코스모스 씽킹

코스모스 씽킹

BossB 지음

알토북스 / 2024년 10월 / 368쪽 / 22,000원





우주 속의 우리



Q 우리 인간은 우주의 어디에 있나요?

광대한 우주: 우주를 알면 아주 작고 아주 큰 자신을 발견하게 된다. 내면에 숨어 있는 엄청난 에너지와 무엇이든 될 수 있다는 무한 가능성을 마주하게 되기 때문이다. 더불어 우주를 탐구하는 과정에서 내가 볼 수 있는 것과 해석할 수 있는 것은 내 시점에 의존하며, 그 시점은 한정되어 있다는 사실도 배운다. 시점은 한정되어 있지만 우주(현실)를 탐구하고 새로운 발견을 해나갈 때마다 다양하게 빛나는 자기 모습을 보게 된다. 주변의 빛남도 볼 수 있다. 그리고 모든 사람이 각자 빛날 수 있는 사회를 만들어갈 수 있다는 확신이 생긴다. 우주를 알고 시점이 늘어나면 자신을 포함한 이 세상 모든 존재의 본질이 보인다. 이것이 ‘코스모스 씽킹’이다. 자, 이제 우주를 탐구하는 여행을 떠나자!

먼저 우주 속 우리의 위치를 생각해보자. 우리가 사는 지구의 우주 주소를 알고, 우주가 얼마나 큰지 생각해보는 것이다. 지구의 우주 주소는 라니아케아 초은하단, 처녀자리 초은하단, 처녀자리 은하단, 국부 은하군, 우리은하, 오리온자리 팔, 태양계, 지구다. 지구에서 사용하는 주소로 나타내면 라니아케아 제국, 처녀자리 나라, 국부도, 우리시, 오리온로, 태양집, 지구님이라 하면 될까?

지구(님): 우리는 태양이라는 항성을 도는 지구 행성에 살고 있다. 태양으로부터 적당히 알맞은 거리에 위치하고 있어 너무 덥지도 않고 너무 춥지도 않으며 물이 풍부한 푸른 별이다. 태양계를 100억분의 1 크기로 축소하면 태양은 자몽 크기만 하다. 지구는 거기서 15m 떨어진 바늘 끝 크기의 점이 된다. 태양과 지구의 거리는 약 1억 5천만km이며 이 거리를 1천문단위(AU)라고 정의한다. 지구가 1만 개 정도 들어갈 수 있는 거리다.

태양계(집): 태양의 주위에는 행성이 여덟 개 있다. 태양계에서 가장 큰 행성은 목성이고, 가장 멀리 있는 행성은 해왕성이다. 태양계 축소 모형(100억분의 1)에서 목성은 태양에서 78m 떨어진 구슬, 해왕성은 태양에서 450m 떨어진 볼펜 끝이다. 태양에서 목성까지는 걸어서 1분, 해왕성까지는 걸어서 5분 정도 걸린다. 이 여덟 개의 행성과 최소한 다섯 개의 준행성, 200개 이상의 위성(달은 지구의 위성이다), 100만 개 이상의 소행성, 대략 10억 개 이상인 혜성을 하나로 묶어 태양계라고 한다. 모두 똑같은 가스 덩어리, 원시 태양계 성운에서 만들어졌다. 이것이 모두 태양계의 집안이다.

우리은하(시): 태양은 수천억 개 별로 이루어진 우리은하 속 하나의 별이다. 우리은하의 별을 한 사람이 1초에 하나씩 세면 수천 년이 걸린다. “이 세상에 남자(여자)는 하늘의 별만큼 많다.”라고 표현하지만, 실제 남자와 여자는 각 40억여 명으로 고작 은하수에 있는 별의 1%에 불과하다. 남자든 여자든 하늘의 별만큼 많지 않다. 그러니 자신이 만난 사람을 소중히 여기자.

태양과 가장 가까운 항성은 별 세 개가 중력으로 묶여 하나의 무리를 이루는 삼중성계, 알파 센타우리다. 안타깝게도 이 항성은 남반구에서만 볼 수 있다. 태양과의 거리는 약 40km다. 빛의 속도는 1초에 약 30만km를 움직이니까 빛이 1년간 이동하는 거리인 1광년의 거리를 계산하면 대략 10조km다. 그러니까 40조km 떨어진 삼중성계와 태양의 거리는 약 4광년이 된다. 지구에서 1등성 시리우스까지 거리는 8.6광년, 10세기 일본 여성문인 세이 쇼나곤이 사랑했던 묘성(플레이아데스성단)까지 거리는 440광년이다. 이렇게 우리가 맨눈으로 볼 수 있는 별은 대부분 태양에서 약 1,000광년 이내에 있다.

