우주는 왜?

우리는 모두 별에서 왔다 - 138억 년 전 빅뱅에서 시작된 별과 인간의 경이로운 여정 ㅣ 서가명강 시리즈 9
윤성철 지음 / 21세기북스 / 2020년 1월

사랑하는 딸과 아들에게 보내는 독서편지

0.

이 책을 보고 책 디자인이 낯설지가 않았단다. 아빠가 예전에 읽은 <나는 매주 시체를 보러 간다>의 디자인과 비슷했거든. 책 소개를 보니 같은 시리즈더구나. <서가 명가 시리즈>로 서울대에서 강의한 내용들을 책으로 엮은 시리즈인 것 같았어. 외국에서는 유명 대학의 인기 있는 강의가 책으로 많이 엮이고, 우리나라에서 인기 있는 강의를 책으로 엮는 경우가 있고, 아빠도 그런 책을 몇몇 읽은 적이 있단다. 서가 명가 시리즈가 서울대에서 강의한 내용들을 엮었다고 책 소개를 함으로써 ‘서울대’라는 프리미엄으로 은근슬쩍 책 광고도 하는 것처럼 보이더구나.

아빠가 이 책을 고른 것은 서울대에서 강의한 내용이 궁금한 것은 아니고, 아빠가 좋아하는 장르인 과학 관련 서적이고, 같은 시리즈에 있던 <나는 매주 시체를 보러 간다>라는 책의 이미지가 좋게 남아 있었고, 먼저 읽은 이들이 평이 괜찮아서 골랐던 것이란다. 이 책은 어땠냐고? 음… 누군가에게 강력하게 추천할만한 책은 아니었단다. 책을 덮고 난 다음 책 뒷면에 적혀 있는 가격표 보고도 조금 놀랬단다. 페이지랑 책가격이랑 매칭시키면 안되겠지만, 페이지에 비해 책가격이 꽤 되네… 이런 생각도 했단다. 그럼 책 내용에 대해 몇몇 소개를 해줄게.

1.

영어로 별이 Star잖아. 그런데 처음에 번역할 때 좀 잘못했다고 하는구나. 왜냐하면 Star라고 하면 태양 같이 스스로 빛을 내는 것만 말하거든. 나중에 과학 시간에 배울 텐데, 그런 태양 같은 것은 항성, 우리말로 붙박이별이라고 해. 그런데 우리나라에서 별이라는 것은 원래, 태양 같은 붙박이별뿐만 아니라 행성도 별이라고 했거든. 영어로는 planet이라고 하고, 순 우리말로는 떠돌이별이라고 하지. 그런데 Star를 별로 번역을 해 놓는 바람에, 어떤 이들은 금성이나 화성 같은 행성은 별이 아니라고들 한단다. 이 책을 들어가면서 그런 지적을 지은이가 해주었단다.

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(12)

서구권에서는 붙박이별과 떠돌이별을 지칭하는 단어가 아예 다르다. 예를 들어 영어에서는 붙박이별을 스타(star), 떠돌이별을 플래닛(planet)이라고 구별해 부른다. 이런 서구의 관례를 따라 스타라는 단어를 별이라고 부주의하게 번역해오다 보니 오늘날 한국에서 별이라는 단어의 의미는 붙박이별에 국한되어 사용되곤 한다. 서구의 플래닛으로는 한자 용어인 행성이 널리 사용되고 있다.

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…

아주 오랜 시절부터, 인류가 생겨난 다음부터, 하늘의 정체에 대해 궁금했을 거야. 해가 하루에 한번씩 하늘을 가로지르고, 밤에면 달과 별이 하늘을 가로지르고, 어떤 별들은 한 곳에 머물러 있고 말이야. 당연히 보이는 대로 믿었겠지. 하늘이 움직인다고… 아주 오랫동안 지구가 우주의 중심이고 하늘이 움직이는 천동설을 믿었어. 그런데 몇몇 별들이 한쪽방향으로 돌다가 반대방향으로 갔다가 다시 원래 방향으로 가는 등 설명하기 어려운 현상이 발견되기도 했는데, 그럴 때마다 새로운 가정을 세워서 꿰어 맞추면서 오랫동안 이어져왔단다.

르네상스 시대가 되면서 세상을 다르게 보는 눈들이 생겨나면서, 코페르니쿠스와 브라헤에 의해서 지동설이 주장되기 시작했단다. 브라헤라는 사람은 아빠도 처음 들어보는 사람인데, 그는 천문대를 설치해서 별을 관측하고 신성을 발견하기도 했대. 그의 제자 중에 유명한 사람이 있는데 바로 케플러라는 사람이란다. 케플러는 지동설을 넘어 지구가 태양 주변을 원궤도로 돈다고 주장을 하였어. 그 주장을 토대로 관측과 연구를 했는데, 그 원궤도가 맞지 않는 거야. 그는 자신이 강력히 주장했던 원궤도를 포기하고, 타원궤도라는 질서를 발견하게 되었단다.

