제3장 우주는 누구의 생각보다도 컸다

19번째 밤: 분홍빛 아래의 상추

열아홉째 날, 누르는 오전 내내 정원사로 일했습니다. 정거장 한쪽 구석에는 부엌 찬장만 한 작은 재배 장치가 있는데, 그 안에서는 색깔 있는 조명 아래 식물을 기릅니다. 조명은 빨간빛과 파란빛을 섞은 것이라 장치 안은 분홍색으로 빛납니다. 빨간빛과 파란빛은 잎이 자라는 데 가장 많이 쓰는 색이어서, 다른 색에 전력을 낭비할 필요가 없습니다. 장치 안에서는 어린 상추 한 줄이 점토 같은 재배용 흙과 비료를 채운 작은 천 베개에서 고개를 내밀고 있었습니다.

누르가 할 일은 식물을 하나하나 살피고, 사진을 찍고, 잎의 크기를 재고, 가는 관으로 물을 조심스럽게 정해진 만큼 주는 것이었습니다. 무중량 상태에서는 물이 지구의 흙에서처럼 아래로 스며들지 않습니다. 동그랗게 뭉쳐 위에 얹혀 있거나 베개 옆면을 따라 기어가기도 하므로 천천히 주어야 합니다. 뿌리에도 묘한 문제가 있습니다. 지구에서 뿌리가 아래로 자라는 것은 중력의 끌어당김을 느끼기 때문입니다. 이곳에는 뿌리가 느낄 '아래'가 없기 때문에, 식물은 주로 빛의 방향에 의지합니다. 잎은 등 쪽으로 뻗고, 뿌리는 대개 그 반대쪽, 축축한 재배용 흙 속으로 자랍니다.

누르는 이 일이 좋았습니다. 베란다의 작은 텃밭을 돌보는 것처럼 평범한 생활에 가깝게 느껴졌습니다. 지상의 과학자들은 누르의 사진과 측정값을 연구해서, 언젠가 긴 여행을 하는 승무원들이 식물로 끼니를 해결할 방법을 알아낼 것입니다. 몇 주 뒤에는 승무원들도 잎을 조금 먹어도 된다는 허락을 받을 것이었습니다. 아데는 소금은 자기가 가져오겠다고 벌써 선언해 두었습니다.

오후에는 토마스가 다른 일을 도와 달라고 했습니다. 다 쓴 장비와 쓰레기를 화물선에 싣는 일이었습니다. 그 화물선은 나중에 정거장을 떠나 대기 상층부에서 아무런 해도 끼치지 않고 타 버릴 것입니다. 어느 일터에나 있는 일, 아무도 사진으로 남기지 않는 종류의 일이었습니다. 화물선의 엔진이 켜질 때 아무것도 움직이지 않도록, 가방마다 이름표를 붙이고 특수한 장치로 무게를 재고 제자리에 끈으로 묶어야 했습니다. 일을 마쳤을 때 화물선의 작은 선실은 짐을 잘 꾸린 이삿짐 트럭처럼 보였고, 누르의 팔은 무게가 하나도 나가지 않는 무거운 가방을 미느라 지쳐 있었습니다.

그날 저녁 마지막 점검표까지 끝낸 뒤, 누르는 창가로 갔습니다. 정거장은 도시 불빛이 전혀 없는 바다 위에서 어둠 속으로 들어섰습니다. 눈이 어둠에 익숙해지자 하늘을 가로질러 뻗은 희뿌연 빛의 띠가 보였습니다. 고르지 않고 부드러운, 안개가 길게 이어진 것 같은 띠였습니다. 은하수였습니다. 지구에서는 마을에서 멀리 떨어진 곳에서 몇 번밖에 본 적이 없었지만, 이곳에서는 선명하고 넓었습니다. 누르는 불과 100년쯤 전만 해도 많은 천문학자가 이 띠와 그 주위의 별들이 우주 전체를 이룬다고 믿었다는 것을 떠올렸습니다.

그날 밤 사미에게 메시지를 쓸 때, 누르는 자기 질문으로 시작했습니다. "1900년에 우주가 얼마나 컸는지 알아? 진짜 우주 말고, 사람들이 믿던 우주 말이야."

은하 하나뿐인 우주

희뿌연 은하수의 띠는 안에서 바라본 우리 은하의 모습입니다. 은하는 별과 가스와 먼지가 중력으로 한데 묶여 있는 거대한 가족입니다. 우리 은하는 대략 가운데가 볼록한 납작한 원반 모양입니다. 태양은 그 원반 안에 있는 별 하나이며, 중심에서 멀리, 가장자리까지 대략 절반쯤 되는 곳에 있습니다. 원반을 따라 바라보면 아주 많은 먼 별이 빽빽하게 모여 있어서 부드러운 띠처럼 흐려 보입니다. 원반에서 벗어난 쪽을 바라보면 별은 적고 어둠이 더 많이 보입니다.

