 덕분에 육지에서도 생명 활동이 가능한 것입니다.

‘오존’은 산소 원자가 3개 결합한 물질입니다. 광합성을 하는 생물들이 내뿜은 산소 덕분에 지구 대기에 산소의 비중이 커지면서 산소 원자가 3개인 오존이 만들어집니다. 대기 중 산소 농도가 본격적으로 늘기 시작한 약 20억 년 전부터 지구 대기에는 엷은 오존층이 생겨났습니다. 이 오존층은 태양에서 자외선이 들어오면 그 에너지를 흡수하여 산소 원자 하나와 산소 분자 하나로 분해됩니다. 그리고 분해된 산소 원자들이 다시 결합하면서 오존을 만들었다가 자외선을 받고 또 나누어지면서 순환합니다. 즉, 생명체에 해로운 고에너지의 빛을 오존층이 흡수하여 지표에 도달하는 것을 막아 주는 것이지요. 오존층 덕분에 지구의 생명체들은 마침내 물속에서 빠져나올 수 있었습니다. 지금도 오존층은 태양 자외선으로부터 생명체를 지켜 주는 보호막 역할을 하고 있습니다.

자기장이 지구에 씌워 준 우산: 태양에서는 고에너지의 빛뿐 아니라 전기적인 성질을 띤 입자들도 날아옵니다. 태양에서 날아오는 입자들은 강한 태양 에너지로 인해 원자핵(+양전하)과 전자(-음전하)가 분리되어 오기 때문에 전기적 성질을 띤 입자들도 날아옵니다. 게다가 초속 수백 km로 날아와 에너지는 매우 높기 때문에 태양에서 쏟아지는 입자들을 직접 맞게 된다면 매우 위험할 것입니다.

자기장은 이러한 입자의 흐름을 바꿔 줄 수 있습니다. 전하를 띤 입자에 자기장을 걸면 입자는 자기장에 수직인 방향으로 힘을 받아 이동하려는 성질이 있습니다. 예를 들면 선풍기 모터도 이와 같은 원리로 돌아가지요. 모터 안에는 자석처럼 N극과 S극이 들어가 있고, 그 사이에 전류가 흐르면 힘을 받아 회전하는 원리입니다. 지구 또한 하나의 거대한 자석처럼 자기장을 지니고 있습니다. 지구로 쏟아지는 입자들은 전하를 띠고 있으니, 지구 자기장에 걸리면 수직 방향으로 힘을 받겠지요. 한 마디로, 지구 자기장이 무시무시한 입자들의 방향을 바꾸어 주는 것입니다.