코스모스의 계승작

뉴 코스모스 - 우주를 향한 새로운 질문
데이비드 아이허 지음, 최가영 옮김 / 예문아카이브 / 2017년 5월

  책의 서문에는 저자가 왜 이 책을 만들었는지가 나온다. 저자는 어려서 천문학을 접하고 곧 매료되었으며 그 과정에서 칼세이건과 서신을 주고 받았다. 대학자의 정성이 담긴 서신은 큰 힘이되었고 저자는 어린나이에 천문학 잡지를 만들었으며 커서도 그 일을 계속한다. 그 과정중에 세이건의 코스모스가 나왔고 안타깝게도 그는 그리 오래살지 못했다. 세이건 이후 천문학은 과학기술의 발전으로 엄청나게 발전했다. 코스모스와 지금 천문학의 간극을 메꾸자 한 책이 '뉴 코스모스'다.

 코스모스가 주로 태양계에 대해서만 다루고 과거의 사실이 많으며 세이건의 감상적인 멘트가 많았다면 뉴코스모스는 빅뱅과 블랙홀, 암흑물질과 암흑에너지, 우주의 미래등 보다 태양계 너머의 내용이 등장한다. 보다 건조해진 문체는 약간의 아쉬움이랄까.

1. 태양계

 그래도 책은 우리 태양계 먼저 다룬다. 우리는 항상 태양계 너머를 생각하지만 현재 인간의 과학기술로는 지구자체도 온전히 다루고 있지 못하며 태양계 역시 마찬가지다. 사람이 다녀올수 있는 유일한 곳은 달이 유일할 정도이니 말이다. 우린 1979년에 보이저를 발사했고, 이 녀석은 초속 15km의 속도로 40년째 항행중이지만 아직 태양계 조차 벗어나지도 못했다. 태양계의 범위는 오르트 구름대인데 구름대의 안쪽 경계가 무려 1만AU이기 때문이다. (AU는 지구와 태양간거의 거리) 바깥 경계는 더 놀라운데 무려 10만AU에 달한다. 보이저의 속도를 계산한다면 인간이 쏘아올린 발사체가 태양계를 벗어니기 위해선 앞으로도 3만년정도가 더 걸린다. 과연 그때까지 인류가 존속할지 아닐지도 모를 만한 시간이다.

 몰랐던 사실인데 과거 태양은 지금보다 복사에너지가 약했다고 한다. 3-40억년 정도 전에는 지금의 70-80%수준이었다는데 다행히 지구는 자전축이 기울어져있어 에너지가 집중되는 영역이 있고, 지각활동이 활발해 얼음행성이 되느걸 모면할수 있었다. 문제는 태양빛이 점점 강해진다는 것이다. 지구의 최후로 많은 사람들이 태양이 적색거성이 되어 지구를 삼키는 50억년 후쯤을 생각하지만 빛의 강화로 종말은 생각보다 많이 빠르다. 대충 10억년 후면 태양복사에너지가 우리의 대양을 모두 끓여 증발시킬 수준에 도달한다. 아마도 그때가 종말일 것이다.

 화성은 골디락스영역에 속하는걸로 보이지만 지구에 비해 크기가 작아 중력이 약하다. 화성엔 과거 물이 많았던 걸로 추정되는데 후기 운석 대충돌시기에 소행성 충돌로 인해 물과 대기를 상당히 상실한걸로 보인다. 하지만 극관에 여전히 얼음층이 있고 지하에 얼어붙은 대수층이 보존되어 있는 걸로 보여 화성의 생명체 존재가능성은 남아있는 편이다.

 금성은 지구와 비슷한 질량과 크기를 갖는다. 적당한 중력으로 대기를 보존하고 있으나 너무 두꺼우며 그로 인해 기압이 지구의 100배수준이다. 금성의 표면은 다른 행성보다 젊은데 이는 화산활동이 꾸준히 자주 있기 때문이다. 이로 인해 금성의 표면 나이는 3-10억년에 불과하다. 하지만 금성의 화산활동은 다소 이상한 편인데 한쪽 면에서만 70%가 집중되기 때문이다. 또한 높은 대기압으로 화산역시 역동적으로 터질수 없어 화산의 높이와 분출 역시 약하다.

 달은 지구의 위성 치곤 상당히 큰 편이다. 달의 형성엔 여러 가설이 있었지만 화성정도 크기였던 테이아와의 충돌로 발생했다는 가설이 가장 폭넓은 지지를 얻고 있다. 테이아가 지구와 충돌하면서 상당 질량이 지구 맨틀부분으로 빨려 들어갔고 지구 외곽 부분을 형성했다. 즉, 우리는 테이아 위에 살고 있는 셈이다. 그리고 나머지 부분이 뭉쳐서 형성된 것이 달인 셈이다.

