제10장 은하는 어떻게 자랐을까

110번째 밤: 물방울로 하는 수업

110일째는 정거장 시계로 토요일이었습니다. 궤도에서의 주말이 완전히 자유로운 것은 아닙니다. 어떤 일은 결코 멈추지 않기 때문입니다. 그래도 일이 가벼워집니다. 아침에는 승무원들이 함께 정거장을 청소했습니다. 표면을 닦고, 공기 필터를 갈고, 움직이는 공기에 실려 온 먼지와 부스러기, 잃어버린 작은 물건들이 모이는 환기구 창살을 진공청소기로 빨아들였습니다. 아데가 누군가 몇 주 전에 잃어버린 나사 하나를 찾아냈고, 토마스는 그것을 오늘의 발견으로 선포했습니다.

주말에는 자기만의 시간도 조금 생깁니다. 토마스는 헤드폰을 끼고 혼자 조용히 연주하며 한 시간 동안 음악과 함께 보냈습니다. 아데는 손잡이 아래에 발을 걸고 태블릿으로 책을 읽었습니다. 세 사람 모두 저녁에 가족과의 개인 통화가 잡혀 있었습니다. 우주 정거장은 일터이지만, 토요일에는 몇 시간 동안 집에 더 가까운 무언가가 됩니다.

오후에 누르에게는 기다려 온 일이 있었습니다. 지상에서 학교를 위한 짧은 수업 영상을 찍어 달라고 했던 것입니다. 아이들이 정거장 생활에 대해 질문을 보내왔는데, 그중 몇몇은 물에 관한 질문이었습니다. 아무것도 물을 아래로 끌어당기지 않으면 물은 어떻게 될까요? 부어질까요? 튈까요? 떨어질까요?

누르는 조용한 구석에 카메라를 설치하고 마실 물 팩에서 물을 조금 짜냈습니다. 물은 부어지지 않았습니다. 흔들리는 덩어리로 나오더니 천천히 거의 완벽한 공 모양으로 오므라들며 누르 앞의 공중에 떠 있었습니다. 누르가 빨대로 살짝 건드리자 물방울은 온몸을 떨다가 다시 동그래졌습니다. 더 작은 물방울을 하나 더 띄우자, 두 물방울은 닿자마자 곧바로 합쳐져 더 큰 공 하나가 되었습니다.

누르는 카메라를 향해 물이 자기 자신을 끌어당긴다고 설명했습니다. 물의 표면에서는 마치 팽팽하게 당겨진 피부처럼 물이 늘 안쪽으로 끌어당기고 있습니다. 지구에서는 중력이 이 끌어당김보다 강해서 물이 웅덩이로 퍼지거나 비탈을 따라 흘러내립니다. 정거장의 무중량 상태에서는 물 자신의 끌어당김이 이기며, 가장 작은 표면으로 가장 많은 물을 담는 모양이 공입니다. 마지막에 누르는 수건으로 물방울을 조심스럽게 붙잡았습니다. 전기 장비 근처를 떠다니는 물은 실제로 위험하기 때문입니다.

그날 저녁 누르는 그 영상의 짧은 부분을 사미에게 보냈습니다. 사미는 일곱 살 난 딸이 영상을 세 번이나 보더니 이제 우주 비행사가 되고 싶다고, 아니면 물방울이 되고 싶다고 한다는 답장을 보냈습니다. 그러고는 수업을 본 뒤로 계속 마음에 걸렸던 것을 물었습니다. 작은 물방울이 합쳐져 더 큰 물방울이 된다면, 은하도 그렇게 만들어진 거야? 누르는 생각해 보았습니다. 어떤 의미에서는 그렇다고 누르는 썼습니다. 하지만 은하들을 한데 모으는 힘은 물 표면의 끌어당김이 아니라 중력이라고 했습니다. 그리고 그 일부는 아무도 볼 수 없는 무언가에서 나온다고 했습니다.

