제9장 암흑시대와 최초의 별

97번째 밤: 밤 쪽의 사진

97일째, 지상에서는 승무원들에게 지구의 밤 사진을 찍어 달라고 했습니다. 지상의 과학자들은 이런 사진으로 많은 것을 연구합니다. 마을과 도로의 불빛, 여러 해에 걸쳐 불빛이 퍼져 가는 모습, 폭풍, 그리고 어둠 속 해안선의 모양 같은 것들입니다. 일 자체는 간단하게 들립니다. 하지만 실제로는 정거장에서 하는 일 가운데 꽤 어려운 일에 속합니다. 정거장이 너무 빠르게 움직이기 때문입니다.

시속 약 28,000킬로미터로 움직이면 아래의 땅이 빠르게 미끄러져 지나갑니다. 밤 쪽을 찍으려면 빛이 아주 적기 때문에 노출을 길게 해야 하는데, 카메라와 땅이 서로 어긋나게 움직이면 긴 노출은 흐려집니다. 그래서 누르는 땅을 따라 천천히 돌아가는 카메라 받침대를 쓰고, 다음 사진을 찍기 전에 한 장 한 장 화면으로 확인했습니다. 아데는 옆에 떠서 과학자들이 요청한 지역 위를 정거장이 지나갈 시각을 읽어 주었습니다.

계획된 사진들 사이사이에 두 사람은 어떤 일정표로도 계획할 수 없는 것들을 보았습니다. 저 멀리 한쪽에서는 폭풍이 번개로 번쩍이며, 크고 어두운 집 안에서 등불을 켰다 껐다 하듯 구름이 하나씩 차례로 밝아졌습니다. 지구 가장자리 가까이에서는 초록빛 오로라 커튼이 천천히 일렁였고, 그 꼭대기에는 붉은빛이 희미하게 감돌았습니다. 그 모든 것 위로, 행성의 곡선을 따라 빛나는 대기의 얇고 희뿌연 띠가 놓여 있었고, 그 위로는 검은 하늘과 별들이 있었습니다.

누르는 자기가 무엇을 보고 있는지 알고 있었습니다. 오로라는 태양에서 쏟아져 나오는 아주 작은 입자들이 지구의 자기에 이끌려 극 가까운 지역으로 향하고, 그곳에서 얇은 대기 상층부를 빛나게 할 때 나타납니다. 네온사인 속의 기체가 빛나는 것과 조금 비슷합니다. 행성 가장자리를 따라 보이는 희뿌연 띠는 대기 자체가 낮 동안 햇빛에서 모아 둔 에너지의 일부를 아주 희미하게 되돌려 내놓는 빛이었습니다.

정거장이 다시 햇빛 속으로 들어서자, 누르는 카메라를 정리하고 사진들을 훑어보았습니다. 대부분은 잘 나왔습니다. 몇 장은 흐려서 과학자들이 알 수 있도록 표시해 두었습니다. 그러고는 화면에 마지막 사진을 띄워 둔 채 잠시 앉아 있었습니다. 어두운 지구, 흩어진 몇 개의 불빛, 그리고 그 위의 완전한 어둠. 그 사진은 누르에게 가장 오래된 빛 이후의 우주, 아직 별 하나 없던 시기에 대해 읽었던 것을 떠올리게 했습니다.

그날 저녁 누르는 질문에 답하는 대신 사미에게 질문을 했습니다. 밤에 다니는 길에서 가장 어두운 곳이 어디냐고 물었습니다. 사미는 마을도 가로등도 없이 들판 사이로 길게 뻗은 길인데, 가끔 거기서 라디오를 끄고 조용히 운전한다고 답했습니다. 누르는 우주에도 한때 그런 어둠이 있었다고, 다만 훨씬 더 길어서 수백만 년 동안 이어졌다고 말해 주었습니다. 그리고 그 어둠 속에 처음 나타난 불빛이 최초의 별들이었다고 했습니다.

