[사이언스] 우주 '가속팽창'에 대해 잘못 알고 있는 것들

[비즈한국] 내가 최고의 오프닝으로 꼽는 영화는 천문학자 칼 세이건의 동명 소설을 원작으로 한 ‘콘택트(Contact)’다. 인류가 우연히 외계 문명이 보내온 미지의 전파 신호를 포착하면서 벌어지는 혼란을 다룬 이 영화는 아주 인상적인 장면으로 시작한다.

지구에서 나오는 라디오 소리를 배경으로 화면에 지구가 등장한다. 서서히 화면은 지구에서 멀어진다. 지구에서 멀어질수록 배경에 들리는 라디오 소리도 점점 더 과거의 라디오 방송으로 서서히 바뀐다. 화면이 점점 멀어지면서 마지막에는 우주로 전파를 송출하는 어린 주인공의 모습으로 바뀐다. 빛이 도달하는 데 더 오랜 시간이 걸리기 때문에, 더 먼 우주로 갈수록 더 오래전 라디오 소리가 들린다는 천문학적 개념을 너무나 매력적으로 담아낸 장면이다.

1997년 개봉한 영화 ‘콘택트’의 오프닝. 서서히 지구에서 멀어지면서 더 옛날 라디오 방송으로 배경 음악이 바뀌는 것은 정말 놀라운 연출이다. 물론 실제 태양계는 1광년도 되지 않는 작은 세상이기 때문에 목성 토성까지 날아간다고 해서 수년 전 방송이 들리지는 않는다. 다만 영화에서는 시각적인 연출을 위해 태양계를 벗어나기 전부터 수년 전 방송이 들리는 것처럼 그렸다.

#우주에서 거리는 곧 시간

영화 ‘콘택트’의 멋진 오프닝에 잘 표현되어 있듯이, 더 먼 우주를 볼수록 우리는 더 먼 과거의 우주를 보게 된다. 그래서 천문학자들은 거대한 망원경으로 가능한 더 먼 우주를 보고 싶어한다. 먼 우주를 선명하게 관측한다는 것은 단순히 멀리 있는 흐릿한 우주를 또렷하게 본다는 것이 아니라 머나먼 우주에서 날아온 과거의 모습, 말 그대로 빅뱅 직후 우주의 앳된 시절 날아오기 시작해 지금에서야 지구에 도달하는 과거 우주의 잔상을 목격한다는 뜻이다. 천문학에서는 더 먼 우주를 볼수록 더 먼 과거를 보게 되는 이러한 관측적 효과를 시간을 되돌아보게 한다는 뜻에서 ‘룩백타임(Look-back time) 효과’라고 부른다.

더 먼 우주를 본다는 것은 곧 더 먼 과거의 모습을 본다는 뜻이다. 지구에서 멀어지면 멀어질수록 우리는 더 과거의 지구 모습을 바라보게 될 것이다. 즉 시간의 순서대로, 과거부터 현재의 방향으로 우주가 어떻게 변해왔는지 보고 싶다면, 먼 우주부터 가까운 우주 순서로 모습을 비교하면 된다.

말 그대로 우주에서 시간은 곧 거리, 거리는 곧 시간과 같다. 그래서 천문학에 자주 사용하는 거리 단위 역시 시간 단위로 표현되는 ‘광년(光年)’을 사용한다. 우주에서 가장 빠르고 항상 일정한 속도를 유지하는 빛을 활용해 그 빛이 1년 동안 도달하는 거리를 단위로 우주의 거대한 스케일을 표현한다. 하지만 머리 위에 떠 있는 하늘을 바라보면서 더 먼 우주가 곧 더 먼 과거의 우주를 의미한다는 것을 체감하기는 쉽지 않다. 그래서 우리는 많은 착각을 한다.

우주의 가속팽창은 더 먼 우주로 갈수록 팽창률이 빨라지는 것이라고 흔히 생각하지만, 그것은 착각이다. 더 먼 우주에 비해 요즘의 우주, 즉 가까운 우주로 올수록 우주의 팽창률이 더 빨라지기 때문에 가속팽창이라고 이야기하는 것이다.

