특집|우주(宇宙)란 무엇일까? – ① 우주란 무엇인가__이석영

우주란 무엇인가

이석영

연세대학교 천문우주학과 교수

 

 

우주는 아름다운 현상일까, 두려움의 대상일까? 우주는 자연현상 그것뿐일까? 아 니면 신의 의지가 그려져 있는 작품일까? 검은 밤하늘에 빼곡히 차 있는 별들을 본 적이 있는 이들은 아름다움을 노래한다. 시인 윤동주가 그랬고 화가 빈센트 반 고흐 가 그랬다. 하지만 이런 별들이 우리 은하에 천억 개나 있다는 지식을 접하면 신기한 마음이 들고, 이런 은하가 보이는 우주 안에만도 천억 개나 있다는 소식을 들으면 슬 슬 어지러워지기 시작한다.

도대체 우주의 끝은 어디 있을까? 우주의 끝이 있기나 할까? 상상으로 이야기를 쓰기보다 직접 증거를 보고 싶어 하는 과학자들이 힘을 합쳤다. 허블 우주 망원경을 사용해 우주의 끝을 엿보기로 한 것이다. 보통 과학자들은 20분만 사용할 수 있어도 원이 없을 이 망원경을 천문학자들이 네 달 동안 사보타지해 하늘의 빈 곳을 들여다 보았다. 일명 허블 울트라 디프 필드(Hubble Ultra Deep Field) 프로젝트. 이제껏 아무것 도 발견된 것이 없는 하늘의 한곳을 향해 네 달 동안의 노출을 준 후 우리는 놀라운 결과를 얻게 된다. 100억 년 전에도 은하가 있었다. 그런데 이 시기의 은하들의 모습 이 우스꽝스럽다. 오늘 우리 근처에 있는 은하와 달리, 대칭적이지 못하고, 제 모습 을 다 갖추지 못한 채 어리바리하다. 이런 일련의 연구를 통해, 우주는 어마어마하게 광대하지만, 그 시작이 있었다는 것이 확실해졌다.

이 모든 것은 언제 어떻게 시작한 것일까? 이 우주에서 나의 역할은 무엇인가? 우 주와 나는 앞으로 어떻게 될까?

아인슈타인의 일반상대론은 뉴턴의 역학이 설명하지 못한 여러 가지 천체 관측 사실을 명쾌하게 설명하고, 지금까지 제시된 모든 검증 과정을 다 성공적으로 통과 했다. 상대론에 의하면, 공간의 구조는 그 공간이 포함하고 있는 에너지의 총량에 의 해 결정되고, 시간은 공간 구조의 모습에 따라 다르게 흐르게 된다. 작은 공간에 너 무 많은 에너지가 밀집되어 있으면, 그런 공간은 함몰되고 그곳을 지나가는 빛은 함 몰된 웅덩이를 따라 긴 둘레길을 돌아가야 하는 반면, 빛의 속도는 일정하기 때문에 결과적으로 시간이 느리게 흐른다. 지금까지 수백여 개 발견된 블랙홀이 좋은 예다. 지금 이 순간에도 우주의 각 지점들은 그 지점의 에너지에 따라 공간의 모습도 다르 고 시간도 다르게 흐른다. 시간과 공간은 더 이상 절대적이지 않고 상대적이다. 작은 공간이 이런 황당한 물리법칙에 지배받는 것처럼, 우주 전체도 마찬가지다. 아인슈 타인은 자기가 고안한 상대론의 결과를 감당할 수 없었다. 상대론이 맞다면 우주는 같은 상태로 정지되어 있을 수 없고 총에너지의 양에 따라 산출되는 속도로 수축하 고 있어야 한다. 이미 우주는 최상의 아름다움으로 존재한다고 믿었던 그에게 이렇 게 변화하는 우주는 용납될 수 없었다.

 

현재 관측 자료와 이론에 입각해서 우리가 많은 것을 거의 확실히 안다고 하지만,

우주를 구성하는 대부분의 에너지의 정체를 아직 모른다.

그러나 우리는 분명 과거 어느 시점보다 우주에 관해 자세히 알고 있다.

우리가 뭘 모르는지 알고 있기 때문이다.

