제13장 암흑 에너지의 수수께끼

150번째 밤: 부드러운 밀어 올림

임무 150일째, 정거장은 지구 위로 자기 자신을 조금 더 높이 올릴 예정이었습니다. 이것을 궤도 재상승이라고 부르며, 가끔씩 이루어집니다. 약 400킬로미터 높이에는 공기가 거의 없지만, 완전히 없는 것은 아닙니다. 아주 희박한 대기의 흔적이 아직 그 높이까지 닿아 있습니다. 정거장은 매초 듬성듬성 흩어진 엄청나게 많은 공기 입자와 부딪치고, 그것들이 모여 정거장을 아주 조금씩 느려지게 합니다. 몇 주, 몇 달에 걸쳐 정거장은 천천히 낮아집니다. 그래서 이따금 엔진을 켜서 정거장을 다시 밀어 올립니다.

누르는 이것이 조용히 놀라운 사실이라고 생각했습니다. 구름과 날씨보다 훨씬 높은 이곳에서도 정거장은 지구의 공기에서 완전히 자유롭지 않았습니다. 이런 작은 밀어 올림이 없다면 정거장은 여러 해에 걸쳐 점점 더 낮아질 것이고, 둘레의 공기는 점점 짙어질 것이며, 결국 아래의 짙은 공기 속으로 내려오고 말 것입니다. 그러니 궤도 재상승은 차량의 타이어를 점검하거나 문에 기름을 치는 것 같은 일상적인 정비의 하나입니다. 지상의 누구도 보지 못하지만, 모든 것이 계속 돌아가게 해 줍니다.

궤도 재상승은 지상 팀들이 계획했고, 엔진은 지상과 정거장의 컴퓨터가 조종했습니다. 승무원들이 할 일은 준비였습니다. 누르와 토마스는 모듈을 하나씩 돌며, 작은 속도 변화에 밀려 움직일 수 있는 곳에 떠다니는 물건이 없는지 확인했습니다. 공구를 치웠습니다. 카메라를 제자리에 고정했습니다. 아주 작은 움직임을 재는 실험 하나를 잠시 멈추었습니다. 누르는 며칠째 정리하려고 마음먹고 있던 옷 가방의 끈을 단단히 조였습니다.

엔진이 켜졌을 때 굉음은 없었습니다. 부드럽고 꾸준한 밀림만 있었습니다. 창 근처의 손잡이를 잡고 있던 누르는, 정거장이 둘레에서 앞으로 나아가면서 손잡이를 통해 살며시 끌리는 느낌을 받았습니다. 누군가 잊어버린 펜 하나가 모듈 뒤쪽으로 천천히 떠갔습니다. 토마스가 쳐다보지도 않고 그것을 붙잡았습니다. 그는 대부분의 물건을 그렇게 붙잡습니다. 몇 분 뒤 엔진이 멈추었고, 모든 것이 전처럼 떠 있었습니다. 이제 정거장은 조금 더 높아졌고, 더 오래 떠 있을 수 있게 되었습니다.

몇 분 뒤 지상의 차분한 목소리가 궤도 재상승이 계획대로 이루어졌다고 확인해 주었습니다. 토마스가 일지에 시각을 적었고, 누르와 아데는 다시 모듈을 돌며 아침에 해 둔 준비를 하나씩 되돌렸습니다. 멈추었던 실험이 다시 시작되었습니다. 카메라의 고정 장치를 풀었습니다. 점심때가 되자 정거장은 전과 똑같아 보였습니다. 다만 구름 위로 조금 더 높이 있을 뿐이었습니다.

그날 저녁 누르는 사미에게 궤도 재상승 이야기를 했습니다. 매일 밤 차량을 다루는 사미는 곧바로 알아들었습니다. "그러니까 트럭이 오르막길을 가는 거랑 비슷하네." 사미는 이렇게 썼습니다. "가속 페달에서 발을 떼면 느려지잖아." 그러고는 다른 것을 물었습니다. "우주도 느려져? 빅뱅 뒤에 모든 게 흩어져 날아갔다면, 지금쯤은 느려지고 있어야 하는 거 아냐?"