가장 오래된 빛 이후

지난 어느 밤에 우리는 시작으로부터 약 38만 년 뒤에 안개가 걷히는 것을 보았습니다. 원자가 생겨났고, 가장 오래된 빛이 풀려났습니다. 처음에 그 빛은 따뜻하고 밝았습니다. 수천 도의 온도를 지닌 무언가가 내는 빛이었습니다. 그곳에 있을 수 있었다면 하늘 전체가 부드러운 주황빛으로 빛났을 것입니다. 하지만 우주는 계속 팽창했고, 빛은 계속 늘어났습니다. 수백만 년에 걸쳐 그 파동은 눈으로 볼 수 있는 것보다 길어졌습니다. 사람의 눈으로 보면 하늘은 어두워졌습니다.

그 빛을 대신할 별은 아직 없었습니다. 우주는 가스로 가득 차 있었는데, 그 거의 전부가 처음 몇 분 동안 만들어진 단순한 원소인 수소와 헬륨이었습니다. 가스는 공간 전체에 꽤 고르게 퍼져 있었지만 완벽하게 고르지는 않았습니다. 가장 오래된 빛에서 본 작은 잔물결 때문입니다. 그리고 다른 것도 있었는데, 그것은 다음 밤에 제대로 만나게 될 것입니다. 빛을 내지는 않지만 중력으로 끌어당기는, 암흑 물질이라고 부르는 눈에 보이지 않는 많은 양의 물질입니다.

암흑시대는 얼마나 오래 이어졌을까요? 암흑시대는 가장 오래된 빛이 눈에 보이지 않게 되었을 때 시작해서, 최초의 별들이 빛나기 시작했을 때 끝났습니다. 최초의 별들은 아마 처음 수억 년 안에 생겨났을 것이므로, 암흑시대는 아마 1억 년, 혹은 그 이상 이어졌을 것입니다. 정확한 길이는 아무도 모릅니다. 어쨌든 그것은 아주 긴 밤이었고, 인류의 역사 전체를 여러 번 합친 것보다 훨씬 길었습니다.

천문학자들은 이 긴 시기를 우주의 암흑시대라고 부릅니다. 텅 비어 있어서 어두웠던 것이 아닙니다. 그 안의 어떤 것도 아직 빛나고 있지 않았기 때문에 어두웠던 것입니다. 저녁의 마지막 공연이 끝난 큰 극장을 떠올려 보세요. 관객은 떠났고, 불은 꺼졌으며, 무대는 조용합니다. 하지만 건물이 텅 빈 것은 아닙니다. 좌석도 막도 무대도 모두 그대로 남아 다음 공연을 기다리고 있습니다.

암흑시대 동안 중력은 천천히 일하고 있었습니다. 우주가 아주 조금 더 밀도가 높았던 곳에서는 중력이 조금 더 세게 끌어당겼습니다. 그런 곳은 물질을 더 많이 끌어들였고, 그래서 밀도가 더 높아졌으며, 그래서 끌어당기는 힘도 더 세졌습니다. 이것이 중력의 끈기 있는 일입니다. 작은 차이가 시간이 지나며 점점 커집니다. 눈에 보이지 않는 암흑 물질이 먼저 덩어리로 모였고, 보통의 가스는 땅의 움푹한 곳으로 물이 흘러들듯 그 덩어리 속으로 떨어져 들어갔습니다.

가스가 모여 밀도가 높아지면서 그 중심은 더 뜨거워지기도 했습니다. 자전거 펌프 속 공기를 압축하면 따뜻해지는 것과 같은 방식입니다. 오랫동안 가스 덩어리들은 별이 되지 않은 채 자라기만 했습니다. 그러다 가장 밀도가 높은 곳에서 중심의 가스가 너무 뜨겁고 빽빽해져서 새로운 종류의 과정이 시작되었습니다. 수소 원자핵이 결합해 헬륨이 되면서 에너지를 내놓기 시작한 것입니다. 이 과정을 핵융합이라고 하며, 나중의 어느 밤에 자세히 살펴보겠습니다. 그 일이 일어났을 때 별 하나가 태어났습니다. 암흑시대 이후의 첫 불빛이 켜진 것입니다.