 명왕성은 2005년 회의 결과 행성의 위치를 상실했다. 당시 행성의 기준으로 3가지가 제시되었는데 태양의 주위를 공전할 것과 정역학 평형, 즉 구체형태를 유지할만큼 질량이 높을 것과, 행성의 공전궤도상의 다른 천체를 제거해야하는 것들이다. 마치 지구가 테이아를 해치운 것처럼 말이다. 명왕성이 부족했던 건 세번째다. 명왕성은 공전궤도도 좀 이상한 편인데 그로 인해 주변에 다른 천체들이 명왕성의 공전궤도에 침범한다.

2. 어두운 녀석들(암흑에너지, 암흑물질, 블랙홀)

아인슈타인은 정적인 우주를 위해 자신의 계산에 억지로 우주상수를 끼워넣었다. 이 고집은 오래도록 잊혀졌는데 관측한 은하의 질량과 에너지가 실제 내뿜는 가시광선에 1000분의 1수준에 불과하다는 점, 그리고 물질의 양이 지금의 은하를 구성할 만한 정도가 돼지 못한다는 점에서 다시 주목받았다. 이는 있는 것은 확실하나 관측이 아직 되지 않은 암흑 물질과 암흑 에너지의 존재를 불러왔다.

 우주에서 우리를 비롯한 별을 구성하는 바리온 물질의 양은 전체의 4.9%에 불과하다. 나머지 26.8%를 암흑물질이 그리고 무려 68.3%를 암흑에너지가 차지한다. 이 녀석들은 우리 은하 중심과 주변에도 많이 존재하는 걸로 추정된다. 암흑물질로 인해 우리 은하는 별들이 크게 부족한 외곽부분에서도 그 회전속도가 충분히 빠를 수 있으며 은하 구성이 가능한 충분한 중력이 가질 수 있었다.

 암흑 에너지는 척력으로 작용하는데 이 에너지로 인해 우주는 빅뱅이후로 꾸준히 확장하고 있다. 우주가 커지는 속도는 현재 다소 느려지다가 향후 더욱 빨라 질 것으로 예측되며 언젠가는 광속수준에 도달할지도  모른다.

 블랙홀은 우리 은하에서만 무려 19개 정도가 있는 것으로 추정된다. 대부분 은하면에 밀집해 있다. 블랙홀의 밀도는 지구 전체를 포도알 한 개정도로 압축한 정도로 극히 높으며 고밀도로 압축하는 과정에서 입자가 방출되어 서서히 증발한다. 결국 강한 인력을 가진 블랙홀도 아주 장기적으로는 토해내는게 더 많아져 사라지게 되는 것이다. 물론 이는 아주 먼 훗날이다.

3. 우주의 미래

 저자는 지금이 별들의 시기라고 말한다. 아직은 우주의 팽창속도가 물질량에 비해 그리 빠르진 않아 별들이 주위에서 쉽게 관찰되고 에너지가 많은 시기이다. 하지만 지금도 과거에 비하면 별의 생성양이 크게 줄었다. 우주가 점점 팽창하면서 물질들이 서로 멀어지고 있기 때문이다.   

 지금부터 40억년 뒤면 우리 은하는 이웃 안드로메다 은하와 결합하기 시작해 이른바 밀코메다라는 거대은하를 형성하게 된다. 1000억년 뒤에는 우리가 속한 국부은하군이 하나의 초거대 은하군에 뭉뚱그려지게 되며 1500억년뒤에는 우주의 팽창속도가 빨라져 이웃 은하들이 모두 관측이 불가능한 우주지평선 너머로 사라지게 된다. 이 때의 우주는 삭막하기 그지 없다. 자신의 행성 밤하늘에서 자신의 은하를 제외하면 어떠한 것들도 보이지 않기 때문이다. 다른 은하들은 거의 광속의 속도몰 멀어져 사실상 관측이 불가능한 우주지평선 너머로 가버렸기에 존재자체도 알수 가 없으며 사실상 다른 우주가 되어버린다.

 100조년 뒤에는 멀어지는 힘이 너무 강해 별의 구성자체가 불가능해져 별의 시대가 마감되고 축퇴의 시대가 열린다. 소수의 백색왜성이 외롭게 자리를 지키게 되며 이보다 더 많은 시간이 지나면 원자와 중성자도 붕괴하는 시점이 도래할 수도 있다. 우주엔 아원자 입자만 남게되 뭉쳐있고 멀리 떨어져 있음이 다르지만 마치 빅뱅초반부와 비슷해진다. 이처럼 현재 가장 인정받고 있는 우주의 미래는 차디찬 우주다.