외경심을 불러일으키는 우주

매우 신비스럽지만 매우 아름답다

해마다 이맘때쯤이면 밤하늘이 보석으로 장식한 듯 광채를 띠고 손짓합니다. 머리 위 저 멀리에서 활보하는 것 같은 큰 별자리인 오리온은, 1월의 밤에 알래스카 주의 앵커리지에서 남아프리카 공화국의 케이프타운에 이르기까지 어디에서든 쉽게 볼 수 있습니다. 당신은 최근에 오리온자리와 같이 잘 알려진 별자리에서 발견할 수 있는 하늘의 보물들을 눈여겨본 적이 있습니까? 천문학자들은 얼마 전에 최근에 수리한 허블 우주 망원경을 사용해서 살짝 들여다보았습니다.

오리온의 허리띠라고 하는 오리온자리의 세 별에는 그의 칼이 매달려 있습니다. 칼 가운데 있는 희미한 별은 사실은 별이 아니라 그 유명한 오리온 성운으로서, 조그만 망원경으로 보아도 매우 아름다운 물체입니다. 그러나 전문적인 천문학자들이 그것에 매력을 느끼는 이유는 그 영묘한 빛 때문이 아닙니다.

“오리온 성운은 우리의 은하계에서 별이 탄생되고 있는 가장 넓고 활동적인 영역이기 때문에, 천문학자들은 오리온 성운과 그 속에 들어 있는 많은 어린 별들을 조사한다”고 장-피에르 카이오는 「천문학」(Astronomy)지에서 보도합니다. 이 성운은 마치 우주의 분만실과 같습니다! 허블 망원경이 오리온 성운의 사진을 찍어 이전에 결코 보지 못했던 세부점들을 포착했을 때, 천문학자들은 단지 별들과 빛을 발하는 가스만 아니라, 카이오가 묘사한 “희미한 작은 타원. 오렌지빛 얼룩. 사진에 우연히 음식이 떨어져 생긴 얼룩을 닮은 것”도 보았습니다. 그러나 과학자들은 이 희미한 타원들이 암실에서 생긴 얼룩이라기보다는 “1500광년이나 떨어진 거리에서 본 원시 행성의 원반들, 즉 형성 단계에 있는 초기의 태양계들”이라고 믿고 있습니다. 별들—아니, 완전한 모양을 갖춘 태양계들—이 지금도 오리온 성운에서 탄생되고 있다는 말입니까? 많은 천문학자들은 그렇게 믿고 있습니다.

분만실에서 별의 묘지까지

오리온자리는 손에 활을 들고 성큼성큼 나아가다가 황소자리와 맞닥뜨리는 것 같습니다. 조그만 망원경으로도 황소의 남쪽 뿔 끝 근처에 있는 희미한 빛덩이가 보일 것입니다. 이것을 게성운이라고 부르는데, 커다란 망원경으로 보면 9면에 나와 있듯이, 폭발이 진행 중인 것처럼 보입니다. 오리온 성운이 별들의 육아실이라면, 이웃에 있는 게성운은 상상할 수 없을 정도로 광포한 죽음을 당하는 별의 묘지라고 할 수 있을 것입니다.

중국의 천문학자들이 황소자리의 “손님 별”을 묘사했을 때, 하늘의 이 대격변을 기록한 것일는지도 모릅니다. 그 별은 1054년 7월 4일에 갑자기 나타나 아주 밝게 빛나는 바람에 23일 동안 낮에도 볼 수 있었습니다. “그 별은 몇 주 동안 약 4억 개의 태양을 합친 것과 같은 빛을 발하고 있었다”고 천문학자인 로버트 버넘은 기술합니다. 천문학자들은 그처럼 장관을 이루는 별의 자살을 초신성이라고 부릅니다. 그 관측이 있은 지 거의 일천 년쯤 지난 지금도, 그러한 폭발로 인한 파편들이 어림잡아 하루에 8000만 킬로미터의 속도로 우주 공간을 날아다니고 있습니다.

허블 우주 망원경이 이 곳에서도 작동하여 성운의 중심부를 깊숙이 들여다보고 “천문학자들이 예상하지 못했던 게성운의 세부점들”을 발견하였다고 「천문학」지는 보도합니다. 천문학자 폴 스코윈은 그 발견들로 인해 “이론을 내세우는 천문학자들이 앞으로 얼마간 당황한 가운데 골똘히 생각하지 않을 수 없을 것”이라고 말합니다.

하버드의 로버트 커슈너와 같은 천문학자들은 게성운과 같은 초신성의 잔해를 이해하는 것이 중요하다고 믿습니다. 그러한 잔해를 이용하여 현재 집중적으로 연구하고 있는 분야인 다른 은하들과의 거리를 측정할 수 있기 때문입니다. 앞서 살펴본 바와 같이, 최근에 우주 창조에 관한 대폭발 이론에 대한 열띤 논쟁의 불길이 당겨진 것도 다른 은하들과의 거리에 대한 의견의 불일치 때문이었습니다.

