제6장 가장 오래된 빛

57번째 밤: 통신선의 잡음

57일째 되는 날 아침, 누르는 지상과의 첫 교신 중에 그 잡음을 알아차렸습니다. 아주 희미해서 멀리서 내리는 빗소리 같았고, 헤드셋으로 들려오는 모든 목소리 밑에 깔려 있었습니다. 지상 팀들은 여전히 누르의 말을 또렷하게 들을 수 있었고, 누르도 여전히 그들의 말을 알아들을 수 있었습니다. 하지만 잡음은 분명히 있었고, 우주 정거장에서는 있어서는 안 될 것이 있다면 무엇이든 살펴볼 가치가 있습니다.

지상에서는 원인을 찾는 일을 도와 달라고 했습니다. 그들은 짧은 점검표를 보냈고, 누르는 그날의 다른 일들 사이사이에 그것을 하나씩 해 나갔습니다. 먼저 다른 헤드셋으로 들어 보았습니다. 잡음은 그대로였습니다. 다음에는 다른 무전 패널로 바꾸었습니다. 잡음은 그대로였습니다. 그다음에는 지상에서 읽어 주는 설정을 하나하나 확인했습니다. 모두 일치했습니다. 점심때까지 누르는 쉽게 배제할 수 있는 것은 거의 다 배제했습니다. 그 순간에는 진전처럼 느껴지지 않더라도, 이것은 쓸모 있는 종류의 진전입니다.

오후에는 지상의 한 전문가가 패널에서 벽까지 이어진 케이블을 따라가 덮개 뒤에 있는 작은 커넥터 하나를 확인해 달라고 했습니다. 덮개를 여는 데만 20분이 걸렸습니다. 나사 하나하나가 떠내려가기 전에 붙잡아야 했기 때문입니다. 덮개 뒤의 커넥터는 멀쩡해 보였습니다. 그래도 누르는 점검표에 적힌 대로 그것을 살며시 눌러 제자리에 끼웠습니다. 전문가가 아무 말이나 몇 마디 해 보라고 했습니다. 누르는 하나부터 열까지 세었습니다. 잠깐의 침묵이 흐른 뒤, 지상의 목소리가 반갑게 잡음이 사라졌다고 말했습니다.

토마스는 웃으며 공학의 절반은 무언가를 살며시 눌러 제자리에 다시 끼우는 일이라고 말했습니다. 아데는 나머지 절반은 측정 기구가 이상한 것을 알려 줄 때 그것을 믿는 일이라고 했습니다. 누르는 결과를 일지에 적고, 덮개를 다시 닫고, 소매에 묶어 둔 작은 주머니에서 나사들을 꺼내 챙겼습니다.

그날 저녁 누르가 사미에게 잡음 이야기를 하자, 사미는 화물 하역장에 세워 둔 트럭에서 답장을 보냈습니다. 자기 트럭의 라디오도 매일 밤 두 마을 사이의 같은 곳에서 지직거리는데, 이제는 신경도 안 쓴다고 했습니다. 누르는 그 말에 미소를 지었습니다. 누르는 두 엔지니어가 아무리 해도 신경을 끌 수 없었던 잡음, 그리고 그 잡음의 정체가 무엇으로 밝혀졌는지에 관한 이야기를 알고 있었습니다. 57번째 밤에 딱 맞는 이야기였습니다.

빛나는 안개

지난번 밤에 우리는 우주의 필름을 거꾸로 따라가 보았습니다. 은하들이 오늘날 서로 멀어지고 있다면, 오래전에는 모든 것이 더 가까이 모여 있었습니다. 그리고 물질과 빛이 한데 밀려들면 뜨거워집니다. 르메트르는 '원시 원자'를 그렸습니다. 정상 우주론 지지자들은 시작이 아예 없는 우주를 그렸습니다. 그 두 번째 편에 섰던 프레드 호일은 한 라디오 강연에서 첫 번째 생각에 그 유명한 이름을 붙였습니다. 하지만 이름은 증거가 아닙니다. 오늘 밤의 이야기는 그 질문을 매듭지은 증거에 관한 것입니다.

