도서 [밑줄] 이지유, 『처음 읽는 우주의 역사』, 휴머니스트, 2012.

[두괴즐]

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우주의 역사

저자

이지유 지음

출판사

휴머니스트 | 2012-09-10 출간

카테고리

과학

책소개

아인슈타인에서 WMAP까지, 골치 아픈 현대 우주론의 역사를 흥...

글쓴이 평점  

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[밑줄] 이지유, 『처음 읽는 우주의 역사』, 휴머니스트, 2012.

* 머리말

지금 고백하기도 부끄럽지만, 나는 이 일들이 어떤 순서로 벌어졌는지 잘 몰랐다. 대학에서 배우는 우주론 교과서에는 우주론에서 꼭 알아야 할 중요한 개념과 그 개념을 증명할 수 있는 관측적 사실과 그 개념을 잘 설명할 수 있는 수식이 그 결과들이 나온 순서와 관계없이 쓰여 있었기 때문이다. 우주론 시간에는 언제나 수식이 중심에 있었고, 어려운 미분과 적분을 푸느라 많은 시간을 보냈다. 하지만 정작 수식의 물리적 의미나 수식이 관측적 증거와 어떻게 결합되는지를 깊이 있게 생각하는 데는 시간을 투자하지 않았다. 그래서 뭔가를 많이 힘들게 배우긴 했는데, 시험을 보고 나면 아무것도 기억나지 않는 아주 비생산적인 공부를 했다. 5

과학의 패러다임이나 개념들은 어디에서 갑자기 나타난 것이 아니다. 정적인 우주론이라는 패러다임이 팽창하는 우주론으로 바뀌기까지는 그럴 만한 과학사적 배경이 차곡차곡 자리 잡고 있었다는 것을 이해해야 한다. 6

1G 뭐, 우주가 변한다고?

아이슈타인은 몹시 당황했다. 자신이 완성한 일반상대성이론 방정식을 행성이나 혜성 같은 천체에 적용하다 놀라운 사실을 알아냈기 때문이다. 방정식에 따르면, 우주는 시간에 따라 부풀 수도 있고 쪼그라들 수도 있었다. 시간에 따라 변하는 우주라니, 그런 우주는 있을 수 없었다. 모든 지구인은 우주가 변하지 않는다고 생각했다. 19

아이슈타인은 고심 끝에 방정식을 손보기로 마음먹고 자신의 방정식에 우주상수라고 불리는 항을 추가했다. 우주상수는 중력과 반대방향으로 작용해 밀어내는 반중력으로 작용했고, 이 상수를 잘 결정하면 이 우주가 중력 때문에 쪼그라드는 비극적인 결말을 맞지 않게 할 수 있었다. 21

일반상대성이론을 뒤늦게 알게 된 프리드만은 아이슈타인이 우주상수를 왜 억지로 넣었는지 이해할 수 없었다. 그는 우주상수를 과감하게 0으로 놓았다. 우주를 변하지 못하게 묶어 놓았던 우주상수가 사라지자, 우주는 어떤 형태로든 변할 수 있었다. 그러자 우주에서 시간이라는 개념이 중요해졌다.(···) 과거에 우주는 어떤 모습이었고 앞으로 어떤 모습일까? 29

‘위대한 천재 아인슈타인이 우주상수를 그냥 끼워 넣은 것이 아니다. 만약 그 상수가 없다면 별이 서로 끌어당겨 결국 우주가 한 점에 모일 텐데, 이 파국을 어떻게 해결한단 말이지?’

(···) 놀랍게도 프리드만은 현재가 아니라 과거에 관심을 두었다. 지금 우주가 변하지 않는 듯 보이는 것은 먼 과거에 우주가 팽창하는 과정을 겪었기 때문이라는 것이다. 그는 뭔지는 몰라도 무엇인가가 우주의 별들을 온 사방으로 내던졌다고 생각했다.(···) 먼 과거에 별들이 서로 모이려고 하는 중력을 이기고도 남을 만큼 강력한 팽창이 있었다고 할 수 있다. 이 팽창의 기운, 즉 팽창 운동량이 아직도 우주 전체에 남아 있기 때문에 만유인력으로 우주가 쪼그라드는 것에 대항하고 있으며 지금은 먼 옛날부터 있던 팽창하려는 운동량과 별들 사이의 만유인력이 적당히 균형을 이루고 있어서 우주가 변하지 않는 것처럼 보인다고 생각했다. 29~30

누가 왜 그랬는지 모르겠지만 별들이 사방팔방으로 힘껏 던져졌다고 가정한다면, 우주의 미래는 다음 세 가지 중 하나일 거라고 프리드만은 생각했다. 우주에 별이 아주 많다면, 중력이 클 테니 팽창 속도가 점점 줄어 결국 팽창이 멈추고 우주는 다시 쪼그라들어 붕괴될 때까지 한 점으로 모일 것이다. 이와 반대로 별의 수가 적다면, 팽창하려고 하는 우주에 대항할 중력이 부족해서 팽창은 영원히 지속되고 별과 별 사이는 너무 멀어져서 아무것도 없는 텅 빈 우주가 될 것이다. 만약 별의 수가 아주 극적으로 딱 맞아떨어진다면, 우주의 팽창 속도가 차츰 줄다가 어느 순간 균형을 잡아 영원히 그대로 갈 수 있다. 30

프리드만은 우주에 있는 별들을 무엇이 내던졌는지는 설명할 수 없었다. 그러나 프리드만이 우주가 가만히 있지 않고 시간에 따라 변한다고 보았다는 사실이 중요하다. 19세기 교육을 받은 지구인들 중에는 이렇게 다양한 가능성이 있다는 사실을 생각한 사람이 거의 없었다. 아무도 평온한 우주를 의심하지 않았다. 시간에 따라 역동적으로 변하는 프리드만의 우주 모형은 1922년 물리학 잡지에 실렸다. 이것은 그야말로 획기적인 생각이었다. 31

아이슈타인은 프리드만의 논문을 보자마자 그의 계산이 틀렸다고 생각했다. 무엇보다 자신이 고심 끝에 집어넣은 우주상수를 무력화한 것에 화가 났다. 그는 프리드만의 계산이 틀렸다는 내용의 편지를 물리학 잡지에 보냈고, 그 편지 한 장 때문에 프리드만은 계산 못하는 수학자로 낙인찍혔다.(···) 그러나 프리드만의 계산은 틀리지 않았다. 31

당시 미국의 천문학계는 유럽과는 아주 다른 길을 걷고 있었다. 미국에는 유럽 어디에도 없는 커다란 망원경이 있었고, 그 망원경으로 관측한 사실들을 바탕으로 우주의 규모가 얼마나 큰지를 두고 한창 싸움이 벌어지고 있었다. 37