누르는 화면을 보며 미소를 지었습니다. 20세기의 대부분 동안 천문학자들은 정확히 같은 질문을 던졌고, 같은 답을 예상했습니다. 오늘 밤의 이야기는 그들이 대신 무엇을 발견했는지에 관한 것입니다. 그것은 천문학 역사에서 가장 큰 놀라움 가운데 하나이며, 지금도 수수께끼입니다.

느려질 것이라는 예상

공을 하늘로 똑바로 던져 올린다고 생각해 보세요. 공이 올라가는 동안 지구의 중력이 공을 끌어당겨 공은 느려집니다. 살살 던지면 공은 느려지다가 멈추고 다시 손으로 떨어집니다. 엄청나게 세게 던질 수 있다면 공은 지구를 완전히 벗어날지도 모르지만, 그래도 가는 내내 느려지고 있을 것입니다. 중력은 끌어당기기를 결코 멈추지 않기 때문입니다.

여러 해 동안 천문학자들은 팽창하는 우주를 비슷한 방식으로 생각했습니다. 뜨거운 시작 이후로 은하들은 서로 멀어져 왔습니다. 공간이 늘어나 왔기 때문입니다. 하지만 우주의 모든 물질은 중력으로 다른 모든 물질을 끌어당깁니다. 그러니 이 끌어당김이 팽창에 서서히 제동을 걸 것이라고 생각하는 것이 자연스러워 보였습니다. 남은 질문은 그 제동이 얼마나 강한가 하는 것뿐인 듯했습니다. 팽창이 아주 많이 느려져서 언젠가 멈추고 방향을 바꿀까? 아니면 끝내 멈추지는 않으면서 영원히 느려지기만 할까?

알베르트 아인슈타인이 1915년에 완성한 중력 이론은 물질로 가득한 우주에 여러 가지 서로 다른 미래를 허용했습니다. 1922년에 알렉산드르 프리드만은 그 가능성 가운데 몇 가지를 종이 위에서 계산해 냈습니다. 어떤 종류의 우주에서는 팽창이 느려지다가 방향을 바꾸어, 모든 것이 다시 한데 모여듭니다. 다른 종류의 우주에서는 팽창이 느려지지만 결코 멈추지 않습니다. 우리가 어느 쪽에 살고 있는지는 우주에 물질이 얼마나 들어 있느냐에 달려 있을 것이었습니다. 수십 년 동안 그 양과 팽창이 느려지는 정도를 재는 것은 천문학의 핵심 과제 가운데 하나였습니다.

그 답을 얻으려면 천문학자들은 지금의 팽창과 오래전의 팽창을 비교해야 했습니다. 멀리 보는 것은 과거를 보는 것이라는 사실을 떠올려 보세요. 아주 먼 은하들이 그 빛을 떠나보낼 때 얼마나 빠르게 멀어지고 있었는지 재서 가까운 은하들과 비교할 수 있다면, 팽창이 변했는지 알 수 있습니다. 오래된 녹화 영상으로 차량의 속도를 확인하고 그것을 오늘의 속도와 비교하는 것과 조금 비슷합니다.

어려운 부분은 아주 멀리 있는 은하까지의 거리를 재는 일이었습니다. 헨리에타 리빗이 연구한 맥동하는 별들은 밝지만, 가장 먼 거리에서도 보일 만큼 밝지는 않습니다. 천문학자들에게는 실제 밝기를 알고 있는, 훨씬 더 밝은 종류의 등불이 필요했습니다. 그들은 그것을 특별한 종류의 폭발하는 별에서 찾았습니다.

