솔직히 말씀드리면, 저는 꽤 오랫동안 "우주는 너무 크니까 우리 눈에 보이는 건 거의 안 변한다"라고 막연하게 생각해 왔습니다. 별자리도 수천 년째 비슷하고, 밤하늘도 어제와 오늘이 다르지 않으니까요. 그런데 최근 읽은 천체물리학 관련 글 하나가 그 생각을 완전히 바꿔놨습니다. 핵심은 단순했습니다. 변화는 분명히 일어나고 있고, 우리가 못 느낄 뿐이라는 것입니다.
3초 동안 쌓이는 팩트들
이 글에서 가장 인상적이었던 장치는 "문장 하나를 읽는 시간, 약 3초"를 기준 단위로 쓴다는 점이었습니다. 처음엔 저도 약간 과장된 수사처럼 느꼈는데, 막상 숫자를 들여다보니 생각이 달라졌습니다.
우선 태양 얘기부터 시작해봅니다. 태양은 핵융합(nuclear fusion)을 통해 에너지를 만들어냅니다. 핵융합이란 수소 원자핵 여러 개가 합쳐져 헬륨 원자핵을 만드는 반응으로, 이 과정에서 질량 일부가 에너지로 변환됩니다. 아인슈타인의 E=mc²가 바로 이 과정을 설명하는 공식입니다. 이 반응으로 태양은 3초마다 약 120억 kg의 질량을 잃습니다. 그리고 그 영향으로 지구의 공전 궤도 반지름이 약 5 나노미터씩 늘어납니다. 수치만 보면 아무것도 아닌 것 같지만, 이게 수십억 년 동안 반복되면 결국 지구-태양 거리를 눈에 띄게 바꿉니다.
지구-달 시스템도 마찬가지입니다. 조석력(tidal force)이라는 개념이 여기 등장하는데, 조석력이란 지구가 자전하면서 달의 중력에 의해 해수면이 당겨지는 힘을 말합니다. 이 상호작용으로 지구의 자전 에너지가 달의 공전 궤도로 전달됩니다. 결과적으로 달은 3초마다 약 10나노미터씩 지구에서 멀어지고, 하루의 길이는 3초마다 4 피코초씩 길어집니다. 과거 지질 기록을 보면 공룡이 살던 시절 하루는 약 23시간이었고, 달이 막 형성됐을 무렵에는 6~8시간에 불과했다는 연구 결과도 있습니다(출처: NASA Solar System Exploration).
3초 동안 일어나는 변화를 정리하면 다음과 같습니다.
- 태양 질량 감소: 약 120억 kg
- 지구 공전 궤도 반지름 증가: 약 5나노미터
- 달의 지구 이탈 거리: 약 10 나노미터
- 지구 자전 주기 증가: 약 4 피코초
- 우주 전체에서 새로 태어나는 별: 약 1만 개
- 우주 어딘가에서 발생하는 초신성(supernova): 약 16개
초신성이란 별이 일생을 마치며 폭발하는 현상으로, 순간적으로 은하 전체 밝기에 맞먹는 에너지를 뿜어냅니다. 이 중 약 80%는 무거운 별이 스스로 붕괴하며 터지는 핵붕괴형 초신성이고, 나머지는 두 개의 백색왜성이 충돌하며 발생하는 Ia형 초신성입니다. 그게 3초마다 16번 반복된다는 사실, 처음 접했을 때 저도 잠깐 멍해졌습니다.
우주 팽창과 체감의 간극
이 글을 읽으면서 한편으로는 묘한 불편함도 있었습니다. 팩트는 분명 정확하고 숫자도 구체적인데, 그 변화가 우리 삶에 직접 닿는 건 사실상 없다는 점이 계속 마음에 걸렸습니다. "3초 동안 이렇게 많이 변했다"라고 말하지만, 어차피 저는 그 3초 동안 커피를 한 모금 마셨을 뿐이고, 그게 제 삶에 영향을 준 건 아무것도 없습니다. 이 간극을 인식하면서 글을 읽어야 더 정확하게 이해할 수 있다고 생각했습니다.