시작으로부터 수십만 년이 지난 젊은 우주를 상상해 봅시다. 그 우주는 오늘날 우주에 있는 그 무엇보다 훨씬 뜨겁고 밀도가 높았습니다. 너무 뜨거워서 원자가 형태를 유지할 수 없었습니다. 나중의 밤들에서 더 자세히 보겠지만, 원자는 원자핵이라고 부르는 아주 작은 중심과 그 둘레의 전자라고 부르는 더 작은 입자들로 이루어져 있습니다. 젊은 우주에서는 전자가 원자핵 곁에 머물 수 없었습니다. 전자가 자리를 잡을 때마다 열기가 다시 그것을 떼어 냈습니다.

자유로운 전자는 빛에 중요한 영향을 미칩니다. 빛의 길을 가로막는 것입니다. 그 초기 우주의 빛줄기는 멀리 가기도 전에 전자와 부딪쳐 새로운 방향으로 튕겨 나갔습니다. 그러고는 또 다른 전자와, 또 다른 전자와 부딪쳤습니다. 빛은 어디에나 있었지만, 어디로도 곧게 나아갈 수 없었습니다. 우주 전체가 빛나고 있었지만 투명하지는 않았습니다. 짙고 밝은 안개 같았습니다.

여러분은 안개 낀 아침에 비슷한 것을 본 적이 있을 것입니다. 해는 떠 있고 주위의 공기는 밝습니다. 하지만 길 끝의 집들은 보이지 않습니다. 그 집들에서 오는 빛이 여러분의 눈으로 오는 도중에 흩어지기 때문입니다. 젊은 우주는 모든 곳, 모든 방향이 그랬습니다. 누군가 그 안에 서 있을 수 있었다면, 뒤에 아무것도 보이지 않는 밝고 고른 빛만 보았을 것입니다.

그러다 우주는 천천히 계속 팽창하며 식어 갔습니다. 시작으로부터 약 38만 년이 지났을 때, 우주는 수천 도의 온도까지 식어 있었습니다. 그래도 여전히 아주 뜨겁습니다. 비교적 차가운 별의 표면과 비슷한 온도입니다. 하지만 중요한 변화가 일어나기에는 충분히 식은 온도였습니다. 이제 전자가 원자핵 둘레에 자리를 잡고 머물 수 있게 되었습니다. 원자가 생겨났고, 그 대부분은 수소와 헬륨 원자였습니다.

안개가 걷힌 순간

전자가 원자 안으로 들어가자, 더 이상 빛의 길을 그렇게 쉽게 가로막지 않게 되었습니다. 갑자기 빛이 곧게 자유롭게 나아갈 수 있게 된 것입니다. 안개가 걷혔습니다. 천문학자들은 이 순간을 짙은 구름 속에 있던 등불이 갑자기 맑은 공기 속으로 나온 것에 비유하기도 합니다. 그 순간 풀려난 빛은 우주를 가로질러 모든 방향으로 길을 나섰습니다. 그 일부는 그 뒤로 약 138억 년 동안 계속 여행해 왔고, 그 일부가 오늘 밤 지구에 도착하고 있습니다.

그 빛이 길을 나섰을 때, 그것은 수천 도의 온도를 지닌 무언가가 내는 빛이었습니다. 그렇게 뜨거운 것에서 나오는 빛은 파장이 짧고, 그 일부는 사람의 눈에 주황색이나 노란색으로 보였을 것입니다. 하지만 은하들이 멀어지는 이야기를 한 밤에 보았듯이, 공간 자체는 수십억 년 동안 늘어나 왔습니다. 공간이 늘어나면서 이 오래된 빛의 파동도 함께 늘어났습니다. 1,000배가 넘게 늘어났습니다. 오늘날 그 파동은 더 이상 눈에 보이는 빛이 전혀 아닙니다. 훨씬 더 긴 파동, 곧 마이크로파라고 부르는 종류의 파동입니다.