 

곧 해결책을 발견한 사람들이 있었다. 벨기에의 천문학자이자 신부 르메트르와 러시아의 수학자 프리드만이다. 그들에 의하면, 우주가 수축하고 있지 않고 무슨 이 유인지 우주가 팽창하고 있기 때문이다. 이른바 빅뱅이다. 중력에 의하면 야구공은 땅으로 떨어지고 있어야 하지만, 위로 향해 움직이고 있다면 그건 아마도 누가 홈런 을 쳤기 때문일 것이다. 마찬가지로 우주가 스스로의 중력에 의해 한 점으로 수축하고 있지 않은 이유는 누군가 ‘우주의 홈런’을 쳤기 때문이라는 것이다. 이른바 ‘빅뱅 이론’이 탄생한 순간이다.

빅뱅 이론은 가모프에 의해 계승 발전되었다. 가모프는 우주가 정말 무언가에 의 해 팽창하고 있다면 초기 작은 우주는 더 뜨거웠을 거라고 생각했다. 그리고 뜨거운 초기 우주에서 발산된 빛이 오늘날 영하 270℃의 매우 작은 에너지만을 가진 채 발 견될 것이라고 예측했다. 우주배경복사에 관한 예측이다. 대부분의 과학자들이 냉소 를 금치 못한 이 예측은 20년 후에 미국의 전화 회사에서 일하던 천문학자들에 의해 우연히 검증되었다. 그들은 우주의 천체들이 어떻게 전화 신호에 잡음을 일으키는가 를 연구했는데, 그 기원을 알 수 없는 낮은 온도의 잡음이 하늘 전체에서 거의 균일 하게 발생하는 것을 발견했다. 이 잡음이 바로 가모프가 예견한 우주배경복사다. 바 로 이 순간, 인류는 역사상 처음으로 우주의 기원에 관해 과학적으로 이해하게 된다. 우주에 시작이 있었던 것이다. 오늘날 최고의 물리 이론으로 인정받는 일반상대론도 받지 못한 노벨상을 우주배경복사에 관한 관측이 두 차례나 거머쥐었으니 우주 팽 창에 관한 이해가 인류에게 얼마나 중요한 패러다임 변화를 의미하는지를 간접적으 로 이해할 수 있다. 빅뱅 이론은 눈에 보이지 않는 우주배경복사뿐 아니라 우주에 관 해 많은 것을 설명했다. 수소, 헬륨과 같은 작은 원자의 기원, 그리고 왜 거의 모든 은 하들이 서로에게서 멀어져 가는지 등등.

우주배경복사(특정한 천체가 아니라, 우주 공간의 배경을 이루며 모든 방향에서 같은 강도로 들어오는 전파) 는 영하 270℃의 낮은 온도로 우주를 가득 채우고 있다. 그 자체가 잡음인데, 자세히 들여다보니, 그 잡음 안에 또 다른 층의 잡음이 깨알같이 들끓는다. 하늘이 지역마다 약 10만분의 1℃ 정도로 온도의 차이를 보인다. 영하 270℃의 잡음으로 발견한 우주 배경복사는 팽창하는 우주의 증거라는데, 그 속에 있는 또 다른 잡음은 어떻게 이해 하면 좋을까? 말 그대로 잡음이라 쓰레기통에 넣어버리면 되는 걸까? 하지만 우린 벌써 50년 전에, 전화와 TV 신호에 보이는 잡음의 1%, 즉 우주배경복사가 어떻게 쓰 레기통으로 들어갈 뻔했다가 우주 팽창의 기밀을 알려주는 열쇠가 되었는지 잘 기 억하고 있다.

