한빛출판네트워크

가장 오래된 과학 ‘천문학’이 안내하는 

경이롭기 그지없는 우주의 세계

“이것이 인류 최초의 블랙홀 사진입니다.” 2019년 4월 10일, 사건 지평선 망원경(Event Horizon Telescope) 연구팀이 브뤼셀의 한 기자회견장에서 실제 블랙홀 사진을 공개하는 순간 곧바로 박수갈채가 쏟아졌다. 천문학자들은 물론이고 전 세계 수백만 명이 생방송으로 지켜봤고, 불과 몇 시간 만에 약 40억 명이 이 사진을 보았다. 지구 전역에 세워진 전파망원경 여덟 개를 연결한 사건 지평선 망원경이 지구로부터 5해 2,000경 킬로미터 떨어진 은하 M87에 초점을 맞춘 다음, 그 중심부에 있는 블랙홀의 사진을 촬영했다. 이 촬영으로 우주에서 빛나는 도넛처럼 보이는 오렌지색과 노란색이 섞인 반지 사진을 얻은 것이다. 이 사진이 세계의 모든 과학자들을 들뜨게 만든 이유는 그동안 가상의 시뮬레이션으로만 추정했던 블랙홀이 진짜로 존재한다는 것을 깔끔하게 증명하는 데다, 일반상대성이론이 예측한 블랙홀의 형태와 실제가 일치한다는 것을 밝혀냈기 때문이다. 

그만큼 2019년 4월 10일은 인류의 천문학사에서 가장 기념비적인 날 중 하루였다. 스티븐 호킹이 ‘호킹 복사’를 예측한 지 50년 만에 이룬 쾌거였으며, 아인슈타인이 ‘일반상대성이론’을 발표한 지 100년 만에 밝혀낸 업적이었다. 좀 더 과거로 가면 아이작 뉴턴의 고전물리학에 대해 후세대 학자들이 300년 만에 응답한 성취였으며, 400년 전 지동설을 주장했던 케플러와 갈릴레오 갈릴레이가 경악을 금치 못할 과학사의 진보였다. 어디 그뿐인가. 별하늘에 대한 인간의 호기심 역사는 기원전에 활동한 탈레스나 엠페도클레스 같은 고대 그리스 학자들까지 거슬러 올라간다. 

이토록 천문학은 인류 역사에서 가장 오래된 과학 중 하나이며, 그 시간만큼이나 우리가 파고들수록 흥미로움이 가득한 학문이다. 어려운 과학에 재미를 불어넣기로 정평이 난 과학교사 팀 제임스는 ‘형언할 수 없이 신비로운 우주의 시공간’으로 우리를 안내한다. 아인슈타인의 상대성이론과 양자역학을 비롯해 천체물리학과 우주론 등을 동원해 경이롭기 그지없는 우주의 세계에 흠뻑 빠지게 만든다. 분광학이니, 중력파니, 우주복사니, 끈 이론이니 하는 어려운 말들이 나와도 걱정할 필요 없다. 그 특유의 입담으로 술술 풀어주니 누구나 이해할 수 있기 때문이다. 자, 이제 그 신비하고도 기묘한 세계로 들어가 보자.

▶ 책 속으로

인류가 가장 합리적으로 측정한 우주의 나이는, 수천 년 정도 오차는 있겠지만 대략 138억 년인데, 이 엄청난 시간의 길이를 한눈에 들어오도록 표현하는 좋은 방법이 있다. 천문학자 칼 세이건이 1977년에 제안한 방식에 따라 우주의 일생은 1년짜리 달력으로 요약된다. 이 달력에서 우주는 1월 1일 자정에 탄생하여 현재 12월 31일 자정에 이르렀다. 인간 종이 살아온 역사는 달력에서 대략 4분을 차지한다(실제 시간으로 20만 년). 이와 달리 공룡은 1억 7,000만 년 동안 지구를 떠돌았는데, 크리스마스날 점심시간에 등장하여 4일을 보내고 12월 29일 남았던 파티 음식이 동나면서 멸종했다.