잔물결에서 그물로

지난번 밤에 우리는 최초의 별들이 어둠 속에서 켜지는 것을 보았습니다. 그 별들은 젊은 우주가 평균보다 조금 더 밀도가 높았던 곳의 가스 덩어리에서 생겨났습니다. 오늘 밤의 이야기는 그다음에 일어난 일에 관한 것입니다. 그 처음의 작은 덩어리들이 어떻게 자라고, 서로 합쳐져, 우리 은하인 은하수를 포함해 오늘날 우주를 채우고 있는 은하들이 되었는지에 관한 이야기입니다.

이야기는 가장 오래된 빛에서 본 작은 잔물결, 곧 약 10만분의 1의 차이에서 시작합니다. 중력은 이 작은 차이를 큰 차이로 바꾸었습니다. 조금 더 밀도가 높은 곳은 조금 더 세게 끌어당기고, 물질을 더 많이 모아, 더욱 밀도가 높아집니다. 수억 년, 그리고 수십억 년에 걸쳐 잔물결은 덩어리로 자랐고, 덩어리는 더 큰 구조로 자랐습니다.

자연의 여러 힘 가운데 하필 중력이 이 일을 해낼 수 있었던 데는 이유가 있습니다. 일상생활에서 중력은 아주 약합니다. 작은 자석 하나가 지구 전체의 끌어당김을 이기고 클립을 들어 올릴 수 있습니다. 하지만 중력에는 특별한 성질이 하나 있습니다. 끌어당기기만 하고 결코 밀어내지 않으며, 계속 더해진다는 것입니다. 전기에는 양과 음 두 종류가 있어서, 많은 양의 물질 속에서는 대부분 서로 상쇄됩니다. 중력은 결코 상쇄되지 않습니다. 우주의 엄청난 거리와 긴 시간 속에서 중력은 모든 것을 빚어내는 힘이 됩니다.

천문학자들이 오늘날 은하들이 어디에 있는지 지도로 그려 보면 놀라운 무늬가 보입니다. 은하들은 탁자 위에 뿌린 설탕처럼 고르게 흩어져 있지 않습니다. 길게 이어진 실과 얇은 벽을 따라 늘어서 있고, 그 사이에는 거의 텅 빈 거대한 영역이 있습니다. 실들이 만나는 곳에는 은하들이 붐비는 은하군과 은하단이 있으며, 그 가운데에는 은하가 수백 개, 수천 개 들어 있는 것도 있습니다. 천문학자들은 이 무늬를 우주 거대 그물이라고 부릅니다.

아침 이슬에 덮인 거미줄이나, 거품들이 서로 맞붙은 커피 잔 위의 거품을 본 적이 있다면, 비슷한 모습을 본 것입니다. 얇은 가장자리와 이음매가 있고, 그 사이에 빈 공간이 있습니다. 물론 우주 거대 그물은 엄청나게 더 큽니다. 그 안의 빈 영역 하나가 수억 광년에 이르기도 합니다. 하지만 생각은 같습니다. 물질은 선을 따라, 그리고 만나는 지점에 모였고, 그 사이의 공간에서는 빠져나갔습니다.

우주의 컴퓨터 모형은 가장 오래된 빛에서 잰 잔물결로 시작해서 수십억 년에 걸쳐 중력을 따라 앞으로 나아가는데, 이 모형은 실제와 아주 닮은 그물을 만들어 냅니다. 이 일치는 천문학자들이 우주의 구조가 어떻게 자라났는지 큰 줄거리를 이해하고 있다고 생각하는 이유 가운데 하나입니다. 하지만 이 모형은 아주 중요한 재료 하나를 넣어야만 제대로 작동합니다. 아무도 직접 본 적이 없는 무언가입니다.

무언가가 빠졌다는 것을 알아차린 사람들

첫 단서는 1933년, 프리츠 츠비키라는 천문학자에게서 나왔습니다. 그는 머리털자리라는 별자리에 있는 큰 은하단을 연구하고 있었습니다. 그는 은하단 속의 은하들이 얼마나 빠르게 움직이는지 쟀습니다. 은하단 속의 은하들은 모두의 중력을 합친 힘에 붙잡힌 채 서로의 둘레를 움직입니다. 붐비는 방 안을 돌아다니지만 끝내 방을 떠나지는 않는 사람들과 같습니다. 은하들이 빠르게 움직일수록 그것들을 붙잡아 두는 데 더 많은 중력이 필요합니다.