북반구에서는 1월의 서쪽 하늘에서 황소자리 너머로 안드로메다자리에서 아직도 부드러운 빛을 볼 수 있습니다. 이 빛은 안드로메다 은하로서, 육안으로 볼 수 있는 것 중에 가장 멀리 있는 물체입니다. 경탄스러운 오리온자리와 황소자리는 우주에서 비교적 가까운 거리—지구로부터 몇천 광년 내—에 있는 것입니다. 그러나 지금 우리가 응시하고 있는 것은 어림잡아 200만 광년 너머에 있는 커다란 나선형을 이룬 별들로서, 우리가 속해 있는 은하와 아주 흡사하게 생겼지만 크기는 훨씬 더 큰—이 끝에서 저 끝까지 약 18만 광년이나 되는—것입니다. 당신이 안드로메다의 부드러운 빛을 보고 있다면, 당신의 눈은 200만 년이 더 되었을지 모르는 빛 속에 잠겨 있는 것입니다!

최근 몇 년 동안 마거릿 겔러를 비롯한 여러 사람들이 우리 주위에 있는 모든 은하의 삼차원적인 지도를 그리려는 야심적인 계획에 착수하였는데, 그 결과로 인해 대폭발설에 심각한 의문이 제기되어 왔습니다. 이 우주 지도 제작자들은 은하들이 사방에 고르게 분포된 모습을 본 것이 아니라, “은하들이 무늬를 짜넣은 주단처럼” 수백만 광년 범위로 펼쳐 있는 것을 발견하였습니다. “신생 우주의 거의 균일한 물질로부터 어떻게 그처럼 무늬가 박힌 주단이 짜여질 수 있었는가 하는 점이 우주론에서 가장 긴급히 해결해야 할 의문 중의 하나이다”라고 정평 있는 잡지 「사이언스」는 최근에 보도하였습니다.

우리는 오늘 저녁 1월의 밤하늘을 본 것으로부터 시작해서, 심장이 멎을 듯한 아름다움뿐만 아니라 우주의 본질과 기원에 관한 의문들과 신비들까지 신속히 발견하였습니다. 우주는 어떻게 시작되었습니까? 어떻게 현재와 같은 복잡한 단계에까지 도달하였습니까? 우리를 둘러싸고 있는 경탄스러운 천체에 앞으로 어떤 일이 벌어질 것입니까? 누군가가 말해 줄 수 있을 것입니까? 알아봅시다.

[8면 네모]

얼마나 멀리 떨어져 있는지 어떻게 아는가?

천문학자들이 우리에게 안드로메다 은하가 200만 광년 떨어져 있다고 말할 때, 그들은 실은 경험에 입각하여 어림짐작으로 추산한 것을 알려 주고 있는 것이다. 그처럼 정신이 멍해질 정도의 거리를 직접적으로 측정할 만한 방법을 고안해 낸 사람은 아무도 없다. 200광년 정도 이내에 있는 아주 가까운 별들까지의 거리는 간단한 삼각법과 관련 있는 별들의 시차(視差)를 통해 직접적으로 측정할 수 있다. 그러나 이러한 방법은 단지, 지구와 매우 가까워서 지구가 태양 주위를 공전할 때 약간씩 움직이는 것처럼 보이는 별들에게만 효과가 있다. 대부분의 별들과 모든 은하는 훨씬 멀리 떨어져 있다. 따라서 어림짐작으로 추산하는 일이 시작된다. 비교적 가까운 거리에 있는 별들, 이를테면 오리온자리의 유명한 적색 초거성 베텔게우스도 어림짐작으로 추산한 것인데, 대략 300광년에서 1000광년 남짓한 범위의 거리에 있다. 그러므로 일백만 배나 더 멀리 떨어져 있는 은하들과의 거리에 대해 천문학자들 사이에 의견의 불일치가 발견된다고 해서 놀랄 이유는 못 된다.

[8면 네모]

초신성, 펄서, 블랙홀

게성운의 중심부에는 지금까지 알려져 있는 우주에서 가장 이상한 물체 중 하나가 있다. 과학자들의 말에 의하면, 어떤 죽은 별의 조그만 시체가 믿기 어려울 정도로 고밀도로 압축되어 그 묘지에서 매초 30회 회전하면서 전파를 발하는데, 1968년에 처음으로 지상에서 그것을 탐지하였다. 이것은 펄서라고 불리는데, 회전하는 초신성 잔해로 묘사되는 이 펄서는 고도로 압축되어 있으므로 원래의 별의 원자를 구성하고 있던 전자와 양자가 함께 밀착되어 중성자를 생성하게 되었다는 것이다. 과학자들의 말에 의하면, 이것은 한때 오리온자리의 베텔게우스나 리겔과 같은 초거성의 거대한 중심핵이었다. 그 별이 폭발하여 핵을 둘러싼 외부의 층들이 우주로 날아가 버리고 수축된 중심핵만 남았는데, 그 핵의 불길은 꺼진 지 오래 되었고, 백열 상태인 타다 남은 찌꺼기만 빛을 발하고 있다는 것이다.