마이크로파는 파장이 비교적 짧은 전파의 한 종류입니다. 전자레인지가 음식을 데우는 데 쓰는 것과 같은 계열의 파동이지만, 우주의 오래된 빛은 극도로 약합니다. 여러분이 느낄 수 있을 만큼 무언가를 데우지는 못합니다. 오늘날 그 온도는 절대 영도보다 겨우 약 2.7도 높습니다. 절대 영도는 있을 수 있는 가장 낮은 온도로 약 섭씨 영하 273도이므로, 이 오래된 빛은 약 섭씨 영하 270도인 셈입니다.

천문학자들은 이 빛을 우주 마이크로파 배경이라고 부릅니다. '우주'는 그것이 우주 전체에 속한다는 뜻입니다. '마이크로파'는 그것이 오늘날 어떤 종류의 파동인지를 알려 줍니다. '배경'은 그것이 무대의 뒷벽처럼 다른 모든 것의 뒤에 있다는 뜻입니다. 이 책에서는 대개 그냥 가장 오래된 빛이라고 부르겠습니다. 그것이 우리가 볼 수 있는 가장 오래된 빛인 까닭은, 그 이전의 우주가 빛이 건널 수 없는 안개였기 때문입니다.

여기에는 놀라운 점이 있습니다. 가장 오래된 빛은 어느 한 별이나 한 은하에서 오지 않습니다. 어느 한 방향에서 오지도 않습니다. 모든 방향에서 한꺼번에, 하늘 전체에서, 낮이고 밤이고 옵니다. 여러분이 이 쪽을 읽는 지금도 그 아주 희미한 일부가 여러분 둘레의 방을 지나가고 있습니다. 큰 홀 안에 서서 잦아드는 메아리를 듣는 것과 같습니다. 소리가 모든 벽에서 함께 들려오는 것입니다.

그것을 찾아낸 사람들

이 오래된 빛을 처음으로 꼼꼼히 생각한 사람들은 다른 질문을 연구하던 중이었습니다. 1948년, 물리학자 조지 가모프와 그의 젊은 동료 랄프 알퍼, 로버트 허먼은 뜨겁고 밀도 높은 초기 우주에서 가장 가벼운 원소들이 어떻게 만들어질 수 있었는지 이해하려 하고 있었습니다. 그것은 우리의 다음 밤 이야기입니다. 그런데 그 연구를 하던 중에 알퍼와 허먼은 무언가를 깨달았습니다. 초기 우주가 정말 그렇게 뜨거웠다면, 그 열기의 희미한 빛이 오늘날에도 공간을 채우고 있어야 한다는 것이었습니다. 그들은 이 빛이 지금은 절대 영도보다 겨우 몇 도 높을 것이라고 어림했습니다.

이 세 사람이 어떻게 일했는지 잠깐 생각해 보세요. 그들에게는 초기 우주를 볼 수 있는 망원경도, 오늘날 우리가 쓰는 것 같은 컴퓨터도 없었습니다. 연필과 종이, 간단한 계산기, 그리고 긴 대화로 일했습니다. 가모프는 장난기 어린 유머로, 그리고 일반 독자에게 물리학을 설명하는 다정한 책을 쓴 것으로 알려져 있었습니다. 알퍼와 허먼은 끈기 있고 꼼꼼한 계산의 상당 부분을 맡았습니다. 그들이 어림한 값인 약 5도는 정확히 맞지는 않았지만 참값에 가까웠고, 첫 시도로서는 놀라운 결과였습니다.