허블이 윌슨산에 도착할 무렵 천문학계에서는 ‘안드로메다 성운’이 우리은하에 있는 성운인지 우리은하 밖에 있는 독립된 성운인지를 놓고 대논쟁이 벌어졌다. 안드로메다 성운이 아니라 ‘안드로메다은하’가 맞는 말이라는 것을 지금은 다 알지만, 그때는 이것을 그냥 희뿌연 우주 구름이라고 생각했다. 39

안드로메다 성운에서 발견된 세페이드변광성은 태양보다 7000배나 밝은 별이었다. 이것은 정말 놀라운 일이었다. 이렇게 밝은 별이 지름이 2.5m나 되는 커다란 망원경으로 45분이나 노출을 주어야 겨우 사진 건판에 모습을 드러내다니! 그렇다면 결론은 하나, 그 별은 엄청나게 멀리 있어야만 했다! 정확하게 관측하기로 소문난 허블은 이 변광성이 태양에서 90만 광년이나 떨어져 있다는 결론을 얻었다.

우리은하의 크기는 10만 광년.(···) 그때는 우리은하 밖에 우리은하 같은 은하들이 더 있다는 것도 생각하기 힘들었기 때문에 외부은하라는 말은 아주 조심스럽게 썼다. 우주는 10만 광년 크기의 아담한 은하가 아니었다.(···) 지구인들은 갑자기 10배로 늘어난 우주의 크기에 현기증을 일으키고 있었다. 44~45

세페이드변광성이 도대체 뭐지?

(···) 별의 경우, 늙으면 자기 몸을 부풀렸다 줄이기를 반복한다. 멀리에서는 이런 별들이 밝았다 어두워지기를 반복하는 것으로 보인다. 다행인 것은, 이런 밝기의 변화가 아주 규칙적으로 일어난다는 점이다.(···) 원래 밝던 별은 밝았다 어두워지는 주기가 아주 길고, 원래 어둡던 별은 밝았다 어두워지는 주기가 짧다는 점이다. 세페이드변광성의 절대등급과 변광주기 사이에 이런 관계가 있다는 사실을 안 것은 아주 획기적인 일이었다. 지구에 가만히 앉아서 변광성의 변광주기를 재는 것만으로도 그 별의 원래 밝기를 알 수 있고, 이렇게 절대등급을 알고 나면 별의 상대적인 거리를 구할 수 있다.

이런 획기적인 방법을 알아낸 사람은 영특한 여성 천문학자 헨리에타 레빗이다. 46~47

분광학을 이해하려면 빛을 잘 해부해 봐야 한다. 과학자들은 빛에 대해 이렇게 이야기한다. ‘빛은 파동이면서 입자다.’

정말이지 와 닿지 않는 말이다.(···) 빛은 이름이 두 개다. 파동성을 강조한 ‘전자기파’와 입자성을 강조한 ‘광자’인데, 나는 광자를 즐겨 쓰는 편이다.(···)

광자들이 하는 일은 에너지 전달이다. 양지바른 곳에 앉아 있으면 따뜻해지는 것은 태양으로부터 날아온 광자가 피부에 열을 전달해 주기 때문이다.(···) 광자들도 나름대로 성격이 있다. 그 성격은 광자의 파동성에서 나타난다. 광자들은 제각각 다른 주파수, 즉 파장을 가지고 있다.(···)

높은 주파수, 즉 짧은 파장을 가진 광자들은 에너지가 아주 충만하다. 충만하다 못해 어떤 광자들은 매우 위험하기까지 하다.(···) 감마선, 엑스선, 자외선은 생명체에게는 치명적인 광자들이며 태양에서 마구 쏟아져 나와 지구에 융단폭격을 한다.

그런데 다행스럽게도 지구에는 다양한 방패 기능이 있어서 이 광자들 중 아주 소량만 지구 대기를 뚫고 들어온다.

(···) 낮은 주파수, 즉 긴 파장을 가진 광자들은 에너지가 적다.(···) 라디오파, 마이크로파 같은 전파나 적외선은 우리에게 치명적인 위험을 주지 않는다.

위험한 자외선과 위험하지 않은 적외선 사이에는 가시광선이 있다. 가시광선, 바로 우리가 볼 수 있는 빛의 광자들이다. 가시광선은 파장에 따라 각기 다른 색으로 구분할 수 있다. 빨간색은 적외선 바로 옆에 붙어 있고 보라색은 자외선 바로 옆에 붙어 있다. 51~53

왜 어떤 별은 파란색 광자를 많이 내뿜고 어떤 별은 노란색 광자를 내놓을까? 그것은 별의 표면 온도와 아주 깊은 관계가 있다.(···) 독일 과학자 막스 플랑크는 열을 가해 달구면 완벽하게 흡수하는 검은 공을 상상했다. 이것을 흑체라고 부르는데, 흑체가 처음에는 검은색이지만 온도가 3000K에 이르도록 달구면 붉은 빛을 내고, 더 달궈서 5400K가 되면 노란색으로 빛나고, 더 달구면 파란색으로 빛나다가 더 달구면 흰색으로 빛날 것이라고 생각했다.(···)

프랑크는 흑체의 온도에 따라 각 파장에서 나오는 광자들의 수, 즉 빛의 세기를 파장에 따라 계산해서 그래프를 그렸다. 이것이 물리 교과서에 빠지지 않고 나오는 플랑크 곡선이다. 태양 표면의 온도가 5400K라는 것은, 태양에서 오는 빛의 세기를 파장별로 측정한 뒤 그래프를 그리고 그 그래프를 플랑크가 계산해서 그린 곡선 그래프와 비교했더니 5400K인 흑체복사 그래프와 잘 맞았기 때문이다.(···) 우주에 있는 어느 별이든 이 방법으로 그 온도를 알 수 있다. 54

별빛으로 알 수 있는 것은 별의 표면 온도만이 아니다.(···) 별빛의 스펙트럼은 별마다 달라서 별을 구별하는 지문이 된다.(···)

일찍부터 화학자들은 원소를 태우면 원소마다 고유한 색이 난다는 것을 알고 있었다.(···)

태양에서는 모든 파장의 빛이 나온다. 나트륨은 편식가다. 아니, 원소는 모두 대단한 편식가다. 원소들은 자기가 좋아하는 파장의 광자만 먹는다. 따라서 태양에 나트륨 원자들이 있다면 나트륨이 좋아하는 파장의 광자들만 골라 흡수한다. 나트륨에게 먹힌 광자는 지구까지 올수도 없고 분광 사진에 찍히지도 않는다. 그래서 스펙트럼 사진에 특정 파장이 검은색으로 나오는 것이다. 나트륨이 많을수록 검은 선을 짙어지고, 나트륨이 적으면 검은색은 흐려진다.

