밤의 비밀을 밝히기 위해 노력하는 과학자들

 

 

 

캠핑의 계절입니다. 우리가 살고 있는 이곳, 밴쿠버 지역만큼 캠핑을 즐기기 좋은 곳도 아마 드물지 않을까 싶을 정도로 최상의 캠핑장들이 주변에 자리잡고 있습니다.

 

텐트를 치고, 아이들과 물놀이도 즐기고 배부르도록 바베큐도 해먹고 밤 늦은 시간 조용히 앉아 하늘을 바라보면 어두운 밤하늘에 무수한 별들이 반짝이고 있습니다.

 

모두가 반짝이는 별들과 가끔식 지나가는 유성들을 바라보고 있을 때, 조금 색다르게 밤하늘을 바라보는 건 어떨까요?

 

“밤하늘은 왜 어두운 걸까요?”

 

당연히 밤이라, 햇빛이 없으니까 어둡다고 생각할 수도 있겠지만, 위성에서 지구를 바라본 사진이나 우주를 배경으로 한 영화 등을 보면 태양이나 별이 있어도 그 주변은 빛이 없습니다. 즉, 밤에 태양이 하늘에 보이지 않기 때문에 어둡게 보이는 것이 아니라, 그것이 원래 우주 밖 배경의 색깔인 것이고, 낮에 태양으로부터의 빛들이 대기권에 산란되어 밝게, 그리고 푸르게 보이는 것입니다.

 

다시 말하면, 우주의 배경은 원래부터 어두운, 즉 빛이 없다는 것인데, 왜 그런 것일까요?

 

이 문제는 문득 생각하면 우스꽝스러운 질문 같지만, 천체 물리학계에서 오랜 세월동안 그 답을 찾고자 노력했던, 우주를 이해하기 위한 매우 중요한 질문입니다.

 

그리고 이 문제에 제일 먼저 답을 한 과학자는 바로 우리의 태양계에 대한 연구로 유명한 케플러(Johannes Kepler, 1571-1630)입니다. 케플러는 밤하늘이 어둡다는 ‘관측결과’가 이 우주가 유한한 경계를 갖고 있다는 증거라고 설명했습니다.

 

만약, 우주가 무한하다고 가정한다면, 우주에는 무한한 별이 있다는 이야기가 됩니다. 무한한 별들이 각각 그 빛을 내고 있다면, 이 우주공간에는 무한한 양의 빛이 퍼져나온다는 결론을 얻게 됩니다. 그렇다면, 우주의 전 공간에서 빛이 나온다는 것과 같은 것으로 우주는 어두운 것이 아니라 사방에 불을 밝히고 있는 것처럼 밝은 공간이 되야만 합니다.

 

하지만, 매일 밤 관측되는 바와 같이 우주는 어둡기 때문에, 반증법적으로 이 우주가 무한하지 않다, 즉 유한하다고 결론지을 수 있다고 설명했습니다.

 

케플러의 깔금한 설명 덕분에 16세기 이 후 사람들은 우주가 유한한 경계를 갖고 있다고 믿게 되었고, 우주의 끝부분이 있다는 개념은 철학적 사고, 종교적, 그리고 문학적 성향에 많은 영향을 끼치게 됩니다.

 

케플러의 유한한 우주개념에 반기를 든 과학자는 아이러니하게도 케플러의 업적으로부터 얻어진 태양계의 움직임을 바탕으로 중력의 개념을 발견한 뉴튼(Sir Isaac Newton, 1643-1727)이었습니다. 뉴튼은 잘 알려진 대로 질량을 갖고 있는 모든 물질들은 서로 끌어당긴다는 만유인력 법칙을 발견하였습니다.

 

이 법칙에 따르면 유한한 거리에 있는 모든 물질들은 잡아당기는 인력을 갖게 되고, 이들이 태양을 중심으로 회전운동하는 지구와 같이 거대한 질량을 중심으로 일정하게 회전운동을 하지 않는 한, 인력의 영향으로 서로 끌어당겨져야 합니다.

 

쉽게  말하면, 유한한 우주의 모든 물질들은 한 점의 방향으로 수축되어야 한다는 것인데, 우주가 이렇게 수축되고 있다는 사실은 당시의 관측기술로도 설명될 수 없었습니다.