그중에서도 우주 팽창(cosmic expansion) 파트는 꽤 깊이 생각하게 만들었습니다. 우주 팽창이란 공간 자체가 늘어나면서 멀리 있는 은하들이 서로 멀어지는 현상을 말하는데, 이건 은하들이 공간 안에서 움직이는 게 아니라 공간 자체가 커지는 것입니다. 특수 상대성이론이 말하는 "빛보다 빠를 수 없다"는 제약은 같은 지점에서 서로 지나치는 두 물체 사이의 이야기이기 때문에, 공간 팽창 속도에는 적용되지 않습니다. 이 때문에 우리가 관측할 수 있는 우주의 경계, 즉 우주 지평선(cosmic horizon)은 3초마다 약 600만 km씩 넓어집니다. 빛이 3초 동안 이동하는 거리가 약 90만 km인 걸 감안하면, 공간이 얼마나 빠르게 팽창하는지가 실감이 납니다.
그리고 이 팽창에는 암흑 에너지(dark energy)가 결정적인 역할을 합니다. 암흑 에너지란 우주 전체에 고르게 퍼져 있으면서 팽창을 가속시키는 정체불명의 에너지로, 현재 우주 에너지 구성의 약 68%를 차지하는 것으로 추정됩니다(출처: NASA Science). 이 암흑 에너지 때문에 지금 이 순간에도 우주 어딘가에서는 은하들이 우리가 영원히 도달할 수 없는 거리 너머로 사라지고 있습니다. 3초마다 별 2개가 "도달 가능 구역"에서 "영원히 닿을 수 없는 구역"으로 넘어간다는 사실은, 단순한 흥미를 넘어서 뭔가 서늘한 감각을 줬습니다.
또한 우주배경복사(CMB, Cosmic Microwave Background)도 이 3초 동안 변합니다. 우주배경복사란 빅뱅 직후 약 38만 년이 지난 시점에 방출된 빛으로, 지금도 우주 전체에 고르게 퍼져 있는 극저온 복사입니다. 현재 온도는 약 2.7255K인데, 3초마다 약 0.00000000000000006K씩 냉각되고 있습니다. 숫자로 쓰면 사실상 무의미해 보이지만, 이것도 수십억 년 단위로 쌓이면 CMB의 파장이 마이크로파에서 라디오파로 완전히 바뀌게 됩니다. 제가 직접 확인해 볼 수는 없지만, 그 변화가 지금도 진행 중이라는 생각 자체가 묘하게 실감 났습니다.
솔직히 말하면 이 글에서 아쉬웠던 건, 각 현상이 왜 중요한지를 충분히 설명하지 않는다는 점이었습니다. 별 생성률, 초신성 발생 빈도, 우주 지평선의 확장 속도 같은 수치들이 연이어 나오는데, 이것들이 서로 어떻게 연결되는지, 혹은 우주의 장기적인 운명과 어떤 관계인지는 거의 언급되지 않았습니다. 읽는 내내 흥미롭긴 했지만, 전체 그림이 또렷하게 잡히지 않는 느낌은 끝까지 남았습니다.
결국 이 글의 진짜 가치는 지식보다 감각의 교정에 있다고 생각합니다. "변화는 느껴져야 존재한다"는 무의식적인 편견을 흔들어놓는 것, 그게 이 글이 하는 일입니다. 저도 읽고 나서 잠시 멍하니 앉아 있었던 기억이 납니다. 과장 없이 그냥 숫자가 그렇다는 게, 오히려 더 오래 머릿속에 남았습니다. 관심 있으신 분이라면 우주 팽창이나 암흑 에너지 쪽을 좀 더 깊이 파고드는 글을 함께 읽어보시길 권합니다. 이 글은 입구이지, 전부는 아닙니다.
참고: https://bigthink.com/starts-with-a-bang/universe-changed-time-finish-sentence/