갈 수 없지만 알 수 있는

갈 수 없지만 알 수 있는

지웅배 지음

더숲 / 2025년 3월 / 428쪽 / 28,000원





사실 달은 가깝지 않다

1mm의 차이가 만든 달 탐사의 운명: 아폴로 우주인들이 달에 남기고 온 중요한 실험 장비 중 하나는 레이저 반사판이다. 구소련에서 시도했던 달까지의 거리 측정 시도보다 더 정밀하게 재기 위해서 아폴로 우주인들은 특별하게 만든 반사판을 달 표면에 설치했다. 달에 레이저를 발사해서 그 빛이 지구로 되돌아오기까지 걸리는 시간을 측정해서 달까지의 거리를 구한다는 아이디어는 말이 쉽지 실제로는 굉장히 까다롭다. 거울의 방향이 조금만 틀어져도 지구에서 쏜 레이저는 원래 방향으로 돌아오지 못한다. 전혀 다른 각도로 반사된다. 그렇다고 달에 매번 우주인을 보내, 레이저를 쏠 때마다 거울 각도를 세심하게 바꿔가면서 실험을 할 수도 없는 노릇이다. 그래서 천문학자들은 기발한 방법을 생각해냈다. 어느 방향에서 레이저를 쏴도 다시 원래 방향으로 반사되어 돌아올 수 있도록 마법의 거울을 만들었다.

방법은 간단하다. 평평한 거울 세 개를 마치 상자 모서리처럼 서로 90°로 붙였다. 이렇게 하면 조금 다른 각도로 레이저가 날아와도 바로 옆에 90°로 붙어 있는 다른 두 번째, 세 번째 거울 면에 빛이 반복해서 반사되면서 결국 원래 레이저가 날아왔던 방향으로 되돌아가게 된다. 이렇게 작은 거울 세 개로 만능 거울 조각을 만든 다음, 이들을 여러 개 모아서 하나의 커다란 반사판을 만들었다. 그 결과 지구 어디에서 레이저를 쏘아도 결국 다시 원래 방향으로 레이저가 돌아올 수 있게 되었다. 달의 앞면 곳곳에 설치한 반사판 덕분에 이제 우리는 지구에서 달까지 거리를 아주 정밀하게 잴 수 있다.

달은 지구 곁을 살짝 찌그러진 타원 궤도를 그리며 돌고 있다. 그래서 시기에 따라 달은 지구에 좀 더 가까이 다가오기도 하고, 멀어지기도 한다. 거리가 미세하게 변하기는 하지만 평균적으로 현재 지구와 달 사이 거리는 약 38만 4,400km 정도다. 이제 이 거리를 무려 100억 분의 1 수준의 정밀도로 측정할 수 있다. 달까지 거리를 마치 줄자로 직접 재듯 mm 단위까지 잴 수 있다.

아폴로 미션이 남기고 온 반사판은 지금도 아주 유용하게 쓰이고 있다. 반사판이 있어 달의 위치와 궤도 변화를 아주 정밀하게 추적할 수 있다. 100억 분의 1에 달하는 정밀도라니, 보통 천문학 분야에서는 상상할 수 없는 엄청난 정밀도다. 덕분에 이제 우리는 과거 3,500년 전부터 앞으로 3,500년 후까지 일식과 월식이 정확히 언제 어디에서 어떤 모습으로 관측될지를 예측할 수 있다. 달 곳곳에 설치된 반사판은 아폴로 우주인들이 정말 달에 다녀왔다는 것을 보여주는 증거가 되기도 한다. 또한 음모론을 일축시키는 증거품일 뿐 아니라, 오차투성이였던 천문학을 무려 mm 스케일의 정밀 과학으로 끌어올린 자랑스러운 전리품이라 할 수 있다.

세밀한 mm 수준으로 달의 위치를 파악하는 것은 오늘날 우주 탐사에서 큰 도움이 된다. 단 몇 초, 단 몇 mm의 오차만으로도 우주 탐사의 운명은 완전 갈릴 수 있기 때문이다. 탐사선이 아예 달의 중력을 벗어나 우주의 암흑 속으로 날아가버릴 수도 있고, 달 표면으로 곤두박질치면서 값비싼 장비를 가득 실은 탐사선이 그대로 운석이 되어버릴 수도 있다.