거리를 재는 등불이 된 폭발하는 별

어떤 폭발하는 별은 백색 왜성에서 시작합니다. 지난 어느 밤에 만난, 태양 같은 별이 남긴 작고 밀도 높은 잔해입니다. 백색 왜성 가까이에 짝이 되는 별이 있으면, 백색 왜성은 그 짝에게서 물질을 천천히 모을 수 있습니다. 너무 무거워지면 백색 왜성은 아주 밝고 꽤 규칙적인 방식으로 폭발합니다. 이런 종류의 폭발은 매번 거의 같은 최대 밝기에 이르며, 천문학자들은 그 사이의 작은 차이를 보정하는 방법을 익혔습니다. 그래서 이 폭발은 수십억 광년 너머에서도 보이는, 거리를 재는 등불로 쓸모 있게 되었습니다.

일 자체는 아주 어렵지만, 방법은 간단하게 설명할 수 있습니다. 어떤 등불이 실제로 얼마나 밝은지 안다면, 그것이 얼마나 희미하게 보이는지로 얼마나 멀리 있는지 알 수 있습니다. 긴 길 끝의 가로등이 어둡게 보이는 것은 약해서가 아니라 멀리 있기 때문입니다. 마찬가지로 이런 종류의 폭발하는 별이 희미하게 보인다면 그것은 아주 멀리 있는 것이 틀림없습니다.

1990년대에 천문학자들로 이루어진 서로 다른 두 팀이 이 폭발을 이용해 팽창이 느려지는 정도를 재는 일에 나섰습니다. 이 일에는 인내가 필요했습니다. 이런 폭발은 어느 한 은하에서는 드물게 일어나기 때문에, 두 팀은 아주 많은 은하를 지켜보다가 폭발이 밝을 때 붙잡아 큰 망원경으로 꼼꼼하게 재야 했습니다. 많은 사람이 긴 밤을 새워 일하고, 기록을 비교하고, 단계마다 논쟁했습니다.

1998년, 두 팀은 같은 결과를 발표했습니다. 먼 곳의 폭발들이 예상보다 희미했던 것입니다. 그것은 팽창이 느려지고 있었다면 있어야 할 곳보다 그 폭발들이 더 멀리 있다는 뜻이었습니다. 가장 좋은 설명은 거의 모든 사람이 예상했던 것과 정반대였습니다. 우주의 팽창은 느려지고 있지 않았습니다. 지난 수십억 년 동안 팽창은 빨라지고 있었던 것입니다.

이 결과가 그토록 설득력 있었던 것은 그것이 서로 다른 두 팀에서 나왔기 때문입니다. 두 팀은 따로 일했고, 저마다의 망원경과 저마다의 확인 방법을 썼으며, 사이좋게 누가 먼저 해내는지 겨루고 있었습니다. 한 팀만 팽창이 빨라지고 있다는 것을 발견했다면, 다른 과학자들은 그 팀의 작업에 실수가 있지 않을까 의심했을지도 모릅니다. 두 팀이 모두 같은 놀라운 답을 찾아내자, 그 결과는 무시하기가 훨씬 어려워졌습니다. 과학에서도 많은 일터에서처럼, 꼼꼼한 두 무리가 따로따로 이른 결과는 한 무리만 본 결과보다 더 값집니다.

처음에 많은 과학자는 확신하지 못했습니다. 먼지가 빛을 흐리게 한 것은 아닐까? 오래전의 폭발은 조금 달랐던 것은 아닐까? 이런 질문들은 그 뒤 여러 해에 걸쳐 거듭 검증되었습니다. 가장 오래된 빛과 은하들이 우주 공간에 퍼져 있는 방식을 자세히 그린 지도를 비롯한 다른 종류의 측정도 그 뒤로 같은 방향을 가리켜 왔습니다. 팽창이 빨라지고 있다는 것은 이제 그림의 한 부분으로 널리 받아들여지고 있습니다.

이 연구에서 나온 전체 그림은 두 부분으로 되어 있습니다. 뜨거운 시작 이후 처음 수십억 년 동안은 천문학자들이 예상했던 대로 팽창이 정말 느려지고 있었습니다. 물질이 더 가까이 모여 있어서 그 중력이 강했기 때문입니다. 하지만 공간이 늘어나고 물질이 묽어지면서 그 제동은 약해졌습니다. 수십억 년 전, 곧 이름을 붙일 미지의 밀어냄이 물질의 제동보다 강해졌고, 팽창은 빨라지기 시작했습니다. 그러니 20세기의 천문학자들이 중력에 대해 틀렸던 것은 아닙니다. 그들은 이야기의 예상치 못한 두 번째 부분을 놓치고 있었을 뿐입니다.