원소들이 각각 특정 파장대의 빛을 편식한다는 것이 천문학자들에게는 대단한 행운이다. 이제 천문학자들은 모든 별에 망원경을 들이대고 분광기를 달아 스펙트럼 사진을 찍고, 거기에 찍히는 검은 줄무늬를 보면 그 별에 어떤 원소가 들었는지 알아맞힐 수 있다. 56~58

스펙트럼을 분석하던 슬라이퍼는 몹시 당황하고 말았다. 안드로메다 성운이 청색 편이를 일으키고 있었는데, 그 속력이 상상을 초월할 정도로 빨랐기 때문이다. 스펙트럼을 분석해 보면, 안드로메다 성운이 1초에 300km씩 지구 쪽으로 다가오고 있었다. 그때는 안드로메다 성운이 우리은하에 있는 줄 알았기 때문에, 이렇게 빨리 지구 쪽으로 다가오면 곧 충돌할 것이 분명했다. 슬라이퍼는 자신이 관측한 결과를 믿을 수도 안 믿을 수도 없는 난처한 상황에 놓인 것이다. 그는 그 뒤로 5년 동안 다른 성운 25개를 골라 모두 분광사진을 찍었다. 물론 그가 성운이라고 생각한 것은 모두 외부은하였다. 놀랍게도 그중 21개는 적색 편이를 보이고, 4개만 청색 편이를 보이고 있었다. 성운 21개가 지구를 피해 멀리 날아가고 있었던 것이다. 이것은 우주의 모든 천체가 고정되어 있다는 믿음과 맞지 않았다. 63~64

르메트르는 분광학 수업을 들으며 전체들의 적색 편이를 측정하는 방법과 해석하는 방법을 배우다가 10여 년 전인 1912년에 베스토 슬라이퍼가 성운의 분광사진에서 적색 편이를 발견하고는 어떻게 해석해야 할지 몰라 고민하고 있다는 사실을 알았다. 마침 바로 얼마 전에 허블이 안드로메다는 확실히 외부은하라는 관측 증거를 내놓은 때다. 르메트르는 슬라이퍼가 측정한 성운들은 모두 우리은하 밖에 있는 외부은하일 수밖에 없다고 생각했다. 1초에 1000km씩 멀어져 가는 성운은 우리은하 밖에 있는 천체라고 생각하는 것이 훨씬 합리적이었다.(···)우리은하 밖에 있는 천체들이 모조리 우리에게서 멀어지고 있다는 것은 정말 이상했다. 우주에 도대체 무슨 일이 벌어지고 있을까? 65

르메트르는 자기만의 우주 모형을 만들어 논문을 썼다.(···) 공 모양의 우주가 안정된 상태에 있다가 빠르게 팽창하고 어느 순간에 별과 은하가 생기기 시작했는데, 그 무렵 팽창이 멈추었다가 다시 빠르게 팽창해서 결국 물질이 없는 우주에 도달한다는 것이었다. 그것은 가만히 있는 고정된 우주가 아니라 시간에 따라 변하는 아주 역동적인 우주 모형이었다.

(···) 아쉬운 일은 르메트르의 스승 에딩턴이 이 논문을 읽지 않고 그냥 서랍 속에 넣은 채 잊어버렸다는 점이다. 르메트르는 스승으로부터 아무런 조언도 받을 수 없었고 동조도 얻을 수 없었다. 66~67

1927년 솔베이 회의장 밖에서 아인슈타인이 르메트르에게 이렇게 말했다고 알려져 있다.

“당신의 수학적 계산은 아주 정확하지만 당신의 물리학은 지겹습니다.”

이 말은 아인슈타인이 르메트르의 팽창하는 우주를 인정하지 않는다는 뜻이다.(···) 2년 뒤인 1929년 우주가 팽창하고 있다는 직접적인 증거가 나온 것이다. 그 증거를 들고 나온 사람은 1923년 논문 하나로 대논쟁에 종지부를 찍은 인기 있는 천문학자 허블이다. 70

허블의 눈에는 외부은하들이 아무렇게나 우리에게서 멀어지는 것이 아니라 어떤 규칙이 있는 것으로 보였다. 어떤 은하가 다른 은하보다 2배 멀리 있다면 멀어지는 속도도 2배 빨랐고, 3배 멀리 있는 외부은하는 멀어지는 속도도 3배 빨랐다. 외부은하의 거리와 멀어지는 속도에 수학적인 규칙이 있었던 것이다.(···)

외부은하들이 멀어지고 있었다. 멀리 있는 것은 더 빨리 달아나고 있었다. 우주는 분명히 팽창하고 있다! 72~73

우리은하 밖에 있는 은하들이 멀어져 가고 있다는 사실을 인지하기 시작하면서 우주의 시작을 상상하는 것은 그리 어렵지 않았다. 지금 마구 멀어져 가는 외부은하들을 다시 모이게 하려면 시간을 거꾸로 돌리기만 하면 되었다. 73

시선속도와 거리의 관계가 직선으로 떨어졌다. 이제 그 기울기에 해당하는 허블상수만 제대로 구하면 우주의 나이를 구할 수도 있다. 가장 멀리 떨어져 있는 외부은하까지의 거리를 재고, 지금 우주가 팽창하고 있는 속도대로 우리에게 다가오도록 상상할 수 있다. 75

그러나 팽창을 하려면 어떤 식으로든 시작이 있어야 했다.(···) 시간을 거꾸로 돌리면 외부은하들은 다시 서로 가까이 모여야만 한다. 그리고 결국 외부은하들은 좁은 구역에 모일 것이다. 그리고 그것이 이 우주의 시작점이 될 것이다. 르메트르는 상상을 초월할 정도로 압축된 양자 하나로부터 우주가 시작되었다고 생각하고, 이 최초의 양자를 ‘원시 원자’라고 불렀다.