츠비키는 은하들이 너무나 빠르게 움직이고 있다는 것을 발견했습니다. 은하단에 천문학자들이 볼 수 있는 물질, 곧 빛나는 별의 형태로 된 물질만 있다면, 그 은하단은 오래전에 흩어져 버렸어야 했습니다. 그런데도 은하단은 거기 있었습니다. 무언가가 엄청난 중력을 보태고 있는 것이 틀림없었습니다. 츠비키는 빛나지는 않지만 끌어당기기는 하는 물질, 곧 '암흑 물질'에 대해 썼습니다. 당시의 많은 천문학자는 확신하지 못했습니다. 측정은 어려웠고, 무언가를 놓쳤을 가능성도 있었습니다. 그 생각은 기다려야 했습니다.

수십 년 뒤인 1970년대에 천문학자 베라 루빈은 나선 은하 안에서 별과 가스가 어떻게 돌고 있는지 연구했습니다. 나선 은하는 커다란 바퀴처럼 천천히 돕니다. 여러분은 그것이 우리 태양계처럼 돌 것이라고 예상할지도 모릅니다. 태양계에서는 태양에서 멀리 있는 행성이 가까이 있는 행성보다 느리게 움직입니다. 멀리 갈수록 태양의 끌어당김이 약해지기 때문입니다. 은하의 빛은 대부분 밝은 중심부에서 나오므로, 천문학자들은 바깥쪽의 별들도 느리게 움직일 것이라고 예상했습니다.

루빈이 발견한 것은 그렇지 않았습니다. 은하를 하나씩 재 볼 때마다, 가장자리 멀리 있는 별과 가스가 안쪽에 있는 것들과 똑같이 빠르게 움직이고 있었습니다. 너무 빨라서, 은하 안에 눈에 보이는 것보다 훨씬 많은 물질이 밝은 별들 너머 멀리까지 퍼져 있지 않다면 튕겨 나가 버렸어야 했습니다. 루빈은 꼼꼼하고 끈기 있었으며, 그녀의 측정값은 반박하기 어려웠습니다. 다른 사람들의 연구와 더불어, 그 측정값은 대부분의 천문학자에게 암흑 물질이 실제로 있다는 확신을 주었습니다. 꾸준하고 꼼꼼한 작업이 한 분야 전체가 믿는 것을 바꾼 좋은 예였습니다.

그 뒤로 다른 증거들이 더해졌습니다. 질량은 그 근처를 지나는 빛의 경로를 휘게 하며, 천문학자들은 앞쪽에 있는 은하단 때문에 빛이 휘고 일그러진 뒤쪽 은하들을 볼 수 있습니다. 휘어진 정도는 그곳에 질량이 얼마나 있는지 알려 주는데, 이번에도 눈에 보이는 물질보다 훨씬 많습니다. 가장 오래된 빛의 무늬도 많은 양의 암흑 물질이 있어야만 설명할 수 있습니다. 오늘날 천문학자들은 우주에 보통의 물질보다 약 다섯 배 많은 암흑 물질이 있다고 어림합니다.

아는 것과 모르는 것

그렇다면 암흑 물질은 무엇일까요? 솔직한 답은 아무도 모른다는 것입니다. 우리는 그 끌어당김을 볼 수 있으니 암흑 물질에 중력이 있다는 것을 압니다. 빛을 내지도, 반사하지도, 가로막지도 않는다는 것을 압니다. 그렇지 않다면 우리 눈에 보였을 테니까요. 우리가 알아차릴 수 있었던 어떤 방식으로도 보통의 물질과 부딪치지 않는 것 같다는 것도 압니다. 그 너머의 정체는 과학에서 가장 큰 미해결 질문 가운데 하나입니다.