최초의 별들

최초의 별들은 언제 나타났을까요? 천문학자들은 그 별들이 아마 시작으로부터 처음 수억 년 안에 생겨났을 것이라고 생각합니다. 정확한 때는 알려져 있지 않으며, 가장 밀도 높은 덩어리가 가장 먼저 별을 만들었을 테니 곳에 따라 달랐을 수도 있습니다. 약 138억 년이라는 우주 전체의 나이에 비하면, 수억 년은 꽤 이른 때입니다. 마지막 밤에 들려줄 긴 근무일 하루의 이야기로 치면, 자정이 지나고 처음 30분 안의 어딘가입니다.

최초의 별들은 아마 태양과는 아주 달랐을 것입니다. 더 무거운 원소가 아직 없었기 때문에, 거의 전부가 수소와 헬륨으로 이루어져 있었습니다. 더 무거운 원소는 가스 구름이 식어서 더 작은 조각으로 쪼개지도록 돕습니다. 그런 원소가 없었으니 젊은 우주의 가스 구름은 아마 더 따뜻한 채로 남아 있다가 훨씬 더 큰 덩어리로 수축했을 것입니다. 그래서 많은 천문학자는 최초의 별들이 흔히 아주 컸을 것이라고, 어쩌면 태양보다 몇 배, 혹은 그 이상 무거웠을 것이라고 생각합니다.

큰 별은 빨리 삽니다. 태양보다 훨씬 무거운 별은 중심이 훨씬 더 뜨겁고 밀도가 높기 때문에 작은 별보다 연료를 훨씬 빨리 써 버립니다. 태양은 약 46억 년 동안 빛나 왔고, 이제 겨우 생애의 절반쯤에 와 있습니다. 최초의 별들 가운데 가장 큰 것들은 겨우 수백만 년밖에 살지 못했을지도 모릅니다. 그러고는 아마 거대한 폭발로 생을 마쳤을 것이며, 그 폭발이 최초의 더 무거운 원소들을 우주 공간으로 흩뿌렸을 것입니다. 그것이 나중의 밤들에서 따라갈 이야기의 시작입니다.

여기서는 정직해야 합니다. 최초의 별들에 대해 우리가 한 이야기의 상당 부분은 직접 관측한 것이 아니라 꼼꼼한 계산과 컴퓨터 모형에서 나온 것입니다. 천문학자들은 최초의 별들이 수소와 헬륨으로 이루어져 있었고 그 상당수가 컸다는 것은 꽤 확신합니다. 하지만 얼마나 컸는지, 몇 개나 있었는지, 정확히 어떻게 생겨났는지는 아직 연구 중입니다. 모형마다 조금씩 다른 답을 내놓습니다. 맨 처음 별 가운데 하나를 또렷하게 보고 그것이 무엇인지 확신한 사람은 아직 없습니다.

천문학자들이 연구할 수 있는, 최초의 별들이 남긴 아름다운 효과도 있습니다. 크고 뜨거운 별은 강한 빛을 아주 많이 내놓는데, 그 대부분은 맑은 날 피부를 태우는 종류의 빛인 자외선입니다. 이 강한 빛은 별 둘레의 가스 속 수소 원자에서 전자를 떼어 낼 수 있었습니다. 천천히, 초기의 별과 초기의 은하 하나하나의 둘레에 자유로운 전자를 품은 가스 거품이 자라났습니다. 거품들은 퍼져 나가며 서로 이어졌습니다. 우주가 약 10억 살이 되었을 무렵에는 은하들 사이의 가스 대부분이 이렇게 바뀌어 있었습니다. 초기 별들의 빛이 남은 어둠을 마저 걷어 낸 것입니다.