그리고 유명한 케플러 제3법칙을 발견해 낸단다. 아빠가 학창 시절 때 케플러의 1법칙, 2법칙도 분명 배운 것 같은데, 그건 잘 기억나질 않고, 3법칙은 아직도 기억이 나는구나. 시험에도 많이 나와서 그렇겠지만, 그만큼 유명한 법칙이란다. 행성의 공전 주기의 제곱은 궤도의 긴 반지름의 세제곱에 비례하는 내용이야.

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(51-52)

비록 원궤도를 포기하는 아픔은 있었지만, 케플러는 새로운 우주의 질서를 발견한다. 그는 관측 데이터로부터 행성의 타원궤도가 찌그러진 정도, 즉 타원의 반지름 중 길이가 긴 쪽과 짧은 쪽의 비율을 구할 수 있었다. 그리고 긴반지름과 공전주기 사이에 서로 긴밀한 관계가 있음을 알아낸다. 긴반지름의 세제곱이 공전주기의 제곱에 비례함을 보인 것이다. 이 관계는 케플러의 제3법칙으로 알려져 있고, 흔히 조화의 법치(harmonic law)이라 부르기도 한다. 타원궤도라는 추함 이면에 숨겨져 있던 신성한 하모니의 발견은 분명 케플러에게 큰 위로가 되었을 것이다.

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2.

우주 관측의 발전은 망원경이 발명되면서 더 발전하게 되는데, 망원경 발명이라고 하면 아빠는 갈릴레이를 떠오르게 되는데, 그보다 더 일찍인 1608년 네덜란드의 안경장인 한스리페르헤이라는 이름도 어려운 이가 처음 발명했다고 하는구나. 갈릴레이가 망원경을 만든 것은 1609년이었대. 망원경이 발명되어 이후 천문학은 크게 발전하면서, 새로운 별들도 많이 발견하게 되었어.

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천문학 역사에 있어 어두운 면도 소개하면서 여성 천문학자에 대한 홀대에 대한 이야기도 했어. 천문학뿐만 아니라 과학의 많은 분야에서 여성 과학자들이 능력에 비해 인정을 받지 못하는 것은 어제 오늘의 이야기는 아니었단다. 그런 사람들을 이야기하면 헨리에타 리비트라는 사람도 소개해주었어. 이 사람은 예전에 아빠가 팟캐스트에서 알게 되어 관심을 가지고, 그 사람에 대한 책도 샀거든. 아직 읽지는 않았지만… 그 사람에 대한 소개가 이 책에 실려 간단히 리비트에 대해 알게 되어 좋았단다.

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(63)

그중 한 명이었던 헨리에타 리비트는 주당 10.5달러라는 박봉의 인건비를 받으며 1903년부터 1908년까지 마젤란은하에 있는 1777개의 변광성 관측 자료를 분석했다. 변광성이란 빛의 세기나 밝기가 시간에 따라서 변하는 별을 말하는데, 별빛의 밝기가 이처럼 변하는 이유는 별의 크기가 팽창했다가 줄어드는 진동을 반복하기 때문이다. 리비트는 이 변관성들 중에서도 세페이드 변광성이라 불리는 별들을 면밀하게 분석한 결과, 이 변광성의 최대 밝기와 진동 주기 사이에 깔끔한 상관관계가 있다는 사실을 발견한다. 다시 말해, 진동 주기가 짧을수록 어둡고 주기가 길수록 밝았던 것이다.

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현대에 오면서 우주의 중심인줄 알았던 태양도 사실은 우주의 중심이 아니고 변방이란 것을 알게 되었어. 신비로운 우주의 비밀을 하나씩 하나씩 풀어나갔고, 그러면서 우주는 상상 그 이상의 존재라는 것을 알게 되었단다. 허블이라는 과학자는 우리 은하 밖에 또 다른 은하를 발견하게 된단다. 우리 은하와 가장 가까운 은하로 안드로메다 은하인데, 가깝다고 했지만 14만 광년이란다.  빛으로 가도 14만년이니까 인류가 가기에는 지름길을 발견하지 않는 이상 불가능한 거리지… 하기야 태양계 밖도 나가기 어려울 테니 말이야.

그런 도대체 우주의 크기는 얼마일까. 관측 가능한 우주의 크기는 465억광년이고, 은하의 개수는 2조개라고 하는구나. 우주를 생각하고 있다 보면, 우리의 존재가 너무 미미하다는 생각이 들어 왜 이리 아등바등 살고 있는가? 라는 질문을 던지게 되더구나. 그래서 아빠는 스트레스가 쌓이면, 무한한 우주를 생각하곤 한단다. 그러면 그 스트레스는 아무것도 아닌 것이 되지.