그는 태양계 크기만 한 원시 원자가 언제부터 존재했는지는 알 수 없지만, 원시 원자의 평형 상태가 깨지자 그때부터 방사성원소가 붕괴하듯이 분열을 거듭했고 그때마다 물질이 늘어나고 공간도 같이 커져서 오늘날 우주의 모습을 갖추게 되었다고 생각했다. 그리고 원시 원자의 평형이 깨진 순간부터 이 우주가 시작되었다고 보았다. 성질이 균질한 덩어리 하나가 팽창하면서 공간과 시간을 만들어 냈다는 생각을 처음 한 것이다. 이것은 무한한 공간이 원래 있고 그 가운데 원시 원자가 있어서 그것들이 분열할 때마다 물질이 퍼지는 것과는 아주 다른 개념이다. 공간과 시간은 모두 원시 원자가 불안해지면서 시작되었다. 그 전에는 공간도 시간도 존재하지 않았다. 82

2G 역동적으로 진화하는 우주 모형 vs. 정상 우주 모형

우주가 팽창하고 있다는 것은 관측이 뒷받침하는 사실이 되었다. 그러나 지구인들은 두 패로 나뉘었다. 아주 옛날에는 우주가 아주 작았고 무슨 이유에서인지 팽창하기 시작해 아직도 계속 부풀고 있다고 주장하는 사람과 우주가 팽창하는 것은 맞지만 우주가 갑자기 창조된 것은 아니라고 주장하는 사람들이었다. 이렇게 가모브와 호일은 역동적으로 진화하는 우주론과 정상우주론을 놓고 격돌하고 있었다.

그러던 중에 가모브의 제자였던 앨퍼와 허먼이 우주가 갑작스러운 폭발과 팽창 때문에 지금과 같은 모습이 된 것이 분명하다는 이론을 내놓으면서 우주배경복사를 예언했고, 호일은 우주를 이루고 있는 무거운 원소들의 기원을 밝혔다. 86

모든 사람이 철의 흡수선이라고 주장하는 것에 의심을 품은 사람이 바로 세실리아 페인이다. 다방면에 관심이 많고 무엇이든 독창적으로 해석했던 페인은 태양의 스펙트럼을 다른 방식으로 바라보았다.(···) 결과는 놀라웠다. 사람들이 모두 철의 흡수선이라고 한 것이 실은 우주에서 가장 간단한 원소인 수소와 헬륨의 흡수선을 합해 놓은 것과 모양이 같았기 때문이다.(···) 끈질긴 계산 결과, 태양은 수소 90%와 헬륨 10%로 이루어진 것이 확실했다. 태양은 무거운 쇳덩어리가 아니었다.

태양이 수소와 헬륨으로 이루어져 있다면 다른 별들도 이와 다르지 않을 것이다. 그렇다면 우주는 거의 수소로 이루어졌다고 보아도 무방하다. 하늘에 떠 있는 뜨거운 태양이 수소와 헬륨 같은 기체 덩어리라니, 사람들은 믿을 수 없었다. 91

페인이 태양의 주성분이 수소라는 것을 주장할 무렵 독일 괴팅겐에서는 프리츠 후터만스가 영국 과학자 로버트 앳킨슨과 태양이 에너지를 내는 과정에 대해 연구하고 있었다.(···) 태양이 대부분 수소로 이루어져 있고 거기에 헬륨이 약간 포함되어 있다면, 태양에서 나오는 빛과 열은 수소가 타면서 나오는 것이 틀림없었다. 수소 4개가 합쳐질 수 있다면 헬륨을 만들 수 있고, 헬륨은 수소 다음으로 간단한 원소이기 때문이다.(···) 과학자들은 탄다는 표현보다 ‘핵융합’이라는 표현을 쓴다.

수소 1kg이 핵융합을 일으키면 0.9929kg의 헬륨이 만들어진다. 그렇다면 나머지 0.0071kg은 어디로 사라졌을까?(···) 얼추 640조J이라는 어마어마한 에너지로 바뀌는데, 이것은 전 지구인이 1년 동안 석유와 석탄을 태워 얻은 에너지의 10배와 맞먹는다. 수소 7.1g, 다시 말해 각설탕 1개 반 정도 무게의 수소가 사라졌을 뿐인데 이렇게 큰 에너지가 나오는 것이다.

(···) 후터만스는 수소4개가 모여 헬륨 하나로 바뀌면서 사라진 아주 적은 양의 질량이 태양에너지의 원천일 수밖에 없다고 생각했다. 94~95

태양과 우주의 주성분은 왜 수소일까? 지구에서는 흔한 원소들이 왜 우주에서는 찾아보기 힘들까? 외부은하들은 왜 기를 쓰고 달아나고 있을까?

분명한 것은, 제대로 된 우주 모형이 완성되려면 이 모든 사실이 한 점으로 모여야 한다는 사실이다. 97

이제 태양은 수소로 이루어진 커다란 공이며, 태양이 불타는 이뉴는 그 수소가 핵융합을 일으켜 헬륨으로 변하는 과정에서 잃어버린 질량이 빛과 열이 되어 나오기 때문이라는 사실이 밝혀졌다. 밤하늘에 빛나는 무수한 별도 태양과 같은 방식으로 빛을 낸다. 그렇다면 우주는 거의 수소로 이루어진 셈이다.

수소는 우주의 시작과 더불어 생겼을 것이다. 그 다음에 수소가 뭉쳐 헬륨이 되고, 같은 방법으로 핵융합을 통해 더 무거운 원소들이 만들어진다고 볼 수 있다.(···) 수소가 헬륨을 만드는 것까지는 이해했지만, 그 뒤를 알 수 없었던 것이다. 베테도 어떻게 탄소가 처음부터 태양에 들어가 있었는지를 설명할 수 없었다. 102

가모브는 태양에 탄소가 어떻게 들어갔는지 설명하려면 르메트르의 원시 원자에서 시작하는 것이 가장 합리적이라고 생각했다. 그는 처음에는 르메트르의 원시 원자를 중성자로 이루어진 거대한 원시핵으로 상상했다.(···) 하지만 이 원시핵에는 문제가 있었다.

중성자로 이루어진 원시핵이 분열을 거듭한다면 가장 안정한 상태의 원소에서 분열을 멈출 텐데, 우리가 알고 있는 가장 안정한 원소는 철이다. 철 원자는 더 분열하지 않으니까, 이 세상은 철로 채워져야 한다.(···) 그간의 연구와 관측 결과를 볼 때 철은 우주에 아주 조금밖에 없는 원소이고 수소와 약간의 헬륨이 주성분이며 주기율표에 있는 모든 원소의 양을 다 합해도 헬륨보다 많지 않다.(···)

가모브는 원시 원자와 그것이 부풀어 오늘날 우주가 되었다는 르메트르의 의견은 받아들일 수 있었지만, 중성자가 아닌 다른 것으로 원시핵을 채워 넣어야 한다는 점을 깨달았다.