오리온자리 팔(로): 우리은하의 별들은 중심이 소용돌이치는 원반 모양으로 분포한다. 그 소용돌이의 여러 팔 중 하나인 오리온자리 팔에 태양계도 있고, 시리우스도 있고, 우리가 맨눈으로 볼 수 있는 거의 모든 별이 있다. 팔의 너비는 약 3,500광년이고 길이는 약 1만 광년이다. 우리은하의 원반 크기가 약 10만 광년이니 오리온자리 팔은 우리은하의 극히 일부에 불과하다. 우리은하라는 대도시에 태양계라는 집이 있으니, 오리온자리 팔은 도시의 어느 도로에 가까운 느낌이다.

국부 은하군(도): 우리은하는 안드로메다은하와 함께 국부 은하군이라는 무리에 속한다. 이 두 은하는 각각 수십 개의 왜소 은하를 주위에 거느리며 서로의 중력에 묶여있다. 비유하자면 국부 은하군은 여러 개의 시를 포함하는 도와 비슷하다. 우리은하에서 안드로메다은하까지 거리는 250만 광년이다. 250만 광년은 빛이 250만 년 동안 계속 나아가야 다다를 수 있는 거리다. 우리 조상들이 아프리카에서 석기를 사용하던 시절에 안드로메다은하가 발한 빛이 지금에야 지구에 다다르고 있다. 우리은하에서 가장 가까운 소용돌이 은하마저 이 정도로 멀다.

처녀자리 은하단과 처녀자리 초은하단(나라): 국부 은하군은 약 2,000개의 은하로 이루어진 처녀자리 은하단 일부로 중심까지 거리는 약 6,500만 광년이다. 처녀자리 은하단은 약 100개 이상의 은하군과 여러 개의 은하단으로 이루어져 처녀자리 초은하단의 중심에 있다. 처녀자리 초은하단의 직경은 약 1억 광년이다. 은하단과 초은하단은 중력으로 묶인 은하들의 집단이다. 그러므로 처녀자리 초은하단은 여러 개의 도로 이루어진 나라인 셈이다.

라니아케아 초은하단(제국): 최근 처녀자리 초은하단이 더 커다란 초은하단 라니아케아 초은하단의 일부라는 사실이 밝혀졌다. 라니아케아 초은하단의 직경은 약 5억 광년이다. 라니아케아 초은하단은 수백 개 이상의 은하단으로 이루어져 있으며 4개의 커다란 초은하단이 있다. 마치 여러 개의 나라로 이루어진 제국과도 같다.

관측 가능한 우주: 우주에는 라니아케아 초은하단 외에도 비슷한 초은하단, 은하, 별들이 끝없이 분포한다. 우리가 관측할 수 있는 우주는 930억 광년에 걸쳐 있으며, 다 합쳐 수조 개의 은하가 있고 그 안에 대략 10^23개(수조 개x수천억)의 항성이 있다. 지구상에 있는 모든 해변의 모래알을 전부 세도 10^21개 정도라는데 이에 비하면 정말 말도 안 되게 큰 숫자다. 게다가 항성의 주위에는 행성이 있다. 우리은하의 항성 하나당 평균 10개의 행성이 있을 것으로 예상하는데 그중 관측 가능한 행성만 대략 10^24개다. 행성이 이렇게 많은데 지구에만 생명이 존재한다면 이상하다.

관측 불가능한 우주: 관측 가능한 우주 너머에는 관측 불가능한 우주가 무한히 펼쳐져 있을 것이다. 이 무한한 우주에는 무수히 많은 은하와 별, 무수히 많은 생명이 있다. 그 속에 지구가 덩그러니 있고 내가 덩그러니 있다.

Q 우주는 언제 태어났나요? 태양과 지구는 언제 생겨났나요?

우주 달력: 다양한 관측 결과, 우주가 탄생한 것은 138억 년 전이다. 138억 년을 우리의 1년으로 압축한 우주 달력을 통해 우주의 역사와 인간의 존재를 생각해 보자. 138억 년을 1년으로 변환하면 한 달은 약 12억 년, 하루는 약 4천만 년이 된다.

138억 년을 1년으로 압축한 우주 달력:

▶1월 1일: 빅뱅이 일어나고 우주가 탄생했다. 빅뱅으로 발생한 열은 우주의 팽창과 함께 식었고 우주는 아직 깜깜하다.

▶1월 3일: 이때부터 우주에 별이 빛나기 시작했다고 추측된다. 2021년 12월 발사된 제임스 웹 우주 망원경이 우주 최초 항성들의 소멸, 초신성 폭발의 빛을 관측할 수 있을지 모른다. 같은 시기에 작은 원시 은하도 생겨난 것으로 추측된다. 은하는 작은 것부터 생겨나고 작은 은하들이 합체하여 단계적으로 커진다. 현재 관측되는 가장 오래된(우주 달력의 1월 9일경) 은하는 2022년 제임스 웹 우주 망원경이 발견한 JADES-GS-z13-0이다. 지금도 분석이 진행 중이지만 1월 3일경부터 최초 항성들의 빛이 있었을 것으로 추정하고 있다.

