20세기가 낳은 위대한 천문학자 허블

[백작]

“오감(五感)만 잘 갖춰져 있다면 인간은 우주가 무엇인지를 탐험할 수 있으며 그걸 모험과학(공상과학과는 다른)이라고 부른다.”  20세기가 낳은 가장 위대한 천문학자 허블(Edwin Hubble 1889~1953)은 외부은하 연구의 선구자로 인정받고 있으며 우주가 팽창하고 있다는 증거를 처음으로 제시했습니다. 아마 허블도 은하의 아름다운 모습에 감동 받아 돈 잘 버는 변호사를 팽개치고 하늘과 감미로운 대화를 나누는 천문학자의 길을 걷게 된 게 아닐까요?  “진정한 소명의식(열정) 없이는 천문학에 입문하지 말라. 천문학이 천직인지 아닌지를 알기 위한 유일한 방법은 다른 일(직업)이 자신의 열정에서 멀어졌는지를 확인해 보는 일이다.” 그렇습니다. 허블은 이것저것 다해보다가 그만 두고 천문학에 귀의합니다.

허블은 원래 수학, 물리학, 천문학 등 기초과학 분야에서 세계적으로 권위 있는 시카고 대학에서 수학과 천문학으로 학사학위를 받았습니다. 특히 이 대학 교수인 천문학자 조지 E. 헤일의 영향을 받습니다. 그의 가르침에 감명 받아 우주와 은하에 깊은 관심을 갖게 됩니다.

중학교 때부터 권투를 시작한 허블은 과학보다 운동에 대단한 재능이 있었습니다. 달리기 등 각종 육상 경기에도 입상을 여러 번 할 정도로 능력이 대단했습니다. 그래서 주위 사람들은 허블을 보며 운동선수로 출세할 거라고 말하곤 했지요. 허블은 전국고등학교육상대회에서 6번이나 우승할 정도였습니다. 그리고 일리노이스 체전에서는 높이뛰기 기록 보유자가 될 정도로 육상에서 재능이 뛰어났습니다.

육상에서의 재능을 기초로 권투를 계속한 허블은 시카고 대학을 다니면서 복서(boxer)로서 실력을 유감없이 발휘해 아주 유명해집니다. 단단한 몸과 발놀림이 하도 민첩해 그를 따라 잡을 선수가 없을 정도였다고 합니다. 허블은 체격이 좋은데다 인상은 강했지만 얼굴도 잘 생겨서 여학생들의 인기를 독차지했습니다. 그런데다 시카고 대학은 미국에서도 유명한 명문대학입니다.

졸업 후에는 그렇게 좋아했던 권투와 천문학에서 완전히 손을 뗍니다. 그리고는 영국으로 건너가 옥스퍼드 대학에서 로드 장학생(Rhodes Scholars)으로 법률을 공부해 1912년 학사학위를 취득해 법률가로의 길을 모색합니다. 천문학과 법률이 어떤 관계가 있었나요? 천문학에도 이론이나 법칙이 있지만 법률의 법칙은 다르죠. 과학에서의 법칙은 자연의 질서고 이론인 반면, 법률에서의 법칙은 사람과 사람과의 계약입니다. 또 따지자면 같을 수 있습니다. Law나 rule이라는 게 상식이며, 그 상식이라는 건 자연적인 것과 통할 수 있기 때문입니다.

영국에서 돌아온 그는 1913년 켄터키 주에서 법률가로 일했으나 싫증을 느껴 그만두었습니다. 다시 특기인 운동이 생각이 나서 인디애나에 있는 뉴 알바니(New Albany) 고등학교에서 체육선생님으로, 그리고 농구 코치로 근무하다가 또 그만 두었습니다. 소명의식(genuine call)이 아니었나 봅니다. 그는 결국 천문학으로 귀향합니다. 나중에 아인슈타인은 허블의 천재적인 업적을 이렇게 높이 평가합니다.

“그는 헤아릴 수 없을 정도로 심오한 사람이다. 천재 중의 천재로 (은하에 대한) 사고만으로 우주는 우리가 보는 겉모습과는 전혀 다르다는 걸 발견한 사람이다.”

여러 방면에 재능이 있었던 허블은 천문학 연구가 천직이라는 걸 알고 모교인 시카고대학으로 돌아와 여키스 천문대(Yerkes Observatory)에서 일합니다. 그러면서 천문학 박사 학위도 받는 거죠. 그런 와중에 1차 세계대전이 일어났고 운동을 잘하던 그는 장교로 지원합니다. 그런데 전투를 잘 한 건지, 공을 많이 세운 건지 불과 몇 년 만에 소령으로 진급할 정도로 대단히 초고속 승진을 했습니다. 종전 후 카네기재단이 운영하는 윌슨 산 천문대(Mount Wilson Observatory)에 근무하면서 외부은하에 관련된 연구를 시작합니다.

허블의 업적은 간단하게 우주팽창이론(cosmic expansion theory)입니다. 우주가 팽창한다는 걸 발견한 거죠. 우주의 영역이 커지고 있다는 겁니다. 그러면 그 거대한 우주가 커진다는 걸 어떻게 알았느냐? 대단한 수학 공식이나 방정식이 아닙니다. 망원경을 통한 육안으로 확인했다고 할 수 있습니다. 그래서 대단한 겁니다.