잡음 속의 잡음, 제5원소를 손에 든 천문학자들은 조심스레 그 작동법을 탐구한 다. 워낙 복잡한 계산이라 슈퍼컴퓨터를 사용하기로 한다. 우주 공간에 질량을 가진 물질을 고르게 채운다. 이 우주 공간은 한 변의 길이가 4억 광년 정도로 실제 오늘 날 볼 수 있는 우주의 100분의 1 정도 크기다. 부피로는 100만 분의 1 정도다. 이렇 게 물질 분포가 균일한 초기 우주가 고르게 팽창한다면 무슨 일이 벌어질까? 그저 물질들 간의 거리만 커져갈 뿐 밀도는 전 우주에 걸쳐 고르게 유지된다. 천문학자들 은 조심스럽게 초기 조건에 변화를 준다. 물질의 분포가 비교적 균질하지만 10만 분 의 1 정도의 차이를 갖도록 한다. 우주배경복사 안에서 발견된 잡음을 넣는 것이다. 수십 억 개의 입자가 고르게 분포하고 있는데, 10만 개 중 하나씩 삐딱하게 있는 것 으로 비유할 수 있다. 그리고 우주가 팽창하게 하고, 우리가 알고 있는 우주의 나이, 즉 137억 년만큼 기다려본다. 우주 팽창과 중력에 의한 인력이 줄다리기를 하는 동안 밀도가 높은 지역은 더 높아지고 낮은 지역은 더 낮아진다. 우주 밀도의 양극화 다. 우주 초기엔 거의 균일하던 우주에 구조물들이 생겨난다. 시간이 지날수록 더욱 거대한 우주 구조가 발달한다. 이런 우주 거대 구조의 발달은 실제 우주에 고스란히 드러나 있다. 우리 은하 근처의 실제 은하 분포는 슈퍼컴퓨터 실험에서 드러난 모형 우주와 같은 모습을 보인다. 놀랍게도 잡음의 잡음이 우주의 거대 구조의 씨앗이다.

우주의 모습을 더 자세히 보기 위해 더 작은 우주 공간에 대해 더 높은 해상도를 가지고 모의실험을 수행하기도 한다. 모의실험을 더 사실적으로 만들기 위해 기체 응축과 별 탄생, 블랙홀 현상, 그리고 에너지 순환과 같은 복잡한 물리현상을 고려한 다. 전의 큰 규모 실험에선 볼 수 없었던 복잡한 현상이 이제 새롭게 드러난다. 기체 가 응축하며 소용돌이치고, 주변의 다른 회오리와 충돌해 더욱 큰 회전을 하는 기체 원반을 만든다. 이렇게 나선은하(螺旋銀河, 외부 은하의 하나로, 나선 모양의 팔을 가지고 있는 은 하)가 탄생한다. 아직 컴퓨터에서 만들어진 나선은하가 실제의 은하를 닮기엔 부족 하지만 그래도 천문학자들은 그들이 발견하는 것들에 입을 다물지 못한다. 앞으로 십수 년 내에 우리 은하와 같이 멋진 나선은하를 그럴싸하게 재현해낼 것이라는 게 학계의 예측이다.

이렇게 탄생하는 은하의 곳곳에 별이 탄생한다. 성간 기체(별과 별 사이의 공간에 있는 기체. 성간 기체는 수소와 헬륨 그리고 미량의 다양한 원소들로 구성됨)가 중력적으로 밀집한 지역 에서 분자 구름이 형성된다. 그리고 그 안에서 별들이 탄생한다. 분자 구름 기둥을 떠나 근처에 떠돌아다니는 별들만 수십 개다. 같은 독수리 성운을 구름 기둥을 뚫고 볼 수 있는 적외선으로 관찰하면 숨어 있는 수백 개의 별들도 다 모습을 드러낸다. 이렇게 별이 탄생한다. 더불어 함께. 이제 이 별들은 2억 년에 1번씩 회전하는 우리 은하의 운동을 통해 은하 원반에 퍼져 나간다.

그 많은 별 중 하나가 태양이다. 태양은 그 밝기와 온도를 유지해 지구의 생물권에 에너지를 공급한다. 그러기 위해 그 중심에서 수소를 핵융합해 헬륨을 만드는 과정 을 통해 매초 1조 개의 수소폭탄을 터뜨린다. 태양의 에너지가 내년에 1%만 오르거나 내리면 지구의 생태계가 곧 무너지게 될 것을 생각하면, 째-깍 한순간에 터지는 1조 개의 핵폭탄도 두렵기보단 고맙다.

