Let's imagine a galaxy five billion years from now.

Let's imagine a galaxy five billon years from now.

안녕하세요? 오늘은 50억 년 후 은하의 모습에 대해 이야기해보겠습니다. 50억 년 후 당신이 천문학자가 되었다고 상상해 보십시오. 온 하늘에 아름다운 나선형 은하가 가득 찰 것입니다. 그렇게 두 은하가 합쳐지는 순간, 모든 별이 요동칠 것입니다. 행성의 입장에서는 이 충돌은 위험한 사건이 아닙니다. 어차피 행성들은 살아남을 것입니다. 다만 우리 은하의 형태는 완전히 달라집니다. 우리 은하는 별들로 이뤄진 커다란 타원형 은하로 바뀔 것입니다. 그렇게 되면 하늘의 모습도 지금과는 많이 달라질 것입니다. 은하의 미래에 대해 자세히 이야기해 보겠습니다.

image credit - NASA

The galaxies that collided with our galaxy

당신은 우주가 끊임없이 진화하고 변화한다는 사실을 당연하게 받아들이고 있습니다. 그러나 보통 사람들은 일상 속 고민에 잠겨 하늘을 올려다보면서 우주는 변하지 않는다고 느낍니다. 별들은 우리의 기대를 저버리지 않고 늘 제자리에서 빛나고 있기 때문입니다. 계절과 시간의 흐름은 인식하면서도 우주 역시 변한다는 생각은 조금 낯설게 느껴집니다. 저도 한때는 그렇게 생각했고 100년 전 아인슈타인도 처음에는 우주를 정적인 공간으로만 생각했습니다. 우주가 움직이고 변화한다는 사실을 자신의 이론이 암시하고 있는데도 아인슈타인은 그 가능성을 좀처럼 받아들이지 못했습니다. 우주가 변화하며 은하들이 서로를 피해서 움직인다는 사실을 천문학자들이 밝혀낸 후에야, 아인슈타인은 자신의 법칙으로도 충분히 증명할 수 있었던 우주의 변화를 미처 깨닫지 못한 게 일생 최대의 실수였다고 고백했습니다. 내 생각에는 우리 인간이 모든 것을 인간의 기준과 경험으로 판단하려다 실수를 범하는 것이라고 생각합니다. 우리는 시간과 관련된 것이라면 무조건 햇수로 따져 판단하려 들고 종종 그 사실을 간과하기도 합니다. 그만큼 우리에게는 햇수의 변화가 중요합니다. 크기를 가늠할 때는 우리에게 익숙한 미터 단위를 우선 떠올립니다. 커다란 우주를 측량할 때도 그렇고 미세한 것들을 잴 때도 마찬가지입니다. 그런데 현미경으로 아주 미세한 것들을 계속 관찰하다 보면 우리의 것과 전혀 다른 세상을 만나게 됩니다. 밖으로 나가 머나먼 존재들을 관찰할 때도 똑같은 경험을 하게 됩니다. 우리는 인간 세상과 전혀 다른 무언가가 있다는 것을 깨닫게 되는데 그것이 바로 우주라는 공간입니다.

Karl Schwarzschild

지구의 역사를 연구할 때는 일상의 시간 척도와는 다른 척도가 있어야 합니다.

시간을 헤아릴 때도 마찬가지입니다. 지구의 역사를 연구하려고 땅을 파헤치는 사람들처럼, 우리는 일상 속 시간을 재는 것과는 전혀 다른 시간 척도를 세워야 합니다. 그러고 나면 어느 순간 수십억 년에 이르는 세월에 눈을 뜨게 됩니다. 그렇게 비로소 산들의 변화를 느끼기 시작합니다. 지구 전체를 바라보고 있으면 하늘뿐 아니라 알프스 산맥 역시 인간은 전혀 인식하지 못하는 시간 척도에 따라 끊임없이 변화한다는 걸 알 수 있습니다. 어쩌면 우리는 너무나 인간 중심적으로 사고하는 것 같습니다. 여러 책을 보면 우주란 무엇이며, 무엇으로 만들어졌는지 등에 관한 이야기가 자세히 나옵니다. 개인적으로 온갖 상상력을 유발하는 암흑 물질과 블랙홀 이론에 관심이 있는데, 암흑 물질과 블랙홀은 무엇이며 둘은 어떻게 다를까요? 그리고 그것들이 우주에는 어떤 영향을 미칠까요? 요즘 블랙홀과 암흑 물질이 같은지에 관해 연구 중입니다. 책에 언급하지는 않았지만, 암흑 물질이 원래 블랙홀에서 비롯되었고 그 둘이 서로 같다는 가설에 점점 매료되고 있습니다.

image credit - https://www.theguardian.com

블랙홀의 존재를 주장한 Karl Schwarzschild

먼저 블랙홀 이야기를 해보겠습니다. 블랙홀의 존재를 처음 주장한 사람은 Karl Schwarzschild입니다. 아인슈타인은 블랙홀의 존재를 믿지 않았지만, 아인슈타인 방정식을 풀어낸 Karl Schwarzschild는 어마어마한 밀도로 인해 빛을 방출하지 않으며, 내부로붵 어떠한 빛도 빠져나갈 수 없는 물체가 어딘가 존재한다고 믿었습니다. 그보다 약 100여 년 전, 존 미첼과 피에르 시몽 라플라스는 질량이 너무 커서 자신의 빛까지 잡아먹는 암흑성의 존재를 주장했습니다. 태양을 관측하다 보면 태양 뒤에 있는 별이 중력에 의해 살짝 안으로 휘어진 것을 볼 수 있습니다. 이는 태양 뒤에 있는 별이 태양의 중력장에 의해 살짝 안으로 휘게 되며, 이로 인해 태양 표면을 지나는 빛줄기도 살짝 휘어진다는 아인슈타인의 예측과 일치합니다. 이것이 바로 중력 렌즈 효과입니다. 태양만 놓고 보면 빛의 굴절은 지극히 미미합니다. 하지만 태양의 지름을 반으로 줄여 크기를 절반으로 만든 후 질량을 그대로 유지한다고 가정하면 굴절률은 태양의 두 배가 될 것입니다. 이러한 사고 실험을 반복하다 보면, 어느 지름에 이르렀을 때 빛이 360도 굴절하게 된다는 것을 알 수 있습니다. 그렇게 되면 별을 지나는 빛줄기가 별 주위를 따라 계속 굴절하면서 영원히 바깥으로 빠져나갈 수 없게 됩니다. 이러한 결론에 도달한 Karl Schwarzschild는 태양도 반지름 3킬로미터의 작은 마을 크기로 압축하면 블랙홀이 된다는 사실을 발견했습니다. 즉 블랙홀은 딱히 특별한 무언가가 아니라 너무 무거워서 빛을 바깥으로 내보내지 못하고 가둬두는 아주 빽빽한 물체인 것입니다. 오늘은 블랙홀에 대해 이야기해 보았습니다. 다음에 또 좋은 글로 찾아뵙겠습니다. 감사합니다.