▶2월 9일경까지: 우리은하의 원반 형태가 완성된 것으로 추측된다. 그리고 다른 은하들과 합체하며 점점 불어났다. 최근 ALMA 망원경을 통해 꽤 커다란 은하 원반 가스가 발견되었다.

▶4월 11일경: 우리은하는 가이아 엔켈라두스 은하와 충돌해 합체했다. 가이아 엔켈라두스 은하는 우리은하의 약 5분의 1 크기였지만 충돌의 충격은 상당히 컸던 모양이다. 그 충격과 합체의 결과인 항성들의 궤적을 가이아 위성이 포착하고 있다. 은하에서는 수많은 별이 태어난다. 별이 죽으면 그 별의 파편을 포함한 가스가 다시 새로운 별로 태어난다. 그 별도 언젠가는 죽어 파편을 다음 세대로 전달한다. 이것이 별의 순환과정이다. 은하에 별의 재료(가스)가 있는 한 별의 순환은 반복된다.

▶9월 2일: 태양과 우리가 사는 태양계가 생겨나고 지구도 생겨났다. 지구는 이전 세대의 별이 충돌한 파편으로 이루어졌다.

▶9월 3~4일: 화성 크기의 원시 행성 테이아가 원시 지구와 충돌했다. 테이아와 지구의 파편으로 달이 생겨났다.

▶9월 하순: 이미 지구에 생명이 존재한 것으로 보인다. 며칠부터인지 현시점의 데이터로는 확실히 알 수 없다. 우주 달력상 9월생의 수많은 단세포 생물 화석이 발견되고 있을 뿐이다. 지구에서 생명이 생겨났다는 설도 있고 운석이나 혜성이 생명을 옮겨 왔다는 설도 있다.

▶12월 중순: 다세포 생물이 생겨났다. 생명은 단세포보다 다 같이 협력하는 공생이 이득이라는 점을 깨달은 듯하다. 다윈이 주장한 자연도태의 예로 보인다.

▶12월 25일: 크리스마스 밤에 공룡이 탄생했다.



▶12월 30일 아침: 직경 10km를 넘는 운석이 지구와 충돌해 공룡이 전멸했다.



▶12월 31일: 우주 달력의 마지막 날 밤, 비로소 인간이 등장한다. 여기서부터는 시간별로 살펴볼 필요가 있다.

- 21시 12분: 인간의 조상 아르디(Ardi)가 태어났다. 그러나 장시간 이족보행은 어려웠던 듯하다.

- 21시 58분: 인간의 조상 루시는 이족보행에 익숙했다. 아르디와 루시는 모두 에티오피아에서 발견된 가장 오래된 사람 뼈 화석으로 여성이다. 인류의 할머니다.

- 23시 57분: 인간이 형태와 그림을 그리기 시작했다.

- 23시 59분 33초: 인간이 농업을 시작하면서 정착 생활이 가능해졌다. 도시와 문명이 생겨났다.

- 23시 59분 49초: 인간이 이집트에서 피라미드를 건설했다.

- 23시 59분 59초: 우주 달력의 1년이 끝나기 1초 전, 니콜라우스 코페르니쿠스는 “지구는 우주의 중심이 아니며 태양의 주위를 돌고 있다.”라는 지동설을 주장했다. 과학 혁명의 시작이다. 이후 아이작 뉴턴이 중력과 운동의 법칙을 설명하면서 현대문명의 막이 올랐다.

우주 달력으로 치면 불과 1초 전 일어난 일이다. 짧은 시간이지만 그 1초의 영향력은 어마어마하다. 공룡은 4일 이상이나 지구와 공생했다. 그런데 인간은 탄생한 지 3시간 정도밖에 지나지 않았는데 공생은커녕 엄청난 속도로 지구를 파괴하고 있다. 그러나 한편으로 인간은 단 1초 동안, 1년에 걸친 우주의 역사 및 수많은 현상을 규명했다. 이는 지구상의 어떤 생명체도 하지 못한 일이다. 그리고 앞으로 우리는 더 많이 우주를 규명해 나갈 것이다. 우리 인간은 탐욕스럽고 허영심이 강하지만 한편으론 호기심이 왕성하고 지성을 발휘한다. 인간 한 사람에게 주어진 시간은 우주 달력으로 최대 0.2초 정도다. 0.2초는 짧은 시간이지만 그 영향은 엄청나다.



우주는 무엇으로 이루어져 있을까?



Q 결국 우주는 무엇으로 이루어져 있나요?