 

오히려 근대 과학으로 우리는 우주가 팽창되고 있다는 것을 알고 있습니다. 이렇게 해서 뉴튼에 의해 밤 하늘이 어두운 이유는 미궁에 빠지고, 결국 우주는 유한한 것이 아니라 무한한 것이라고 받아들어지게 됩니다.

 

적어도 '만유인력의 법칙'이 이 세상을 지배한다는 것은 관측으로 입증된 사실이었기 때문입니다.

 

100년 넘게 해결의 실마리를 찾지 못하던 이 문제에 다시 도전장을 내민 과학자는 독일의 천문학자 올베르스(Heinrich Wilhelm Matthaus Olbers, 1758-1840)입니다.

 

1815년 혜성(comet)을 발견하여 자신의 이름을 따서 올베르스 혜성이라고 명명한 것으로도 유명한 그는 이 문제를 해결하기 위해서 ‘가스층 흡수이론’을 주장합니다.

 

맑은 날에는 가시거리가 멀지만, 스모그현상 등에 공기가 탁해지면 멀리있는 빛을 보기 힘들 듯이 우주 공간에 퍼져있는 먼지, 가스층 등에 의해 무한한 공간의 무한한 별들로부터 오는 빛이 산란되어 지구에 모두 도착하지는 못하는 것이라고 설명했습니다.

 

무한한 우주의 무한한 별들이 있는 것은 맞지만, 그로부터 출발한 모든 빛이 지구에 도착하지 못하기 때문에 어둡게 보이는 것이라는 것입니다. 하지만, 이 설명이 맞다면, 오랜 기간동안 무한한 별들로부터 빛을 흡수하거나 산란시키며 에너지를 받은 먼지, 가스층이 스스로 빛을 발광할 수 밖에 없기 때문에 빛을 발산하는 가스층이 발견되어야만 하는데, 아직까지 이러한 가스층은 발견된 적이 없습니다.

 

매우 흥미롭게도 이 문제를 가장 과학적으로 설명한 사람은 전문 과학자가 아니라, 추리 소설 작가로도 유명한 아마추어 천문학자 애드거 앨런 포(Edgar Allan Poe, 1809-1849)였습니다. 그는 자신의 유레카(Eureka) 라는 산문시집에 다음과 같이 서술했습니다.

 

“We could comprehend the voids which our telescopes find in innumerable directions, would be by supposing the distance of the invisible background so immense that no ray from it has yet been able to reach us at all.”

 

우주는 무한하고, 그 안에 별들도 무한한 것이 맞지만, 그들로 부터 지구까지의 거리가 너무나도 멀어서 아직 그 별로부터 출발한 빛이 지구에 도달하지 못했기 때문에 어둡게 보이는 것이라는 설명입니다.

 

빛의 속도가 유한함을 이용해서 무한한 빛의 출발점이 있음에도 불구하고 그 빛을 보지 못하는 이유를 설명한 매우 획기적인 발상입니다.

 

하지만, 이 설명도 문제점이 있는데, 그럼 충분한 시간이 지나고 나서, 모든 빛이 도착할 수 있다면, 언젠가 하늘은 밝아질 것인가라는 질문입니다.

 

이는 우주 팽창설을 이용해서 보충 설명이 가능해집니다. 빅뱅 이론에 관한 칼럼에서 설명드렸듯이 우주는 팽창하고 있으며, 우주의 가장자리로 갈 수록 그 팽창속도는 더욱 빨라지고 있습니다.

 

이런 공간 자체의 팽창으로 인해 빛은 지구로 다가오는 것이 아니라 오히려 더 멀어지고 있다고 볼 수 있으며, 오랜 시간이 지난다고 해도 그 빛이 지구에 도착할 수 없게 됩니다. 

 

요약하자면, 우주는 무한하고, 그 안에 무한한 별들이 빛을 내고 있는 것은 맞지만, 그 무한한 우주공간이 팽창하고 있기 때문에 모든 별에서 방출된 빛이 지구에 도달할 수 없습니다.

 

그 결과 우리는 빛이 없는 어두운 하늘을 갖게 된 것입니다. 우리는 햇님이 하루 일과를 마치고 들어가면 당연히 어두워 지는 것이라고 생각합니다.

 

그러나 밤 하늘이 어두운 이유에는 이와같이 우주에 관한 집약적인 과학적 고찰이 함께 연관되어 있습니다. 

 

석준영 (비센학원장)