타이슨이 쓴 코스모스

코스믹 쿼리 - 우주와 인간 그리고 모든 탄생의 역사를 이해하기 위한 유쾌한 문답
닐 디그래스 타이슨.제임스 트레필 지음, 박병철 옮김 / 알레 / 2025년 11월

 우주는 매우 광대하다. 그 광대함을 알려면 거리를 재야 하는데, 이것이 매우 쉽지 않다. 하지만 영민한 인간은 거리를 재는 두 가지 방법을 알아냈다. 우선 시차다. 어릴 때 다 해본 것이지만 팔을 눈앞으로 쭉 뻗고 엄지를 세운다. 그런 다음 왼, 오른 눈을 번갈아 뜨면 신기하게도 엄지가 이동한 것처럼 보인다. 이것은 오른 눈과 왼 눈으로 들어오는 빛의 각도 차이, 즉 시차 때문에 발생하는 것이다. 이걸로 별의 거리를 재는 것이다. 특히, 인간은 망원경을 발명해서 매우 먼 거리까지 시차로 측정할 수 있다.

 하지만 시차측정은 한계가 많다. 그래서 발명해낸 것이 표준촛불기법이다. 하버드의 멘리에타 래빗은 천문 관측 데이터를 분석하는 작업을 하다 셰페이드 변광성을 발견한다. 그는 이 별의 밝기가 규칙적으로 변화함을 밝혔는데 변화의 주기가 길수록 많은 에너지를 방출한다는 것을 알아냈다. 이것을 이용하면 현재 별의 겉보기 등급과 관련하여 그 별까지의 거리 계산이 가능하다. 

 미천문학자 할로 섀플리는 래빗의 표준촛불기법으로 은하수의 크기를 계산한다. 그랬더니 놀랍게도 은하수의 폭만 무려 10만 광년의 길이가 나왔다. 여기에 그는 태양계가 은하의 중심도 아니고 2/3지점의 변방임도 알아냈다. 

 20세기 초만 해도 사람들은 여러 종류의 성운을 발견했다. 그런데 이것이 우리 은하의 일부인지 다른 은하인지 알 수가 없었다. 만약 우리 은하의 일부라면 우주 전체가 그냥 우리 은하인 것이고, 다른 은하라면 우주는 수많은 은하로 가득한 것이 될 터였다. 허블은 망원경으로 안드로메다 성운에서 셰페이드 변광성을 발견한다. 그래서 거리 측정이 가능했는데 그 거리가 무려 200만 광년이었다. 이는 우리 은하의 폭을 아득히 상회하기에 안드로메다 은하는 우리 은하의 일부가 아닌 다른 은하라는 결론에 이를 수 밖에 없었다. 

 은하는 종류가 매우 다양한데 기체가 부족하여 더 이상 별이 생성되지 않는 타원형 은하에서 기체가 풍부하여 수시로 별이 탄생하고 죽는 나선형 은하에에 이르기까지 다양하다. 은하의 규모는 매우 광대하여 우리 은하에만 행성은 수천 억개에 달한다.

 허블은 적색 편이도 발견한다. 적색 편이로도 우리 은하와의 거리 파악이 가능한데 20세기 말 천체물리학자들은 광범위한 영역에서 적색 편이를 관측하여 우주 전역에 산재한 은하의 3차원 지도를 만든다. 은하 수백만개의 위치를 일일이 추적한 디지털 스카이 서베이로 관측 가능 우주에서만 1000억 개에서 3천억 개의 은하가 존재했다. 

 우주를 관측 하는데는 지구 대기가 방해 요소가 된다. 지구 대기는 두꺼워 가시광선과 전파를 제외하고 모든 전자기파를 차단한다. 그리고 지구에 간신히 도달하는 전파는 매우 약하기에 전파 망원경은 거대해야 한다. 전파 망원경은 움푹 패인 지형에 설치하기 적합하다. 지구가 알아서 자전하기에 움직일 필요는 거의 없다. 세계에서 가장 큰 전파 망원경은 2016년 중국이 설치한 구면전파망원경이다. 10만 석 규모 축구장 4개의 크기다. 

 이러한 전파는 에너지가 작아 매우 쉽게 생성된다. 그리고 은하의 빈 공간이나 가스, 먼지 구름도 쉽게 통과하기에 외계 간 메시지 송출 수단으로도 적합하다.그래서 과학자들은 외계인이 보낼지도 모르는 이 전파를 수신하기 위해 노력한다. 