간단한 그림이 도움이 될 것입니다. 넓고 평평한 숲 한가운데에 서 있다고 상상해 보세요. 땅과 나란히 어느 방향으로든 똑바로 앞을 보면, 나무들이 촘촘히 겹쳐서 줄기로 된 벽처럼 보입니다. 똑바로 위를 올려다보면 가지 몇 개 너머로 탁 트인 하늘만 보입니다. 우리는 그 숲속의 사람처럼 우리 은하의 원반 안에 살고 있습니다. 원반을 따라 보면 빽빽한 별의 벽, 곧 희뿌연 띠가 보입니다. 원반 바깥쪽을 올려다보면 탁 트인 공간이 보입니다.

오늘날 우리는 은하수가 지름이 약 10만 광년이며 수천억 개의 별을 품고 있다는 것을 압니다. 그것만으로도 거의 상상할 수 없는 크기입니다. 가장 빠른 전령인 빛조차 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지 건너는 데만 약 10만 년이 걸립니다. 그런데도 20세기가 시작될 무렵 많은 천문학자는 이것이 전부라고 생각했습니다. 그들이 그린 그림에서 우주는 끝없는 어두운 바다에 떠 있는 하나의 커다란 별의 섬이었고, 그 너머에는 아무것도 없었습니다.

그 그림에는 수수께끼가 하나 있었습니다. 천문학자들은 망원경으로 하늘 곳곳에 흩어진 희미하고 뿌연 빛 조각을 많이 찾아냈습니다. 구름이나 안개를 뜻하는 옛말에서 따와 이것들을 성운이라고 불렀습니다. 그중 일부는 분명히 별들 사이에서 빛나는 가스 구름이었습니다. 하지만 다른 것들은 달랐습니다. 상당수가 배수구로 소용돌이치며 빠져나가는 물처럼 아름다운 나선 모양이었고, 당시의 어떤 망원경으로도 하나하나의 별로 나눌 수 없는 부드러운 빛으로 이루어진 것처럼 보였습니다. 이것들을 나선 성운이라고 불렀습니다.

이것들은 무엇이었을까요? 어떤 천문학자들은 우리 은하 안에 있는 작은 구름, 어쩌면 새로 태어나고 있는 별의 무리라고 생각했습니다. 다른 천문학자들은 그것이 하나하나가 독립된 은하일지도 모른다고 생각했습니다. 너무 멀리 있어서, 우리에게 은하수가 그렇게 보이듯 수십억 개의 별이 흐려져 안개처럼 보이는 것이라고 말입니다. 다른 은하들, 다른 '섬 우주'가 있을 수 있다는 생각은 새로운 것이 아니었습니다. 사상가들이 이미 100여 년도 더 전에 그런 생각을 내놓았습니다. 하지만 어느 쪽으로도 증명할 수 없었습니다. 나선 성운이 얼마나 멀리 있는지 아무도 잴 수 없었기 때문입니다.

이것이 천문학의 핵심적인 어려움입니다. 하늘의 빛을 볼 때, 그것이 가까이 있는 희미한 빛인지 멀리 있는 밝은 빛인지 쉽게 구별할 수 없습니다. 방 맞은편의 촛불과 먼 해안의 등대가 똑같이 밝아 보일 수 있습니다. 우주의 크기를 재려면 천문학자들에게는 어떤 빛이 실제로 얼마나 밝은지 알아낼 방법이 필요했습니다. 흔히 표준 촛불이라고 부르는 것이 필요했던 것입니다. 실제 밝기를 아는 빛이 있으면, 얼마나 밝아 보이는지로부터 그 거리를 계산할 수 있습니다.

별을 잰 여성

열쇠는 헨리에타 리빗이라는 여성에게서 나왔습니다. 리빗은 1900년대 초 한 천문대에서 사진 건판을 연구하도록 고용된 여성 팀의 일원으로 일했습니다. 사진 건판은 빛에 반응하는 막을 입힌 유리판으로, 망원경 끝에 끼워 별을 기록하는 데 썼습니다. 밤이면 밤마다 망원경이 사진을 찍었습니다. 낮이면 낮마다 여성들은 돋보기로 건판을 살피고, 별의 밝기를 재고, 서로 다른 밤에 찍은 건판을 비교하고, 모든 것을 꼼꼼한 기록으로 남겼습니다.