수수께끼에 이름을 붙이다

팽창이 빨라지고 있다면 무언가가 그것을 일으키고 있을 것입니다. 과학자들은 그 무언가가 무엇인지 모릅니다. 그래도 이름은 붙였습니다. 암흑 에너지입니다. 빛을 내지 않고 직접 볼 수 없기 때문에 '암흑'이라고 하고, 우주 전체에 작용하는 것처럼 보이기 때문에 '에너지'라고 합니다. 하지만 그 이름은 빈 상자에 붙인 이름표입니다. 무언가가 거기 있다는 것은 알려 주지만, 그것이 무엇인지는 알려 주지 않습니다.

현재의 측정에 따르면 우주의 전체 내용물은 대략 이렇게 나눌 수 있습니다. 별, 행성, 가스, 사람을 이루는 종류의 보통 물질은 약 5퍼센트에 불과합니다. 지난 어느 밤에 만난 암흑 물질은 약 27퍼센트입니다. 암흑 에너지는 약 68퍼센트입니다. 다시 말해 우리가 지금까지 망원경으로 본 모든 것은 우주에 들어 있는 것의 작은 부분일 뿐입니다. 나머지는 그 효과로만 알려져 있습니다.

이것을 집안 살림의 가계부로 그려 보면 도움이 될지도 모릅니다. 한 달 동안의 지출을 살펴보았더니, 100 가운데 5만이 이름을 댈 수 있는 것, 곧 집세와 식비와 교통비에 쓰였다고 상상해 보세요. 약 27은 효과는 느낄 수 있지만 어떤 영수증에서도 볼 수 없는 무언가에 쓰였습니다. 그리고 약 68은 그보다 더 이상한 무언가, 가계부 전체를 다달이 더 크게 만드는 것 같은 무언가에 쓰였습니다. 여러분은 그 숨은 두 항목을 정말 이해하고 싶을 것입니다. 오늘날 천문학자들이 놓인 처지가 바로 그렇습니다.

한 가지 가능성은 암흑 에너지가 빈 공간 자체의 성질이라는 것입니다. 완전히 텅 빈 공간에도 아주 조금의 에너지가 들어 있다면, 공간이 늘어날수록 빈 공간이 많아지고 이 에너지도 많아집니다. 이 에너지가 팽창을 밀어 줄 것입니다. 흥미롭게도 이 생각은 알베르트 아인슈타인이 1917년, 가만히 서 있는 우주를 설명하고 싶어서 자기 방정식에 덧붙였던 항을 다시 불러옵니다. 그는 팽창이 발견되자 그 항을 버렸습니다. 오늘날 같은 항이 새로운 역할로 돌아왔습니다. 우주를 가만히 붙잡아 두는 것이 아니라, 우주가 빨라지는 것을 설명하는 역할입니다.

하지만 이것이 유일한 가능성은 아닙니다. 어떤 과학자들은 암흑 에너지가 시간에 따라 변할 수 있다고 생각합니다. 가장 먼 거리를 볼 때는 우리의 중력 이론을 바꾸어야 하는 것은 아닌지 궁금해하는 사람들도 있습니다. 지금으로서는 합의된 답이 없습니다. 하늘을 대규모로 새로 조사하는 작업들이 엄청나게 많은 은하의 위치와 거리를 재며, 팽창이 시간에 따라 어떻게 변해 왔는지 더 정확하게 알아보고 있습니다. 이런 측정이 언젠가 어떤 생각이 올바른 길에 있는지 보여 줄지도 모릅니다.