그들의 예측은 당시에는 별 주목을 받지 못했습니다. 그렇게 희미한 빛을 재는 것은 당시의 기구로는 어림도 없어 보였고, 많은 과학자가 아직 우주에 뜨거운 시작이 있었다는 것조차 확신하지 못했습니다. 그 생각은 몇 해 동안 거의 잊혔습니다. 과학에서는 이런 일이 사람들이 생각하는 것보다 자주 일어납니다. 좋은 생각이 알맞은 기구나 알맞은 사람이 나타날 때까지 오래된 논문 속에서 조용히 기다리기도 합니다.

1960년대 초, 두 전파 엔지니어가 인공위성에 반사된 신호를 받으려고 만든 커다란 나팔 모양의 안테나로 일을 시작했습니다. 그들은 그 안테나로 우주에서 오는 희미한 전파를 꼼꼼하게 측정하고 싶었습니다. 그러려면 먼저 안테나와 수신기가 스스로 만들어 내는 잡음을 하나도 빠짐없이 이해해야 했습니다. 그래서 그들은 재고, 확인하고, 또 쟀습니다. 그러다 설명할 수 없는 희미한 '쉿' 소리를 발견했습니다. 그 소리는 안테나를 어느 방향으로 돌려도, 하루 중 어느 때에도, 어느 계절에도 똑같았습니다.

그들은 좋은 엔지니어라면 할 일을 했습니다. 자기들 장비에서 원인을 찾은 것입니다. 수신기와 연결부를 점검했습니다. 비둘기 한 쌍이 나팔 안에 둥지를 틀고 안쪽 면에 배설물을 남겨 놓은 것까지 찾아냈습니다. 비둘기를 다른 곳으로 옮기고, 엔지니어들은 나팔을 꼼꼼하게 청소했습니다. 그래도 잡음은 남아 있었습니다. 그것은 안테나에서 나는 것도, 근처 어딘가에서 나는 것도 아니었습니다. 하늘에서 오고 있었던 것입니다.

거의 같은 무렵, 그리 멀지 않은 곳에서 한 무리의 물리학자들이 바로 그런 빛을 찾기 위한 기구를 만들고 있었습니다. 그들도 그 생각을 스스로 다시 떠올렸기 때문입니다. 두 무리가 서로의 연구에 대해 듣게 되자, 그들은 그 잡음이 무엇인지 이해했습니다. 1965년에 결과가 발표되었습니다. 엔지니어들이 찾아낸 것은 가장 오래된 빛이었습니다. 많은 천문학자에게 이것은 정상 우주론이 가장 강력한 버팀목을 잃은 순간이었습니다. 뜨거운 시작이 없는 우주로는 모든 공간을 그런 빛으로 채울 자연스러운 방법이 없었기 때문입니다.

아주 작은 차이들의 지도

1965년 이후 가장 오래된 빛은 온 하늘에서 가장 많이 연구되는 대상 가운데 하나가 되었습니다. 처음에는 완벽하게 매끄러워 보였습니다. 누구든 잴 수 있는 범위 안에서는 모든 방향의 온도가 같았습니다. 그것은 그것대로 수수께끼였습니다. 젊은 우주가 완벽하게 매끄러웠다면, 어떻게 나중에 여기에는 은하가 있고 저기는 텅 빈, 울퉁불퉁한 우주가 되었을까요? 누군가 잴 수만 있다면, 어딘가에 작은 차이가 있어야 했습니다.

지상에서 그것을 재기는 아주 어려웠습니다. 공기 자체가 마이크로파로 조금 빛나고, 공기 속의 수분이 방해가 되기 때문입니다. 그래서 과학자들은 공기 위에서 가장 오래된 빛을 재기 위해 인공위성을 만들었습니다. 1989년에 발사된 한 위성이 그 빛을 아주 꼼꼼하게 쟀고, 1992년에 그 팀은 차이를 찾아냈다고 발표했습니다. 그 차이는 아주 작아서, 약 10만분의 1 정도였습니다. 하늘의 어떤 부분은 평균보다 아주 조금 더 따뜻했고, 어떤 부분은 아주 조금 더 차가웠습니다.