과거를 들여다본 사람들

천문학자들은 최초의 별과 은하를 어떻게 찾을까요? 답은 이 책의 맨 처음 밤들로 거슬러 올라갑니다. 빛이 이동하려면 시간이 걸립니다. 멀리 있는 것일수록 그 빛이 우리에게 닿기까지 더 오래 여행했으므로, 그만큼 더 먼 과거의 모습을 보게 됩니다. 가장 이른 시기의 은하를 보려면 천문학자들은 가장 먼 은하를 보아야 합니다. 그런 은하는 극도로 희미하기 때문에 아주 크고 아주 감도가 좋은 망원경이 필요합니다.

1990년, 지상에서의 시야를 흐리게 하는 공기 위, 지구 둘레의 궤도로 망원경 하나가 발사되었습니다. 지난 밤들에 만난 천문학자 에드윈 허블의 이름을 따서 허블 우주 망원경이라고 부릅니다. 1990년대 중반, 그 팀은 처음에는 거의 낭비처럼 보이는 일을 했습니다. 보름달보다 훨씬 작은, 완전히 비어 보이는 하늘의 작은 조각에 망원경을 여러 날 동안 겨누었던 것입니다. 모든 사진을 합쳐 보니 그 빈 조각은 은하로 가득했습니다. 수천 개나 되었고, 그 가운데 상당수는 너무 멀리 있어서 그 빛이 수십억 년 동안 여행해 온 것이었습니다.

하지만 그 망원경에도 한계가 있었습니다. 은하들이 멀어지는 이야기를 한 밤에 보았듯이, 아주 먼 은하에서 오는 빛은 공간의 팽창 때문에 늘어납니다. 최초의 은하들을 파란빛이나 자외선으로 떠난 빛은 오늘날 우리 눈으로는 보기에 파장이 너무 긴 적외선으로 도착합니다. 적외선은 우리가 예를 들어 난로에서 따스함으로 느끼는 종류의 빛입니다. 가장 이른 시기의 은하를 제대로 보려면, 천문학자들에게는 적외선을 위해 특별히 만든 망원경이 필요했습니다.

그 망원경이 제임스 웹 우주 망원경입니다. 많은 엔지니어와 기술자, 과학자가 여러 해 동안 계획하고 만든 끝에 2021년 12월에 발사되었습니다. 큰 거울은 로켓 안에 들어가기에는 너무 커서 여러 조각으로 만들어졌고, 우주에서 꽃이 피어나듯 펼쳐졌습니다. 이 망원경은 희미한 따스함을 찾기 때문에 극도로 차갑게 유지되어야 해서, 태양의 열을 막는 커다란 가림막을 달고 있습니다. 그리고 달보다 훨씬 더 먼 곳, 태양과 지구와 달이 모두 가림막 뒤쪽 한편에 머무는 조용한 곳으로 보내졌습니다.

그곳까지 가는 여정 자체도 꼼꼼함이 필요한 긴 작업이었습니다. 망원경이 제자리에 닿기까지는 약 한 달이 걸렸고, 그동안 가림막과 거울 조각들, 그리고 여러 작은 부품을 단계별로 펼쳐 나갔습니다. 모든 단계는 지상에서 시험을 거쳤고, 아무도 고치러 갈 수 없는 우주에서 하나하나 제대로 작동해야 했습니다. 그것을 만든 사람들 가운데 상당수는 일하는 인생의 여러 해를 이 기계 하나에 바친 끝에, 그 몇 주를 아주 가까이서 지켜보았습니다.