느리고 끈기가 필요한 일이었고, 보수도 좋지 않았습니다. 기계가 계산을 하기 전이던 시절이라, 이 여성들은 계산하는 것이 일이었기 때문에 흔히 '계산원'이라고 불렸습니다. 그들 가운데 많은 이가 매우 뛰어난 천문학자였지만, 당시에는 그런 직함을 받는 일이 드물었습니다. 리빗이 맡은 일은 시간에 따라 밝기가 변하는 별을 찾는 것이었습니다. 리빗은 지구의 남반구에서 볼 수 있는 구름 같은 작은 은하 두 개를 찍은 건판을 연구했습니다. 그 안에서 밝기가 변하는 별을 1,000개 넘게 찾아냈습니다.

그 가운데에는 느린 심장 박동처럼 하루에서 몇 주 정도의 주기로 일정한 리듬에 맞춰 밝아졌다 어두워졌다 하는 특별한 종류의 별이 있었습니다. 이런 별을 세페이드 변광성이라고 부릅니다. 리빗은 이 별들에게서 놀라운 점을 알아차렸습니다. 더 밝은 세페이드 변광성일수록 한 번의 리듬을 마치는 데 더 오래 걸렸습니다. 더 어두운 것은 더 빠르게 뛰었습니다. 그리고 그 작은 은하 안의 별들은 모두 우리에게서 거의 같은 거리에 있으므로, 밝기의 차이는 어떤 별이 더 가까이 있어서 생긴 겉보기 효과가 아니라 진짜 차이여야 했습니다.

리빗은 1912년에 이 결과를 발표했습니다. 그것은 세페이드 변광성의 리듬이 그 별의 실제 밝기를 드러낸다는 뜻이었습니다. 별이 한 번 맥동하는 데 얼마나 걸리는지 재면 그 별이 실제로 얼마나 밝은지 알 수 있습니다. 그것을 얼마나 밝아 보이는지와 비교하면 얼마나 멀리 있는지 계산할 수 있습니다. 세페이드 변광성은 천문학자들에게 없던 바로 그 표준 촛불이었습니다. 가까운 세페이드 변광성 몇 개의 거리를 다른 방법으로 재고 나자, 리빗의 규칙은 하늘을 가로지르는 줄자처럼 쓰일 수 있었습니다.

헨리에타 리빗은 자신의 발견이 얼마나 중요해졌는지 보지 못했습니다. 리빗은 여러 해 동안 조용히 일한 끝에 1921년에 세상을 떠났습니다. 그녀의 규칙이 천문학의 가장 큰 질문 가운데 하나에 답하는 데 쓰이기 몇 해 전이었습니다. 리빗의 이야기는 위대한 결과가 흔히 이름이 늘 기억되지는 않는 사람들의 꼼꼼하고 화려하지 않은 작업에서 자라난다는 것을 일깨워 줍니다.

답이 나지 않은 논쟁

1920년이 되자 나선 성운에 관한 질문은 아주 중요해져서, 손꼽히는 천문학자 두 사람이 한 학술 모임에서 서로 반대되는 견해를 발표했습니다. 이 일은 흔히 '대논쟁'으로 기억됩니다. 한 천문학자는 우리 은하가 사람들이 생각한 것보다 훨씬 더 거대하며, 나선 성운은 그 안이나 근처에 있는 작은 천체라고 주장했습니다. 다른 천문학자는 우리 은하가 더 작으며, 나선 성운은 그 자체로 먼 은하라고 주장했습니다.

이 논쟁이 흥미로운 것은 양쪽 모두 일부는 옳고 일부는 틀렸다는 점입니다. 첫 번째 천문학자는 세페이드 변광성과 다른 단서들을 이용해 우리 은하가 매우 크며 태양이 그 중심에 있지 않다는 것을 올바르게 보여 주었습니다. 중요한 한 걸음이었습니다. 두 번째 천문학자는 나선 성운이 독립된 은하라는 점에서는 옳았지만, 우리 은하를 실제보다 작게 생각했습니다. 어느 쪽도 질문을 매듭지을 만큼 충분한 증거를 갖고 있지 않았습니다.

이 논쟁은 끝에 승자를 발표하는 시합이 아니었습니다. 두 천문학자는 각자의 증거를 발표했고, 그 뒤에 둘 다 자기 이유를 설명하는 더 긴 논문을 썼습니다. 다른 천문학자들은 그 논문을 읽고, 편지와 모임에서 논쟁을 벌이고, 다시 망원경 앞으로 돌아갔습니다. 결국 질문은 누가 더 설득력 있게 말했느냐로 매듭지어지지 않았습니다. 몇 년 뒤 하나의 측정으로 매듭지어졌습니다. 과학에서는 그래야 마땅합니다. 늘 이렇게 빠르지는 않지만 말입니다.

