과학자 에드윈 허블이 들려주는 우주 팽창 이야기

허블의 법칙이라고 부르는 미국 천문학자 에드윈 허블의 위대한 발견을 알아보겠습니다.

 

 

 

우주는 정지해 있을까요? 팽창할까요?

허블은 안드로메다은하의 수십 개의 변광성으로부터 온 별빛의 색깔이 빨간빛으로만 관측된다는 것을 알게 되었습니다. 이것은 바로 도플러효과 때문입니다. 안드로메다은하가 우리 은하로부터 멀어지기 때문에 다른 색을 띠는 별빛들이 빨간빛으로 지구에서 관측되는 것입니다.

 

간단한 설명으로 풍선을 불기 전에 풍선에 별 모양 스티커를 몇 개 붙여 본다면, 이때 스티커와 스티커의 사이는 거리는 가까워야 합니다.

하지만 풍선을 크게 불면 풍선이 팽창하면서 스티커와 스티커 사이의 거리는 멀어집니다.

스티커를 은하라고 생각하면 은하와 은하의 거리가 멀어지는 것이 우주의 팽창을 뜻한다는 것을 쉽게 알 수 있습니다.

 

허블의 법칙

허블은 다른 은하에 있는 별들의 밝기로부터 그 은하까지의 거리를 알 수 있었고, 그 별에서 나온 빛이 빨간빛으로 변하는 속도로부터 은하가 우리로부터 멀어지는 속도를 알 수 있었습니다.

수식으로 쓰면 은하가 멀어지는 속도(후퇴속도)를 V, 우리 은하로부터 다른 은하까지의 거리를 r이라 하고 이는 정비례 관계가 성립합니다.

V = H × r

여기서 비례 상수 H를 허블 상수라고 부릅니다. 앞의 실험을 통해 알 수 있듯이 H의 역수가 바로 우주가 팽창하는 데 걸린 시간이므로 우주의 나이를 뜻합니다.

 

천문학에서는 별까지의 거리 단위로 파섹(pc)을 많이 쓰는데 1파섹은 3.26광년입니다. 허블의 관측 결과, 허블 상수는 100만 파섹당 초속 520킬로미터였습니다. 이 결과를 위 공식에 넣으면 다음과 같이 됩니다.

 

허블 상수로 우주 나이를 계산해 보니 20억 년이었습니다. 그런데 다른 방법(예를 들어, 광물의 지질학적 연령)으로 지구의 나이를 재 보면 지구의 나이는 45억 년입니다. 

그러면 지구가 먼저 태어나고 나중에 우주가 태어났다는 이야기일까요? 그렇지 않습니다. 이런 차이는 은하 사이의 거리를 정확하게 측정할 수 없어 거리 r이 불확실하기 때문에 생기는 것입니다.

현재 허블 상수 H는 100만 파섹당 초속 45킬로미터에서 90킬로미터의 범위에 있다고 알려져 있습니다. 역수를 취해 우주의 나이를 재 보면 우주의 나이는 110억에서 220억 년 사이에 있습니다. 우리는 흔히 우주의 나이를 150억 년이라고 생각하고 있습니다.

 

밤하늘은 왜 어두울까요?

만일 우주가 무한하다면 우주는 무한히 많은 별을 가질 것입니다. 그렇다면 우리가 어느 방향을 보든지 적어도 하나의 별을 보게 됩니다. 그렇다면 모든 방향에 별빛이 있다면 밤하늘이 어두울리 없는데 왜 어두울까요?

 

이처럼 알쏭달쏭한 문제를 역설(패러독스)라고 하는데, 이 질문을 처음 던진 과학자가 올베르스이므로 올베르스의 역설이라고 부릅니다.

이 문제는 우주가 유한한가, 무한한가에 대한 논쟁을 불러일으켰습니다. 우주가 유한하기 때문에 밤하늘이 어둡다고 주장한 과학자는 타원 법칙으로 유명한 케플러입니다. 그는 밤하늘의 어두운 부분은 검은 벽으로 둘러싸인 우주의 경계이고, 그 밖에는 아무 물질도 없다고 생각했습니다.

 

핼리혜성을 발견한 것으로 유명한 핼리는 케플러의 주장과 다른 주장을 했습니다. 그는 밤하늘이 어두운 이유는 먼 곳에서 온 별빛이 너무 희미하여 우리 눈으로 볼 수 없기 때문이라고 생각했습니다.

실제로 별빛의 세기는 지구로부터의 거리의 제곱에 반비례하기 때문에 아주 먼 곳에 있는 별빛의 세기는 아주 작아집니다. 따라서 핼리는 밤하늘의 어두운 부분을 따라가면 별빛을 만날 수 있지만 지구에서는 그 별빛을 볼 수 없다고 생각했습니다.

 

과연 핼리의 생각이 옳을까요? 그렇지 않습니다. 핼리의 말대로 먼 곳의 별빛이 약해지는 것은 사실입니다. 하지만 아무리 희미한 별빛이라도 모든 방향에서 빛이 온다면 모든 곳이 밝아질 수밖에 없습니다.

 

그 뒤 다른 주장이 나왔습니다. 그것은 먼 곳에서 온 별빛이 지구로 오면서 우주의 성간물질(별과 별 사이에 공간이 떠 있는 극히 희박한 물질)에 모두 흡수되어 버리기 떄문에 어둡다는 주장이었습니다. 하지만 이 생각 역시 옳지 않습니다. 성간물질이 별빛을 흡수 하는 것은 사실이지만 곧바로 그 별빛을 다시 방출하기 때문입니다.

 

올베르스 역설의 다른 해결 방안으로, 우주가 팽창하기 때문이라는 주장도 있었습니다. 우주가 팽창하면 먼 곳에 있는 별은 우리로부터 점점 멀어져 갑니다. 그러므로 도플러효과에 의해 별빛의 파장이 점점 길어져 빨간빛을 띠다가 나중에는 파장이 더 길어져 적외선이 되어 우리 눈에 보이지 않는다고 생각한 것입니다. 하지만 이 주장 역시 틀린 것으로 판명되었습니다. 미국의 천문학자 해리슨이 우주가 팽창하는 속력으로 먼 곳에서 오는 별빛을 적외선으로 바꾸지 못한다는 것을 알아냈기 때문입니다. 

 

올베르스 역설의 해결

그렇다면 올베르스 역설은 어떻게 해결되었을까요? 그것은 바로 우주 지평선을 통해서 해결되었습니다. 그것에 대해 알아보겠습니다.

우주는 태초부터 계속 팽창해 지금의 크기가 되었습니다. 지금 우주의 나이는 150억 살입니다. 그렇다면 우주의 나이만큼 빛이 갈 수 있는 거리는 얼마나 될까요? 바로 150억 광년입니다. 그러므로 이 거리보다 더 멀리 떨어진 곳에 있는 별에서 나오는 별빛은 아직까지 지구에 오지 않았습니다. 즉 아직 오고 있는 중입니다.

 

이렇게 지구로부터 150억 광년 이상 떨어진 곳의 별은 볼 수 없는데 이 거리를 연결한 면을 우주 지평선이라고 부릅니다. 즉 우주 지평선 너머의 별은 우리에게 아직 보이지 않습니다.

하지만 우주가 점점 더 나이를 먹어 가면 우주 지평선이 넓어질 것입니다. 그렇게 되면 지금의 밤하늘에는 어둡게만 보이는 부분에 별이 새로이 나타나게 될 수도 있습니다.

 

 

지금보고 있는 별빛은 과거의 빛으므로 별의 죽음으로 인해 언젠가는 별자리의 모양이 많이 달라질 것입니다.