일을 시작한 뒤로 웹 망원경은 우주가 겨우 수억 살이었을 때 그곳을 떠난 빛을 내는 은하들을 찾아냈습니다. 이 초기 은하 가운데 일부는 많은 천문학자가 예상했던 것보다 더 밝고 더 발달해 있습니다. 그 때문에 최초의 은하들이 얼마나 빨리 자랐는지를 두고 활발한 논의가 시작되었습니다. 이 논의는 아직 이어지고 있습니다. 새로운 기구는 오래된 질문에 답하기만 하는 것이 아니라 새로운 질문을 던지기도 한다는 것을 잘 보여 줍니다.

아직도 찾고 있는 맨 처음 별

웹 망원경조차 맨 처음 별들을 하나하나 또렷하게 보지는 못했습니다. 웹 망원경이 보는 가장 이른 은하들에는 이미 많은 별이 들어 있으며, 그 별들 가운데 일부에는 그 전의 별들이 만든 더 무거운 원소가 이미 들어 있을지도 모릅니다. 수소와 헬륨만으로 이루어진 맨 처음 별들은 아마 너무 희미하고 너무 멀어서 하나씩 볼 수 없을 것입니다. 천문학자들은 다른 방법으로 그 흔적을 찾기를 바랍니다. 예를 들면 가장 이른 은하들의 빛 속에서, 혹은 그 별들이 폭발할 때의 밝은 번쩍임 속에서 말입니다.

다른 방법으로 찾는 길도 있습니다. 암흑시대의 수소 가스는 자기만의 아주 희미한 전파 신호를 내놓았습니다. 여러 과학자 무리가 그 신호를 감지해 보려고 전파 기구를 만들고 있습니다. 아주 어려운 일입니다. 신호는 너무나 약하고, 지구와 우리 은하에서 나오는 전파 잡음은 너무나 강하기 때문입니다. 잡음으로 가득한 방에서 조용한 목소리를 들으려 했던, 가장 오래된 빛 이야기의 엔지니어들과 조금 비슷합니다. 모두가 동의할 수 있는 방식으로 이 신호를 잰 사람은 아직 없습니다.

천문학자들은 가까운 곳, 우리 은하 안의 오래된 별들도 연구합니다. 은하수의 어떤 별들은 아주 오래되었고 더 무거운 원소를 아주 조금밖에 품고 있지 않습니다. 그 별들은 맨 처음 별은 아니지만, 그 별들의 자식이나 손주일지도 모릅니다. 이전 세대의 별 한 세대나 몇 세대만이 보탠 원소를 지닌 가스에서 생겨난 별들입니다. 이 오래된 별들 속에 조금 들어 있는 더 무거운 원소를 연구하면, 천문학자들은 그 전에 있었던 별들에 대해 무언가를 알아낼 수 있습니다. 후손들의 닮은 모습을 보고 증조부모에 대해 알아내는 것과 조금 비슷합니다.

그러니 최초의 별을 찾는 일은 여러 곳에서 동시에 이루어지고 있습니다. 먼 곳을 바라보는 우주의 망원경으로, 암흑시대에 귀 기울이는 전파 기구로, 그리고 가까운 오래된 별들을 연구하는 지상의 망원경으로 말입니다. 방법마다 그림의 한 부분을 보여 줍니다. 아직 어느 방법도 그림 전체를 보여 주지는 못합니다. 과학은 대개 이렇게 움직입니다. 많은 사람이 여러 해에 걸쳐 해낸 작고 꼼꼼한 수많은 작업이 천천히 맞추어지는 것입니다.

잠들기 전에

잠들기 전에 누르는 창밖을 한 번 더 내다보았습니다. 정거장은 다시 밤 쪽 위에 있었고, 이번에는 눈이 어둠에 익숙해지도록 작고 둥근 방의 불을 껐습니다. 몇 분이 지나자 별이 더 나타났고, 또 더 나타나서, 마침내 검은 하늘이 별로 가득 찼습니다. 정거장에서 보는 별은 반짝이지 않았습니다. 하나하나가 태양이었고, 어떤 것은 가깝고 어떤 것은 멀었으며, 모두 흔들림 없이 빛났습니다.