일치하지 않는 두 측정

천문학자들이 오늘날 연구하고 있는, 팽창과 관련된 또 하나의 미해결 질문이 있습니다. 우주가 바로 지금 얼마나 빠르게 팽창하고 있느냐 하는 것입니다. 이것을 재는 방법은 여러 가지입니다. 한 가지는 앞에서 이야기한 연구에서처럼 맥동하는 별과 폭발하는 별을 이용해 가까운 은하들의 거리와 속도를 재는 것입니다. 다른 한 가지는 가장 오래된 빛의 자세한 지도에서 출발해, 우리의 가장 좋은 우주 이론을 써서 오늘날 팽창이 얼마나 빨라야 하는지 계산하는 것입니다.

두 방법 모두 꼼꼼하고, 둘 다 여러 번 확인되었습니다. 그런데도 둘은 조금 다른 답을 내놓습니다. 그 차이는 크지 않지만, 측정에서 예상되는 오차보다는 큽니다. 꼼꼼한 두 일꾼이 같은 방을 서로 다른 두 도구로 쟀는데, 작지만 끈질기게 사라지지 않는 차이가 나는 것과 조금 비슷합니다. 두 일꾼이 저마다 자기 도구를 점검해 보아도, 두 도구 모두 멀쩡해 보입니다.

답이 왜 다른지는 아직 아무도 모릅니다. 어쩌면 두 방법 가운데 하나에 아무도 찾지 못한 작은 오차가 숨어 있을지도 모릅니다. 어쩌면 우리의 우주 이론에 무언가가, 예를 들어 암흑 에너지나 초기 우주에 관한 무언가가 빠져 있을지도 모릅니다. 과학자들은 새로운 망원경과 새로운 방법으로 두 가능성을 모두 검증하고 있습니다. 과학이 어떻게 움직이는지를 정직하게 보여 주는 예입니다. 좋은 두 측정이 일치하지 않을 때, 과학자들은 마음에 드는 쪽을 고르지 않습니다. 이해할 때까지 계속 잽니다.

새로운 망원경들이 이 질문에 도움을 주고 있습니다. 적외선을 보는 제임스 웹 우주 망원경은 먼지를 꿰뚫어 보고, 은하 속의 맥동하는 별 하나하나를 이전의 망원경보다 더 또렷하게 가려낼 수 있습니다. 천문학자들은 이 망원경과 다른 망원경들을 이용해 가까운 거리의 측정을 한 단계씩 확인하고 있습니다. 한편 다른 팀들은 가장 오래된 빛에 바탕을 둔 계산을 다듬고 있습니다. 새로운 결과가 나올 때마다 사람들은 그것을 주의 깊게 지켜봅니다. 어느 쪽으로 나든 분명한 답은 우리에게 중요한 무언가를 가르쳐 줄 것이기 때문입니다.

일하는 사람에게는 여기에 익숙한 무언가가 있습니다. 우리 가운데 많은 사람이 직장에서 사라지지 않는 문제를 겪어 본 적이 있습니다. 맞지 않는 숫자, 혹은 뚜렷한 이유 없이 가끔 멈추는 기계 같은 것 말입니다. 해결책은 흔히 끈기 있는 확인 끝에 천천히 옵니다. 우주도 끈기 있는 확인을 하나씩 거치며 이해되어 가고 있습니다.

잠들기 전에

늦은 저녁, 누르는 창가로 떠 갔습니다. 정거장은 그날 조금 더 높이 올라갔지만, 안에서 보기에는 아무것도 달라 보이지 않았습니다. 아래에서는 지구가 돌았고, 대기의 가장자리 위로는 별들이 빛났습니다. 저 별들 너머 어딘가에서 은하들은 아무도 본 적 없는 무언가에 밀려 해마다 조금씩 더 빠르게 멀어지고 있습니다.

누르는 사미에게 썼습니다. "좋은 질문이었어. 천문학자들은 우주가 느려지고 있을 거라고 예상했어. 페달을 밟지 않고 오르막을 오르는 네 트럭처럼. 그런데 막상 재 보니 정반대였어. 팽창은 빨라지고 있어. 그 원인을 암흑 에너지라고 부르는데, 그게 뭔지는 아무도 몰라. 그러니까 오늘 밤 네 질문은 과학에서 가장 큰 질문 가운데 하나야."