_20쪽, <1장 거대하고, 오래되고, 이상하다> 중에서

코페르니쿠스가 자신의 가설을 발표하기 위해 죽음이 임박하기까지 기다렸던 이유는 정확하게 알 수 없지만, 성경에 기술된 지구 중심설, 즉 지구가 아닌 태양이 돈다는 내용을 문자 그대로 해석하면 태양 중심설과 서로 상충하는 탓일 수 있다. 질문 하나 던지는 것에 불과하더라도 16세기 유럽에서 성경을 부정하는 행위는 몹시 어리석은 짓이었다. 오늘날 대중에 널리 퍼진 신화와 달리 코페르니쿠스의 아이디어는 당시 아무도 심각하게 받아들이지 않았으므로, 오랫동안 교회로부터 공격받지 않았다고 말하는 게 맞다. 지구가 태양 주위를 돈다는 코페르니쿠스의 주장은 진정한 헛소리였고, 심지어 위대한 마르틴 루터도 다음과 같이 언급하며 코페르니쿠스의 생각을 비웃었다. “요즘은 이런 식이다. 누구든 똑똑해 보이고 싶으면 다른 사람의 의견에 반기를 들어야 한다. 코페르니쿠스는 스스로 뭔가를 해야만 했다. 하지만 천문학 전체를 뒤집으려는 행동은 바보나 하는 짓이다.”

_38~39쪽, <2장 태양계의 신비를 풀다> 중에서

1964년 물리학자 로버트 윌슨과 아노 펜지어스는 뉴저지에 설치된 홈델 혼 안테나로 실험하고 있었다. 이 장치는 항성이 방출하는 라디오파와 마이크로파를 찾기 위해 세운 높이 6미터의 새로운 장비였다. 처음에 두 과학자는 우리 은하가 내는 라디오파를 분광학적으로 연구하려고 혼 안테나를 사용했으나, 실험에 돌입하자 신호의 배경에서 쉬익 하는 잡음이 끊임없이 감지되었다. 펜지어스는 무엇이 문제를 일으키는지 확인하기 위해 안테나로 갔다가 비둘기 두 마리가 안테나 내부에 집을 지은 현장을 발견했다. 안테나 안에는 펜지어스가 재치 있게 ‘흰색 물질’이라 표현한 비둘기 똥이 여기저기 쌓여 있었다. …… 이쯤 되자 연구자 가운데 한 명이 산탄총으로 비둘기를 쏴 죽이는 가장 손쉬운 방법을 써서 상황을 정리했다. 그런데 신호 판독기로 돌아간 두 과학자는 여전히 마이크로파가 감지되고 있음을 발견했다. 그뿐만 아니라 안테나는 하늘의 모든 방향에서 계속 마이크로파를 잡아내고 있었다. 우주 전체는 마이크로파 에너지로 가득 찬 것이 분명했으며, 이 시점에 두 사람은 혼란스러워지기 시작했다. 

_73~74쪽, <3장 우주의 시작을 찾아가다> 중에서

먼 은하계를 향해 광속 로켓을 발사한다고 가정하자. 우리를 둘러싼 시공간은 계속해서 팽창하고 은하계는 점점 더 멀어진다. 멀어지는 은하를 추격할 수 있는 가장 빠른 속도가 빛의 속도이지만 시공간이 광속보다 더 빠르게 늘어나므로 우리는 결코 은하를 따라잡지 못한다. 이는 마치 여러분이 뛰어 올라가는 속도보다 더 빠르게 내려가는 에스컬레이터를 타고서는 위층에 도착하지 못하는 것과 같다. 이처럼 우리가 다가가려 해도 따라잡지 못하는 지점을 우주 사건의 지평선(cosmic event horizon)이라 부르며, 이 지평선은 우리로부터 160억 광년 떨어져 있다. 