고심 끝에 가모브는 르메트르의 중성자로 이루어진 차가운 원시핵 대신 수소로 채워진 뜨거운 원시핵을 생각해 냈다. 큰 원자를 쪼개서 작은 원자를 만드는 것이 아니라 가장 간단한 원자인 수소로 채워진 원시핵이 융합을 일으켜 점점 큰 원자가 되었다고 가정했다. 103~104

가모브는 팽창하고 있는 우주의 시간을 거꾸로 돌리면 벌어질 일을 이렇게 상상했다. 우주에 있는 물질이 한곳으로 모이고 심하게 압축되면 온도와 밀도가 엄청나게 높아지면서 원자핵과 전자가 모두 분리될 뿐만 아니라 원자핵조차 양성자와 중성자로 분리될 만큼 뜨겁고 밀도가 높은 상태가 될 것이다. 107

앨퍼는 우주의 원시 수소 스프가 폭발한 뒤 300초 안에 수소 원자핵 10개당 1개의 헬륨 원자핵이 만들어졌다는 계산 결과를 얻었다. 우주가 시작된 지 300초, 즉 5분 만에 오늘날 우주에서 요리되고 있는 주요 재료인 수소와 헬륨의 준비 끝! 110

앨퍼와 허먼이 생각한 중요한 사건이란, 우주가 생긴 이후 처음으로 빛이 미치광이 입자들 사이에서 탈출했다는 사실이다. 빛이 자유를 찾았다. 우주는 순식간에 안개가 걷히고 투명해져 앞을 볼 수 있게 되었다. 허먼과 앨퍼는 풀려난 빛이 지금도 우주를 여행하고 있을 것이라고 생각했다. 그리고 우주는 공간 자체가 팽창하고 있기 때문에, 그때 생긴 빛의 파장도 고무줄처럼 늘어났을 것이라고 생각했다.(···)

허먼과 앨퍼는 긴 계산 끝에, 이때 자유를 찾은 빛은 1/1000mm 파장을 가졌을 것이라고 예견했다. 당시 온도는 3000K였고 현재 우주의 온도는 1000분의 1로 낮아진 3K니까, 그 빛은 1000배 길어졌을 것이다. 두 사람은 자신들의 이론이 맞다면, 지금 우주 전역에 이 밀리미터파가 골고루 깔려 있어야 하고 우주 어느 곳을 관측하든 발견되어야 한다고 생각했다. 이것은 우주라는 그림의 바탕색과 같다. 누구든 이 ‘우주배경복사’를 찾는다면, 그것은 우주가 태양계만 한 크기에 모여 있던 뜨겁고 조밀한 물질이 큰 폭발로 흩어져 오늘날 우주가 되었다는 사실을 증명할 수 있다. 116~117

빅뱅우주론에 새로운 증거를 보탠 사람은 미국으로 이주한 독일인 물리학자 발터 바데다.(···) 위대한 허블의 관측 결과를 좀 더 큰 망원경으로 확인하려다 우주의 크기가 예상보다 훨씬 크다는 사실을 알아냈다.127

우리의 가장 가까운 이웃 은하는 안드로메다은하다.(···) 바데는 안드로메다은하의 중심부에는 중금속이 적은 나이 많은 별들이 있고, 나선팔 부근에는 중금속의 많은 젊은 별이 많다는 사실을 알았다. 태양도 우리은하의 나선팔에 있으면서 중금속 함량이 높다. 안드로메다은하든 우리은하든 나선팔에 있으면서 중금속이 많은 별을 종족Ⅰ, 은하 중심부에 있으면서 중금속이 적은 늙은 별을 종족Ⅱ라고 부른다. 별은 중금속 함량에 따라 진화 과정이 다르다. 129

제 몸이 식으면 또다시 수축해 불을 붙이고 그 열기에 다시 몸이 부풀기를 반복하는 변덕스러운 별이 세페이드변광성이다. 원래 밝은 별은 변광주기가 길고 태어나기를 어둡게 태어난 별은 변광주기가 짧다. 이 관계를 이용해 별까지의 상대적인 거리를 알아낸 것이 레빗의 업적이었다. 131

허블이 계산한 90만 광년이 아니라 그보다 더 먼 곳에 이 외부은하가 있다면, 희미한 변광성은 우리 눈에 보이지 않을 수도 있다. 바데는 고민 끝에 허블이 안드로메다은하까지의 거리를 잘못 계산했다는 결론을 내렸다. 136

바데는 정밀한 관측을 통해 종족Ⅰ세페이드변광성이 종족Ⅱ세페이드변광성보다 평균 4배 밝은 것을 알아냈다. 세페이드변광성이라고 해서 다 같은 것이 아니었던 것이다.

바데가 이 관계를 알아내기 전까지 천문학자들이 알고 있던 것은 종족Ⅱ세페이드변광성의 주기와 밝기 관계였다. 따라서 허블은 안드로메다에서 발견한 세페이드변광성이 종족Ⅱ별이라고 생각했다. 그러나 허블이 발견한 세페이드변광성은 은하 중심의 팽대부가 아니라 안드로메다은하의 나선팔에서 발견된 종족Ⅰ별이었다. 허블이 발견한 세페이드변광성은 당시 천문학자들이 생각한 것보다 4배나 밝은 별이었다. 별빛이 2배 멀어지면 그 제곱인 4배만큼 어두워진다. 안드로메다은하는 허블이 측정한 것보다 2배나 멀리 있었다. 136~137

안드로메다은하까지의 거리가 달라졌다는 것은 천문학에서 또 다른 아주 중요한 의미가 있었다. 우리은하와 가장 가까이 있으면서 가장 밝게 보이는 이 외부은하는 모든 외부은하의 거리를 재는 척도로 쓰였다. 어떤 외부은하가 안드로메다은하보다 4배 어둡다면, 그 외부은하는 안드로메다은하보다 2배 먼 곳에 있는 것이다.(···) 안드로메다은하의 거리가 2배 늘어났다는 것은 다른 외부은하들도 모두 2배씩 멀리 물러난다는 뜻이다.

우주가 갑자기 2배로 커졌다. 물론 진짜로 커진 것이 아니라 인간이 우주를 그렇게 인식했다는 뜻이다. 우주가 2배로 커졌으니 시계를 거꾸로 돌려 외부은하들을 한 점에 모으려면 허블이 생각한 것보다 2배나 긴 시간이 필요하다. 우주의 나이가 18억 년에서 36억 년으로 늘어났다. 137

샌디지는 관측을 하다 이 방법에 문제가 있다는 것을 알았다. 외부 은하 사진에서 가장 밝은 별이라고 생각한 것이 실제로는 별이 아니었기 때문이다. 그것은 질량이 아주 큰 젊은 별들을 둘러싼 수소 구름이었다.(···) 이 수소 구름은 보통 별보다 덩어리가 훨씬 크고 더 밝았다. 천문학자들이 그때까지 그런 커다란 수소 덩어리를 별이라고 가정하고 외부은하까지의 거리를 잰 것이다. HⅡ영역이 보통 별보다 훨씬 밝은데 그렇게 어둡게 보였다면 외부은하까지의 거리는 훨씬 더 멀어져야 한다. 결국 샌디지는 몇 단계를 거치는 복잡한 방법으로 외부은하까지 거리를 재는 방법을 만들어 냈고, 1955년에 우주의 크기는 더욱 커지고 우주의 나이는 다시 55억 년으로 늘어났다. 139