현대인보다 더 바빴던 공룡의 하루: 수 mm 단위로 달까지 거리를 정밀하게 측정하면서 알게 된 흥미로운 사실이 있다. 달이 꾸준하게 지구로부터 멀어지고 있다는 사실이다. 달의 궤도는 크게 나선을 그리며 조금씩 커지고 있다. 레이저 관측에 따르면 달은 매년 3.8cm씩 도망가는 중이다. 굉장히 느리게 도망가는 것 같지만 100년만 지나도 3.8m나 더 멀어지니 은근히 빠른 셈이다.

달이 지구를 서서히 벗어나는 이유는 달과 지구가 서로 주고받는 중력 때문이다. 언뜻 생각하면 이상하게 들릴지 모른다. 중력은 보통 서로를 끌어당기는 방향으로 작용하는 힘인데, 중력 때문에 오히려 달과 지구가 이별하고 있다니 말이다. 보통 과학시간에 달과 지구가 주고받는 힘을 계산할 때 지구와 달을 단순한 작은 점으로 표시한다. 그래야 계산이 간단하기 때문이다. 하지만 실제로는 그렇지 않다. 지구와 달 모두 크기가 0이 아니다. 모두 부피를 갖고 있다. 그래서 엄밀하게 보면 지구와 달의 각 부분마다 느끼는 서로에 의한 중력의 세기는 다르다.

지구를 바라보고 있는 달의 앞면과 지구를 등지고 있는 달의 뒷면을 생각해보자. 달의 앞면은 달 뒷면에 비해 지구에 좀 더 가깝다. 그 거리는 달의 지름만큼 차이가 난다. 지구에 더 가까운 달 앞면에서는 그만큼 지구의 중력을 더 강하게 느낀다. 반대로 달 뒷면은 앞면에 비해 지구의 중력을 더 약하게 느낀다. 달의 입장에서 생각해보면 앞면과 뒷면이 서로 다른 중력으로 잡아당겨지는 듯한 느낌이 들 것이다. 이 효과는 지구에서도 똑같이 벌어진다. 지구도 마치 양쪽으로 잡아당겨지는 듯한 느낌을 받는다. 단단한 지구 암석에 비해 물렁한 바닷물은 중력에 더 잘 끌려간다.

지구 자체의 자전 주기는 하루, 24시간이다. 즉 지구의 몸통은 하루 만에 360°를 회전하려고 한다. 반면 지구 주변을 맴도는 달의 공전 주기는 약 한 달이다. 달은 공전 궤도를 따라 360°를 모두 돌기까지 30일 가까운 시간이 걸린다. 양쪽으로 볼록하게 쏠려 있는 지구의 바닷물은 빠르게 자전하는 지구에 담긴 채 함께 빠르게 움직이려고 한다. 훨씬 느리게 움직이는 달을 앞질러서 빠르게 움직인다. 볼록하게 쏠린 바닷물 덩어리 역시 멀리서 궤도를 돌고 있는 달에게 중력을 가한다. 자신보다 앞질러서 빠르게 움직이는 바닷물 덩어리가 잡아당기는 중력 효과로 인해 달은 조금씩 속도가 더 빨라지는 효과를 얻게 된다. 공전 속도가 빨라지면 그만큼 공전 궤도도 넓어진다. 그래서 달은 조금씩 지구에게서 멀어진다.

한편 달이 천천히 지구로부터 멀어지는 동안, 지구에서도 중요한 변화가 벌어진다. 자전하는 지구에 실린 바닷물 덩어리의 중력이 달을 잡아당기듯, 뒤처진 달 역시 지구의 바닷물 덩어리를 자신 쪽으로 잡아당긴다. 이것은 오히려 바닷물 덩어리를 싣고 빠르게 돌고 싶어 하는 지구의 자전을 늦추는 효과를 일으킨다. 달이 멀어지는 동안 지구는 서서히 회전력을 잃어가며 자전 속도가 느려진다. 그리고 하루의 길이도 계속 길어지고 있다.