우주 시공간이 팽창하는 속도가 점점 더 빨라지고 있다는 우주의 가속팽창을 이해하고 인식하는 방식에서도 많은 사람들이 오해하곤 한다.

#우주 가속팽창 그래프에 대한 착각

1998년 천문학자 아담 리스와 사울 팔머터가 주축이 된 두 연구팀에서는 Ia형 초신성을 활용해 아주 먼 은하들의 거리와 스펙트럼을 분석한 결과를 발표했다. 이들은 더 먼 은하들의 거리가 예상보다 더 먼 것으로 추정된다는 것을 근거로 우주의 팽창이 시간이 흐를수록 더 빨라지는 가속팽창을 하고 있다는 놀라운 해석을 내놓았다. 이 연구 결과는 우주의 가속팽창을 이끌어내는 수상한 에너지, 암흑 에너지(Dark Energy)의 필요성을 제시하며 2011년 노벨 물리학상의 주인공이 되었다.

우주 가속팽창을 발견한 공로로 노벨 물리학상을 수상한 아담 리스, 사울 팔머터, 브라이언 슈미트(왼쪽부터).

당시 천문학자들이 우주 팽창이 가속되고 있다고 추정하게 만든 역사적인 그래프, 많은 과학 교과서와 교양서 등 다양한 콘텐츠에서 소개되는 그래프는 바로 아래 그림이다. 그런데 이 그래프를 인용해 우주의 가속팽창을 소개하는 다양한 과학 유튜브 영상, 참고서, 심지어 인강 강사들의 수업 영상에서도 이 그래프를 잘못 해석하는 장면이 자주 등장한다.

아주 먼 은하들을 초신성을 활용해 분석한 High-Z SN 팀과 Supernova Cosmology 팀의 관측 데이터를 각각 파란점과 빨간점으로 표시했다. 위쪽과 아래쪽 그래프 모두 가로축은 적색편이량(z)을 의미하며, 위쪽 그래프의 세로축은 거리지수(distance modulus, m-M), 아래쪽 그래프의 세로축은 단순한 1차 직선에 대하여 각 관측 데이터의 거리지수가 얼마나 벗어나 있는지를 뜻하는 거리지수의 변량(Δm-M)을 의미한다.

흔히들 하는 착각은 바로 이런 식이다. 제대로 이해한 부분은 파란색으로, 잘못 착각한 부분은 빨간색으로 표시했다.

1. 그래프에서 오른쪽 위에 찍힌 점들이 더 먼 은하들의 관측 값이다. (○)

2. 더 먼 은하들의 관측 데이터가 점선으로 표현된 직선보다 살짝 더 위에 놓여 있다(거리지수의 변량(Δm-M)이 0보다 크다). (○)

3. 더 먼 은하들의 거리가 예상보다 더 멀게 관측되었다. (○)

4. 따라서 더 먼 은하들로 갈수록 거리가 멀어지는 속도가 더 빨라진다. (×)

5. 우주는 시간이 흐를수록 팽창 속도가 빨라지는 가속팽창을 하고 있다. (○)

위 그래프에서 더 먼 은하들의 거리가 예상되는 것보다 더 멀리서 관측되는 것은 맞다. 하지만 문제는 바로 네 번째 단계부터. 많은 사람들이 먼 은하들의 거리가 ‘예상보다 더 멀어졌기 때문에’ 더 먼 우주로 갈수록 우주가 멀어지는 속도가 빨라지는 것이라고 이해한다. 게다가 저 그래프 속 오른쪽 위에 놓인 먼 은하들의 데이터를 점선에 비해서 살짝 위로 올리게 해주는 방향으로 암흑 에너지가 작용한다고까지 이야기한다. 하지만 이는 그래프를 완전히 오해한 설명이다.