 분젠과 키르히호프는 화학 원소를 가열할 때 방출되는 빛이 저마다 고유한 스펙트럼을 생성한다는 사실을 알아냈다. 그래서 각 원소의 스펙트럼을 알면 물체에서 방출된 빛으로 그 물체의 구성요소를 추정할 수 있다. 지구 대기의 방해로 인해 망원경은 우주에도 설치한다. 적합한 지점은 중력이 상쇄되는 라그랑주 포인트다. 두 천체에는 라그랑주 포인트가 5개 존재한다. 태양과 지구 사이에도 존재하는데 지구 공전면을 따라 태양과 가까운 쪽에는 태양을 관측하는 망원경을 그리고 지구를 지나 태양 반대편에는 심우주와 태양계를 관측하는 제임스웹 망원경을 설치한다.

 중력파는 질량을 가진 물체가 가속운동을 하면서 시공간 연속체에 일으킨 파동이다. 이를 검출하는 것은 매우 어려운데 중력파가 왜곡하는 시공간의 정도가 원자핵의 지름보다 작기 때문이다. 레이저 간섭계 중력파 관측소는 4km 길이의 파이프 2개가 L자 모양으로 배열되어 있다. 그 안에서 레이저와 거울로 쉼없이 길이를 측정하고 있는데 조금이라도 변화가 있을 시 중력파가 감지된 것으로 파악한다. 다만 이것이 워낙 미세하여 주변의 약간의 충격으로도 길이 변화가 일어나기에 루이지나애나, 워싱턴 주 두 곳에 설치해 더블체크가 될 때만 발견으로 인정된다. 중력파는 2015년 9월 14일 측정되었는데 그 진원지는 15억 광년 떨어진 곳에서 태양질량의 37배 짜리 블랙홀이 충돌하여 발생한 것이다.

 제임스 웹 우주 망원경은 반사경 거울의 직경이 6.5미터로 이러한 것이 18개 이어 붙인 거대한 구조다. 가시광선과 중적외선을 관측하고 적색편이가 가장 크게 나타나는 우주에서 가장 오래된 천체를 관측한다. 언급한 것처럼 L2 라그랑주 포인트에 설치될 예정이며 지구에서 무려 160만 km나 떨어져 있어 인간의 수리가 불가능해 한 방에 설치가 되어야 한다. 

 유럽은 레이저 간섭계 우주 안테나를 구상 중이다. 차세대 중력 감지기로 거대한 정삼각형의 꼭지점에 위치한 3개의 자유비행 위성이 연결된 구조로 각 변의 길이가 지구와 달 거리의 6배에 달한다. 이 자유비행위성은 질량 샘플이 탑재되었는데 이들의 상대적 위치 변화로 중력파를 감지한다. 이 위성들은 편대의 유지를 위해 지구보다 5천만 km 떨어진 태양 주변을 공전할 예정이다.

 우주는 빅뱅 이후 몇 차례 상전이를 거쳐 지금의 모습이 되었다. 우선 빅뱅 후 1분이다. 우주는 빠른 속도로 움직이는 기본 입자와 광전자로 가득찼다. 그래서 어쩌다 양성자와 중성자가 충돌해 간단한 원자핵을 형성하지만 곧바로 다른 입자와 부딪히기를 반복하는 상태였다. 원자핵이 존재하려면 입자의 속도는 낮아지고 우주의 온도가 떨어져야 했다. 빅뱅 후 3분이 지나자 우주가 충분히 팽창하고 식어 충돌이 거의 사라져 원자핵이 존재할만한 상태가 되었다.

 초기 생성된 원소는 수소가 대부분이고, 수소가 연속 충돌해 헬륨, 그리고 아주 드물게 3번 충돌해 리튬이 생성되었다. 45초간 원자가 급격히 생성되다 팽창으로 인해 원자 간 거리가 멀어져 충돌이 사라지며 원자 생성이 더는 어렵게 되었다. 이렇게 물질이 생겨나자 지금의 은하와 별이 생성되었고, 하전 입자의 방해가 사라져 빛이 펴져 나가 공간이 투명해졌다. 이 때 퍼져나간 빛이 지금 발견되는 우주배경복사다. 

 그런데 이 때 생성된 물질의 양은 이후 여러모로 너무 적다는 것이 밝혀진다. 1930년대 프리츠 츠바키는 관측된 별의 수만으로는 은하가 빠르게 회전하며 형태를 유지할 수 없다고 계산한다. 그래서 그는 은하 내부에 보이지 않는 물질이 존재한다고 생각한다. 1970년대 베라 루빈은 은하 안의 별의 궤적을 추적하다가 암흑물질이 존재해야만 별의 궤적이 가능함을 입증한다. 결국 수집된 데이터에 의하면 우주 중력의 85%가 암흑물질에서 기인한다.