_85~86쪽, <4장 빅뱅의 커다란 문제> 중에서

1976년 천문학자 베라 루빈의 발견으로 판도가 뒤집혔다. 은하는 그냥 빠르게 회전하는 게 아니라, 너무 너무 너무 빠르게 회전하고 있다. 또 행성과 성운은 일반상대성이론 예측값과 비교하면 실제 속도와 차이가 크지 않지만, 은하는 대부분 우리가 가능하다고 생각한 속도보다 6~8배 더 빠르게 회전한다는 것도 밝혀졌다. 이는 대수롭지 않은 계산 오차가 아닌 큰 문제였다. 루빈의 발견 이후, 은하의 지나치게 빠른 회전에 관한 다양한 설명 가운데 두 가지만 남게 되었다. 하나는 아인슈타인 방정식이 틀렸다는 설명이고, 다른 하나는 정말로 우주를 가득 채운 신비한 물질이 인류의 탐지 기술이 미치지 못하는 곳에 숨어 있다는 설명이다. 

_101쪽, <5장 아인슈타인은 실수하지 않았어!?> 중에서

2019년 4월 10일, 지구 전역에 세워진 전파망원경 여덟 개를 연결한 ‘사건 지평선 망원경’이 지구를 거대한 안테나로 변신시키고 우리로부터 5해 2,000경 킬로미터 떨어진 은하 M87에 초점을 맞춘 다음, 그 중심부에 있는 블랙홀의 사진을 촬영했다. …… 이 촬영으로 우주에서 빛나는 도넛처럼 보이는 오렌지색과 노란색이 섞인 반지 사진을 얻었다. 블랙홀 사진이 이토록 우리를 들뜨게 하는 이유는 블랙홀이 진짜로 존재한다는 것을 깔끔하게 증명하는 데다, 일반상대성이론이 예측한 블랙홀의 형태와 실제 형태가 일치한다는 것을 보여주기 때문이다. 

_125쪽, <6장 어둠의 중심, 블랙홀> 중에서

에너지가 천천히 방출되고 있긴 하지만(블랙홀은 끔찍할 정도로 차갑다) 조금씩 밖으로 새어 나오면서 블랙홀은 에너지를 잃고 수축하는 과정 중이다. 수천조 년의 세월이 흐르면 초대질량 블랙홀도 쪼그라 들어 무(無)의 상태가 될 것이다. 호킹을 존경하는 마음을 담아 ‘호킹 복사’라 부르는 이 블랙홀 방출 에너지가 반드시 발생해야 한다는 것을 우리는 알지만, 무엇이 그 에너지가 나오도록 유발하는지는 알지 못한다. 이는 물리학 역사에 처음 있는 일이 아니다. 아이작 뉴턴은 무엇이 행성의 궤도 운동을 촉발했는지는 알지 못했지만 무언가가 그렇게 되도록 했다는 것은 알았기 때문에, 훗날 과학자들이 무언가의 정체를 알아낼 수 있도록 그 부분을 조금 비워두었다. 호킹 복사도 이와 상당히 비슷하다. 

144쪽, <7장 홀로그램과 루프, 그리고 끈> 중에서

현재 2,000억 개의 항성이 있다고 추정하는 우리 은하를 생각해보자. 은하 중심부 근처에서 방출되는 방사선은 상당히 강해서 복잡한 생화학 물질을 파괴할 수 있으므로, 은하계 중심에서 바깥쪽으로 적게 잡아 4분의 1 지점까지는 생명체가 살 수 없는 곳으로 간주하고 제외한다. 그러면 남는 항성은 1,500억 개다. 다음으로, 항성이 형성되는 과정에 발생한 부산물로 행성이 만들어진다고 보면 대부분의 항성은 행성을 가지는 것으로 추정된다. 그러나 보수적으로 따지면 항성의 90퍼센트만이 주위에 행성이 있으 며, 항성 한 개당 행성 한 개씩 가진다고 가정할 수 있다. 그러면 생명체가 살 수 있는 행성은 1,350억 개다. 

