제4장 은하들은 서로 멀어지고 있다

31번째 밤: 화물선을 붙잡다

머문 지 서른한째 날, 누르는 로봇 팔로 우주선 한 대를 붙잡았습니다. 그 화물선은 이틀 전에 발사되어, 지상 팀들의 세심한 감시 아래 작은 엔진을 여러 번 켜고 끄며 정거장과의 거리를 천천히 좁혀 왔습니다. 오후가 되자 창으로 보일 만큼 가까워졌습니다. 넓은 태양 전지판을 단 하얀 원통이었는데, 정거장과 거의 똑같은 속도로 움직이고 있어서 밝은 지구 위 검은 하늘에 가만히 매달려 있는 것처럼 보였습니다.

누르는 로봇 조종대에 앉았습니다. 화면 몇 개와 양손에 하나씩 쥐는 조종 손잡이 두 개가 달린 작은 책상입니다. 토마스는 옆에 앉아 점검표를 소리 내어 읽었습니다. 화물선은 약 10미터 떨어진 곳에 멈추어 기다렸습니다. 지상에서 팀들이 모든 준비가 끝났다고 확인해 주었습니다. 그러자 누르는 긴 팔을 아주 천천히 앞으로 움직였습니다. 한 손으로는 방향을, 다른 손으로는 팔 끝의 회전을 조종했습니다. 화면에는 팔 끝에 달린 카메라의 영상이 보였고, 화물선에 달린 작은 연결 장치가 점점 커졌습니다.

이 일에는 차분한 손과 고른 호흡이 필요했습니다. 정거장과 화물선은 둘 다 시속 약 28,000킬로미터로 지구를 돌고 있었지만, 서로에 대해서는 거의 멈춰 있었습니다. 고속도로에서 나란히 달리는 두 자동차와 같습니다. 연결 장치가 화면 한가운데에 왔을 때, 누르는 방아쇠를 눌렀습니다. 팔 끝이 부드럽지만 단단하게 연결 장치를 감싸 쥐었습니다. "포획 완료." 누르가 말했습니다. 지상에서 누군가 박수를 치기 시작했습니다.

그날의 나머지 시간은 화물선을 정거장에 연결하고 해치를 안전하게 열 수 있는지 확인하는 데 쓰였습니다. 마침내 해치가 열렸을 때 누르가 가장 먼저 알아차린 것은 냄새였습니다. 새 플라스틱 냄새, 포장재 냄새, 그리고 희미한 사과 냄새가 났습니다. 장비와 예비 부품, 옷과 식량이 든 가방들 사이 어딘가에 지상 팀들이 신선한 과일이 든 작은 상자를 넣어 두었던 것입니다. 그날 저녁 승무원들은 큰 창가에서 사과를 나누어 먹었습니다. 과즙 한 방울도 새어 나가지 않도록 조심스럽게 쥐고서 말입니다.

낮에 창으로 화물선을 지켜보면서, 누르는 멀리 있는 물체가 다가오고 있는지 멀어지고 있는지 알아내기가 얼마나 어려운지 생각했습니다. 가까이에서는 로봇 팔의 카메라 덕분에 쉬웠습니다. 하지만 수백만 광년 떨어져 있어서 사진 속에서 가만히 있는 얼룩처럼 보이는 은하가 어떻게 움직이고 있는지는 어떻게 알 수 있을까요? 그것이 오늘 밤의 이야기였고, 그 이야기는 무지개에서 시작했습니다.

빛에는 지문이 있다

햇빛이 유리 프리즘이나 빗방울을 지나면 빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑, 보라의 색 띠로 펼쳐집니다. 그 띠를 스펙트럼이라고 부릅니다. 그 안의 각 색은 파장이 조금씩 다른 빛입니다. 파동과 파동 사이의 간격이 조금씩 다르다는 뜻입니다. 빨간빛은 파장이 깁니다. 파란빛과 보랏빛은 파장이 짧습니다. 스펙트럼은 그저 빛을 파장의 길이에 따라 줄 세운 것입니다. 편지 더미를 크기별로 정리한 것과 비슷합니다.