과학에서는 이런 일이 자주 일어납니다. 신중한 두 사람이 불완전한 증거를 보고 서로 다른 결론을 내립니다. 어느 쪽도 어리석지 않습니다. 둘 다 가진 것으로 최선을 다하고 있는 것입니다. 논쟁 자체도 쓸모가 있습니다. 어떤 증거가 필요한지를 분명하게 해 주기 때문입니다. 이 경우에는 무엇이 질문을 매듭지을지에 대해 모두가 동의했습니다. 적어도 나선 성운 하나까지의 거리를 믿을 만하게 재는 것이었습니다. 누군가 그 안에서 세페이드 변광성을 찾아낼 수 있다면, 리빗의 규칙이 답을 알려 줄 것이었습니다.

어려움은 실제적인 것이었습니다. 먼 나선 성운 속의 세페이드 변광성은 극도로 희미해서, 당시 대부분의 망원경으로는 별 하나로 가려내기에 너무 어두웠습니다. 그것을 보려면 세계에서 가장 큰 망원경 가운데 하나와 엄청난 인내심, 그리고 추운 밤의 긴 작업이 필요했습니다.

안드로메다의 별 하나

그 천문학자가 에드윈 허블이었습니다. 1923년과 1924년, 도시 불빛에서 멀리 떨어진 산 위에서 당시 가장 큰 망원경 가운데 하나로 밤마다 일하며, 허블은 나선 성운 가운데 가장 크고 밝은 것, 곧 안드로메다자리에 있는 성운을 촬영했습니다. 사진 건판들을 비교하다가 그는 밝기가 일정한 리듬으로 오르내리는 별 하나를 찾아냈습니다. 세페이드 변광성이었습니다. 곧 다른 것들도 찾아냈습니다.

이 이야기에는 작은 일화가 하나 전해집니다. 허블이 유리 건판 위에서 그 별을 처음 보았을 때, 그는 그것을 한 번 확 밝아졌다가 사그라지는 종류의 별인 신성일지도 모른다고 표시했습니다. 같은 하늘을 찍은 예전 건판들과 비교해서 그 빛이 반복되는 리듬으로 오르내린다는 것을 확인하자, 그는 처음의 표시를 지우고 그것이 밝기가 변하는 별인 변광성이라는 짧은 메모를 적었습니다. 그 고친 메모가 적힌 건판은 지금도 보관되어 있습니다. 위대한 발견도 자신의 첫 짐작을 스스로 바로잡는 데서 시작된다는 것을 보여 주는 멋진 기록입니다.

허블은 리빗의 규칙을 이용해 이 별들이 얼마나 멀리 있는지 계산했습니다. 답은 당시의 가장 큰 추정치로 보더라도 우리 은하의 크기보다 훨씬 컸습니다. 안드로메다 성운은 은하수 안의 작은 구름이 아니었습니다. 우리 은하 바깥 먼 곳에 있는, 자기만의 엄청나게 많은 별로 이루어진 또 하나의 은하였습니다. 그의 결과는 1925년 초 무렵에 발표되었습니다.

허블이 처음 추정한 거리는 오늘날 값의 절반도 되지 않았습니다. 그 줄자에 있던 오차가 나중에야 바로잡혔기 때문입니다. 오늘날 안드로메다 은하는 약 250만 광년 떨어져 있는 것으로 알려져 있습니다. 하지만 그의 첫 숫자만으로도 충분했습니다. 짧은 시간 안에 우주는 은하 하나에서 모든 방향으로 우주 공간에 흩어진 셀 수 없이 많은 은하로 커졌습니다. 은하수는 더 이상 우주가 아니었습니다. 아주 많은 섬 가운데 하나였습니다.

이 변화가 얼마나 컸는지는 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 한 세대가 일하는 기간 안에, 알려진 우주가 엄청나게 커져서 예전의 그림은 아주 작아 보였습니다. 그리고 이것은 시작에 불과했습니다. 허블과 다른 사람들은 곧 이 은하들에서 오는 빛을 더 자세히 들여다보기 시작했고, 훨씬 더 이상한 것을 발견했습니다. 그것이 이 책의 다음 밤 이야기입니다.