177쪽, <8장 거기 누구 없어요?> 중에서

1855년 지구로부터 약 1,000조 킬로미터 떨어진 궁수자리 타우 구역에서 무언가가 라디오파를 발생시켰다. 100년이 넘는 시간 동안 차갑고 광활한 우주를 빛의 속도로 가로지른 이 전파는 마침내 1977년 8월 15일 지구 대기로 진입하여 오하이오주에 설치된 빅이어 전파망원경에 잡혔다. 천문학자 제리 에만이 망원경에 무엇이 잡혔는지를 판독하기 위해 일주일간의 기록을 인쇄하기 전까지, 그 전파는 3일 동안 데이터 저장장치 속에서 조용히 잠자고 있었다. 8월 18일 에만은 부엌 식탁에 앉아 기록지에 적힌 숫자의 흐름을 읽다가 그 기록이 무엇을 의미하는지 깨닫고 깜짝 놀라 벌떡 일어섰다.

199~200쪽, <9장 안녕, 보잘것없는 지구인들!> 중에서

현재를 살아가는 우리는 모두 성장 과정이나 지적 능력에 상관없이 자신의 가치를 하찮게 여기면서 매 순간 불안에 떤다. 많은 사람이 때때로 인류에 보존할 가치가 있는지 의문을 품고, 또 많은 사람이 우주의 장대함을 깨닫고는 그에 비해 자신은 보잘것없다고 생각한다. 우주 과학은 잠재적으로 우울함을 유발하는데 우주 앞에 한없이 작디작은 인간을 상기시키기 때문이다. …… 한 명 한 명 보면 우리 모두 조그마한 것은 사실이다. 하지만 모두들 인류가 어디에 적합한지 알고 싶어 하며 갈증을 느낀다. 우리는 우주에 무엇이 존재하는지 알아가는 모험에 참여하고 과학에 경탄한다. 과학 연구는 실험실 가운을 입은 아이큐 150짜리 영재 과학자들만의 전유물이 아니다. 과학은 우리 모두를 위한 것이며 우리 모두가 나눠야 할 짐이자 장애물이자 자신에게 던지는 질문이다.

223~224쪽, <10장 대담하게 나아가다> 중에서

머리말: 가장 이상한 것들의 집합체

1부 알면 알수록 기묘한 우주

1장 거대하고, 오래되고, 이상하다

2장 태양계의 신비를 풀다

3장 우주의 시작을 찾아가다

2부 우리가 모르는 우주의 모든 것

4장 빅뱅의 커다란 문제

5장 아인슈타인은 실수하지 않았어!?

6장 어둠의 중심, 블랙홀

7장 홀로그램과 루프, 그리고 끈

3부 별에 둘러싸인 생명체

8장 거기 누구 없어요?

9장 안녕, 보잘것없는 지구인들!

10장 대담하게 나아가다

부록

감사의 말

주

인간이 가진 어휘로는 결코 표현할 수 없는,

천문학적인 시공간의 이야기

우주로 떠나기 전에 우리가 지금 발 딛고 있는 지구부터 알아보자. 현재 우리는 어제와 같은 시간에 있었던 곳에서 250만 킬로미터 떨어져 있다는 사실을 아는가? 바로 지구의 공전 때문이다. 지구는 총알보다 50배나 더 빠른 속도로 태양 주위를 돌고 있는데, 이 속도는 1초에 에베레스트산을 세 번 오를 수 있을 정도다. 하지만 이 엄청난 속도로도 태양을 한 바퀴 공전하는 데 1년이 걸린다. 그런가 하면 태양 속에는 지구를 100만 개나 넣을 수 있으며, 이렇게 질량이 큰 태양은 초음속 비행기로 150년이 걸리는 태양계의 끝자락 해왕성까지 강력한 중력으로 끌어당긴다. 