아데가 조용히 떠 들어와 한동안 누르 옆에서 밖을 내다보았습니다. 그는 이렇게 많은 별을 볼 때마다 한때 별이 하나도 없었다는 것이 믿기지 않는다고 말했습니다. 누르는 누군가 그것을 알아냈다는 것이 더 믿기지 않는다고 했습니다. 그러고는 두 사람 모두 자기 칸으로 돌아갔습니다. 다음 근무일이 일찍 시작될 것이었기 때문입니다.

누르는 사미에게 썼습니다. "다음에 그 어두운 길을 달릴 때 이걸 생각해 봐. 1억 년 넘게 우주 전체가 그 길보다 더 어두웠어. 그러다 해 질 녘 마을에 첫 불빛들이 하나씩 켜지듯, 최초의 별들이 하나씩 켜졌어." 사미는 그 어두운 길에서 자기가 보통 처음 보는 불빛은 커피를 사는 주유소인데, 이제부터는 그걸 별이라고 생각하겠다고 답했습니다.

긴 하루 일을 마치고 여러분도 어둠 속을 걷거나 운전해서 집에 갈지 모릅니다. 앞쪽에 여러분이 사는 거리나 집의 첫 불빛이 나타나면, 그것은 작고 평범한 위안이 됩니다. 우주에도 오래전 그런 순간이 있었습니다. 최초의 별들이 어둠 속에서 빛나기 시작했을 때입니다. 그 뒤에 온 모든 것, 은하와 태양과 지구가 그 시작에서 자라났습니다.

흔한 오해

많은 사람이 우주의 암흑시대가 어두웠던 것은 우주가 텅 비어 있었기 때문이라고 생각합니다. 우주는 전혀 비어 있지 않았습니다. 수소와 헬륨 가스로 가득했고, 눈에 보이지 않는 암흑 물질로 가득했으며, 그때쯤에는 눈으로 볼 수 있는 범위를 넘어 늘어나 있던 가장 오래된 빛으로도 여전히 가득했습니다. 암흑시대가 어두웠던 것은 아직 아무것도 빛나고 있지 않았기 때문입니다. 그 시기는 조용한 방식으로 바쁜 때이기도 했습니다. 중력이 최초의 별들이 생겨날 덩어리 속으로 물질을 천천히 끌어모으고 있었기 때문입니다.

또 많은 사람이 최초의 별들이 태양과 비슷했을 것이라고 상상합니다. 아마 아주 달랐을 것입니다. 최초의 별들은 태양에 들어 있는 더 무거운 원소 없이 거의 수소와 헬륨만으로 이루어져 있었습니다. 그 상당수는 아마 태양보다 훨씬 크고 뜨거웠으며, 훨씬 짧은 생을 살았을 것입니다. 태양은 훨씬 나중에 생긴 별입니다. 나중의 어느 밤에 보겠지만, 태양은 그 전의 여러 세대의 별들이 이미 원소를 보태 놓은 가스에서 생겨났습니다.

마지막으로, 어떤 사람들은 아주 어두운 곳을 찾아가 하늘을 올려다보면 최초의 별들을 맨눈으로 볼 수 있다고 믿습니다. 안타깝게도 그럴 수 없습니다. 최초의 별들은 오래전에 생을 마쳤고, 그 빛은 우리에게 닿는다 해도 너무 희미하고 너무 늘어나 있어서 가장 큰 망원경 없이는 볼 수 없으며, 그런 망원경으로도 아직 또렷하게 보지 못했습니다. 어두운 밤에 보이는 별들은 훨씬 가깝고 훨씬 젊으며, 거의 모두 우리 은하 안에 있습니다. 하지만 그 하나하나가 같은 긴 이야기의 일부입니다. 다음 밤에는 최초의 별 무리들이 어떻게 은하로 자라났는지, 그리고 눈에 보이지 않는 무언가가 어떻게 그 성장을 도왔는지 살펴보겠습니다.