3.

우주는 어떻게 시작할까? 이제는 빅뱅이라는 것을 모두 알고 있단다. 예전에는 우주라는 것이 멈춰 있는 것 인줄만 알고 있었는데, 이제는 빅뱅 이후 우주는 아직까지도 팽창하고 있다는 것을 알고들 있지. 이유는 모르겠지만, 갑작스러운 빅뱅 이후 시간이 생기고 우주라는 공간이 생긴 것이야. 그렇다 보면 잇달아 나오는 질문. 빅뱅 이전에는 무엇이 있었을까? 그리고 빅뱅에 의한 우주의 팽창은 언제쯤 멈출 것인가? 멈추기는 할 것인가? 멈춘다면 그 다음은 어떻게 될 것인가?

우주의 신비는 아직도 우주의 크기만큼 무한하구나. 그런데, 아빠는 아직도 빅뱅이 잘 이해가 가지 않는단다. 거의 無에 가까운 점에서 폭발에 의해 이 우주가 생겨났다는 사실이... 그 안에 어찌 이 많은 물질들을 포함하고 있을까, 말이야. 사실 우리도 모두 그곳에 있던 물질이 변해서 생겨난 것이야. 그러니까 지은이가 제목을 우리는 모두 별에서 왔다고 하지..

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(146)

빅뱅은 우리의 미래에 관해서도 새로운 관점을 준다. 아주 먼 미래의 우주의 모습은 어떨까? 현재까지 밝혀진 바에 따르면 우주는 계속 팽창하고 생명도, 지구도, 별도, 은하도 모두 생기를 잃고 죽어갈 것이며 결국 빛이 없는 암흑의 공간이 될 것이다. 이렇게 일시적으로 생겼다가 나중에는 허무하게 죽어갈 우주에서 우리는 과연 어떤 의미를 찾을 수 있단 말인가?

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우주의 팽창하는 속도를 측정함으로써 우주의 나이를 측정할 수 있는데 약 138억년이라고 한단다. 감이 오지 않는 숫자란다. 그 오랜 동안 계속 팽창하고 있다니 말이야. 참고로 빅뱅의 증거를 잠시 하나 소개하자면 우주배경복사란 것이 있단다. 우주배경복사라는 간단히 이야기해서 먼 과거 빅뱅 직후 발생한 복사에너지가 남아서 전파 형태로 남아 있는 것을 이야기한단다.

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그 우주에는 수많은 별들이 있단다. 빅뱅에 의해 우주가 팽창하고 있다고 하는데, 그런 와중에 태양 같은 빛나는 별들은 왜 생겼을까. 세실리아 페인이라는 영국사람이 있었단다. 1919년에 19살이었는데, 그는 당시 아인슈타인의 상대론이론을 증명한 에딩턴의 강연을 듣게 되었는데, 그것에 감명을 받고 천문학을 전공하게 되었고, 하버드에 입학 후 1925년 25살에 천문학 박사가 되었다고 하는구나. 그가 별의 스펙트럼 분석을 통해 온도와 별의 색깔 관계를 알아냈고, 그것을 통해 태양에는 수소가 70%, 헬륨이 28%가 있다는 것을 발견했다고 하는구나. 이것은 태양뿐만 아니라 우주도 수소와 헬륨이 대부분을 차지하고 있다는 의미였어.

원자 1번 수소, 2번 헬륨… 태양이나 붙박이별들이 빛을 내는 이유는 수소 두 개가 결합하여 헬륨 1개가 되는 수소핵융합에 의한 것이라고 하는구나. 태양도 그런 일이 계속 일어나고 있는 것이고… 그러면 걱정 많은 이들은 수소가 헬륨으로 모두 변하고 나면 어쩌나 할 텐데, 그건 걱정하지 않아도 될 것 같구나. 아직 100억년도 더 빛날 수 있다고 하는구나. 100년이 아니고 100억년.

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(171)

태양의 밝기는 3.84x10^27와트(W)다. 수소 핵융합으로 이 정도의 에너지를 생성하기 위해서는 초당 6.4x10^14킬로그램의 수소가 헬륨으로 바뀌어야 한다. 매우 많은 양처럼 느껴지지만 태양 전체 질량은 무려 2x10^30킬로그램에 달한다. 100억 년이 넘는 시간 동안 태양이 지금처럼 밝게 빛날 수 있도록 유지시킬 수 있는 충분한 양의 수소 연료가 있다는 뜻이다.

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4.