태양계를 넘어 우리 은하로 가면 우리의 뇌가 당최 수치화할 수 없는 영역이 된다. 우리 은하는 질량이 태양 질량의 1조 5,000억 배이며 항성을 2,000억 개 포함하고 있다. 이 항성 숫자는 구름 속에 존재하는 물방울 숫자와 같다. 우리는 말 그대로 별구름 속에 산다. 모래 한 알을 집어 밤하늘에 갖다 대면 가려지는 면적의 우주에는 항성 수십억 개로 가득 찬 은하가 적어도 1만 개 있다고 한다. 

시간은 또 어떠한가. 칼 세이건이 제안한 대로, 우주의 일생을 1년짜리 달력으로 요약하면 인간은 12월 31일 자정이 되기 고작 4분 전에 등장한다. 이에 대해 저자 팀 제임스는 우주의 공간과 시간은 우리 인간이 가진 언어로는 결코 표현할 길이 없을 만큼 ‘천문학적(astronomical)’이라고 말한다. 그렇다면 이토록 천문학적인 우주에 비해 너무나도 시시한 인간은 그 세계를 어떻게 파헤쳤을까.

탈레스부터 갈릴레이를 거쳐 아인슈타인과 호킹까지

우주의 신비를 파헤친 천재들의 이야기

고대 바빌로니아인들의 점성술에서 시작된 인류의 천문학은 기원전 6세기 밀레투스 출신의 학자 탈레스에 이르러 과학의 형태로 태동한다. 인류 최초의 천문학자로 불리는 탈레스는 세심한 기록을 통해 일식을 예측해냈고, 한 달을 30일, 1년을 365일로 나누기까지 했다. 그 이후로 플라톤과 아리스토텔레스를 비롯한 고대 그리스 학자들은 별의 위상과 운동 주기를 관찰하고 태양계의 다섯 행성에 헤르메스(수성), 아프로디테(금성), 아레스(화성), 제우스(목성), 크로노스(토성)라는 이름도 지어주었다. 이들을 통틀어 ‘방랑자’를 뜻하는 ‘플라네테스(planetes)’라 불렀는데, 행성(planet)에 관한 아이디어도 이 시기에 등장한 것이다. 그러나 모두가 알다시피 천문학은 그 후 암흑기에 빠졌고, 우리에게 익숙한 과학 천재들의 이름은 천 년 이상의 세월이 지나서야 등장한다.

르네상스 시대에 이르러 우리는 코페르니쿠스, 케플러, 갈릴레이 등 지동설의 개척자들을 만나는데, 저자 팀 제임스는 단순히 그들의 업적을 소개하는 데 그치지 않는다. 지동설을 담은 자신의 책을 죽기 직전에 발표한 코페르니쿠스, 애완 사슴을 계단에서 굴러 떨어뜨려 죽여버린 괴짜 천재 티코 브라헤, 브라헤의 자료를 빼내 코페르니쿠스 모델을 완벽하게 증명한 케플러, 교황을 비꼰 소설을 써서 은유적으로 교회에 맞선 갈릴레이 등등, 우주의 진실을 밝히기 위해 고군분투했던 당시 학자들의 고난과 이를 극복해내는 그들의 재치를 다양한 에피소드로 들려준다.

이어서 등장하는 근현대 과학자들의 이론들, 이를테면 아인슈타인의 일반상대성이론, 양자역학, 사건의 지평선, 중력렌즈, 우주 상수, 호킹 복사 이론, 끈 이론 등등 궁금하긴 했지만 섣불리 이해하기 어려웠던 물리학이나 우주과학 이론들도 팀 제임스만의 쉽고도 유머러스한 설명으로 어렵지 않게 이해할 수 있다. 그의 연대기적 설명을 따라가다 보면, 알베르트 아인슈타인과 스티븐 호킹이 얼마나 대단한 인물인지를 확실히 알게 될 것이다. 특히 아인슈타인의 일반상대성이론이 발표된 1915년 이래, 지난 100여 년이 상대성이론의 예측을 후대 과학자들이 실제로 증명해낸 시간임을 깨닫는 순간, 위대한 천재의 존재에 절로 감탄할 것이다. 

