[사이언스] 인간은 '라플라스의 악마'를 꿈꾼다, 우주에서…

[비즈한국] 가끔 버스 정류장에서 버스를 기다리는 승객들끼리 눈치 싸움을 벌일 때가 있다. 버스가 곧 도착한다는 안내와 함께 기다리던 버스가 보이기 시작하면, 승객들은 슬금슬금 정류장 바깥쪽으로 나와 버스에 먼저 타기 위해 조용한 경쟁을 벌인다. 이때 가끔 과학을 전공한 나의 이력이 뜻밖의 도움이 될 때가 있다. 

정류장으로 달려오는 버스까지의 거리와 브레이크를 밟고 서서히 느려지는 버스의 감속 정도를 눈대중으로 비교해 머릿속에서 버스가 정류장의 어디쯤에 멈출지를 어림짐작한다. 가끔 운 좋게 내가 서 있는 바로 그 자리에 버스가 정차한다. 그렇게 1등으로 버스에 올라타며 나의 과학적 감각이 아직 죽지 않았다는 사실에 뿌듯해하곤 한다. 

# 전지전능한 라플라스의 도깨비… 과연? 

우리는 온 우주가 일관된 과학 법칙으로 작동한다는 전제 아래에서 앞으로 우주에서 어떤 일이 벌어질지를 정확히 예측하기 위해 과학을 사용한다. 서서히 정류장으로 다가오는 버스를 보고 버스가 언제 어디에 설지 추측하는 것처럼, 어쩌면 우주를 이루는 모든 요소들이 현재 어느 자리에서 어떻게 움직이는지를 파악할 수 있다면 앞으로 우주에서 벌어질 모든 현상을 정확히 내다볼 수 있지 않을까? 결국 따지고 보면 일관된 과학 법칙에 따라 움직이는 이 우주 속에서 현재의 순간은 과거에서 빚어진 결과이자 미래를 만드는 원인이 될 것이다.

18세기 프랑스 수학자 피에르-시몽 라플라스(Pierre-Simon Laplace)가 바로 이런 상상을 했다. 그는 우주에 존재하는 모든 원자들의 현재 위치와 운동 방향, 속도를 정확하게 파악할 수 있는 전지전능한 도깨비 같은 존재가 있다면 그 도깨비는 물리 법칙을 통해 과거의 모습을 내다보고 아직 찾아오지 않은 미래의 우주까지 정확하게 내다볼 수 있다고 생각했다.

상상 속 전지전능한 도깨비에게 현재 우주의 모습은 1초 전 원자들의 위치와 운동 상태에 의해 이미 결정된 상황일 뿐이다. 이 상상은 그보다 1초 전, 1시간 전, 100년 전, 나아가 결국 우주가 처음 만들어지던 빅뱅의 순간 우주 속 원자들이 어디에서 어떤 속도로 움직이고 있었는지에 따라 결국 현재 우주의 모습이 모두 결정되어 있다는 뭔가 당황스러운 결론으로 우리를 이끈다. 자칫 고개를 끄덕이다 보면 라플라스의 말장난에 넘어가 결국 현재 우주의 모습은 태초에 전부 결정되어 있었다는 결정론의 함정에 빠지게 된다. 오랫동안 과학자들을 혼란스럽게 했던 라플라스의 상상 속 도깨비를 ‘라플라스의 악마 (Laplace’s Demon)’라는 별명으로 부른다. 

그렇다면 정말 우리는 라플라스의 악마가 되어 우주의 앞날을 정확하게 내다볼 수 있을까? 우선 그런 악마가 되기 위해서는 현재 우주를 구성하는 모든 별, 은하의 위치와 움직임을 정확하게 파악해야 한다. 

현재 우리는 우주의 어떤 자리에 놓인 채 어떤 방향으로 얼마나 빠르게 우주를 움직이고 있을까? 이제 천문학자들은 진정한 라플라스의 악마가 되기 위해 우선 우리가 살고 있는 우리 은하의 우주에서의 공간적 위치와 운동 방향, 속도를 정확하게 파악하려고 시도하고 있다. 

# 우리 은하는 어디론가 빠르게 빨려 들어가고 있다 

40여 년 전 천문학자들은 우리 은하가 우주 공간에 콕 박혀 고정되어 있지 않고 굉장히 빠른 속도로 어떤 특정한 방향으로 움직이고 있음을 알게 되었다. 우주 전역에 깔려 있는 빅뱅의 잔열의 흔적인 우주 배경 복사에 대해서, 우리 은하는 시속 약 220만 km의 아주 빠른 속도로 우주 공간을 부유하고 있다. 이는 지구 중력을 벗어나기 위해 필요한 지구의 탈출 속도의 55배가 넘는 아주 빠른 속도로, 심지어 우리 은하의 중력을 벗어나기 위해 필요한 은하 탈출 속도보다 두 배 가까이 빠른 엄청난 속도다. 

이렇게 빠른 속도로 우리 은하가 어디론가 날아가고 있다는 것은 분명 우리 은하가 날아가는 방향에 우리를 중력으로 강하게 끌어당기는 무언가가 존재한다고 추측할 수 있다. 그래서 천문학자들은 바로 이 방향에 우리 은하를 강한 중력으로 끌어당기고 있는 ‘거대한 인력체(Great Attractor)’가 있을 것이라 추정한다. 하지만 지금까지 아무리 샅샅이 우주 공간을 뒤져봐도 우리 은하가 끌려가고 있는 방향에는 별다른 큰 질량 덩어리가 발견되지 않고 있다. 아무것도 없는데 허공을 향해 우리 은하는 빠르게 끌려 들어가고 있는 것처럼 보인다. 

