현대 천문학의 단면

남극점에서 본 우주 - 실험 천문학자들이 쓰는 새로운 우주 기록
김준한.강재환 지음 / 시공사 / 2019년 11월

두 명의 젊은 실험 천문학자의 남극점 기지 체류 경험담(1부)과 각자의 연구에 대한 소개(2부와 3부)를 담고 있다. 김준한, 강재한 2인은 미국에서 공부하며 2개의 거대 실험천문학 프로젝트에 각각 참여하고 있다. 초장기선 전파 간섭계(Very Long Baseline Interferometry, VLBI)를 이용한 사건 지평선 망원경(Event Horizon Telescope)과 바이셉3(Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 3, BICEP3)이 그것이다. 남극점에서 이러한 관측을 하는 이유는 남극점이 고도가 높고 매우 건조하여 물로 인한 전파의 흡수가 적으므로 전파천문학 연구에 최적의 장소이기 때문이다[1]. 또한 초장기선 전파 간섭계에서 지구 크기를 사용하여 각분해능(angular resolution)을 줄이려는 시도를 하는데 있어 남극점에서의 관측이 핵심적 역할을 한다. 

읽으면서 다양한 생각이 들었다. 현재 남극점에서 기지를 유지하며 과학 연구를 하는 나라는 미국 밖에 없다. 전 지구상에서 단 하나의 나라만이 이러한 경제적 여유와 과학에 대한 철학이 있는 것이다. 요즘 코로나19로 인한 미국의 대응을 보며 의료 시스템의 후진성을 지적하지만, 그 기저를 파보면 미국의 엘리트주의가 있다는 생각이 든다. 미국은 기본적으로 재능을 크게 존중하는 나라이다. 재능 있는 사람은 커다란 성공을 거둘 수 있는 문화, 그것이 이민자들의 나라로서 세계를 리드하는 위치에 오른 비결일 것이다. 반면, 재능이 없는 사람은 사회에서 낙오되기 쉽다. 이러한 문화가 자연스럽게 나타난 것이 미국의 의료 시스템이 아닌가 한다. 재능은 존중하지만 사회적 약자도 보살피는 너그러움, 이것이 우리가 나아가야 할 길이 아닐까. 

한편, 최신 천문학 연구에 대한 여러 지식을 얻으며 의문을 풀 수 있어서 매우 유익했다. 사건 지평선 망원경 프로젝트란 블랙홀 사진을 직접 찍으려는 시도이다. 2019년 4월에 있었던 인터넷 기사를 기억할지 모르겠다. 이 때 블랙홀의 사진으로 나왔던 이미지가 이것이다.

이 도넛 모양 중심의 검은 부분이 빛이 나오지 않는, 블랙홀의 ‘그림자’라고 한다. 주변의 밝은 부분은 블랙홀 주변을 도는 물질로 인한 복사이다. 은하 중심에는 태양 질량의 십만 배에서 십억 배에 이르는 질량을 갖는 초대질량 블랙홀(supermassive black hole)이 존재하는데, 이 사진은 지구로부터 5천 3백만 광년 떨어져 있는 M87 은하의 중심부에 있는 블랙홀을 찍은 것이다. 빛의 속도로 가도 5천 3백만 년이 걸리는 거리이니 사실 상상이 잘 안 가는 거리이다. 이렇게 먼 거리의 영상을 찍고자 하니 초장기선 간섭계니 하는 기법이 나오는 것이다[2].

향후 또 다른 블랙홀 영상이 나올 때 저자의 이름(김준한)을 기억하면 좋겠다. 

책의 3부는 빅뱅으로 탄생한 우주의 잔향이라는 우주배경복사에 관해 연구하는 저자(강재환)의 이야기이다. BICEP3은 이 우주배경복사의 편광(B모드 신호)을 측정하여 우주 초기에 있었다고 논의되는 인플레이션이 실제로 있었는지를 검증하려는 시도이다. 사건 지평선 망원경 연구와 마찬가지로 측정 한계를 계속 향상시키며 연구가 진행되어 왔으며, 3은 3세대 바이셉 망원경을 의미한다. 저자가 우주의 비밀을 담고 있는 ‘추상화’라고 이야기하는 바이셉 측정 결과 그래프를 한 번 보자.

현대 과학은 고독하게 연구에 몰두하는 과학자가 새로운 사실을 발견하여 ‘유레카’를 외치는 모습과는 이제 거리가 멀다. 물론 아직 혼자서 외로이 종이 위에 계산하는 이론 연구자들도 있겠지만, 과학의 핵심이 실험이라고 할 때, 신문 지면에까지 오르내리는 의미를 갖는 실험은 적게는 수십에서 많게는 수백 명(심지어는 수천 명!)의 과학자들이 분업하여 수행하는 것이 이제 낯설지 않다[3]. 이것은 그만큼 현대 과학의 측정 자체가 어려워졌다는 것을 의미하기도 하지만, 다른 한 편으로는 그만큼 우리가 우리 주변의 것들은 잘 이해하고 있다는 증거가 되기도 한다. 우리 주변의 삶을 (현재로는) 변화시킬 가능성이 거의 없는 연구--심하게 얘기하면 인간의 호기심을 만족시키기 위한 연구--에 이만큼의 ‘돈’을 쓰는 것이 정당한지에 대한 논란이 있을 수 있다. 그래서 비용이 너무 큰 것은 취소되기도 한다. 그럼에도 불구하고, 이러한 노력이 인간이라는 존재를 더욱 고결하게 한다는 것에는 의문의 여지가 없는 것 같다. 

여기에서는 거의 언급하지 않았지만, 위의 연구에 바탕이 되는 과학적 사실들이 이해하기 ‘비교적’ 쉽게 다루어진다. 왜 기선(baseline)을 확장하여 간섭을 시키면 각분해능이 좋아지는지(줄어드는지), 우주배경복사의 ‘편광’이 어떤 의미를 지니는지 등을 연구에 직접 참여한 이들의 ‘육성’을 통해 듣는 즐거움이 있다. 현대 천문학, 더 나아가 현대 과학의 이면에서 어떤 노력이 이루어지고 있는지 그 생생한 현장을 엿보는데 이만한 책이 없다고 생각한다. 

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[1] 남극은 사실 사막이다. 연간 강수량이 2 mm밖에 되지 않는다고 한다. 남극점의 눈은 바람을 타고 온 것이 쌓인 것이다. 남극점의 고도는 9301피트(약 2800미터)이다(24~25페이지).  

[2] 우리가 인터넷 등에서 보는 우주 사진은 사실 실제 눈으로 보기 어려운 것들이 많다. 사용하는 파장 대역만 해도 가시광이 아닌 적외선이나 전파인 경우가 많고, 이런 것들을 알고리즘을 거쳐 처리한 다음에 나오는 영상들을 우리는 본다. 

[3] 중력파의 검출을 시도하는 LIGO의 저자 리스트 사이트: <https://dcc.ligo.org/cgi-bin/DocDB/ListAuthors>.