잘 생각해보면 뭔가 이상하지 않은가? 앞서 설명한 대로 관측에서 룩백타임 효과에 의해서 더 먼 우주의 모습은 과거의 우주를 반영한다. 반대로 더 가까운 우주는 최근 우주의 모습을 담고 있다. 그런데 가까운 우주에 비해 더 먼 우주로 갈수록 팽창 속도가 증가하는 정도가 강해진다고 하면, 정반대로 과거의 먼 우주에 비해 현재의 가까운 우주로 올수록 팽창의 가속이 점점 더뎌지는 감속 팽창을 한다고 이야기하는 꼴이 되지 않는가.

앞서 이야기했듯이 우주를 관측할 때는 더 먼 우주를 볼수록 더 먼 과거의 모습을 보는 것이다. 즉 가까운 우주의 모습부터 아주 먼 우주의 모습을 촬영한 관측 사진들을 책상 위에 쭉 뿌려놓고 그것을 과거부터 현재에 이르는 시간의 흐름에 맞게 다시 재배치를 한다면, 더 먼 우주의 모습부터 서서히 시간이 흐르면서 가까운 우주의 모습으로 변해가는 방식으로 우주의 진화를 이해해야 한다.

즉 우주의 모습을 제대로 표현하자면 더 먼 우주(과거의 우주)에서 가까운 우주(현재의 우주)로 올수록 우주의 팽창이 빨라지는 정도가 더 커지고 있으며, 가속팽창을 암시한다고 이해하는 것이 옳다. 따라서 “시간이 과거에서 현재의 방향으로 흐를수록 우주가 가속팽창한다”라고 이야기하려면, 더 먼 우주(과거의 우주)에 비해 가까운 주변 우주(현재의 우주)가 멀어지는 속도가 더 빨리 증가한다고 해야 하지 않겠는가?

#왜 이런 착각을 할까

사람들이 앞의 그래프를 잘못 해석하는 이유는 먼저 접하게 되는 에드윈 허블의 유명한 그래프와 혼동하기 때문이다. 많은 사람들이 우주의 가속팽창을 이야기하는 노벨상 논문 속의 그래프와 허블이 처음으로 우주 시공간의 팽창을 암시한 논문 속의 그래프의 가로축, 세로축이 같다고 오해한다. 하지만 두 그래프의 축은 다르다. 더 정확하게 이야기하면 두 그래프의 가로축과 세로축은 뒤바뀌어 있다.

에드윈 허블이 (당시 성운으로 불렀던) 외부 은하들의 거리와 거리가 벌어지는 후퇴 속도를 비교한 그래프. 이 그래프에서는 가로축이 거리를, 세로축이 후퇴 속도를 의미한다. (당시 허블은 세로축 속도의 단위를 km/s가 아닌 km로 표기하는 실수를 했다. 하지만 이 논문이 워낙 역사적인 논문이 되는 바람에 허블의 사소한 실수는 그대로 박제되어 세상에 널리 알려진 작은 흑역사가 되었다.)

앞서 소개한 노벨상 연구팀의 1998년 발견을 담은 그래프에서는 가로축이 후퇴 속도를 의미하는 적색편이고, 세로축이 은하들의 거리를 의미하는 거리지수다. 하지만 1929년 허블의 논문에 그려진 그래프에서는 정반대다. 가로축이 각 은하의 거리, 세로축이 은하들까지 거리가 더 멀어지는 후퇴 속도를 나타낸다.

즉 두 그래프를 동일하게 놓고 비교하고 싶으면 둘 중 하나를 90도로 기울여 세로축과 가로축을 바꾸고 봐야 한다. 아래 그림처럼 말이다.

1998년 초신성 연구팀의 그래프(왼쪽)와 1929년 허블의 그래프(오른쪽)를 모두 동일하게 거리를 가로축으로, 후퇴속도를 세로축으로 해서 비교한 그림.