1800년대에 과학자들은 좋은 기구로 빛을 꼼꼼하게 펼치면 스펙트럼이 매끄럽지 않다는 것을 알아냈습니다. 바코드의 틈처럼 가는 검은 선들이 스펙트럼을 가로지르고 있었습니다. 그들은 곧 그 선들이 무엇을 뜻하는지 알게 되었습니다. 수소나 나트륨이나 철 같은 원자는 종류마다 정해진 정확한 파장에서만 빛을 흡수하고 내놓습니다. 빛이 기체를 지나가면, 그 기체 속의 원자들이 자기만의 특정한 파장을 빼앗아 가서 바로 그 자리에 검은 선을 남깁니다.

여러분은 모르는 사이에 이런 지문의 간단한 예를 본 적이 있을지도 모릅니다. 오래된 가로등 가운데에는 짙은 주황빛 노란색으로 빛나는 것이 있습니다. 그런 등에는 나트륨이 든 기체가 채워져 있는데, 나트륨 원자는 빛을 내게 하면 주로 노란색의 특정한 파장 하나에서 빛을 냅니다. 그런 등의 빛을 좋은 프리즘으로 보면, 무지개는 거의 보이지 않고 밝은 노란 선 하나만 보일 것입니다. 원자는 종류마다 서명처럼 고유한 이런 선들을 지니고 있습니다. 뜨거운 기체는 그 선들을 밝은 선으로 보여 주고, 밝은 광원 앞에 있는 더 차가운 기체는 같은 자리에 검은 선으로 보여 줍니다.

이것은 멋진 발견이었습니다. 빛이 지문을 싣고 다닌다는 뜻이었기 때문입니다. 별빛 속 선들의 무늬를 보면, 천문학자들은 그곳에 직접 가 보지 않고도 그 별에 어떤 종류의 원자가 있는지 알 수 있었습니다. 수소의 무늬는 그 빛이 실험실의 램프에서 오든 은하 저편의 별에서 오든 늘 같습니다. 천문학자들은 여러분이 친구의 글씨를 알아보듯 쉽게 이 무늬들을 알아보는 법을 익혔습니다.

그런데 천문학자들은 곧 다른 것도 알아차렸습니다. 어떤 별과 성운의 빛에서는 익숙한 선의 무늬가 다 있었지만, 위치가 조금 어긋나 있었습니다. 무늬 전체가 스펙트럼의 빨간 쪽 끝이나 파란 쪽 끝으로 조금씩 밀려 있었습니다. 지문은 같았지만 색 띠를 따라 미끄러져 있었던 것입니다. 그 작은 밀림이 엄청난 메시지를 싣고 있다는 것이 밝혀졌습니다.

지나가는 사이렌

여러분은 이런 밀림과 비슷한 것을 빛 대신 소리로 여러 번 들어 보았을 것입니다. 사이렌을 울리며 길에서 여러분 곁을 지나가는 구급차를 떠올려 보세요. 구급차가 다가올 때는 사이렌 소리가 더 높게 들립니다. 지나쳐서 멀어지면 소리가 갑자기 낮아집니다. 사이렌 자체는 변하지 않았습니다. 운전사가 스위치를 건드린 것도 아닙니다. 바뀌는 것은 여러분의 귀에 닿는 음파의 간격입니다.

구급차가 여러분 쪽으로 다가올 때는 새로운 음파가 바로 앞의 음파보다 조금씩 더 가까운 곳에서 출발하므로, 음파들이 촘촘하게 몰려서 도착합니다. 촘촘한 음파는 더 높게 들립니다. 구급차가 멀어질 때는 새로운 음파가 조금씩 더 먼 곳에서 출발하므로, 음파들이 늘어진 채 도착합니다. 늘어진 음파는 더 낮게 들립니다. 구급차가 빠를수록 변화도 커집니다. 훈련된 귀나 좋은 기구라면 음높이의 변화만으로 구급차가 얼마나 빨리 달리고 있었는지도 알아낼 수 있습니다.