태양 두 개 정도 되는 거대한 별을 지름이 15 내지 20킬로미터 되는 구체로 압축시킨다고 상상해 보라! 행성 지구를 120미터로 압축시킨다고 상상해 보라. 이 물체의 부피가 16세제곱 센티미터면 그 무게가 160억 톤도 더 나갈 것이다.

이렇게 묘사해도 압축된 물체에 대한 설명이 부족한 것 같다. 만약 우리가 지구를 새총에 사용하는 탄환만한 크기로 줄곧 수축시킨다면, 지구의 중력장이 마침내 매우 강해져서 빛이라도 빠져 나가지 못할 것이다. 이렇게 되면 조그만 지구는 소위 블랙홀 속으로 사라지는 것처럼 보일 것이다. 대부분의 천문학자들이 블랙홀이 있다고 믿지만, 그 존재는 아직 증명되지 않았으며, 그것은 몇 년 전에 생각했던 것만큼 그리 흔한 것 같지도 않다.

[10면 네모]

그 색깔들은 진짜인가?

조그만 망원경으로 하늘을 세밀히 살펴보다가 처음으로 유명한 은하나 성운을 발견할 때 사람들은 종종 실망을 느낀다. 그들이 사진에서 본 아름다운 색깔들은 어디 있는가? “은하의 색깔은 사람의 눈으로, 심지어 현존하는 가장 큰 망원경으로도 직접 볼 수 없다. 그 빛이 너무 희미해서 망막의 색상 수용체에 자극을 주지 못하기 때문”이라고 천문학자이자 과학 저술가인 티모시 페리스는 기술한다. 이로 인해 어떤 사람들은 천문학 사진에서 본 아름다운 색깔들은 단지 현상 과정에서 어떤 방법으로인가 덧붙인 가짜라고 결론을 내리게 된다. 그러나 그렇지 않다. “그 색깔들은 진짜이며, 사진들은 그 색깔들을 정확히 재현하려는 천문학자들의 최선의 노력을 반영하고 있다”고 페리스는 기술한다.

페리스가 그의 저서 「은하」(Galaxies)에서 설명하는 바에 의하면, 은하들이나 대부분의 성운과 같이 멀리 떨어진 희미한 물체들의 사진은, “망원경을 은하에 똑바로 맞춘 다음, 감광판을 별빛이 감광 유제에 스며들 정도로 여러 시간 노출시켜 얻은 타임 노출에 의한 사진이다. 이 촬영 시간에는 움직이는 기계 장치가 지구의 자전을 보완해 주므로 망원경은 계속 은하에 똑바로 맞춘 상태에 있게 된다. 한편 천문학자가 혹은 어떤 경우에는 자동 유도 장치가 미세한 수정을 가한다.”

[7면 도해와 삽화]

(온전한 형태의 본문을 보기 원한다면, 출판물을 참조하십시오)

1 오리온자리, 1월에 세계 도처의 하늘에서 늘 볼 수 있는 광경

2 오리온 성운, 희미한 “별”을 근접 촬영한 놀랄 만큼 아름다운 광경

3 오리온 성운의 내부 깊숙한 곳—우주의 분만실인가?

[자료 제공]

#2: Astro Photo - Oakview, CA

#3: C. R. O‘Dell/Rice University/NASA photo

[9면 삽화]

안드로메다 은하, 육안으로 볼 수 있는 것 중에 가장 멀리 있는 물체. 그 회전율은 뉴톤의 중력의 법칙에 어긋나는 것 같으며, 망원경에 나타나지 않는 암흑 물질에 대한 의문을 일으킨다

[자료 제공]

Astro Photo - Oakview, CA

[9면 삽화]

황소 자리에 있는 게성운—별의 묘지인가?

[자료 제공]

Bill and Sally Fletcher

[10면 삽화]

위: 마차 바퀴 은하. 더 작은 은하가 이 은하와 충돌하여 기울면서 통과하였으며, 그 결과 이 더 작은 은하는 파란 고리를 남겼는데, 이것은 마차 바퀴 은하를 둘러싼 새로 형성된 수십억 개의 별들로 이루어져 있다

[자료 제공]

Kirk Borne (ST Scl), and NASA

아래: 묘안(貓眼) 성운. 서로의 둘레를 도는 두 별이 미치는 효과를 생각해 보면 이 복잡한 구조를 가장 쉽게 설명할 수 있다

[자료 제공]

J. P. Harrington and K. J. Borkowski (University of Maryland), and NASA