그 위성은 카메라처럼 한순간에 사진을 찍은 것이 아니었습니다. 여러 해 동안 하늘 전체를 거듭거듭 훑었고, 그 팀은 측정값을 차곡차곡 더해서 아주 작은 차이가 기구의 잡음 위로 떠오르게 했습니다. 그런 점에서 그 팀은 나팔 안테나를 다루던 두 엔지니어와 같은 문제를 마주했습니다. 하늘이 들려주는 것을 믿기 전에, 자기들 장비가 만들어 내는 잡음을 하나도 빠짐없이 이해해야 했던 것입니다.

이것이 얼마나 작은지 상상하려면, 넓고 잔잔한 호수를 떠올려 보세요. 호수가 완벽하게 고요하다면 그 수면은 완전히 평평할 것입니다. 10만분의 1의 차이는 눈으로는 결코 볼 수 없을 만큼 작은 잔물결과 같습니다. 그런데 이 작은 잔물결이 엄청나게 중요합니다. 젊은 우주에서 아주 조금 더 밀도가 높았던 곳에서는 중력이 조금 더 세게 끌어당겼습니다. 수억 년에 걸쳐 그런 곳에는 물질이 점점 더 많이 모였습니다. 가장 오래된 빛 속의 작은 잔물결은 우리 은하를 포함한 은하들의 씨앗입니다.

그 뒤의 위성들은 하늘 전체를 점점 더 선명한 지도로 만들었습니다. 그 지도는 아주 조금 더 따뜻한 빛과 아주 조금 더 차가운 빛의 반점이 흩어진 얼룩무늬 알처럼 보입니다. 천문학자들은 이 반점들의 크기와 무늬를 연구해서 우주에 대한 많은 것을 잴 수 있습니다. 우주가 몇 살인지, 보통의 물질이 얼마나 들어 있는지, 그리고 나중의 밤들에서 만나게 될 이상한 물질과 에너지가 얼마나 들어 있는지 같은 것들입니다. 이 책에서 쓰는 약 138억 년이라는 나이도 주로 그런 지도에서 나온 것입니다.

그러니 가장 오래된 빛은 뜨거운 시작의 증거일 뿐만 아니라, 우주가 약 38만 살이었을 때 찍은 일종의 아기 사진이기도 합니다. 오늘날의 나이에 비하면, 한 사람이 태어난 첫날에 찍은 사진과 같습니다. 그 얼굴은 아직 어른의 얼굴이 아니지만, 윤곽은 이미 거기 있습니다.

사미에게 보내는 메시지

잠들기 전에 누르는 몇 분 동안 큰 창가에 떠 있었습니다. 정거장은 지구의 밤 쪽 위를 지나고 있었고, 얇은 대기의 선 위로 하늘은 검고 별로 가득했습니다. 누르는 가장 오래된 빛도 거기, 별들 사이와 그 뒤에 있다는 것을 알고 있었습니다. 누르의 눈에는 보이지 않지만 모든 방향을 채우고 있었습니다. 창도, 정거장도, 누르 자신의 손도 아주 희미하게 그 빛에 잠겨 있었습니다.

그날 저녁 일찍, 아데는 식당 칸의 화면으로 토마스와 누르에게 가장 오래된 빛의 지도 하나를 보여 주었습니다. 토마스는 아주 가까이에서 본 오렌지 껍질 같다고 말했습니다. 아데는 창으로 보이는 모든 은하가 저 반점들 같은 작은 차이에서 자라났고, 그것이 수십억 년 동안 중력으로 커진 것이라고 말했습니다. 그 뒤로 한동안 아무도 말하지 않았는데, 바쁜 정거장에서 그것은 일종의 찬사입니다.