빛도 비슷하게 행동합니다. 빛을 내는 것이 우리 쪽으로 다가오면 그 파동이 조금 촘촘하게 도착하므로, 빛이 스펙트럼의 파란 쪽으로 약간 밀립니다. 빛을 내는 것이 우리에게서 멀어지면 파동이 늘어진 채 도착하므로, 빛이 빨간 쪽으로 밀립니다. 빨간 쪽으로 밀리는 것을 적색 이동이라고 부릅니다. 적색 이동이 클수록 그것은 더 빠르게 멀어지고 있습니다. 스펙트럼의 검은 선들 덕분에 이것을 정밀하게 잴 수 있습니다. 천문학자들은 광원이 움직이지 않을 때 각 선이 정확히 어디에 있어야 하는지 알고 있기 때문입니다.

곧 보겠지만 은하의 경우, 빛이 늘어나는 것은 은하가 구급차처럼 우주 공간을 내달리기 때문만이 아니라 주로 공간 자체가 늘어나기 때문입니다. 하지만 시작하기에는 사이렌이 좋은 방법입니다. 중요한 점은 단순합니다. 지문이 얼마나 미끄러졌는지를 보면, 천문학자들은 먼 은하가 우리 쪽으로 다가오고 있는지 멀어지고 있는지, 그리고 대략 얼마나 빠른지 알 수 있습니다.

이런 밀림은 대개 아주 작습니다. 태양에 대해 초속 수십 킬로미터로 움직이는 우리 은하 안의 별들의 경우, 선들은 스펙트럼을 따라 아주 조금밖에 움직이지 않으며, 그것을 재려면 좋은 기구와 큰 정성이 필요합니다. 천문학자들은 같은 방법으로 다른 별 둘레의 행성을 찾기도 합니다. 행성의 끌어당김 때문에 별이 앞뒤로 조금씩 흔들리는 움직임을 재는 것입니다. 슬라이퍼가 곧 발견하게 되듯이, 멀리 있는 은하의 경우에는 그 밀림이 훨씬 더 클 수 있습니다.

알아차린 사람들

나선 성운의 움직임을 처음으로 잰 사람은 베스토 슬라이퍼였습니다. 그는 1912년에 좋은 망원경이 있는 한 천문대에서, 아주 끈기 있는 자세로 이 작업을 시작했습니다. 나선 성운의 빛은 희미하고, 그것을 스펙트럼으로 펼치면 더 희미해집니다. 쓸 만한 스펙트럼 하나를 얻기 위해 슬라이퍼는 때로 사진 건판 한 장을 며칠 밤에 걸쳐 노출시키며 희미한 빛을 조금씩 모아야 했습니다.

그가 처음 잰 안드로메다 성운에서는 청색 이동이 나타났습니다. 안드로메다는 우리 쪽으로 다가오고 있었던 것입니다. 하지만 1910년대에 걸쳐 더 많은 나선 성운을 재 나가면서, 그는 그 대부분이 적색 이동을 보이며 일부는 초속 수백 킬로미터로 멀어지고 있다는 것을 발견했습니다. 이것은 아주 이상한 일이었습니다. 나선 성운이 우리 은하 안의 작은 구름이라면, 왜 그 대부분이 서둘러 멀어지고 있을까요? 그 무렵에는 아직 그것이 독립된 은하라는 것을 아무도 몰랐고, 아무도 좋은 설명을 갖고 있지 않았습니다.

한편, 그것을 설명하는 데 필요한 이론은 이미 기다리고 있었습니다. 1915년에 알베르트 아인슈타인은 일반 상대성 이론을 발표했습니다. 공간과 시간이 휘어지고 늘어날 수 있다는, 중력에 대한 새로운 설명이었습니다. 1917년에 그는 이 이론을 우주 전체에 적용했습니다. 당시의 거의 모든 사람처럼 그도 우주가 커지지도 줄어들지도 않고 가만히 있다고 믿었습니다. 그의 방정식에서는 저절로 정지한 우주가 나오지 않았기 때문에, 그는 우주를 가만히 붙잡아 두려고 방정식에 항 하나를 덧붙였습니다.