호일의 들뜬 탄소 핵 발견은 우주에 있는 탄소들이 어떻게 생겼는지를 잘 설명해 주었다. 빅뱅우주론에 따라 우주에는 수소와 헬륨이 생겼다. 이 이론은 현재 우주에 있는 수소와 헬륨의 양을 정확히 맞추었으니까 틀림없는 사실이다. 수소와 헬륨을 주원료로 해서 태어난 1세대 별 안에서 들뜬 상태의 탄소 원자핵을 만들었다. 우주에는 수많은 1세대 별이 있었고, 지금 관측할 수 있는 양만큼 탄소를 만들었다. 그리고 그 별들이 폭발을 일으키며 죽자 탄소가 온 우주에 퍼졌다. 이번에는 2세대 별이 태어날 차례다. 이 별들은 1세대 별과 재료부터 다르다. 2세대 별들은 태어날 때부터 탄소를 가지고 있다. 144~145

호일의 연구는 여기에서 그치지 않았다. 그는 그 뒤로 10년 동안 별 속에서 탄소를 포함한 무거운 원소를 만드는 수많은 단계에 대해 연구하고 수정하는 작업을 이어 갔다.(···) 커다란 별이 태어나 초신성으로 일생을 마무리하는 과정에서 온갖 무거운 원소가 다 만들어진다는 내용을 담고 있다. 결국 밤하늘에 빛나는 별은 수소와 헬륨을 재료로 각종 원소들을 요리해 내는 부엌이었다.(···) 우리는 모두 별의 부스러기이자 사기인 셈이다. 145~146

3G 우주배경복사의 발견

잰스키의 마음을 사로잡은 것이 있었다. 잡음 가운데 통신에는 거의 영향을 주지 않지만 규칙적으로 들리는 미약한 전파잡음이 있었다.(···) 이 전파잡음은 정확히 23시간 56분 만에 세기가 최고조에 달했고, 날마다 같은 방향에서 왔다.(···)

젠스키는 친구를 통해 이것이 항성일이라는 사실을 알게 되었다. 항성일이란 말 그대로 항성, 즉 별을 기준으로 잰 하루를 뜻한다.(···) 이 사실은 놀라운 것이었다. 뭔지 모르지만 전파를 내는 것이 지구에 있지 않고 지구 밖에 있는 것이 확실하기 때문이다.(···) 전파는 우리은하의 중심에서 오고 있었다. 우리은하가 전파를 낸 것이다. 전파가 나온다는 것은 우리은하 중심에 강한 자기장이 있다는 뜻이다. 155

버크는 디키와 피블스에게 펜지어스와 윌슨이 벌써 우주배경복사를 찾은 것 같다고 이야기했다.(···) 그들의 관측 과정과 관측 결과를 꼼꼼히 분석한 결과 그 잡음이 우주 초기에 생긴 우주배경복사가 틀림없다는 것을 확인해 주었다.

비둘기 똥을 닦으며 없애려고 했던 전파잡음이 바로 137억 년 전 우주에 뿌려진 최초의 ‘빛 화석’이었던 것이다. 펜지어스와 윌슨은 자신들이 찾은 것이 우주론에서 얼마나 중요한지를 뒤늦게 깨달았다.

1965년 펜지어스와 윌슨은 우주 전 지역에서 2.7K에 해당하는 밀리미터파를 발견했다고 천문학회지에 발표했고, 디키와 피블스는 빅뱅우주론을 연구하는 과정에 우주배경복사가 반드시 있어야 한다는 사실을 예상한 이론을 실었다. 170

4G 우주론, 현대 과학의 합집합

미국의 물리학자 구스는 우주의 역사 초기에 빛보다 빠른 팽창의 시기가 있었다는 인플레이션 우주론을 들고나와 빅뱅우주론의 문제를 해결했다. 스무트는 온갖 어려움을 헤치고 코비(COBE)를 우주에 띄워 우주배경복사를 더욱 높은 해상도로 얻어 냈다. 이 와중에 우주에는 우리 눈에 보이지 않는 암흑물질이 보이는 것보다 훨씬 많다는 황당한 이론이 거의 정설이 되었고, 최근 들어 우주는 더욱더 빨리 팽창하기 때문에 나중에는 아무것도 남지 않을 가능성이 크다는 이론이 나오더니 우리는 보지도 느끼지도 못하고 나아가 존재하는지도 확실히 알 수 없는 암흑에너지가 우주를 가득 채우고 있다는 무협지 같은 이론도 나왔다. 재미있는 사실은, 관측 결과를 기반으로 삼아 우주가 더욱 빨리 커지고 있다는 이론을 세운 과학자들이 노벨상을 받았다는 점! 176

1964년 겔만과 츠바이크는 양성자나 중성자를 이루는 더 작은 입자가 있을 것이라고 각각 주장했다. 그때까지 사람들은 양성자, 중성자, 전자가 물질을 이루는 기본 입자라고 알고 있었기 때문에 이들의 주장이 실험으로 증명될 때까지 믿을 수 없었다.

그런데 1968년 스탠퍼드 선형 입자가속기에서 이들이 주장하는 입자가 발견되었다. 중성자가 쪼개진 것이다. 이 입자에는 쿼크라는 이름이 붙었고, 당시 발견된 것은 업 쿼크와 다운 쿼크다.(···) 1977년에는 보텀 쿼크가 발견되었다.(···) 1995년에는 톱 쿼크가 발견되었다. 이로써 물질의 가장 기본단위인 쿼크 6자매가 모두 모습을 드러냈다.