실제로 지구의 하루 길이가 어떻게 변해왔는지 지구의 화석 증거를 통해 확인할 수 있다. 바닷속 산호는 매일 성장하면서 하루에 한 줄씩 성장선을 남긴다. 일종의 나이테라고 할 수 있다. 특히 계절에 따라 성장 속도가 달라진다. 그래서 성장선 사이 간격이 좁아지고 넓어지는 변화를 통해 1년 단위로 성장 시기를 구분할 수 있다.

고생대 산호의 화석을 보면 1년 동안 만들어진 성장선의 개수가 확연하게 다르다. 약 4억 년 전에 살았던 산호는 1년 동안 성장선을 400개 정도 남겼다. 하지만 그보다 1억 년이 지난 3억 년 전에 살던 산호는 1년 동안 10개가 줄어든 390개의 성장선을 보인다. 4억 년 전에는 1년이 약 400일이나 되었지만, 1억 년이 지난 3억 년 전에는 1년이 390일 정도로 줄었다는 뜻이다.

지구가 태양 주변을 도는 데 걸리는 전체 시간인 1년의 길이에는 큰 변화가 없다. 즉 1년의 일수가 줄었다는 것은 각 하루의 길이가 더 길어졌다는 것을 의미한다. 45억 년 전 지구는 지금보다 훨씬 빠르게 자전했다. 당시의 하루는 겨우 여섯 시간뿐이었다! 정말 끔찍하지 않은가! 이후로 지구의 자전 속도는 꾸준히 느려졌고, 하루의 길이도 길어졌다. 100년마다 평균 약 2ms(밀리초), 대략 10만 년마다 하루가 1초씩 길어지고 있다. 따라서 약 1억 년 전 지구에 살던 공룡들은 지금보다 무려 한 시간이나 짧은 23시간의 하루를 보냈다.

이렇게 별것 아닌 것처럼 보이지만 지구와 달 사이 거리를 재는 일은 굉장히 중요하고 복잡한 문제를 품고 있다. 우리보다 더 바쁜 나날을 보냈을 공룡의 하루를 상상할 수 있는 것도 모두 달까지의 거리를 mm 단위로 정밀하게 측정할 수 있게 된 덕분이다.



외계 생명체 죽느냐 사느냐, 거리가 문제로다

다시 주목받는 천문학의 흑역사: 20세기까지만 해도 인류가 알고 있는 행성은 태양 곁을 맴도는 태양계 행성이 전부였다. 당연히 다른 별 주변에도 외계 행성들이 있을 거라 생각은 했지만 그 존재를 확인하지는 못했다. 그러다가 1990년이 지나면서 외계 행성을 품고 있는 것으로 의심되는 별들이 하나둘 발견되기 시작했다. 이제 인류는 공식적으로 5,000개가 넘는 외계 행성 목록을 갖고 있다. 앞으로 더 면밀한 검증을 거쳐야 하는 외계 행성 후보까지 생각하면 그 수는 1만 개를 넘는다.

특히 외계 행성을 찾는 천문학자들의 가장 큰 관심사는 지구처럼 생명이 살 만한 곳을 찾는 것이다. 아직까지는 실제 살아 숨 쉬는 외계 생명체를 생포한 적은 없다. 우리가 알고 있는 생태계는 지구가 유일하다. 따라서 지구에서의 경험을 반영할 수밖에 없다.

지구에서 생명이 탄생할 수 있었던 가장 중요한 배경 중 하나는 드넓은 액체 바다다. 최초의 생명체는 바다 깊은 곳에서 탄생했고 바다를 벗어나 육지로 올라오면서 지금의 아름다운 생태계로 번창했다. 그래서 천문학자들은 외계 행성을 발견하면 가장 먼저 액체 물이 존재할 수 있는 환경인지부터 확인한다. 지구에 액체 물로 채워진 바다가 존재할 수 있는 이유는 지구가 태양으로부터 너무 멀지도, 가깝지도 않은 딱 적당한 거리를 두고 떨어져 있기 때문이다. 만약 지구의 공전 궤도가 지금보다 더 작았다면 지구에는 과도한 태양 빛이 비치면서 바다가 모두 메말랐을 것이다. 반대로 지구의 공전 궤도가 더 컸다면 충분한 태양 빛을 받지 못해 지구는 차갑게 얼어버렸을 것이다.