누르는 사미에게 썼습니다. "네 라디오의 지직거리는 소리는 아마 근처의 송신탑이나 엔진 때문일 거야. 그래도 전파 잡음 속에는 우주에서 가장 오래된 빛에서 온 아주 작은 부분이 섞여 있을 수 있어. 어떤 의미에서 너는 밤에 운전하면서 시작의 희미한 흔적을 듣고 있었는지도 몰라." 한 시간 뒤 사미는 쉬는 시간에, 이제 다시는 두 마을 사이의 그 지직거리는 소리에 짜증 내지 않겠다고 답했습니다.

하루 일을 마친 여러분의 생활에도 그런 소리가 있을지 모릅니다. 냉장고가 웅웅거리는 소리, 차들이 지나가는 소리, 오래된 라디오의 지직거림 같은 것 말입니다. 물론 그 대부분은 가까이 있는 평범한 것들에서 나옵니다. 하지만 가장 오래된 빛도 저녁마다 그곳에서 사방으로부터 오고 있습니다. 그 빛은 별이 생기기 훨씬 전, 지구가 생기기 훨씬 전에 풀려났고, 그 긴 시간 내내 여행해서 지금 여러분이 앉아 있는 곳에 닿고 있습니다.

흔한 오해

많은 사람이 가장 오래된 빛은 빅뱅이 일어난 어느 먼 한 곳에서 온다고 생각합니다. 우리는 보통 빛이 등불이나 별에서 온다고 생각하니, 그렇게 떠올리는 것이 자연스럽습니다. 하지만 가장 오래된 빛은 모든 방향에서 고르게 옵니다. 뜨거운 안개가 우주 안의 한 점이 아니라 우주 전체를 채우고 있었기 때문입니다. 어디를 보든 우리는 지금 우리에게 닿고 있는 빛을 위해 안개가 걷힌 먼 곳을 보게 됩니다. 아주 멀리 떨어진 은하에 사는 천문학자도 자기 둘레의 먼 곳에서 오는 같은 빛을 사방에서 보게 될 것입니다.

또 많은 사람이 망원경이 충분히 크면 가장 오래된 빛 너머를 들여다보고 시작 그 자체를 볼 수 있을 것이라고 생각합니다. 보통의 빛으로는, 그리고 그와 같은 종류의 어떤 파동으로도, 그럴 수 없습니다. 약 38만 년 이전의 우주는 빛이 건널 수 없는 안개였으므로, 그보다 이른 시기의 빛은 곧게 우리에게 닿을 수 없습니다. 구름 바깥에서 구름 속을 들여다보려는 것과 같습니다. 과학자들은 그보다 이른 시기를 다른 방법으로 알아냅니다. 가장 가벼운 원소들의 양으로부터 알아내는데 이것이 우리의 다음 밤 이야기이고, 가장 오래된 빛 자체의 무늬로부터도 알아냅니다.

마지막으로, 어떤 사람들은 가장 오래된 빛이 '옛날 텔레비전의 지지직거리는 화면에 불과했다'는 말을 들어 보았을 것입니다. 사실은 그보다 조금 더 부드럽습니다. 옛날 텔레비전은 방송에 채널이 맞지 않으면 눈이 내리는 것 같은 움직이는 점무늬를 보여 주었습니다. 그 점무늬의 대부분은 텔레비전 자체와 다른 전기 장비, 근처의 전파원에서 나왔습니다. 하지만 그 작은 일부는 정말로 가장 오래된 빛에서 왔습니다. 그러니 채널이 맞지 않은 텔레비전 앞에 앉아 본 적이 있는 사람이라면 누구나, 그런 줄도 모르고 젊은 우주의 아주 작은 메아리를 보고 있었던 것입니다. 다음 밤에는 더 거슬러 올라가 처음 몇 분으로 가서, 그 뜨거운 안개가 무엇으로 이루어져 있었는지 살펴보겠습니다.