솔직히 이건 예상 밖이었습니다. 우주가 크다는 건 막연히 알고 있었는데, 지구에서 은하, 은하군, 초은하단으로 단계를 밟아 올라가다 보면 '크다'는 개념 자체가 무너지는 순간이 옵니다. 관측 가능한 우주의 지름이 930억 광년이라는 수치 앞에서, 제가 알고 있던 스케일 감각이 그냥 증발해 버렸습니다.
우주 구조: 지구에서 초은하단까지
제가 직접 이 내용을 공부해 봤는데, 가장 먼저 정리해야 할 것이 항성과 행성의 차이였습니다. 항성(Star)이란 스스로 핵융합 반응을 일으켜 빛과 에너지를 방출하는 천체입니다. 태양이 대표적인 항성이죠. 반면 행성은 항성 주위를 공전하며 스스로 빛을 내지 못하는 천체입니다. 지구는 행성이지 별이 아닙니다. 평소에 아무 생각 없이 '지구별'이라는 표현을 썼는데, 엄밀하게 따지면 맞지 않는 말이라는 게 새삼 인상에 남았습니다.
태양계는 태양이라는 항성을 중심으로 수성, 금성, 지구, 화성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성 여덟 개 행성이 공전하는 체계입니다. 태양계의 지름은 기준에 따라 다르지만 넓게 잡으면 약 2광년 수준으로 거론됩니다. 여기서 광년(light-year)이란 빛이 1년 동안 이동하는 거리를 의미하며, 약 9조 4,607억 km에 해당합니다. 지구에서 태양까지 빛의 속도로 약 8분이 걸리니, 2광년짜리 태양계가 얼마나 거대한지 체감이 됩니다. 1977년 발사된 보이저 1호가 아직도 태양계 외곽을 벗어나는 중이라는 사실이 이를 잘 보여줍니다.
은하(Galaxy)는 태양계보다 훨씬 큰 개념입니다. 은하란 수천억 개에 달하는 항성과 성간 물질, 암흑 물질이 중력으로 묶여 있는 거대한 천체 집합체입니다. 우리 은하에만 약 4천억 개의 항성이 있으며, 지름은 무려 10만 광년에 달합니다. 제가 이 수치를 처음 접했을 때 그냥 머리가 멈췄습니다. 빛으로 10만 년을 가야 끝에서 끝까지 닿는다는 게 도저히 현실감이 없었습니다.
우주의 구조를 단계별로 정리하면 다음과 같습니다.
- 태양계: 태양 중심, 8개 행성 공전, 지름 약 2광년
- 우리 은하: 약 4천억 개 항성 포함, 지름 약 10만 광년
- 국부 은하군: 우리 은하·안드로메다 은하 등 수십 개, 지름 약 천만 광년
- 라니아케아 초은하단: 수천 개 은하 포함, 지름 약 5억 광년
- 관측 가능한 우주: 초은하단 수천만 개, 지름 약 930억 광년
우리 은하의 구조를 직접 밖에서 볼 수 없다는 부분도 인상적이었습니다. 집 안에서 집의 생김새를 추측하는 것과 같다는 비유가 딱 들어맞았습니다. 우리 은하가 납작한 원반 형태라는 것도, 밤하늘에서 은하수가 기다란 띠처럼 보이는 현상을 통해 측면에서 바라본 모습임을 유추해 낸 결과입니다. 이런 간접 추론으로 은하의 구조를 파악해 냈다는 점이 저는 지금도 감동스럽습니다. 미국항공우주국(NASA)에 따르면 우리 은하 중심부에는 태양 질량의 400만 배에 달하는 초대질량 블랙홀 '궁수자리 A*'가 존재하며, 이 블랙홀의 강한 중력이 은하 전체를 붙들고 있는 것으로 분석됩니다(출처: NASA).
거리 측정과 빅뱅: 우주를 재는 방법
제가 직접 공부해 보면서 가장 감동받은 부분이 여기였습니다. 인류 중 그 누구도 1광년 이상의 거리를 직접 이동해 본 적이 없는데, 어떻게 930억 광년짜리 우주의 크기를 알아낸 걸까요.
가장 기초적인 방법은 연주 시차(Annual Parallax)를 이용한 삼각측량입니다. 연주 시차란 지구가 태양 주위를 공전하면서 발생하는 별의 겉보기 위치 변화를 의미합니다. 지구가 6개월 간격으로 공전 궤도상 반대편에 위치할 때 별의 방향이 미세하게 달라지는데, 이 각도 차이와 지구-태양 간 거리(약 1억 5천만 km)를 이용해 삼각함수로 별까지의 거리를 계산할 수 있습니다. 다만 이 방법은 별이 너무 멀면 시차가 거의 감지되지 않아 한계가 있습니다.
