2011년 노벨물리학상은 이것 발견으로 받았다! 우주의 팽창 속도가 점점 빨라지는 이유

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‘별 사이의 먼지 덩어리’

1900년대 초, 천문학계의 가장 큰 관심사 중 하나는 밤하늘을 뒤덮고 있는 미스터리한 먼지 덩어리였습니다. 망원경으로 하늘을 바라보면 별과 별 사이에 흐리멍텅한 덩어리 같은 게 있었는데, 자세히 볼 수가 없으니 무엇인지 알 길도 없었죠. 그저 아직 별이 되지 않은 먼지 덩어리라고 생각했습니다.   

그러다 1919년에 에드윈 허블이 당시 세계 최대의 망원경으로 이 먼지들을 볼 수 있게 되었고 아주 놀라운 사살을 발견했습니다. 조그마한 덩어리들은 먼지 꾸러미가 아닌, 아주 먼 곳에 있는 ‘은하’였습니다.
우리 은하가 우주에서 유일한 은하가 아니라는 사실이 이 날 처음 밝혀졌습니다.

불과 100년 전까지만 해도 우리 은하가 이 우주의 전부인 줄 알았습니다. 게다가 가장 가까운 먼지 꾸러미였던 안드로메다은하에서는 우리 태양보다 7천 배 밝은 별도 발견되었습니다. 갑자기 우주가 1000배 그 이상으로 더 커진 느낌입니다. 

‘믿을 수 없는 우주의 팽창’

1915년 아인슈타인의 일반상대성 이론이 나오고 수많은 수학자들과 과학자들은 이를 이용해 우주를 설명하기 위해 노력했습니다. 그중 수학천재 천문학자인 르메트르가 아주 놀라운 사실을 증명해냅니다. 아인슈타인의 상대성 이론에 따르면 지금 이 우주는 반드시 팽창하고 있어야 한다는 것입니다.

르메트르는 아주 기쁜 마음으로 이 혁명적인 발견을 논문으로 발표했지만 당시에 그의 말을 들어주는 사람은 아무도 없었습니다. 그리고 아인슈타인은 르메트르에게 “당신의 수학은 맞지만 당신의 물리는 끔찍하다”라는 말까지 합니다. 그만큼 우주 자체가 팽창한다는 것은 아인슈타인조차 받아들일 수 없을 정도로 이상한 것이었습니다.             

 ‘도플러 효과에 의한 발견’

그런데 이것을 에드윈 허블이 망원경으로 확인했습니다. 어떻게 발견했는지 예를 들어 설명하면, 고속도로와 같이 차가 빠르게 지나가는 곳에 가만히 서있으면 우리는 차가 지나갈 때 소리가 바뀌는 것을 알 수 있습니다. 이렇게 차가 지나갈 때 소리가 높은 음에서 낮은 음으로 바뀌는 이유는 듣는 사람을 기준으로 소리의 파장이 바뀌기 때문입니다. 

소리를 내는 물체가 우리에게 다가오면서 소리를 내면 파동의 간격이 짧아져 파장이 짧을 때 나는 소리인 높은 음이 납니다. 그런데 그 물체가 우리를 지나가는 순간부터는 반대로 멀어지면서 소리를 내기 때문에 파동의 간격은 길어지고 파장이 길 때 나는 소리인 저음이 납니다. 이게 바로 ‘도플러 효과’입니다.

이 도플러 효과로 멀리 있는 은하의 움직임을 알아낼 수 있었습니다. 빛을 내는 물체가 빠른 속도로 다가오면서 빛을 내면, 빛의 파장이 짧아져 파장이 짧을 때 나오는 색인 푸른색을 띱니다. 반대로 빠른 속도로 멀어지면서 빛을 내면 파장이 긴 적색 빛이 납니다. 그런데 저 우주에 있는 은하들이 모두 비정상적으로 적색 빛을 띠고 있었던 것입니다. 이렇게 1929년에 우주는 사방으로 팽창하고 있었다는 것을 밝혀냅니다.

‘우주의 팽창 속도’

모두를 엄청난 혼란에 빠트린 발견이었지만 과학자들은 이내 바로 ‘우주의 팽창 속도는 얼마나 빨리 줄어들고 있을까?’라는 질문을 하기 시작합니다. 질량이 있는 모든 물질은 중력으로 서로를 끌어당기기 때문에 우주에 있는 천체들도 서로를 끌어당길 것이고, 이로 인해 팽창의 속도는 느려질 수밖에 없습니다. 

팽창의 속도가 얼마나 느려지는지 알아내기 위해 1990년대 두 개의 팀이 만들어졌는데, 여기에서 천문학 역사상 가장 중요한 관측 중 하나라고 할 수 있는 엄청난 발견이 일어납니다. 그들은 이 발견으로 2011년에 노벨 물리학 상까지 수상하게 됩니다. 그들이 알아낸 사실은 우주의 팽창 속도는 전혀 느려지고 있었던 게 아니며, 오히려 엄청난 속도로 우주의 팽창이 빨라지고 있었던 것입니다. 


‘암흑 에너지로 인해 빨라지는 속도’

아무것도 없어 보이는 저 빈 공간에 어떠한 강력한 에너지가 우주를 팽창시키고 있었던 것입니다. 우리는 이 에너지를 ‘암흑 에너지’라고 부릅니다. 암흑 에너지는 말 그대로 굉장히 암흑 같은 우주의 미래를 암시하고 있습니다.

‘볼 수 없는 은하의 빛’

이 암흑 에너지로 인해 우주의 팽창 속도는 끊임없이 증가할 것인데 빛의 속도는 언제나 그러하듯 항상 일정합니다. 즉, 우주의 팽창 속도는 빛의 속도를 앞지르게 될 것이고 우주는 빛의 속도보다 더 빠르게 팽창할 것입니다. 이 말은 저 멀리 은하에서 나오는 빛이 언젠가는 우리에게 닿을 수 없게 된다는 얘기입니다. 다시 말해 저 반짝이는 은하들의 모습은 미래에 볼 수 없게 됩니다. 그들이 아무리 밝게 빛나도 그 빛은 우리에게 닿을 수 없기 때문입니다.

따라서 먼 미래에 사는 사람들이 망원경으로 하늘을 보면 그들은 아무것도 없는 칠흑같이 어두운 밤하늘만 보게 될 것입니다. 그리고 그들은 ‘이 우주엔 우리 밖에 없구나’라고 생각하겠죠. 무수히 많았던 은하의 존재를 알지 못하며, 과거엔 우리가 서로 꽤 가깝게 살았다는 사실도 알지 못한 채 그저 어두운 암흑만을 보게 되며 살게 될 것입니다.

이런 과학적 지식이
끊기는 일이 없도록
우리는 잘 배우고
잘 전달해야 합니다.

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