우주의 95%는 무엇으로 이루어져 있는지 알 수 없다: 우주를 구성하는 ‘물질’의 5% 정도는 우리 생활이나 실험에서 그 존재를 확인할 수 있다. 이러한 물질을 ‘보통물질(normal matter)’이라고 한다. 이를테면 원자를 이루는 양성자와 전자는 보통물질이다. 우리 인간, 지구, 태양도 보통물질이다. 질량은 없지만 에너지를 가진 빛도 보통물질이다. 그러나 우주에는 ‘보통이 아닌’ 물질과 에너지도 있다. 이것을 ‘암흑물질(dark matter)’과 ‘암흑에너지’라고 한다. 우리가 정체를 모르고 이해할 수 없어 암흑이라고 부르는 것이다. 우주의 95%는 이 암흑물질과 암흑에너지로 이루어져 있다.

암흑물질이 있다: 암흑물질이 있다는 사실은 어떻게 알까? 중력이 있으면 별과 은하는 움직인다. 뉴턴의 만유인력의 법칙에 따르면 중력은 질량이 있는 사물과 사물 사이에 작용하는 힘이다. 중력을 만들어 내는 것은 질량과 에너지이므로 별과 은하의 움직임을 관찰하면 눈에 보이지 않아도 ‘중력을 만들어 내는 무언가’가 있다는 사실을 알 수 있다.

이를테면 태양계와 행성은 그 궤도 내에 있는 질량의 중력(만유인력)에 이끌려 회전한다. 이 움직임이 공전이다. 수성은 초속 47km, 지구는 초속 30km, 태양에서 가장 멀리 있는 행성인 해왕성은 초속 5km로 회전한다. 행성의 회전 속도는 태양에서 멀면 멀수록 느려진다. 중심에서의 거리에 따른 회전 속도를 그래프로 나타낸 회전곡선의 형태를 보고 각 천체의 궤도 내 질량 분포를 알 수 있다.

우리은하는 별이 원반 형태로 분포하고, 중심에 별빛이 가장 많고, 중심에서 멀어질수록 별과 가스 구름이 적어진다. 그러므로 회전 속도는 중심 부근으로 갈수록 점점 높아지고 중심에서 멀어질수록 점점 낮아질 것이라고 예상할 수 있다. 그러나 실제로 관찰되는 회전곡선은 중심에서 멀어져도 회전 속도가 줄지 않고 거의 일정하게 유지된다. 우리은하의 중심에서 2만 6천 광년 떨어진 곳에 있는 태양계의 회전 속도는 초속 220km인데, 중심에서 5만 광년 떨어진 별과 가스 구름의 회전 속도도 태양계와 거의 같다.

이를테면 태양계의 해왕성이 지구와 똑같은 회전 속도로 움직이기 시작한다면 해왕성은 태양계에서 튕겨 나갈 것이다. 그렇게 빨리 움직이는 해왕성을 태양계에 붙잡아 둘 질량(중력)이 태양계 내에 없기 때문이다. 그러므로 우리은하의 별과 가스 구름이 튕겨 나가지 않도록 중력으로 붙잡아 두는 보이지 않는 무언가가 있다고 추측할 수 있다. 우리는 이 중력의 근원을 암흑물질이라 부른다. 빛을 내지 않기에 무엇인지 알 수는 없지만 우리은하의 질량 중 약 90%는 암흑물질이다. 다른 은하도 마찬가지로 대부분 암흑물질로 이루어져 있으며, 은하의 일부만이 빛날 뿐이다.

암흑물질의 정체?: 암흑물질을 입자로 가정할 경우 암흑물질은 대체 어떤 입자일까? 지금까지 가장 유력한 후보는 WIMPS(Weakly Interacting Massive Particles)라는 전하를 띠지 않고 중력과 약한 힘에만 반응하는 무거운 가상의 입자다. 이를 토대로 다양한 관측과 실험이 이루어지고 있는데 암흑물질의 존재가 추정된 지 100년 이상의 시간이 흐른 지금도 그 정체는 밝혀지지 않고 있다. 어쩌면 우주 초기에 생겨난 원시 블랙홀일 가능성도 있다. 어쩌면 물질(입자)이 아니라 중력 그 자체를 양자 수준에서 다시 생각해야 할지도 모른다.

암흑물질이 없었다면: 암흑물질이 없었다면 아마 지구와 생명도 존재할 수 없을 것이다. 원자 등 보통물질이 암흑물질의 중력에 유도되어 별과 은하를 효율적으로 만들어낸다. 또 별이 생성한 모든 중원소(탄소와 철)도 암흑물질의 중력 덕분에 우주 공간으로 흩어지지 않고 별과 별 사이에서 재활용된다. 그렇기에 행성이 태어나고 생명이 태어날 수 있는 것이다.