그래서 등장한 것이 세페이드 변광성(Cepheid Variable)을 이용한 측정법입니다. 세페이드 변광성이란 일정한 주기로 밝아졌다 어두워졌다를 반복하는 특수한 항성으로, 미국 천문학자 헨리에타 리비트가 변광 주기와 실제 밝기 사이의 상관관계를 발견했습니다. 주기가 같은 변광성은 실제 밝기도 같다는 원리 덕분에, 관측된 밝기와 실제 밝기의 차이를 비교해 거리를 측정할 수 있게 됩니다. 리비트는 하버드 천문대에서 보수도 없이 계산원으로 일하면서 이 규칙을 발견했는데, 이 발견이 없었다면 에드윈 허블이 안드로메다 은하가 우리 은하 밖에 있는 외부 은하라는 사실을 증명하는 것도 불가능했을 겁니다.
거리 측정의 또 다른 핵심 도구는 Ia형 초신성(Type Ia Supernova)입니다. Ia형 초신성이란 백색 왜성이 찬드라세카르 한계(태양 질량의 약 1.44배)를 초과하는 순간 일어나는 폭발로, 폭발할 때의 밝기가 항상 일정하다는 특성이 있습니다. 이 일정한 밝기 덕분에 표준 광원으로 활용되며, 폭발 시 은하 하나 전체보다 밝게 빛나기 때문에 수십억 광년 떨어진 곳에서도 관측이 가능합니다. 이 방법들을 단계적으로 쌓아 올리는 것을 우주 거리 사다리(Cosmic Distance Ladder)라고 부릅니다. 가까운 거리부터 단계를 밟아 점점 더 먼 거리를 측정하는 방식이라, 사다리를 한 칸씩 오르듯 우주의 스케일을 확장해 나간다는 비유가 정확합니다.
허블은 이 측정법을 토대로 멀리 있는 은하일수록 더 빠르게 멀어진다는 사실을 빛의 적색 편이(Redshift) 분석을 통해 증명했습니다. 적색 편이란 빛을 내는 천체가 관측자로부터 멀어질수록 빛의 파장이 길어져 붉은색 쪽으로 이동하는 현상입니다. 이 발견이 우주 팽창론의 과학적 토대가 됐고, 역으로 시간을 돌리면 우주는 처음엔 한 점에서 시작했을 것이라는 빅뱅(Big Bang) 이론으로 이어졌습니다. 아인슈타인도 처음엔 정적 우주론을 주장했다가 허블의 관측 결과를 보고 자신의 실수를 인정했다고 하죠.
현재 과학계는 우주가 단순 팽창이 아니라 가속 팽창을 하고 있다는 데 합의하고 있습니다. 2011년 노벨 물리학상은 이 가속 팽창을 증명한 세 명의 과학자에게 돌아갔습니다. 그런데 왜 가속 팽창하는지는 아직도 명확하지 않습니다. 현재로선 암흑 에너지(Dark Energy)가 그 원인으로 지목되고 있는데, 암흑 에너지란 우주 팽창을 가속시키는 정체불명의 에너지로 현재 우주 전체 구성의 약 70%를 차지하는 것으로 추정됩니다. 유럽우주국(ESA)의 유클리드 우주망원경 프로젝트가 현재 암흑 에너지의 정체를 규명하기 위한 관측을 진행 중입니다(출처: ESA). 우리가 눈으로 볼 수 있는 물질은 우주 전체의 고작 5%에 불과하고, 나머지 95%는 암흑 물질(25%)과 암흑 에너지(70%)로 채워져 있다는 사실이 이 분야의 과제가 얼마나 방대한지를 잘 보여줍니다.
우주가 이렇게 크고, 우리가 모르는 것이 이렇게 많다는 사실이 오히려 더 놀라웠습니다. 완벽하게 이해하지 못해도 괜찮다고 생각합니다. 이 글을 다 읽고 나서 저도 밤하늘을 한 번 더 올려다봤습니다. 머릿속에서 수치 하나를 기억하는 것보다, 그 거대함 앞에서 잠깐 멈추는 것만으로도 충분한 경험이 된다고 생각합니다. 우주 구조나 거리 측정에 대해 더 파고들고 싶으시다면, NASA나 ESA에서 제공하는 공개 자료를 살펴보시는 것도 좋은 시작이 됩니다.