잠들기 전에 누르는 제자리에 머물려면 밀어 줘야 하는 정거장에서 일하면서, 아무도 이해하지 못하는 무언가에 의해 바깥으로 밀려나는 것처럼 보이는 우주 안에 있다는 것이 얼마나 이상한 일인지 생각했습니다. 정거장이 천천히 내려앉는 것도, 우주가 빨라지는 것도 같은 방식으로 알아차려졌습니다. 숫자를 꼼꼼히 들여다보다가 무언가 맞지 않는다는 것을 본 사람들에 의해서 말입니다.

새벽 세 시, 사미는 트럭 운전석에서 그 메시지를 읽었습니다. "그러니까 우주가 페달을 밟고 있는데," 사미는 이렇게 답했습니다. "그게 누구 발인지는 아무도 모른다는 거네." 누르는 잠에서 깨어 그 답을 읽고, 전혀 나쁘지 않은 설명이라고 생각했습니다.

우주를 연구하며 일하는 인생 전체를 보내는 사람들조차 모든 답을 갖고 있지는 않다는 것을 알면 위안이 될지도 모릅니다. 오늘 밤 여러분의 삶에서 무언가가 아직 분명하지 않다면, 여러분은 아주 좋은 사람들과 함께 있는 것입니다. 어떤 질문은 금방 답을 얻습니다. 다른 질문에는 인내와 꼼꼼한 노력과 시간이 필요합니다.

흔한 오해

많은 사람이 암흑 에너지와 암흑 물질이 같은 것이라고 생각합니다. 둘 다 이름에 '암흑'이 들어 있기 때문입니다. 사실 둘은 아주 다릅니다. 암흑 물질은 사물을 한데 끌어당깁니다. 그 중력은 은하와 은하단을 붙잡아 두고, 그것들이 생겨나도록 도왔습니다. 암흑 에너지는 그 반대 일을 하는 것처럼 보입니다. 우주의 팽창을 더 빨라지도록 밀어붙입니다. 둘 다 직접 볼 수 없어서 '암흑'이라고 부르며, 둘 다 아직 이해되지 않았습니다. 하지만 둘은 서로 다른 두 수수께끼입니다.

또 많은 사람이 암흑 에너지가 배터리나 햇빛 속의 에너지처럼 모아서 쓸 수 있는 종류의 에너지라고 생각합니다. 이름 때문에 그렇게 들립니다. 하지만 암흑 에너지는 그것이 무엇이든 공간 전체에 극도로 묽게 퍼져 있습니다. 방 하나의 공간, 아니 지구 전체의 공간에도 그것은 거의 들어 있지 않을 것입니다. 그 효과는 은하 무리들 사이의 엄청난 거리에서만 중요해집니다. 그것은 기계를 돌리는 동력원이 아니며, 원리적으로라도 그것을 어떻게 쓸 수 있을지 아는 사람은 없습니다.

마지막으로, 어떤 사람들은 과학자들이 우주가 어떻게 끝날지, 예를 들어 스스로 찢어질지, 얼어붙을지, 다시 한데 무너져 모일지 이미 안다고 생각합니다. 그런 생각이 사실처럼 소개된 글을 읽은 적이 있을지도 모릅니다. 사실은 먼 미래가 암흑 에너지의 성질에 달려 있는데, 우리는 아직 그 성질을 모릅니다. 암흑 에너지가 지금 보이는 그대로 남는다면, 팽창은 계속 빨라질 것이고 먼 은하들은 천천히 시야에서 사라질 것입니다. 하지만 암흑 에너지가 변한다면 미래는 다를 수 있습니다. 다음 밤에는 조용한 야간 당직 시간에, 우리가 아는 것의 맨 가장자리까지 가서 그 너머에 무엇이 있는지 물어보겠습니다.