만약 우주 시공간이 팽창하는 그 팽창률이 먼 과거부터 현재에 이르기까지 변화하지 않고 일정하게 유지되었다면, 은하가 더 멀어질수록 그 은하가 우리에게서 멀어져가는 후퇴 속도도 완벽하게 비례해서 빨라져야 한다. 오른쪽의 허블 그래프에 그려져 있듯이 말이다. 즉 허블의 그래프에 나타난 직선의 기울기, 각 은하의 후퇴속도를 그 은하들의 거리로 나눈 값은 우주 시공간이 얼마나 빠르게 팽창하고 있는지, 팽창률을 의미한다.

좀 더 수학적으로 표현하면, 우주의 팽창률=은하의 후퇴속도/은하의 거리의 꼴로 이해할 수 있다. 이렇게 각 은하의 후퇴속도와 거리 사이의 비율로 간단하게 유추할 수 있는 우주의 팽창률을 허블 변수(Hubble parameter)라고도 부른다. 즉 그래프의 기울기가 더 가파를수록 우주의 팽창률이 더 빠르다는 뜻이며, 반대로 그래프의 기울기가 완만할수록 우주의 팽창률이 느리다는 뜻이다.

이것을 이해하고 나서 다시 앞의 그래프를 다시 살펴보자. 왼쪽에 축을 맞춰 돌려놓은 1998년 초신성 연구팀의 그래프를 보면 이제 뭔가 낯설게 느껴지는 부분이 나타날 것이다. 빨간 사각형으로 표시해놓은 먼 은하들의 데이터를 잘 살펴보자. 더 먼 은하들로 이어지는 그래프의 기울기를 보면 오히려 가까운 은하들보다 그래프의 기울기가 살짝 더 완만해지는 경향을 확인할 수 있다. (거리가 가까운) 최근 은하들의 후퇴속도와 거리의 비율보다 (거리가 더 먼) 과거의 은하들로 구한 후퇴속도와 거리의 비율이 더 작다. 다시 말해 (가까운) 최근 우주의 팽창보다 (먼) 과거 우주의 팽창이 더 작다!

시간에 따른 우주의 변화를 나타낸 그래프. 가로축은 과거부터 현재 순서로 표현된 시간을, 세로축은 우주의 크기를 의미하는 스케일 팩터(scale factor)를 의미한다. 현재 대부분의 천문학자들은 초기에는 우주의 팽창이 더뎌지다가 최근 들어서 암흑 에너지의 효과가 압도하기 시작하면서 다시 우주의 팽창이 가속되는 방식의 진화 모델(노랗게 칠한 영역)을 추정하고 있다.

즉 거리가 먼 우주의 은하들로 추정하는 과거 우주의 팽창에 비해서, 거리가 가까운 은하들로 추정하는 요즘 우주의 팽창이 더 빠르다. 바로 이렇게 해석해야 1998년 초신성 연구팀의 그래프가 왜 우주의 가속팽창을 이야기하는 근거로 활용되었는지를 제대로 이해하는 것이다.

#이제는 헷갈리지 말자!

여기서 이야기하는 것은 절대적인 후퇴속도가 아니라, 그 후퇴속도가 어떻게 변화하는지다. (위 그래프에 잘 나타나듯이) 당연히 절대적인 후퇴속도는 먼 은하들의 후퇴속도가 가까운 은하들에 비해서 더 빠르다. 하지만 이것은 먼 은하들까지 거리가 애초에 더 멀기 때문에 동일한 비율로 우주가 팽창할 때 거리가 그에 비례해서 더 빠르게 증가하는 단순한 효과에 의한 것이다.

우주가 시간이 흐를수록 가속팽창을 하는지, 감속 팽창을 하는지를 따지려면 각 은하의 후퇴속도가 주어진 거리에 비해서 얼마나 빠르고 느린지를 비교해야 한다. 그래야 정확한 우주의 팽창률, 즉 후퇴속도와 거리 사이의 비율을 비교할 수 있기 때문이다.