다른 사람들은 같은 방정식을 보고 다른 것을 보았습니다. 1922년, 수학자이자 물리학자인 알렉산드르 프리드만은 그 방정식이 시간에 따라 커지거나 줄어드는 우주도 허용한다는 것을 보여 주었습니다. 1927년에는 물리학을 가르치던 사제 조르주 르메트르가 독자적으로 같은 종류의 해를 찾아냈습니다. 그는 한 걸음 더 나아가, 그것을 측정된 은하들의 적색 이동과 연결하고 우주가 팽창하고 있다고 제안했습니다. 그의 논문은 천문학자들이 거의 읽지 않는 학술지에 실렸고, 처음에는 별다른 주목을 받지 못했습니다.

그러다 1929년, 이미 나선 성운이 은하라는 것을 보여 준 에드윈 허블이 은하들의 거리와 적색 이동을 비교했습니다. 그는 분명한 패턴을 찾아냈습니다. 은하가 멀리 있을수록 더 빠르게 우리에게서 멀어지고 있었습니다. 두 배 멀리 있는 은하는 약 두 배 빠르게 멀어지고 있었습니다. 오늘날 천문학자들은 두 사람을 모두 기리기 위해 이 규칙을 흔히 허블-르메트르 법칙이라고 부릅니다. 우주의 팽창이 받아들여진 뒤, 아인슈타인은 우주를 가만히 붙잡아 두려고 덧붙였던 그 항을 버렸습니다.

허블의 숫자는 완벽하지 않았습니다. 그가 쓴 거리가 너무 작았기 때문에, 그가 구한 팽창 속도의 값은 몇 배나 너무 컸고, 이를 바로잡는 데는 많은 천문학자의 수십 년에 걸친 후속 작업이 필요했습니다. 하지만 거리가 멀수록 속도도 빠르다는 패턴 자체는 더 좋은 기구로 거듭거듭 확인되었습니다. 과학에서는 흔한 일입니다. 첫 측정은 무언가가 거기 있다는 것을 보여 주고, 나중의 측정은 흔히 다른 사람들에 의해 정확히 얼마인지를 보여 줍니다. 나중의 어느 밤에 우리는 아인슈타인이 덧붙였던 그 항이 오랜 세월이 지나 놀라운 새 역할로 돌아왔다는 것을 보게 될 것입니다.

오븐 속에서 부푸는 빵

멀리 있는 은하일수록 더 빠르게 멀어진다는 것은 무슨 뜻일까요? 가장 간단한 그림은 제빵사들이 잘 아는 것입니다. 건포도가 골고루 섞인 빵 반죽 덩어리를 떠올려 보세요. 따뜻한 곳에서 반죽이 부풀면 반죽의 모든 부분이 부풀어 오릅니다. 건포도 하나하나가 다른 모든 건포도에게서 멀어집니다. 어떤 건포도도 다른 건포도를 밀고 있지 않습니다. 건포도들 사이의 반죽이 부풀면서 그저 서로 떨어지게 될 뿐입니다.

이제 아무 건포도나 하나 골라 그 위에 서 있다고 상상해 보세요. 반죽이 부풀면, 가까이 있는 건포도들은 천천히 멀어집니다. 여러분과 그 건포도 사이에는 반죽이 조금밖에 없기 때문입니다. 멀리 있는 건포도들은 훨씬 빠르게 멀어집니다. 사이에 반죽이 많이 있고, 그 반죽 전체가 한꺼번에 부풀기 때문입니다. 이것이 바로 허블이 찾아낸 패턴입니다. 그리고 어느 건포도를 고르든 상관없습니다. 어느 건포도에서 보아도 다른 건포도들은 모두 멀어지는 것처럼 보이고, 멀리 있는 것일수록 더 빠릅니다.