블랙홀, 홀로그램 우주, 외계 생명체, 쿼크 별, UFO 등등

우주의 미스터리가 슬며시 풀리는 지식 여행

SNS, 방송, 신문 등 매체를 가리지 않고 과학 대중화에 힘쓰는 과학 전도사 팀 제임스. 그는 빅뱅, 블랙홀과 화이트홀, 홀로그램 우주, 외계 생명체, UFO 등등 우리가 늘 궁금했던 우주의 수수께끼를 그만의 재치 넘치는 스토리텔링으로 설명해준다. 그가 툭툭 던지는 유머를 읽다 보면 마치 스탠드업 코미스 쇼에 참석한 듯한 착각에 빠진다. 도대체 우주는 왜 자꾸 팽창하는지, 빅뱅은 정말 신의 존재를 증명하는지, 지구 너머에 생명체가 사는 행성은 과연 있는지, 명왕성은 어쩌다 행성의 지위를 잃었는지 등등 쉴 새 없이 떠드는 팀 제임스의 이야기를 듣다 보면 당신의 궁금증이 슬며시 지식으로 바뀔 것이다.

천문학사에서 빼놓을 수 없는 인물이자 허블 우주 망원경의 주인공인 에드윈 허블은 “인간은 오감을 발휘하여 자신을 둘러싼 우주를 탐험한다. 우리는 이 모험을 과학이라 부른다”라고 말했다. 오감을 발휘해 밤하늘을 보라. 1,000년 전 우주 어디선가 쏘아올린 별빛이 당신의 눈에 들어올 것이다. 그 빛을 발견했다면 이제 우주로의 지식 여행을 떠날 시간이다. 팀 제임스의 《천문학 이야기》와 함께!

▶ 추천사

행성, 우주론, 끈 이론, 감마선 폭발 등등 우주 분야의 이슈들을 편안한 말투로 살금살금 풀어준다. 다양하고 재밌는 우주 관련 에피소드들은 천문학자가 보더라도 감탄할 정도다. 군데군데 전문적인 내용이 나오더라도 걱정할 필요 없다. 누구나 쫓아갈 수 있을 정도로 쉽게 설명한다. 

- 김성수(경희대 우주탐사학과 교수)

‘코미디언과 함께하는 풀코스 우주여행’이 이런 느낌일까? 책을 펼치니 아인슈타인처럼 환하게 웃는 코미디언이 수다를 떨며 기괴하고 아름다운 우주여행을 안내해줬고, 그 거대하고 신비로운 풍경에 압도됐다. 그리고 정신이 아득해지는 타이밍에는 툭툭 던져주는 유머 때문에 키득키득 웃으며 정신을 차릴 수 있었다. 이런 여행이 끝없이 계속되면 얼마나 좋을까. 남은 페이지가 점점 줄어드는 것이 너무 아쉬웠다.

- 이준호(과학 교사, 《과학이 빛나는 밤에》 저자)

이 책이야말로 천문학 입문자의 필독서다! 태양계, 은하, 퀘이사, 외계행성계, 암흑물질과 암흑에너지, 화이트홀과 웜홀 그리고 소립자에 이르기까지, 알고 보면 황당한 생각이 드는 우주의 모습을 아인슈타인의 상대성 이론, 양자역학, 끈 이론 등을 동원해 흥미진진하게 설명한다.

- 이지유(과학 논픽션 작가, 《이지유의 이지 사이언스》 저자)

가장 오래된 과학인 천문학은 여전히 진화하는 중이다. 우리가 진실이라고 믿었던 과학적인 발견들도 급진적으로 바뀔 수 있다. 오감을 발휘하여 우리를 둘러싼 우주를 탐험하는 일, 이 위대한 모험을 우리는 과학이라 부른다. 그 과정에 대한 친절한 안내서인 이 책으로 천문학과 우주를 접하는 사람들은 진정 행운아다.

- 황정아(한국천문연구원 책임연구원)