망원경으로 우주를 관찰해 보면 가까운 은하는 밝고 움직이지 않는 것처럼 보이는데 멀리 있는 은하들은 희미하고 빠르게 멀어지는 것처럼 보이는 겁니다. 또 평소에는 아주 선명하게 잘 보이다가 나중에는 희미하게 보이는 겁니다. 그리고 망원경이라는 걸 통해 볼 수 있는 하나의 화면에 평소보다 아주 많은 별들이 보이는 겁니다. 이 이야기는 우주가 멀어지고 있다는 말입니다. 멀어진다는 건 결국 팽창하고 있다는 이야기와 동일합니다.

어려운 도식이 많이 나오겠지만 허블이 주장한 우주팽창이론이 바로 이겁니다. 간단한 이야기입니다. 그런데 여기에 적색이동, 스펙트럼, 허블 상수 등 어려운 말이 등장합니다.

천문학자들은 망원경을 통해 우주를 이야기합니다. 그리고 그 속에서 수학과 물리학을 적용시킵니다. 그 속에서 하늘의 움직임은 우리가 사는 인간사회, 태양을 중심으로 한 지구의 움직임과 다를 바가 없다는 걸 확인하는 겁니다. 물질의 구성과 거대한 우주의 구조가 같다는 걸 보여줍니다. 그래서 “오감만 있다면 우주를 탐험할 수 있다”고 허블이 이야기한 겁니다.

“성운(외부은하)은 그 수가 계속 늘어나면서 점점 작아지며 희미해지고, 우리는 공간 속으로 더욱더 멀리 도달하고 있음을 알게 된다. 그러다 최대의 망원경으로 볼 수 있는 가장 희미한 성운에 이르면, 우리는 우리가 알 수 있는(관측 가능한) 우주의 경계선까지 오게 된다.” (우주가 팽창하고 있으니까).

천문학자들은 천체를 관측할 때 육안으로 보는 경우도 있지만 분광기라는 걸 사용합니다. 왜냐하면 <빨주노초파남보>의 일곱 가지 무지개 색을 볼 수 있기 때문입니다. 그게 스펙트럼이라는 거죠. 그런데 이 스펙트럼을 통해 나타나는 색은 태양이든, 달이든, 화성이든, 은하든 간에 그에 대한 성질을 파악하는 데 중요한 역할을 합니다. 예를 들어 어떠한 원소로 이루어져 있느냐 수명은 얼마나 됐느냐 거리는 얼마나 되느냐 등입니다.

지금은 점점 사라지고 있지만, 노란 백열등을 가만히 두고 분광기로 보면 일곱 가지 무지개 색 중 노란색이 가장 세게 나타납니다. 그런데 이 백열등을 매우 빠른 속도로 멀어지게 하면 백열등의 색깔이 황색에서 적색으로 이동한다고 합니다. 다시 말해서 은하가 적색이동을 한다는 것은 우리와 멀어지고 있다는 겁니다.

그래서 허불이 망원경을 통해 계속 관찰하다 보니까 은하의 스펙트럼이 적색으로 이동하는 걸 알게 된 겁니다. 허블은 은하의 적색이동 정도가 거리가 먼 은하일수록 더욱 크게 나타난다는 것을 알아냅니다. “적색이동이라는 건 멀어지고 있는 거고, 그 멀어지는 정도가 멀리 떨어진 은하일수록 더욱 크게 나타난다는 건 우주가 팽창하고 있다는 거다”라는 걸 알게 된 거죠.

아인슈타인이 지적했듯이 평범하게 그저 넘어갈 수도 있는 걸 허블이 발견한 겁니다. 그래서 적색이동과 은하와의 거리라는 위대한 공식을 세우고, 그래서 유력한 노벨상 후보도 됩니다. 결국 받지 못하지만 말입니다.

은하들이 우리로부터 얼마나 빨리 멀어지고 있는가(후퇴속도 v)와 은하까지 거리(r)를 연결 지어 공식으로 만든 사람이 허블입니다. 이것을 수학으로 표시하면 이렇습니다. v=Hr, H를 허블상수라고 부릅니다.

그러면 우주가 계속 팽창한다고 하는데 어디까지 팽창하는 건가? 달도, 태양도 멀어지는 거 아닌가? 내가 좋아하는 오리온자리, 황소자리도 안 보이게 되는 것 아닌가? 풍선처럼 계속 커지다가 터지는 것처럼 우주도 터지는 거 아닌가?

“The history of astronomy is a history of receding horizons. 우주의 역사는 멀어지는 지평선의 역사다.”

“그는 1953년 9월 28일 캘리포니아 산마리노에서 뇌혈전증으로 세상을 떠납니다. 아내 그레이스는 장례도 치르지 않고, 죽은 시신을 보여주지도 않았습니다. 장례식도 치르지 말고, 이름 없는 무덤이 되거나, 화장을 원한 것은 허블의 확실한 소망이었습니다. 지금까지도 그의 유해가 어디 있는지 아무도 모릅니다.

현대 천체물리학에서 위대한 족적을 남긴 허블은 그의 족적이 남는 걸 한사코 반대한 위대한 과학자입니다. 밤하늘의 별과 은하수가 아니라, 그 저편에 있는 외부 은하를 연구한 탐험가 허블. 65년을 살아온 그의 인생, 권투선수, 그의 위대한 업적, 노벨상 따위는 항하수(恒河水) 모래알갱이만큼이나 조그마하고 부질없다고 생각한 겁니다.