우주에서는 반죽이 공간 그 자체입니다. 은하들, 정확히 말하면 은하들의 무리가 건포도입니다. 은하들은 어떤 중심점으로부터 우주 공간을 날아 멀어지고 있는 것이 아닙니다. 대신 그 사이의 공간이 늘어나고 있어서, 서로 사이의 거리가 커지는 것입니다. 그리고 빛이 늘어나는 공간을 지나가면 그 파동도 함께 늘어납니다. 먼 은하의 빛이 적색 이동을 보이며 도착하는 주된 이유가 이것입니다. 빛이 늘어나는 공간을 오래 지나왔을수록, 그 파동은 빨간 쪽으로 더 많이 늘어나 있습니다.

어떤 그림에도 한계가 있고, 빵도 마찬가지입니다. 반죽 덩어리에는 가장자리와 중심이 있고, 더 큰 오븐 안에 놓여 있습니다. 우리가 아는 한 우주에는 가장자리도 중심도 없으며, 바깥의 무언가를 향해 팽창하고 있는 것도 아닙니다. 그러니 건포도 그림은 한 가지 생각에만 쓰는 것이 가장 좋습니다. 모든 것이 다른 모든 것에서 멀어지며, 멀리 있는 것일수록 더 빠르게 멀어진다는 생각입니다. 그 생각을 위해서라면 이 그림은 훌륭하게 들어맞습니다.

빵이 보여 줄 수 있는 것이 하나 더 있습니다. 건포도 하나 위에서 부푸는 반죽을 지켜볼 수 있다면, 이웃 건포도들이 얼마나 빠르게 멀어지고 있으며 얼마나 멀리 있는지 잴 수 있을 것입니다. 그 두 숫자로부터 반죽이 부풀기 시작하기 전, 모든 건포도가 작고 단단한 공 안에 빽빽이 모여 있던 때가 얼마나 오래전인지 계산할 수 있습니다. 천문학자들은 은하들을 상대로 바로 이 일을 했습니다. 팽창 속도와 은하들의 거리를 함께 쓰면 우주의 대략적인 나이가 나옵니다. 다른 여러 단서까지 함께 써서 꼼꼼하게 구한 오늘날의 값은 약 138억 년입니다.

이 발견은 시작에 관한 질문을 완전히 바꾸어 놓았습니다. 은하들이 지금 서로 멀어지고 있다면, 어제는 조금 더 가까이 있었고, 작년에는 그보다 더 가까이 있었고, 아주 오래전에는 훨씬 더 가까이 있었을 것입니다. 커지고 있는 우주는 역사를 지닌 우주입니다. 처음으로 "이 모든 게 어떻게 시작되었을까?"라는 질문이 이야기와 철학만의 질문이 아니게 되었습니다. 망원경과 측정으로 연구할 수 있는 질문이 된 것입니다.

사미에게 보내는 메시지

사과를 먹고 나서 누르는 동생에게 썼습니다. "오늘 로봇 팔로 화물선을 붙잡았어. 오늘 밤 이야기: 먼 은하의 빛은 빨간 쪽으로 늘어나 있어. 구급차가 멀어질 때 사이렌 소리가 낮아지는 것처럼. 은하가 멀수록 빛도 더 많이 늘어나 있어. 공간 자체가 늘어나고 있는 거야. 건포도가 든 빵이 부푸는 것처럼. 그건 그렇고, 화물 속에 신선한 과일이 있었어. 네 생각이 났어."

사미의 답장은 근무가 끝난 뒤에 왔습니다. "사이렌 소리는 매일 밤 들어." 사미는 이렇게 썼습니다. "이제 다시는 전처럼 들리지 않겠네." 사미는 자기가 배달을 가는 곳 가운데 새벽 네 시에 일을 시작하는 나이 든 제빵사가 있는데, 건포도 빵 이야기를 했더니 그분이 웃었다고 덧붙였습니다. 그분은 자기가 40년 동안 그런 줄도 모르고 우주 모형을 만들어 왔다고 말했다고 합니다.