이런 태양도 영원무궁하진 않다. 태양 중심의 수소가 다 고갈되면, 중심은 수축하 고 외피는 우주로 환원하는 최후를 맞이하게 된다. 태양과 같은 작은 별의 경우, 수 명은 100억 년, 환원의 순간은 수십만 년이다. 이런 이론적 예측은 최근 허블 우주 망원경 관측을 통해 검증되었다. 이 죽음의 과정을 통해 작은 별들은 그들이 100억 년에 걸쳐 만든 산소와 다른 작은 원자를 우주에 뿌려준다.

태양보다 수십 배 더 큰 별들은 훨씬 더 극적인 최후를 맞이한다. 별의 수명을 다 한 후, 수축하는 중심부의 중력이 너무 강해서 엄청난 폭발을 일으킨다. 큰 별은 수 천만 년의 수명과 초신성 폭발을 통해, 산소보다 무거운, 우주에 존재하는 다른 모든 원소들을 만든다. 그리고 초신성 폭발을 통해 그 귀한 원소들을 대부분 우주에 흩뿌 려준다.

이렇게 이름 모를 수많은 별들이 우주에 뿌린 원자들을 품은 기체 더미에서 별이 탄생한다. 별을 만들고 남은 기체가 수축해 행성을 만든다. 이렇게 만들어진 셀 수 없이 많은 별과 그 주위를 맴도는 행성 중 이제껏 알려진 바로는 유일하게 지구에서 생명이 탄생했다. 별이 태양보다 조금만 더 크거나 작아도 거느린 행성에선 생명이 날 수 없다. 행성이 별에서 너무 멀거나 가까워도 안 된다. 행성의 궤도가 조금만 더 원궤도에서 벗어나도 안 되고, 행성의 자전축이 공전궤도에 대해 너무 많이 기울거 나 작게 기울어도 생명 탄생에 방해가 된다. 지금까지 수천 개의 외계 행성을 발견했 지만 그중 생명체를 가진 것은 없어 보인다. 이 상황은 아마도 수백만 개의 외계 행 성을 발견하게 될 앞으로 100년 동안의 과학의 진보 속에서도 마찬가지일 것이다. 이렇게 어렵게 기적적으로 지구에서 생명이 탄생했다.

빅뱅 패러다임 속에서 볼 때, 우리 몸은 신비로운 우주의 섭리의 결정체다. 우리 몸을 구성하고 있는 원소 중 수적으로 가장 많은 수소는 우주가 빅뱅 후 1초부터 3분까지 만든 원자다. 탄소, 질소, 산소 등 가벼운 원자들은 작은 별의 일생 동안 만들어져 우주에 뿌려졌다. 우리 피 속을 흐르는 중요한 원소들, 즉 철, 마그네슘 등 무 거운 원자들은 모두 무거운 별의 초신성 폭발을 통해 만들어지고, 이렇게 만들어진 귀한 원소의 90%는 우주에 뿌려졌다. 만일 별들이 수없는 핵융합 폭발을 통해 만든 원소들을 우주에 환원하지 않고 아까우니 그냥 무덤으로 가져갔더라면 우주는 아름 답게 팽창하고 거대 구조를 만들고 은하와 별, 행성을 만들었을지언정 그 안에 생명 을 잉태하진 못했을 것이다. 거대한 별이 수천만 년을 통해 만든 우주의 진귀한 모든 원소들을 “아 이건 다 내가 만든 거니까 내가 가질 거야” 한다면 그 원소들은 모두 다 시는 빛을 볼 수 없는 블랙홀 속에서 한 번도 제 가치를 인정받지 못한 채 영원히 잊 힌다. 우리 우주가 생명을 잉태하게 된 데는 이름도 기억하지 못하는 수없이 많은 별 들의 뜨거운 땀과 아낌없이 나누는 헌신이 필요했다.