쿼크들은 절대 혼자 다니지 않는다. 이들은 반드시 둘이나 셋씩 짝을 이루어 다니는데, 둘이 짝을 지으면 메존, 셋이 짝을 이루면 바리온이라고 한다. 양성자의 경우 업 쿼크 2개와 다운 쿼크 1개로 이루어진 바리온이고, 중성자는 업 쿼크 1개와 다운 쿼크 2개로 이루어진 바리온이다. 178~179

우주에는 중력, 강력, 약력, 전자기력 등 네 가지 힘이 조화를 이루고 있다. 강력은 원자핵 수준의 아주 좁은 범위에서는 대단히 강력하지만 원자핵만 벗어나면 힘이 급격하게 약해진다. 반면, 중력은 원자핵 수준에서는 거의 아무 일도 못하지만 질량이 있는 곳이라면 어디에서든 힘을 발휘하고 드넓은 범위까지 세력을 뽐낸다. 우주라는 거대한 공간을 놓고 보자면, 강력보다 중력이 지배적이다. 과학자들은 중력을 전달하는 중력자가 있을 것으로 예상하지만 아직 찾지는 못하고 있다. 그리고 중력만큼 광범한 지역에서 힘을 발휘하는 전자기력은 광자가 에너지를 전다하고, 방사성붕괴와 관계 있는 약력은 세 가지 전달자가 발견되었다. 180~181

강력·약력·전자기력을 하나로 묶은 대통일이론은 여러 가지가 있었는데, 그중 어떤 것이 진실을 말하는지는 실험만이 밝혀 줄 수 있었다. 그러나 변하지 않는 사실은 이 세 힘이 엄청나게 높은 온도에서는 모두 같은 힘이 된다는 점이다. 우주의 역사 초기, 우주가 한 점에 모여 있을 때는 극히 고온이었고 우주가 팽창하면서 온도가 내려가자 세 힘은 각자 제 모습으로 풀려나왔다. 181

인플레이션 우주를 도입하니 우주의 지평선 문제를 풀 수 있게 되었다. 우주는 오늘날과 같은 속도로 부풀기 전에 벌써 엄청나게 큰 비유로 팽창되었고, 공간 자체가 늘어났기 때문에 당연히 우주의 모든 지역이 같은 상태였다. 우리가 현재 보는 우주는 원래 우주의 아주 작은 부분이었다는 말이다. 우리의 계산으로는 전혀 정보를 주고받을 수 없는 우주의 양 끝이 사실은 처음부터 한곳에서 빛의 속도보다 빠르게 팽창하던 때에 균등하게 정보를 주고받은 것이다. 그래서 우주가 생긴지 30만 년이 흐른 뒤 자유를 얻은 빛들이 오늘날 온 사방에서 똑같이 발견된다.

인플레이션 우주는 빅뱅 우주 모형의 또 다른 문제인 우주의 편평도 문제를 해결해 주었다. 188

힉스는 진공이라고 여기는 상태가 사실은 아무것도 없는 것이 아니라 힉스라는 입자로 채워져 있다고 생각했다. 193

힉스 입자와 힉스장에 관한 이론은 많은 사람의 관심을 끌었다. 전자기장은 빛이 중계자이고 강력은 글루온이 힘을 전달하는 매개 입자라는 것이 알려졌지만 중력은 그것을 전달하는 입자가 무엇인지 밝혀지지 않은 상태였기 때문에, 언젠가는 힉스 입자같이 중력을 전달하는 입자가 밝혀질 것이라고 믿고 있었다.

구스는 초기 우주가 힉스장으로 채워져 있었고 물이 과냉각되어 얼어붙는 것과 같은 과정이 힉스장에도 일어났다고 생각했다. 힉스장의 에너지 상태가 낮아지면서 얼어붙는 과정에 엄청난 에너지가 풀려나왔고, 그 에너지가 작은 점이었던 우주를 빛보다 빠른 속력으로 폭발하듯 부풀렸다. 그리고 그 에너지가 빛과 물질이 마구 뒤엉킨 죽을 만들었다. 그 과정에 힉스장에 녹아서 형태를 알아볼 수 없었던 네 가지 힘 가운데 중력이 가장 먼저 제 모습을 찾아 나왔다. 194

과학자들의 기대 속에 델타 로켓은 성공적으로 지구 대기를 벗어났고 코비 위성은 지구의 인공위성이 되었다. 그로부터 2년 동안 위성에 실린 마이크로파 검출기는 온 우주를 샅샅이 훑으며 7000만 번이나 우주배경복사를 측정했다.(···)

이 지도에 나타난 얼룩은 우주가 탄생한 지 30만 년, 즉 우주의 나이가 30만 살일 때 100000분의 1만큼 밀도 차이가 있었다는 것을 보여 준다. 우주가 균질한 것이 아니었다는 소리다. 빅뱅 후 30만 년이 지나는 동안 우주에는 작은 밀도 변화가 생겼고, 밀도가 높은 곳은 더 많은 물질을 끌어들여 은하와 별이 되었다. 137억 년 뒤 오늘날과 같은 우주의 모습을 갖출 씨앗이 이 시기에 벌써 뿌려져 있었다. 203

1995년 12월 18일부터 28일까지 허블 망원경은 큰곰자리의 한 지점, 아무 것도 보이지 않는 곳에 머리를 들이밀고 사진을 찍어 댔다.(···)

관측이 끝나자 사진에는 그야말로 놀라운 것들이 찍혀 나왔다. 꼬물거리는 애벌레 같은 은하들이 2000여 개나 찍힌 것이다. 이것이야말로우주의 갓난쟁이 시절 사진이었다. 연필 끝으로 가려질 만큼 작은 구역에서 얼핏 본 것만으로도 2000여 개의 은하가 있다면, 이 우주에는 도대체 얼마나 많은 은하가 있을까? 더 놀라운 것은 아기 은하들의 모습이 우리은하 가까이에 있는, 우리가 벌써 알고 있는 은하와 아주 비슷하다는 점이다. 208

우주가 태어난 지 30억 년쯤 되었을 때 이미 은하들은 형성되어 있었다. 은하 안에서 별은 죽고 태어나기를 반복한다. 은하들은 서로 부딪치고 합쳐져 더 커진다. 그러나 우리은하 주변에서 새로 태어나는 은하는 볼 수 없다. 무슨 이유인지는 몰라도 우주의 역사 초기에 은하가 생길 수 있는 조건이 형성되었고, 그런 조건이 다시는 생기지 않았다. 그러니 이 사진 속의 은하를 비롯해 이 우주에 있는 모든 은하는 거의 같은 시기에 태어난 쌍둥이 은하라고도 할 수 있다. 209

이해할 수 없는 결과가 나왔다. 그가 은하들의 질량을 바탕으로 계산한 것보다 은하들이 100배나 빠른 속도로 움직이고 있었던 것이다. 그 정도로 빠르면 은하들은 무리 짓지 못하고 뿔뿔이 흩어져 그 자리에 모여 있을 수가 없다.(···)

츠비키는 외부은하들이 이렇게 행동하는 이유는 하나, 은하단에 우리 눈에는 보이지 않는 암흑물질이 숨겨 있기 때문이라고 생각했다. 암흑물질은 우리 눈에는 보이지 않지만 질량이 있다. 외부은하들이 우리가 생각하는 것보다 더 무거운 물질들 사이에서 인력에 끌려 붕괴하지 않을 방법은, 더 빨리 움직이는 것이다. 외부은하 사이사이에는 검은 바탕을 배경으로 보이지 않는 물질들이 있고, 그 물질들은 중력이라는 힘으로 외부은하들을 조종하고 있다는 것이 츠비키의 생각이었다. 212

