평평함

[강연] 우주의 기원 (2) - 빅뱅우주론 _ 우종학 교수 | 2015 봄 카오스 강연 'ORIGIN' 1강 | 1강 ②

지난 100년 동안 인류가 이룩한 과학적 성취 중 가장 위대한 발견 하나를 꼽으라면 단연 우주 팽창을 들 수 있습니다. 이 놀라운 이야기는 미국의 천문학자 에드윈 허블의 연구에서 시작되었습니다. 그는 안드로메다와 같은 이웃 은하들까지의 거리를 측정하기 위해 세페이드 변광성이라는 특별한 별을 관찰했습니다. 그 결과, 안드로메다가 우리 은하 내부의 성운이 아니라 훨씬 먼 곳에 존재하는 독립적인 외부 은하라는 사실을 밝혀냈습니다. 이는 인류의 우주관을 우리 은하 너머로 확장한 역사적 사건이었습니다. 허블은 은하들의 거리를 측정하는 데 그치지 않고 그들의 운동 방식도 함께 연구했습니다. 그는 멀리 있는 은하일수록 더 빠른 속도로 우리에게서 멀어진다는 사실을 발견했는데, 이를 '허블의 법칙'이라고 부릅니다. 예를 들어 거리가 두 배 멀어지면 후퇴 속도도 두 배 빨라지는 일정한 비례 관계가 나타납니다. 이는 은하 자체가 움직이는 것이 아니라, 은하 사이의 공간이 일률적으로 늘어나고 있음을 의미합니다. 마치 풍선을 불 때 표면의 점들이 서로 멀어지는 것과 같은 원리로 우주가 팽창하고 있는 것입니다. 은하들이 멀어지는 속도는 도플러 효과를 이용해 정밀하게 측정할 수 있습니다. 앰뷸런스가 다가올 때 소리의 피치가 올라가고 멀어질 때 낮아지는 것처럼, 빛 역시 운동 상태에 따라 파장이 변합니다. 은하가 우리로부터 멀어지면 관측되는 빛의 파장이 붉은색 쪽으로 치우치는 '적색편이' 현상이 발생합니다. 과학자들은 칼슘 이온과 같은 특정 원소의 흡수선이 얼마나 이동했는지를 분석하여 은하의 후퇴 속도를 계산합니다. 오늘날에는 초신성 관측을 통해 허블 시대보다 훨씬 먼 우주의 팽창 속도까지 정확히 파악하고 있습니다. 우주가 팽창한다는 사실은 시간을 거꾸로 돌렸을 때 과거의 우주가 지금보다 훨씬 작았음을 암시합니다. 현재의 팽창 속도인 '허블 상수'와 우주의 크기, 그리고 은하들의 중력 작용을 고려한 미분 방정식을 풀면 우주의 나이를 추정할 수 있습니다. 최신 연구 결과에 따르면 우리 우주의 나이는 약 138억 년으로 계산됩니다. 아주 작았던 한 점에서 시작된 우주가 장구한 세월 동안 팽창을 거듭하여, 오늘날 우리가 마주하는 수백억 광년 규모의 광활하고 역동적인 공간으로 진화해 온 것입니다. 빅뱅 우주론은 "밤하늘은 왜 어두운가?"라는 소박하지만 심오한 질문에 대한 답을 제시합니다. 만약 우주가 무한하고 정적이며 별들이 균일하게 분포해 있다면, 어느 방향을 보더라도 시선 끝에는 별이 있어야 하므로 밤하늘은 낮처럼 밝아야 합니다. 이것이 바로 '올버스의 역설'입니다. 하지만 우주의 나이가 유한하기 때문에 우리는 빛이 도달할 수 있는 거리 내의 별들만 볼 수 있습니다. 즉, 138억 년이라는 시간 동안 빛이 달려올 수 있는 '관측 가능한 우주'의 한계가 존재하기에 밤하늘은 어둡게 유지되는 것입니다. 빅뱅 우주론의 결정적인 증거는 1960년대 펜지어스와 윌슨이 발견한 '우주배경복사'입니다. 그들은 전파 망원경의 잡음을 제거하려다 우주 모든 방향에서 균일하게 오는 마이크로파를 포착했습니다. 이는 태초의 우주에서 빛과 물질이 분리될 때 퍼져 나간 '태초의 빛'이 138억 년 동안 식어 현재 절대 온도 2.7K의 열복사 형태로 관측되는 것입니다. 코비와 플랑크 위성을 통해 정밀하게 관측된 이 빛의 지도는 우주 초기 밀도의 미세한 차이를 보여주며, 이것이 훗날 거대 은하 구조를 형성하는 씨앗이 되었음을 증명합니다. 현대 천문학은 우주에 중심이나 경계가 없다는 사실을 가르쳐 줍니다. 3차원 공간을 2차원 구의 표면으로 비유하면, 개미가 표면 어디를 가도 끝을 만날 수 없지만 면적은 유한한 것과 같습니다. 현재 관측 결과에 따르면 우리 우주는 기하학적으로 '평평한' 상태입니다. 다만 이 평평한 우주가 무한히 펼쳐져 있는지, 아니면 도넛 모양처럼 유한하면서도 연결되어 있는지는 아직 명확히 밝혀지지 않았습니다. 인류는 관측 가능한 우주의 지평선 너머를 끊임없이 탐구하며 광대한 시공간의 신비를 하나씩 풀어나가고 있습니다.