이 무한하고 거대한 우주를 이야기할 때 빼놓지 않는 것이 바로 외계 생명체란다. 칼 세이건이 이야기한 이 광활한 우주에 우리만 살고 있다면 지나친 공간 낭비라는 것에 아빠도 동감한단다. 확률이 낮겠지만, 지구와 같은 생명체가 있을 거야. 그리고 그 생명체는 우리의 모습과 유사할 것이라고 지은이는 이야기하고 있단다.

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(250)

생물학자들의 연구에 따르면 수렴진화는 심지어 분자단위에서도 발견된다. 외계에 생명체가 있다면 지구와 같이 탄소를 기반으로 했을 가능성은 거의 100퍼센트에 가깝다. 탄소는 우주에서 가장 흔한 원소 중 하나이고 탄소처럼 화학적 다양성을 이끌어낼 수 있는 원소는 없기 때문이다. 중력이 전 우주에 보편적으로 작용하는 법칙이듯, 지구에서 적용되는 화학법칙이 외계에서 다르게 적용될 이유 또한 없다. RNA와 DNA와 같은 역할을 할 수 있는 분자들의 조합 방식에도 생명이 선택할 수 있는 방식은 매우 제한적일 가능성이 높다.

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만약 정말 우주에 지구의 생명체들만 있다면 이상할 것 같구나. 특히 나중에 인류가 멸종하거나 태양도 시간이 다 되어 태양과 지구가 사라져서, 이 우주 상에 아무런 생명체가 없어서 이 우주의 존재를 아무도 알아주지 않는다면 우주는 왜 존재하는 걸까? 아빠는 이런 생각을 할 때마다 영화에서처럼 우주라는 것이 어떤 존재가 만들어내거나, SW 프로그램 상의 세계가 아닐까 하는 생각이 들기도 했단다. 만약 그렇다 하더라고 우주를 만든 그 존재들의 세상은 또 어떤 세상일까? 그들의 세상은 유한할까? 무한할까? 정말 끝이 없는 질문이로구나. 아빠의 생각이 더 꼬리에 꼬리를 물기 전에 오늘은 이만 해야겠다.

PS:

책의 첫 문장 : 별과 행성의 차이는 무엇인가?

책의 끝 문장 : 그리고 이렇게 이어지는 질문은 과연 어디에서 멈출 수 있을까?

플라톤은 주의 본질이 수라고 생각한 피타고라스의 영향을 받아, 순수하고 영원하며 완전한 우주의 속성이 다섯 개의 정다면체에 담겨 있다고 생각했다. 엠페도클레스 이후 고대 그리스에는 우주가 흙, 물, 공기, 불로 이루어져 있다는 믿음이 광범위하게 퍼져 있었는데, 플라톤은 각각을 정사면체, 정육면체, 정팔면체, 정이십면체와 연결시켰다. 나머지 하나인 정십이면체는 신성한 영역인 우주를 채우고 있는 에테르(ether)에 대응시킨다. 이에 따라 세계는 지구를 중심으로, 그 바깥에 순차적으로 물, 공기, 불이 위치되었다. - P27

중세 시대에 접어들어서도 천동설에 기반한 우주관이 계속 이어진다. 중세인들도 지구와 인간이 우주의 중심이라고 생각했다. 신이 인간을 위해 창조한 중세인의 우주 또한 그다지 크지 않았다. 별들은 하루라도 짧은 시간 동안 지구를 중심으로 공전했으므로, 별들이 무한한 거리에 있다는 것은 논리적으로 맞지 않았다. 별들이 박혀 있는 천구는 가까운 곳에 있어야 했다. 다만 무한한 신의 속성을 반영하기 위해 천구 밖에는 무한한 신의 영역이 있다고 믿었다. - P42

외부 은하의 후퇴속도와 거리 사이의 상관관계는 허블의 관측 이후 오랜 기간 허블의 법칙이라 불려 왔었다. 하지만 이를 이론적으로 예측한 사람은 르메트르였고 많은 천문학자들이 르메트르에게도 합당한 크레딧을 주어야 한다고 끊임없이 문제 제기를 해왔다. 결국 2018년 국제천문연맹은 이 법칙을 공식적으로 ‘허블-르메트르의 법칙’으로 부르기로 결정했다. 아인슈타인, 에딩턴, 허블 등 당대 학계 스타들의 그늘에 가려 과소평가 받아왔던 르메트르가 오늘날 살아 있었다면 어떻게 반응했을지 궁금해진다. - P99

우리의 핏속을 흐르는 철, DNA를 구성하는 원소들은 모두 과거 언젠가에 별 속에서 생성되었다. 별들의 먼지로 구성된 우리 몸은 별의 탄생, 별의 진화, 별의 죽음과 초신성 폭발의 과정을 기억하고 있다. 그 과정에서 지구와 같은 행성도 만들어졌고 인체를 구성하는 원소들이 지구에 마련되었다. 우리 모두 아주 먼 과거에는 별 속에 있었다. - P200