이 그림에 잘 나타나듯이, 암흑 에너지에 의해 우주가 가속팽창한다면 이는 과거의 우주는 지금에 비해 더 느리게 팽창했다는 뜻이 된다. 즉 흔히 착각하는 것처럼 암흑 에너지가 먼 은하들을 더 멀어지게 하는 쪽으로 효과를 주는 것이 아니라, 거리가 먼 은하들의 후퇴속도가 더 느려지게 하는 쪽으로 영향을 주어야 한다. 이 그래프에서 암흑 에너지는 노란 선을 보라색 선으로 수직으로 끌어올리는 방향으로 작용하는 게 아니라, 노란 선을 왼쪽으로 잡아당겨 보라색 선으로 바꾸는 방향으로 작용한다. 제대로 표현한 암흑 에너지의 효과의 방향이 파란 화살표로 그려져 있다.

위 그래프에서 보듯, 먼 은하들만 가지고 우주의 팽창률을 구하면 더 작은 값이 나온다. 그 은하들까지 거리가 떨어진 정도에 비해서 은하들이 멀어지는 속도가 느리다는 뜻이다. 하지만 가까운 은하들만 가지고 우주의 팽창률을 구하면, 먼 우주에 비해 더 증가한다. 주어진 거리에 비해 그 은하들이 멀어지는 후퇴 속도가 더 빠르다는 뜻이다. 바로 그렇기 때문에 먼 우주에 비해서 가까운 우주로 올수록 우주의 팽창률이 더 가파르게 증가하는, 과거에 비해 현재로 올수록 우주 팽창이 가속되는 가속팽창을 하고 있다고 이야기할 수 있다.

우주가 단순히 우리 지구를 중심으로 뻗어나가듯 멀어지고 있다고 착각하면, 더 먼저 뻗어나간 멀리 있는 은하들이 더 빠르게 가속되어 멀어지는 것이 우주의 가속팽창이라고 착각하기 쉽다. 하지만 이러한 착각은 우리 지구를 우주의 중심으로 두고, 주변 우주를 이해하는 중세 시대적인 착각이다. 단순히 생각하면 가까운 곳부터 멀어지는 곳으로 떠날수록 시간이 순서대로 흘러간다고 생각하기 쉽지만, 실제 우주를 관측할 때 우리가 보게 되는 우주의 시간은 정반대다.

가까운 우주에서 출발해 먼 우주의 모습을 관측해나가는 것은 마치 친구의 흑역사들이 잔뜩 매장되어 있는 페이스북 담벼락을 캐내는 것과 같다. 더 최근에 남긴 글들은 상대적으로 담벼락 위에 걸려 있지만, 더 오래전 숨기고 싶은 흑역사를 찾기 위해서는 열심히 스크롤을 내려서 담벼락 밑바닥을 향해 가야 한다.

내가 살고 있는 지금 이 순간, 지구는 가장 최근의 우주다. 과거에 비해, 즉 더 먼 우주의 모습들에 비해 더 빠르게 우주가 팽창해나가는 지금을 우리가 살아가고 있다. 그리고 그런 순간을 살아가는 현생 인류는 현재에 비해 더 더디게 팽창한 먼 우주의 흑역사를 바라보면서, 지금의 우주가 과거에 비해 더 빠른 가속팽창을 하기 시작했음을 깨달았다.

우리는 하늘을 바라보며 과거를 본다. 지금 이 순간에도 다양한 과거의 모습이 중첩되어 하늘에 겹쳐 있다. 우리는 매일 머리 위에 과거를 이고 살아간다.

필자 지웅배는? 고양이와 우주를 사랑한다. 어린 시절 ‘은하철도 999’를 보고 우주의 아름다움을 알리겠다는 꿈을 갖게 되었다. 현재 연세대학교 은하진화연구센터 및 근우주론연구실에서 은하들의 상호작용을 통한 진화를 연구하며, 강연과 집필 등 다양한 과학 커뮤니케이션 활동을 하고 있다. ‘썸 타는 천문대’, ‘하루 종일 우주 생각’, ‘별, 빛의 과학’ 등의 책을 썼다.

지웅배 과학칼럼니스트 galaxy.wb.zi@gmail.com