많은 과학자가 생각하듯 암흑 물질이 입자로 이루어져 있다면, 그 입자들은 아마 먼 다른 은하들에만 있지 않을 것입니다. 바로 여기 은하수 안, 우리 둘레 어디에나 있으면서 아무것도 건드리지 않고 지구를, 정거장을, 그리고 여러분이 이 글을 읽고 있는 방을 조용히 지나가고 있을지도 모릅니다. 암흑 물질이 무엇인지 모르기 때문에 확실한 것은 아닙니다. 하지만 이상하고도 부드러운 생각입니다. 우주에서 가장 흔한 종류의 물질이 지금 이 순간 여러분을 지나가고 있는데, 여러분은 결코 그것을 느끼지 못한다는 것입니다.

대부분 배제된 가능성들도 있습니다. 암흑 물질이 차가운 가스, 먼지, 희미한 별, 죽은 별, 블랙홀처럼 보기 어려운 보통의 물질일 뿐일 수는 없을까요? 천문학자들은 그런 천체들을 찾아보았고, 일부를 찾아내기는 했지만 턱없이 모자랐습니다. 더 깊은 이유도 있습니다. 지난 어느 밤에 만난 처음 몇 분이 우주 속 보통 물질의 전체 양을 정해 놓았고, 가장 오래된 빛이 그 양을 확인해 줍니다. 그 양은 늘어난 중력을 모두 설명하기에는 너무나 적습니다. 그러니 암흑 물질의 대부분은 별과 행성과 사람을 이루는 원자와는 다른 무언가여야 합니다.

많은 과학자는 암흑 물질이 아직 발견되지 않은 일종의 입자라고 생각합니다. 세계 곳곳에서 과학자들은 암흑 물질 입자가 보통의 물질과 부딪치는 순간을 붙잡으려고, 다른 입자들을 막아 주는 땅속 깊은 곳에 흔히 설치되는 아주 민감한 검출기를 만들었습니다. 입자 가속기나 하늘에서 암흑 물질의 흔적을 찾는 사람들도 있습니다. 지금까지 이 탐색 가운데 어느 것도 그것을 찾지 못했습니다. 그렇다고 암흑 물질이 없다는 뜻은 아닙니다. 사람들이 바랐던 것보다 붙잡기 어렵거나, 예상했던 것과 다르다는 뜻입니다.

소수의 과학자는 다른 생각을 시도해 보았습니다. 어쩌면 여분의 물질 같은 것은 전혀 없고, 대신 아주 먼 거리에서는 중력이 우리 이론이 말하는 것과 다르게 행동하는지도 모른다는 생각입니다. 이 생각은 은하가 어떻게 도는지를 설명하는 데는 어느 정도 성공을 거두었습니다. 하지만 은하단, 빛의 휘어짐, 가장 오래된 빛의 무늬를 한꺼번에 설명하는 데는 큰 어려움을 겪었습니다. 암흑 물질은 이것들을 함께 설명합니다. 지금으로서는 대부분의 천문학자가 암흑 물질이 더 나은 설명이라고 생각합니다. 하지만 질문은 여전히 열려 있으며, 증거가 매듭지을 때까지는 바로 그래야 마땅합니다.

그것이 무엇으로 밝혀지든, 암흑 물질은 은하가 자라나는 데 핵심적인 역할을 했습니다. 젊은 우주에서 보통의 물질은 빛에 이리저리 밀려다녔고, 가장 오래된 빛이 풀려나기 전까지는 쉽게 덩어리로 모일 수 없었습니다. 암흑 물질은 빛을 전혀 느끼지 않습니다. 그래서 더 일찍 덩어리로 모이기 시작할 수 있었습니다. 마침내 보통의 가스가 자유로워졌을 때, 그 가스는 이미 기다리고 있던 암흑 물질의 덩어리 속으로 떨어져 들어갔습니다. 그렇게 먼저 출발하지 않았다면 은하가 생겨나는 데 훨씬 더 오래 걸렸을 것이고, 오늘날의 우주는 아주 다르게 보였을지도 모릅니다.