현재 지구가 태양으로부터 떨어져 있는 거리는 약 1억 5천만km로, 1AU(Astronomical Unit)로 표시한다. 이 거리는 참으로 절묘하다. 마찬가지로 다른 별 곁을 맴도는 외계 행성도 액체 바다가 존재하려면 그 중심 별에서 너무 멀지도, 가깝지도 않은 적당한 거리를 두고 있어야 한다. 결국 중심 별에서 행성까지의 거리, 그 행성이 그리는 공전 궤도의 크기가 외계 행성의 생명 거주 가능성을 결정한다. 중심별에서 적당한 거리를 두고 떨어져 있어서 행성 표면에 액체 물로 채워진 바다가 존재할 수 있는 거리 범위를 ‘생명 거주 가능 구역’ 또는 ‘골디락스 존(Goldilocks zone)’이라고 부른다.

골디락스 존은 지나치게 뜨거운 별빛이 비치지 않을 정도로 중심 별에 가장 가까이 접근할 수 있는 범위에서부터 너무 춥지 않을 만큼 너무 멀지 않은 거리 범위까지, 별을 중심으로 도넛 모양으로 정의된다. 중심 별 자체가 어둡고 미지근하면 별에 좀 더 바짝 붙어 있어야 적당한 별빛을 받을 수 있다. 그래서 골디락스 존도 더 작아진다. 반대로 크고 밝은 별 곁에서는 조금 멀리 도망가 있어야 적당한 별빛을 받을 수 있다. 그만큼 골디락스 존도 더 크게 형성된다.

이제는 외계 행성의 존재 자체를 확인하는 건 그리 어려운 일이 아니게 되었다. 게다가 태양계처럼 중심 별 곁에 하나 이상의 여러 행성들이 함께 맴도는 경우도 많이 발견되고 있다. 대표적으로 행성 일곱 개가 한꺼번에 발견된 트라피스트-1(TRAPPIST-1) 행성계가 있다. 특히 이곳에서는 중심 별 주변 골디락스 존에 들어오는 암석 행성이 무려 세 개나 발견되었다. 그래서 많은 천문학자들은 이곳에서 어쩌면 외계 문명의 신호가 날아오고 있는 것은 아닐까 하는 기대를 갖기도 한다. 이처럼 여러 외계 행성이 함께 하나의 별 곁을 맴도는 다중 행성계는 지금까지 800개 넘게 발견되었다.

사실 태양계는 너무 좁다. 우주 전체에 비하면 점에 불과한 세계다. 외계 생명체를 찾기 위해서는 더 넓은 우주로 나가야 한다. 이제 태양계를 떠나 은하수로 눈길을 돌려보자. 밤하늘에서 빛나는 헤아릴 수 없이 많은 별까지 거리를 재고 지도를 그리고자 했던 몽상가들을 만나보자.



은하수를 여행하는 히치하이커를 위한 지도 그리기

오리온을 피해 밤하늘로 도망간 일곱 자매: 달이 초승달에서 반달과 보름달을 거쳐 다시 처음의 초승달로 돌아가기까지 걸리는 주기는 약 29.5일이다. 이 한 달을 12번 반복하면 총 354일이 된다. 그런데 문제는 1년의 길이가 정확하게 354일이 아니라는 점이다. 태양력을 기준으로 한 1년의 길이는 대략 365.24일 정도다. 태양력으로 한 1년의 길이는 태음력을 기준으로 한 1년의 길이보다 무려 11일 정도 더 길다. 이 차이를 제대로 보정해주지 않으면 불과 3년 만에 두 달력은 33일, 거의 한 달 가까이 틀어져버린다. 절기를 제대로 파악하는 것은 고대 농경 사회에서 아주 중요한 문제였을 것이다. 그래서 당시 사람들은 태음력과 태양력의 차이를 주기적으로 보정해주기 위해 윤달 개념을 만들었다. 고대 그리스 지역의 인류는 겨울철 밤하늘에서 밝은 별 일곱 개가 가까이 모여 있는 플레이아데스 성단을 기준으로 윤달을 맞췄다.