 암흑물질은 복사의 영향을 받지 않아 원자 형성 이전부터 안정적으로 축적된 것으로 보이며 이들이 형성한 중력으로 인해 원자들이 쉽게 모여 은하의 별을 형성했다. 별은 중력으로 인해 안으로 끊임없이 수축되어 간다. 그러면 붕괴할 수 밖에 없는데 이를 밀어내는 힘이 핵융합이다. 원자가 모이며 중력으로 인해 지나치게 가까워지고 마침내 결합한다. 고온의 플라스마 상태가 되기 때문이다. 그리고 과정에서 질량이 줄어들며 결합이 생성되는데 이 줄어든 질량만큼 에너지를 뿜어내며 중력과 균형을 이루게 된다. 이런 별은 빅뱅 이후 3억년 무렵 탄생한 것으로 추정된다.

 핵융합으로 재료를 모두 소진한 별은 질량에 따라 다른 단계를 맞는다. 질량이 큰 별은 생성한 헬륨으로 제2 핵융합을 하고, 탄소 같은 무거운 원소를 만들어 낸다. 하지만 이마저도 끝나면 백생외성이나 직경 17km짜리 중성자 별이 된다. 초신성으로 폭발하게 되면 무거운 원소가 우주로 흩어져 다시 새로운 별의 재료가 된다. 

 구름이 중력에 의해 수축하면 내부 온도가 높아지며 핵융합을 하는 항성이 탄생한다. 운동이 전혀 없던 구름들은 중력에 이끌려 중심으로 떨어지고 그 외 구름은 중심에 가까워지기 위해 회전운동을 하게 된다. 그래서 가스들이 전체적으로 납작한 원반 모양을 이루게 된다. 모든 행성의 공전면이 일치하고 공전방향이 같은 이유다. 일반적으로 성운은 질소나 물처럼 쉽게 기화하는 휘발성 물질과 모래알처럼 쉽게 기화하지 않는 비휘발성 물질로 나뉜다. 핵융합이 시작하면 원시행성원반은 강력한 태양풍을 맞게 된다. 휘발성 물질은 그래서 모두 외곽으로 날아가버린다. 그렇게 태양 인근에는 비휘발성 물질만 남아 단단한 지구형 행성을 형성한다. 그리고 외곽은 휘발성 물질로 기체의 목성형 행성을 형성한다. 천문학은 지구형/목성형의 경계를 동결선이라고 지칭한다.

 원시 태양계에서 태양에서 화성까지의 거리에는 무려 30개의 원시 행성이 있었던 것으로 추정된다. 이들은 서로 부딪혔는데 그러면 작은 것이 큰 것에 흡수되거나 속도가 느려져 태양으로 떨어지거나 속도가 빨라져 태양계 바깥으로 튕겨나가버렸다. 

 목성과 토성은 생성되며 질량이 매우 커지자 태양으로 돌진하게 되었다. 다만 토성의 운동이 더 빨라 양자가 서로의 중력을 받게 되며 오히려 방향을 바꾸어 외곽으로 향하게 되었고 그 사이 형성된 천왕성과 해왕성의 중력의 영향을 받아 안정을 찾아 지금의 궤도에 안착했다. 목성은 과거 태양으로 이동하며 원시행성원반을 가로지르며 이동했는데 그 과정에서 원반의 일부는 태양으로 흡수되었고 일부는 충돌로 바깥으로 이탈했다. 그래서 화성-목성 사이의 소행성 벨트대가 생각보다 질량이 적은 것이다. 

 태양계가 안정을 찾자 얼음행성과 파편들이 중력에 의해 지구방향으로 돌입한다. 그리고 이들이 지구와 자주 충돌하게 되면서 지구에 바다가 형성될 수 있었다.

 해왕성을 지나 먼 곳에 얼음 행성이 집합체인 카이퍼 벨트가 있다. 주로 물, 암모니아, 메탄 같은 휘발성 물질로 이뤄졌다. 여기를 지나면 거대한 구름층이 카이퍼 벨트를 도넛처럼 감싸고 있는데 이게 오르트 구름이다. 

 항성은 중심부의 수소를 모두 쓰면 헬륨으로 핵융합을 다시 하며 양성자 6개인 탄소를 생성한다. 무척 무거운 별은 핵융합으로 여러차례 반복해 양성자 26개인 철까지 생성이 가능하다. 그 이상이 안되는 이유는 철의 원자핵이 핵융합을 하려면 외부에서 에너지 공급이 되어야 하는데 별에서는 이러 조건이 생기지 않기 때문이다. 그래서 내부에 철이 누적되며 별은 핵융합이 사실상 종료되고 죽음으로 향한다. 자체 수죽하다 폭발하는데 초신성 폭발이다. 초신성이 폭발하며 막대한 에너지가 발생하여 철보다 무거운 코발트와 우라늄등이 생성된다. 우라늄까지가 자연이 만들어낼 수 있는 최고 무거운 원소다. 그 이상의 물질은 모두 인간이 실험실에서 생성한 것이다.   