서로 합쳐지는 은하들

최초의 은하들은 작았습니다. 지난번 밤에 보았듯이 웹 망원경은 시작으로부터 수억 년 뒤의 은하들을 보는데, 그 은하들은 은하수보다 훨씬 작습니다. 우리 은하 같은 큰 은하는 그렇게 작은 시작에서 어떻게 자랐을까요? 한편으로는 우주 거대 그물에서 새로운 가스를 끌어들이고, 한편으로는 서로 합쳐지면서 자랐습니다. 누르의 물방울과 비슷하지만, 훨씬 느리고 훨씬 덜 부드럽게 말입니다.

두 은하가 가까워지면 서로의 중력이 서로를 끌어당깁니다. 두 은하는 서로의 둘레를 휘돌고, 때로는 수억 년에 걸쳐 여러 번 그렇게 하며, 그 과정에서 별과 가스가 긴 줄기를 이루며 끌려 나옵니다. 결국 두 은하는 흔히 하나의 더 큰 은하로 자리를 잡습니다. 천문학자들은 이 느린 만남의 여러 단계에 있는 은하 쌍을 많이 촬영했습니다. 사진 한 장 한 장이 사람의 일생보다 훨씬 오래 상영되는 영화의 한 장면과 같습니다.

우리 은하는 수십억 년에 걸친 이런 성장의 결과입니다. 오늘날 은하수는 지름이 약 10만 광년이고 수천억 개의 별을 품은 커다란 나선 은하이며, 그 별 가운데 하나가 태양입니다. 정거장에서 어두운 쪽을 지날 때 누르는 하늘을 가로지르는 그 띠를 볼 수 있었습니다. 누르가 본 것은 별로 이루어진 거대하고 납작한 원반을 그 안 어딘가에서 옆으로 바라본 모습이었습니다.

은하수도 일부는 이런 식으로 자랐습니다. 우리 은하 안 별들의 움직임을 연구하는 천문학자들은 특이한 방식으로 함께 움직이는 별의 무리들을 찾아냈고, 이것이 오래전 은하수가 삼킨 더 작은 은하들의 잔해라고 생각합니다. 우리 은하에서 가장 오래된 별 가운데 일부는 130억 년도 더 전에 생겨났으므로, 은하수는 우주 역사의 거의 전체에 걸쳐 자라 온 셈입니다. 오늘날에도 은하수는 이웃한 작은 은하 몇 개를 천천히 끌어들이고 있습니다.

그리고 은하수 앞에는 큰 만남이 기다리고 있습니다. 지난 어느 밤에 우리는 약 250만 광년 떨어진 안드로메다 은하가 우리 쪽으로 다가오고 있는 몇 안 되는 은하 가운데 하나라는 것을 보았습니다. 약 40억 년에서 50억 년 뒤에 은하수와 안드로메다 은하는 서로 아주 가까이 다가올 것으로 예상되며, 긴 시간에 걸쳐 하나의 더 큰 은하로 합쳐질 수도 있습니다. 두 은하의 정확한 경로는 아직 측정 중이므로, 천문학자들은 합쳐짐이 언제 일어날지, 심지어 일어날지조차 아직 확신하지 못합니다. 만약 일어난다면, 그때까지 남아 있는 어떤 행성의 밤하늘이든 새로운 별의 줄기와 구름으로 가득한, 아주 다른 모습이 될 것입니다.

놀랍게 들릴 수도 있지만 걱정할 필요는 없습니다. 이유는 두 가지입니다. 첫째는 걸리는 시간이 엄청나다는 것입니다. 인류 역사를 여러 번 합친 것보다 훨씬 깁니다. 둘째는 은하가 대부분 빈 공간이라는 것입니다. 별과 별 사이의 거리는 별 자체에 비해 너무나 커서, 두 은하가 합쳐질 때도 별끼리는 거의 부딪치지 않습니다. 별들은 아주 멀리 떨어진 채 서로 지나가고, 두 은하의 가스 구름이 만나 많은 새로운 별을 낳을 수도 있습니다.