오래전부터 윤달의 기준이 되었던 플레이아데스 성단은 지금도 맨눈으로 쉽게 볼 수 있다. 겨울철 황소자리 부근의 밤하늘을 보면 별이 하나가 아니라 여러 개 모여 있는 듯한 모습을 볼 수 있다. 유럽과 호주를 비롯한 많은 문화권에서는 플레이아데스 성단을 밤하늘에 살고 있는 신화 속 일곱 공주, 일곱 자매로 불렀다. 그리스 신화에 따르면 바다의 신 아틀라스와 바다 요정 플레이오네 사이에 일곱 명의 딸이 있었다. 각각의 이름은 알키오네, 켈라이노, 엘렉트라, 마이아, 메로페, 아스테로페, 타이게테였다. 플레이아데스 성단 속 가장 밝은 일곱 개의 별에는 이 일곱 자매의 이름이 하나씩 붙어 있다. 그런데 밤하늘의 사냥꾼 오리온은 이 일곱 자매를 탐했다. 일곱 자매는 오리온이 두려워 계속 도망다녔다. 결국 일곱 자매를 불쌍히 여긴 제우스는 그들을 보호하기 위해 밤하늘의 별로 변신시켰고 지금의 플레이아데스 성단이 되었다는 전설이 전해진다.

플레이아데스 성단이 있는 황소자리 바로 옆에 거대한 오리온자리가 함께 떠 있다. 겨울이 되면 밤하늘이 천천히 흘러가면서 플레이아데스 성단의 뒤를 쫓아 움직이는 오리온자리의 모습을 볼 수 있다. 안타깝게도 플레이아데스 일곱 자매의 뒤를 쫓는 오리온의 스토킹은 지금도 끈질기게 이어지고 있다.

플레이아데스 성단의 슬픈 전설은 여기에서 끝나지 않는다. 제우스의 도움으로 무사히 하늘로 도망친 일곱 자매는 모두 신들과 사랑에 빠졌다. 하지만 메로페만은 신이 아닌 평범한 인간과 사랑에 빠졌다. 그래서 메로페의 별은 다른 자매들에 비해 유독 어둡게 빛나고 어지간히 어두운 하늘이 아니면 맨눈으로 확인하기 쉽지 않다. 플레이아데스 성단을 일곱 자매라고 부르지만 막상 실제 하늘에서 보면 밝은 별이 일곱 개가 아니라 여섯 개만 보이는 이유가 바로 이 때문이다.

플레이아데스 성단은 지금으로부터 약 1억 년 전에 형성된 것으로 추정된다. 성단을 이루는 별들은 지금도 천천히 성단 바깥으로 흩어지고 있다. 그래서 앞으로 약 2억 년 정도가 더 지나면 성단은 해체될 것이라 추정한다. 다행히 아직은 자매들의 사이가 그리 나쁘지 않다. 플레이아데스 일곱 자매를 비롯한 1,000여 개의 별들 역시 서로 크게 다투지 않고 잘 모여서 살고 있다.

플레이아데스 성단은 밤하늘에서 별이 하나가 아닌 여러 개가 모여 있는 모습을 눈으로도 쉽게 관측할 수 있는 몇 안 되는 명소 중 하나다. 그래서 고대 로마에서는 군인을 징집할 때 이 성단을 시력 검사에 활용하기도 했다. 플레이아데스 성단 속에서 별이 몇 개까지 보이는지 물어 지원자의 시력을 판단했다고 전해진다. 플레이아데스 성단은 오늘날 다양한 지상 및 우주 망원경들의 시력 검사를 위한 타깃으로도 쓰인다. 플레이아데스 성단은 훨씬 먼 다른 별들에 비해 비교적 가까운 거리에 놓여 있다. 그래서 더 먼 우주까지의 지도를 그리기 전에 우주 지도의 축척을 바로잡는 용도로 쓰기 좋다. 또한 플레이아데스 성단까지의 거리를 얼마나 정확하게 잴 수 있는지를 통해 새로 만들어진 망원경의 성능을 점검한다.