잠들기 전에

누르는 정거장이 다시 낮 쪽으로 넘어갈 때까지 창가에 머물렀습니다. 그러고는 사미에게 썼습니다. "1900년에는 많은 천문학자가 우리 은하가 우주 전체라고 생각했어. 그러다 유리판 위의 별을 재던 한 여성이 거리를 재는 방법을 찾아냈고, 큰 망원경 앞에 있던 한 남자가 그 방법으로 안드로메다 성운이 따로 떨어진 은하라는 걸 보여 줬어. 갑자기 은하가 셀 수 없이 많아진 거야. 오늘의 숙제: 어두운 밤을 만나면 하늘을 가로지르는 희뿌연 띠를 찾아봐. 그게 안에서 본 우리 은하야."

사미는 이튿날 아침, 근무를 마치고 잠들기 전에 답장을 보냈습니다. 몇 년 전 시골길로 배송을 다니다가 불빛 하나 없는 길가에 차를 세웠을 때 은하수를 본 적이 있다고 했습니다. 그때는 얇은 구름인 줄 알았다고 했습니다. "이제는 그게 별 수천억 개였다는 걸 알겠네." 사미는 이렇게 썼습니다. "다시 한번 볼게."

누르는 아침 식사 때, 봉지에서 말린 과일을 꺼내 먹고 있던 아데 옆에 떠서 그 메시지를 읽었습니다. 누르가 메시지를 보여 주자, 아데는 어두운 길가의 트럭 운전사가 별 수천억 개를 보며 구름인 줄 알았다는 이야기가 마음에 든다고 했습니다. "지금까지 살았던 사람들 대부분이 똑같이 생각했어요." 아데가 말했습니다. "동생분은 좋은 사람들과 한편이에요."

소도시나 대도시에 산다면 은하수를 볼 일이 드물 것입니다. 가로등과 불 켜진 창문이 하늘을 밝히기 때문입니다. 그렇다고 슬퍼할 일은 아닙니다. 언젠가 맑은 밤에 불빛에서 멀리 떨어진 곳에 가게 된다면 잠시 하늘을 올려다볼 이유가 하나 생긴 것뿐입니다. 희뿌연 띠는 인류 역사의 모든 밤에 그래 왔듯이 그곳에서, 잠깐 시간을 내어 알아차려 줄 누군가를 기다리고 있을 것입니다.

흔한 오해

많은 사람이 은하수와 우주가 같은 것이라고, 혹은 두 낱말이 거의 같은 뜻이라고 생각합니다. 앞에서 보았듯이 불과 100년 전에는 많은 천문학자도 그렇게 믿었습니다. 하지만 오늘날 우리는 은하수가 하나하나 세기에는 너무나 많은 엄청난 수의 은하 가운데 하나라는 것을 압니다. 은하수는 우리의 고향 은하, 우리가 그 안에 살고 있는 은하입니다. 우주는 모든 것입니다. 모든 은하와 그 사이의 모든 공간, 그리고 존재하는 다른 모든 것입니다.

어떤 사람들은 다른 은하는 큰 망원경으로만 볼 수 있다고 믿습니다. 대부분의 은하가 눈으로 보기에는 너무 희미한 것은 사실입니다. 하지만 몇몇은 아무 도구 없이도 볼 수 있습니다. 안드로메다 은하는 불빛에서 멀리 떨어진 맑고 어두운 밤에 작고 희미한 얼룩, 부드러운 빛의 작은 타원처럼 보입니다. 눈으로는 밝은 중심부만 보이기 때문에 책에 나오는 나선 모양 사진처럼 보이지는 않습니다. 그래도 그것을 찾아낸다면, 여러분은 약 250만 년 전에 다른 은하를 떠난 빛을 자기 눈으로 보고 있는 것입니다. 지구의 남반구에서는 헨리에타 리빗이 연구한 작은 은하 두 개도 어두운 하늘에 떠 있는 희뿌연 구름 두 조각처럼 보입니다.

세 번째 오해는 성운이라는 낱말에 관한 것입니다. 오늘날 천문학자들은 이 말을 새로운 별이 태어나는 빛나는 곳처럼 우주 공간에 있는 가스와 먼지의 구름에 씁니다. 예전에는 망원경으로 보이는 희미하고 뿌연 조각이면 무엇이든 이 낱말로 불렀고, 나중에 은하로 밝혀진 나선 성운도 거기에 포함되었습니다. 그래서 옛 책은 안드로메다 성운이라고 하고, 요즘 책은 안드로메다 은하라고 합니다. 둘은 같은 천체입니다. 바뀐 것은 우리의 이해뿐입니다. 이름은 그대로인데 지식이 자라는 이런 변화도 과학 이야기의 일부입니다. 다음 밤에는 은하의 색깔을 꼼꼼히 들여다본 일이 어떻게 우리가 그리는 우주의 그림을 다시 한번 바꾸어 놓았는지 살펴보겠습니다.