사미에게 보내는 메시지

잠들기 전에 누르는 물방울 영상을 한 번 더 보고, 완성된 수업 영상을 지상으로 보냈습니다. 누르는 교실에서 그것을 보게 될 아이들을, 그리고 물방울이 되고 싶다는 사미의 딸을 떠올렸습니다. 거미줄의 이슬방울처럼 은하들이 늘어서 있는 우주 거대 그물의 긴 실들도 떠올렸습니다.

누르는 사미에게 썼습니다. "딸한테 은하도 물방울처럼 합쳐진다고 말해 줘. 다만 아주 천천히. 우리 은하는 더 작은 은하를 여러 개 삼켰어. 그리고 은하를 붙잡아 두는 것의 대부분은 아직 아무도 정체를 밝히지 못한 눈에 보이지 않는 무언가야. 어쩌면 그 애가 그게 뭔지 알아내는 사람이 될지도 몰라." 사미는 딸이 잠들었지만 아침에 말해 주겠다고, 그리고 틀림없이 '정체를 밝힌다'는 게 무슨 뜻이냐고 물을 거라고 답했습니다.

어쩌면 여러분도 한 주의 끝에는 아침에 집안일을 하고 오후에는 좋아하는 일을 하는 가벼운 하루를 보낼지 모릅니다. 그런 날 물 한 잔을 따르거나 빗물이 창에 방울져 모이는 것을 보면, 우주의 길고 느린 모여듦을 떠올려 볼 수도 있겠습니다. 작은 것들이 합쳐져 더 큰 것이 됩니다. 그것들을 붙잡아 두는 것 가운데 일부는 쉽게 보입니다. 그 일부는 사람들을 이어 주는 좋은 것들 상당수가 그렇듯 전혀 보이지 않습니다.

흔한 오해

많은 사람이 암흑 물질은 먼지나 어두운 구름이나 죽은 별처럼 너무 어두워서 보이지 않는 보통의 물질일 뿐이라고 생각합니다. 천문학자들은 그런 것들을 꼼꼼하게 찾아보았습니다. 그런 것들은 있지만, 턱없이 모자랍니다. 우주의 처음 몇 분과 가장 오래된 빛은 모두 보통 물질의 전체 양이 늘어난 중력을 설명하기에는 너무나 적다는 것을 보여 줍니다. 그러니 암흑 물질의 대부분은 다른 무언가, 아마도 원자로 이루어지지 않은 무언가여야 합니다.

또 많은 사람이 과학자들은 암흑 물질이 무엇인지 알면서 그저 수수께끼 같은 이름을 붙여 부르는 것이라고 여깁니다. 과학자들은 모릅니다. 얼마나 있는지, 대략 어디에 있는지, 어떻게 끌어당기는지는 압니다. 하지만 여러 해에 걸친 꼼꼼한 탐색에도 불구하고 그것이 무엇으로 이루어져 있는지는 밝혀지지 않았습니다. 이름에 들어 있는 '암흑'이라는 말은 정직한 고백입니다. 그 효과는 보이지만 그 자체는 볼 수 없으며, 아직 그것을 이해하지 못한다는 뜻입니다.

마지막으로, 많은 사람이 두 은하가 충돌하면 별들이 서로 부딪쳐 거대한 폭발이 일어난다고 상상합니다. 사실 은하 전체가 합쳐질 때조차 별끼리는 거의 부딪치지 않습니다. 별과 별 사이의 공간이 너무나 넓기 때문입니다. 태양이 모래 한 알만 하다면, 가장 가까운 다른 별은 10킬로미터 넘게 떨어진 또 하나의 모래알일 것입니다. 진짜 만남은 가스 구름들 사이에서 일어납니다. 가스 구름은 압축되어 새로운 별을 만들 수 있고, 그 새로운 별들은 다시 새로운 원소를 만듭니다. 다음 밤에는 별 속을 들여다보며 별들이 어떻게 우리 몸의 원소를 만들었는지 살펴보겠습니다.