인류는 기록의 역사를 살아온 지 수천 년 만에 드디어 우주의 존재를 이해할 수 있는 과학적 배경을 갖게 되었다. 이전의 우주론은 과학적 지식이 없는 인류에 의해 만들어졌으므로 비과학적이고 상징적이었지만, 이제는 합리적인 증거에 근거를 둔 총체적인 이해를 갖게 된 것이다. 세월이 흐른 뒤 역사는 “21세기가 태동하는 즈음 에 인류가 드디어 우주에 관한 과학적 이해를 갖게 되었다”고 기억할 것이다. 지금까 지 알려진 우주론적 지식에 의하면, 우주는 대략 137억 년 전쯤 거대한 팽창과 함께 시작됐다. 초기 우주에는 고온의 밝은 빛이 만연했다. 우주의 나이가 대략 38만 년쯤 되었을 때, 빛과 물질이 분리되어 자유롭게 항해하기 시작했다. 빛으로부터 독립한 물질은 중력에 의해 밀집하고 은하와 별을 만들기 시작했다. 약 46억 년 전, 우리 태 양계가 만들어졌다. 지구도 그때 탄생했다. 우리 천문학자들은 그 후 생명이 어떻게 지구에 자리 잡게 되었는지는 잘 알지 못한다. 생물학자들이 더 잘 알 것이다.

우주에 관해 우리가 아는 바는 또 이렇다. 우주엔 많은 에너지가 있는데, 그중 우 리가 정체를 잘 알고 있는, 원자와 분자로 구성된 물질은 4%만을 차지한다. 나머지 96%는 그 존재의 증거는 많지만 아직 정체를 파악하지 못한 새로운 에너지 덩어리 다. 이 중 4분의 1은 암흑 물질, 4분의 3은 암흑 에너지라고 부른다. 우주는 계속 팽창할 것이고, 먼 훗날, 은하들끼리도 서로 너무 멀어져서 서로 관측하기도 힘들어질 것이며, 우리 은하는 주변 우주의 은하들과 병합해 더욱 거대한 은하가 될 것이다. 한편 태양은 앞으로 약 50억 년쯤 후에 그 수명을 다해 부풀고 결국엔 지구를 삼키 게 될 것이다. 하지만 과학자들은 이 일을 크게 걱정하지 않는다. 왜냐하면 많은 과 학자들이 지성인으로서의 인류가 앞으로 만 년 이상 존속할 확률이 별로 없다고 생 각하기 때문이다. 핵 사고, 자연재해, 인구문제, 환경문제 등에 기인하여.

오늘 시점에서 대다수의 천문학자들이 인정하는 우주론적 이해를 요약하고 나니 머쓱해진다. 현재 관측 자료와 이론에 입각해서 우리가 많은 것을 거의 확실히 안다 고 하지만, 우주를 구성하는 대부분의 에너지의 정체를 아직 모르기 때문이다. 그러 면 우리가 우주에 관해 아는 것일까? 모르는 것일까? 혹자는 이 대목에서 그러니 우 리는 우주에 관해 아무것도 모르는 게 아닌가 하겠지만, 그건 오해다. 우리는 분명 과거 어느 시점보다 우주에 관해 자세히 알고 있다. 과거엔 우리가 뭘 모르는지조차 모르는 채 안다고 생각했다면, 오늘은 우리가 뭘 모르는지 알고 있는 것이라고 할 수 있다. 그리고 지금까지의 역사를 되돌아보면 인류는 앞으로 더 나은 지식을 습득하 게 될 것이다.

꽃이 아름다운가? 나는 꽃보다 훨씬 아름다운 것이 우주에 있다고 말한다. 우주는 단순한 아름다움을 넘는다. 우주는 그 존재를 확인했을 때 갑절, 규모를 알게 되었을 때 갑절, 그리고 그것이 나에 대해 가지는 의미를 비로소 깨달을 때 또 갑절이 되는 감동을 준다. 우주는 나이고, 나는 곧 우주다. 그 세계로 여러분을 초대한다 .

 

이석영 연세대학교 천문학과를 졸업하고 미국 예일대학교 천문학과에서 타원 은하의 자외광 진화에 관한 이론 연구로 박사 학위를 받았다. 미국 항공우주국(NASA) 고더드 우주 비행 센터에서 박사 후 연구원을 지냈으며 미국 캘리포니아 공과대학 물리학과 선임 연구원과 4년간 영국 옥스퍼드대학교 물리학과 교수를 지냈다. 현재는 연세대 천문우주학과 교수로 있으면서 타원 은하의 별 생성 과정과 초거대 블랙홀과의 관계를 밝히는 연구를 하고 있다.

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