루빈은 한 은하 안에 있는 별들의 운동에 관심이 있었다. 그래서 안드로메다은하에 있는 별들의 운동을 관측하다가 흥미로운 사실을 알게 되었다. 은하 중심부에 있는 별과 나선팔에 있는 별의 속력이 거의 같았던 것이다. 213

루빈의 결론은 우리가 보지 못하는 물질이 구름처럼 은하를 공 모양으로 둘러싸고 있어서 은하는 우리가 그동안 알던 것보다 훨씬 무겁다는 것이었다. 그 묵직한 질량이 만들어 내는 중력을 견디면서 별들이 빨려 들지 않으려면, 나선팔에 있는 별들은 우리가 계산한 것보다 훨씬 빨리 돌아야 한다. 별들의 운동을 좌지우지하는 보이지 않는 실세들은 광자를 흡수하거나 내놓지 않는다. 반사도 하지 않는다. 그래서 암흑물질이라는 이름이 붙었다. 암흑물질은 오로지 중력을 발휘해 자신의 모습을 드러낸다. 214

놀랍게도 우주에 있는 모든 은하를 합한 것보다 암흑물질이 5, 6배나 많았다. 이 우주에는 눈에 보이는 것보다 안 보이는 것이 더 많았다. 215

누가 우주에 물 자국을 냈는가? 주인공은 중력이 무지무지 큰 알 수 없는 물질이다. 빛은 직선으로 나가지만 공간이 휘어 있다면 휘어 있는 공간을 따라간다. 저 멀리서 빛나는 외부은하들과 우리 사이에 커다란 중력을 가진 무엇인가가 있다면 그 공간은 휜다. 216

안타깝게도 우주배경복사 뒤쪽은 볼 수 없다. 그곳은 너무나도 뜨거운 불덩어리 상태라 빛마저 엉겨 있고 아직 어떤 빛도 탈출하지 못한 곳이기 때문이다. 220

1a형 초신성의 거리와 후퇴 속도를 정밀하게 분석한 두 팀은 믿기지 않는 결과를 얻었다. 원래 펄머터와 슈미트는 우주에 있는 아름다운 은하들과 모습을 드러내지 않는 암흑물질이 중력을 발휘해 우주의 팽창 속력이 느려지고 있을 것이라고 믿고 그 증거를 찾으려고 관측을 시작했다. 그러나 결과는 정반대였다. 우주의 팽창 속도가 느려지기는커녕 오히려 우주의 나이 50억 년 무렵부터 더 빨리 부풀고 있었던 것이다. 225

인공위성의 눈으로 본 우주배경복사는 아주 놀라웠다. 거기에는 무수한 반점이 섞여 있었다. 그것은 빛이 자유를 찾아 우주 공간을 자유롭게 여행하던 시점에 벌써 은하와 은하단을 만들 씨앗이 자리 잡고 있었다는 뜻이다.(···)

WMAP의 정밀한 관측으로 우주배경복사가 만들어졌을 때 우주의 나이가 38만 년이라는 것을 알았고, 현재 우주의 나이가 137억 년이라는 것도 알아냈다.(···)

WMAP이 알아낸 사실 가운데 가장 흥미로운 것은, 우리 눈으로 확인할 수 있는 물질이 우주의 4%이고 암흑물질이 24%이며, 나머지 72%는 정체를 알 수 없는 무엇이라는 사실이다.(···) 물질과 암흑물질이 은하의 형성과 관계있다면 나머지는 우주의 팽창과 관계있다고 생각한 것이다. 229

물질도 아니고 암흑물질도 아닌 72%에는 ‘암흑에너지’라는 이름이 붙었다. 무엇이 암흑에너지인지는 아직 명확하지 않지만, 과학자들은 진공 에너지일 가능성이 가장 높다고 본다. 진공은 아무것도 없는 공간이라고 생각했는데, 실은 그렇지 않다는 것이 최근 밝혀졌다. 물질과 반물질이 만나면 커다란 에너지를 만들어 내고 홀연히 사라진다. 재미있는 사실은, 그 반대의 상황도 벌어진다는 것이다. 아무것도 없다고 생각하던 공간에서 물질과 반물질이 갑자기 나타난다. 그러곤 언제 그랬냐는 듯이 사라진다. 아무것도 없어 보이는 공간에 에너지가 있다는 사실이 중요하다. 진공 에너지의 정체를 밝히는 일은 모든 과학자의 큰 목표가 되었다. 231

우주의 팽창이라는 과학적인 주제를 풀려면 비어 있는 공간을 제대로 설명해야 한다.(···)

펄머터·슈미트·리스는 현재 우주가 점점 더 빨리 팽창하고 있으며 그 원인은 암흑에너지이고, 암흑에너지는 지구에 사는 모든 과학자가 알아내야 할 새로운 과제라는 사실을 알렸다. 그들은 2011년 노벨 물리학상을 받았다. 232

* 우리가 알고 있는 ‘우주의 역사’

우주는 65억 살이 될 때까지 하던 일을 계속했다. 프리드만이 예견한 속도로 천천히 팽창했고, 그새 은하에 있던 별들은 죽고 태어나기를 반복했으며 큰 은하가 작은 은하를 잡아먹는 일이 많았고 교통정리가 잘 안 된 탓인지 은하 간 충돌이 잦았다. 그러나 그 와중에도 은하에 있는 별들은 조건이 맞으면 태어나고 때가 되면 죽었다. 그러다 우주 탄생 65억 년 무렵 우주는 갑자기 빨리 팽창하기 시작했다.

이것은 1a형 초신성을 끈질기게 따라다닌 파파라치 과학자들이 밝혀낸 사실이다. 왜 이런 일이 벌어졌는지 아무도 모른다. 아무리 생각해도 원인을 알 수 없던 과학자들은 암흑에너지가 우주를 잡아 늘린다고 발표했다.(···) 암흑에너지 때문에 공간은 점점 늘어나고, 그 덕에 은하들은 앉은자리에서 우주를 여행하고 있다. 외부은하들이 우리에게서 달아난다고는 하지만, 실은 은하들이 진짜 물러나는 것이 아니라 공간이 늘어나서 무임승차를 하고 있는 것뿐이다. 이유를 알 수 없는 고속 팽창은 지금도 계속되고 있다. 240

우주가 계속 팽창해 우리 이웃에는 은하가 하나도 안 보이고 나중에는 우리은하마저 찢어져 별들이 뿔뿔이 흩어진 뒤 그 별들마저 우주 저 너머로 넘어가 밤하늘에는 아무것도 보이지 않을 것이다. 마지막에는 별까지 분해되어 원자로 나뉘고 원자조차 쪼개져 완전히 텅 빈 우주가 된다. 241