 외계에 생명이 있는 것은 가능할 수 있다. 우주에서 날아온 소행성과 성간기체에서도 아미노산이 발견된다. 지금에도 강한 생물이 있다. 완보동물이다. NASA는 완보동물을 우주선에 묶어 외부에 두고 우주로 날려보냈다. 12일간 극저온과 우주 방사선에 노출이 되었음에도 이 동물은 생존했다. 그래서 우주과학자들은 장기우주여행 생존법을 이 동물에게서 찾고 있다. 지구의 생명체는 탄소기반이지만 실리콘 기반도 얼마든지 가능하다. 양자는 전자의 배열상태가 유사하고 실리콘은 최외곽전자가 4개여서 다른 원자와 쉽게 결합한다. 다만 실리콘 결합의 경우, 탄소 결합보다 결합의 강도가 강하여 복잡한 분자로의 변화가 어렵다. 

 우주의 최소단위는 6개의 쿼크와 6개의 렙톤이다. 결국 우주의 물질은 이 12개의 다양한 조합이다. 자연에는 4가지 힘이 있다. 기본입자가 블록이면 힘은 그 블록을 이어 붙이는 모르타르 같은 역할을 하는데,  양자세계에서는 가상 입자가 교환되며 힘이 생성된다. 강력은 글루온 입자, 약력은 벡터보손입자, 전자기력은 광자입자, 중력은 아직 입자가 발견되지 않았다. 

 빅뱅 후 10-43승 초에 하나의 통합된 힘이 중력과 강약전자기력으로 분리 된다. 이 시간은 물리적 의미를 갖는 가장 짧은 시간으로 플랑크 시간으로 불린다ㅏ. 10-35승 초에 6개의 쿼크, 6개의 렙톤이 형성된다. 10-10승초에 우주에는 강력, 중력, 약전자기력이 존재했고 이 때 약전자기력이 약력과 전자기력을 분리된다. 10-5승 초에 쿼크가 모여 하드론을 형성했고, 3분 후 원자핵이 형성, 38만년후 최초의 원자가 생성된다. 

 지구의 미래는 태양에 달렸다. 태양은 수소를 모두 소모하면 제2핵융합을 하는데 2가지 변화가 생긴다. 태양풍이 거세져 태양의 질량 1/3이 날아간다. 그리고 외피가 크게 팽창하여 적색거성이 되어 수성, 금성, 지구가 흡수된다. 팽창한 태양은 질량 대부분이 성간으로 날아가고 질량 붕괴가 일어나서 지구 크기의 백색왜성이 된다. 

 지구입장에서 태양은 점점 밝아지고 있다. 초기 태양은 지금보다 30%어두웠다. 하지만 태양이 헬륨으로 핵융합을 시작하면 지금보다 65%나 밝아진다. 싹 타버리는 것이다. 

 지질학자들은 2억 5천만년 후면 대륙이 하나로 뭉쳐 다시 판게아가 생길 것으로 보고 있다. 그리고 10억년 후면 지구의 평균 기온이 태양이 밝아져 인간 체온 이상으로 올라간다. 그러면 대량의 증발이 생기고 수증기를 자외선이 분해하여 가벼운 수소의 지구 이탈이 본격화한다. 그러면 물이 더욱 부족해져 건조화가 심해진다. 화산 활동으로 이산화탄소는 계속 분출하는데 이를 흡수할 대양이 적어지니 온난화가 더욱 심화한다. 30-40억년 후면 극심한 온난화로 인해 지구는 표면 암석이 용암이 된다. 태양이 적색거성이 되면 지구를 흡수할 만한 위치에 오지만 태양의 중력이 약해져 지구 공전궤도가 커져 잘하면 지구는 흡수를 면할 수도 있다. 

 지구 내부에도 위험요소가 많다. 지구 내부에서 올라온 마그마가 분출되지 않고 지각 아래 고이는 경우가 있는데 결국 압력이 쌓여 대규모 폭발이 일어난다. 이 양은 1000km3에 달하는데 텍사스 주 전체를 1.5미터 깊이 용암으로 덮을 정도다. 이것을 초화산이라 하며 미국의 옐로 스톤 공원이 대표적이다. 이런 초화산이 20개 있다. 과거 초화산은 47회 폭발했다. 

 초화산을 능가하는 초대규모 화산 폭발도 있다. 분출 용암이 수십만 km3에 달한다. 인도의 데칸 고원이 이렇게 형성되었는데 6500만년 전이다. 그리고 시베리아도 2억 5천만년전 생성되었다. 공교롭게 이 시기는 대멸종시기와 거의 일치한다.