누르는 그 글을 읽고 웃었고, 아침 식사 때 토마스와 아데에게 소리 내어 읽어 주었습니다. 토마스는 가장 좋은 설명은 늘 손으로 일하는 사람들에게서 나오는 것 같다고 말했습니다. 아데는 다음 밤 이야기에 대해서도 그 제빵사의 의견을 듣고 싶다고 했습니다. 우주라는 필름 전체를 거꾸로 돌리는 이야기였습니다.

오늘 밤 자동차나 기차가 지나가는 소리를 듣게 된다면, 다가오다가 멀어질 때 소리가 바뀌는 것에 귀 기울여 보세요. 작은 일상의 일입니다. 하지만 같은 생각을 먼 은하의 빛에 아주 세심하게 적용한 결과, 우리가 커지고 있는 우주에 살고 있으며 그 우주가 한때는 아주 달랐을 것이라는 사실이 드러났습니다.

흔한 오해

많은 사람이 모든 은하가 우리에게서 멀어지고 있다면 우리가 우주의 중심에 있는 것이 틀림없다고 생각합니다. 여기에서 보면 분명 그렇게 보입니다. 하지만 건포도를 떠올려 보세요. 부푸는 반죽 속 어느 건포도에서 보아도 다른 건포도들은 모두 멀어지는 것처럼 보입니다. 우리에게서 수십억 광년 떨어진 은하에 사는 천문학자도 정확히 같은 것을 보게 될 것입니다. 먼 은하들이 모두 자기에게서 멀어지고, 멀리 있는 것일수록 더 빠르게 멀어지는 모습입니다. 특별한 중심은 없습니다. 모든 곳이 자기 자신을 한가운데로 보지만, 그 어느 곳도 한가운데가 아닙니다.

또 하나의 흔한 믿음은 은하들이 폭발로 흩어지는 파편처럼 한 점에서 우주 공간을 날아 멀어지고 있다는 것입니다. 아주 자연스러운 그림이지만, 가장 좋은 설명은 아닙니다. 은하들은 이웃 은하의 끌어당김 때문에 우주 공간을 조금씩 움직이기는 합니다. 하지만 거리가 커지는 주된 이유는 은하들 사이의 공간 자체가 늘어나고 있기 때문입니다. 팽창이 시작된 지점이 우주 공간 안에 없는 것도 그 때문입니다. 늘어남은 모든 곳에서 동시에 일어나고 있으며, 처음부터 그래 왔습니다.

어떤 사람들은 지구와 정거장과 자기 몸까지 포함해 모든 것이 팽창하고 있는지 궁금해합니다. 공간이 늘어나고 있다면 우리도 늘어나고 있을까요? 답은 '아니요'입니다. 늘어남이 의미를 갖는 것은 은하 무리들 사이의 엄청나게 넓고 텅 빈 거리에서뿐입니다. 원자, 사람, 행성, 태양계, 은하 안에서는 물체를 한데 붙잡아 두는 힘이 공간의 부드러운 늘어남보다 훨씬 강하기 때문에, 이런 것들은 크기를 그대로 유지합니다. 여러분의 몸도, 부엌 식탁도, 누르의 로봇 팔도 커지고 있지 않습니다. 그리고 모든 은하가 우리에게서 멀어지는 것도 아닙니다. 우리의 가까운 이웃인 안드로메다는 슬라이퍼가 맨 처음 측정에서 알아낸 그대로, 중력에 이끌려 우리 쪽으로 다가오고 있습니다. 팽창은 가장 큰 규모에서 본 우주의 패턴이지, 우주 안의 모든 물체에 적용되는 규칙이 아닙니다. 다음 밤에는 그 패턴을 시간을 거슬러 따라가며 어디에 이르는지 살펴보겠습니다.