그렇다면 대체 우리는 무엇에 끌려가고 있는 걸까?

만약 정말 거대한 인력체가 존재해서 그 중력으로 우리 은하를 이렇게 빠른 속도로 끌어당기고 있다면, 거대한 인력체는 우리 은하 질량의 무려 1만 배에 달하는 아주 무거운 질량을 가지고 있어야 한다. 그리고 이렇게 무겁고 거대한 질량 덩어리가 존재한다면 분명 우리에게 진즉 관측되었어야 한다. 하지만 여전히 그 존재는 정확히 밝혀지지 않았다. 

그래서 일부 천문학자들은 이 거대한 인력체가 납작한 원반 모양의 우리 은하 원반에 가려져 있기 때문에 관측하기가 까다로운 것이라고 추측한다. 우리 은하가 비행접시처럼 거대한 인력체에 이끌려 옆으로 날아가고 있기 때문에, 지구에서 보면 거대한 인력체가 원반의 먼지와 티끌로 가려져 잘 보이지 않는다는 것이다. 

실제로 우리는 우리 은하 속에 갇혀 살고 있기 때문에 납작한 은하 원반 너머에 있는 우주는 관측하기가 아주 어렵다. 울창한 숲 속에 갇혀 있을 때 아무리 옆을 봐도 전부 나무로 가려져 그 너머가 보이지 않지만 나무로 가려지지 않는 정수리 위 하늘만 잘 보이는 것과 비슷하다. 그래서 현재까지 천문학자들이 그린 우리 은하 주변 은하들의 지도 역시 우리 은하 원반 뒤로 가려져 있는 부분은 빠져 있다. 이렇게 우리 은하 원반에 시야가 가려져서 제대로 관측할 수 없는 영역을 우주의 회피대(Zone of Avoidance)라고 한다. 

그래서 천문학자들은 우리 은하 원반에 있는 먼지와 티끌을 꿰뚫고 그 너머에 있는 우주를 관측하기 위해 아주 파장이 긴 전파로 우주를 관측했다. 특히 우주에서 아주 흔한 중성 수소 가스에서 방출되는 21cm 파장의 전파는 파장이 아주 길어서 우리 은하 원반의 가스와 먼지를 요리조리 피해서 차단되지 않고 무사히 우리에게 관측될 수 있다. 

천문학자들은 호주 뉴사우스 웨일즈에 위치한 파크스 천문대(Parkes Observatory)의 전파 망원경을 동원해 우리 은하 먼지 원반 너머의 세계를 처음으로 내다보기 시작했다. 이를 통해 중성 수소 파크스 전천 탐사(HIPASS, HI Parkes All-Sky Survey)를 완성했다. 이 대대적인 탐사를 통해 우리 은하 원반에서 5도 이내의 좁은 영역 안에서 그동안 우리 은하 먼지 원반에 가려져 볼 수 없었던 은하들 883개를 확인했다. 그 중 약 3분의 1은 이전에 발견되지 않았던 새롭게 발견된 은하들이다. 

우리 은하의 원반 옆 방향으로 놓여 있는 은하들은 우리 은하 원반에 가려져 그 존재를 보기 어렵다. 그래서 천문학자들은 파장이 긴 전파를 활용해 원반 너머에 있는 먼 은하들의 지도를 그렸다. 이 영상은 이번 관측을 통해 새롭게 확인한 우주 ‘회피대’에 숨어 있던 은하들을 찾아 지도를 그리는 과정을 보여주고 있다. 영상=International Centre for Radio Astronomy Research(ICRAR)

특히 천문학자들은 이 은하들의 위치와 거리를 확인해서 우리 은하 주변 은하들이 어디에 어떻게 모여 분포하고 있는지 지도의 빈 곳을 새롭게 채웠다. 흥미롭게도 우리 은하 주변에 은하들이 꽤 넓은 영역에 퍼져 모여 있는 은하 밀집 지역(Galaxy Concentration) 세 곳과 은하들이 좁은 영역에 높은 밀도로 잔뜩 모여 있는 은하단(Galaxy Cluster) 두 곳도 새롭게 확인했다. 이렇게 은하들이 많이 모여 있는 곳에서 질량 분포가 집중되기 때문에 강한 중력을 행사하며 우리 은하를 끌어당기는 거대한 인력체의 후보로 추정할 수도 있다.[1] 

새롭게 발견된 은하들은 모두 평균적으로 태양의 수천억 배의 질량을 갖고 있다. 따라서 이런 육중한 은하들이 우리 은하의 먼지 원반 뒤에 숨겨진 채 우리 은하를 강한 중력으로 끌어당기는 거대한 인력체라고 기대해볼 수 있다. 

하지만 아쉽게도 여전히 이들만 가지고는 우리 은하가 빠르게 빨려들어가고 있는 거대한 인력의 정체를 모두 설명하기는 부족하다. 그래서 천문학자들은 현재 건설되고 있는 초거대 전파망원경 어레이인 스퀘어 킬로미터 어레이(SKA, Square Kilometer Array) 등의 관측을 이용해 아직 다 채우지 못한 은하 지도의 빈 칸을 마저 채울 계획을 세우고 있다. 앞으로 추가 관측을 통해 미처 채우지 못한 우주 회피대 속의 빈 공백을 마저 채우면서 우리 은하를 빠르게 끌어당기고 있는 괴물의 정체가 밝혀질 수 있을 것이다.[2] 

# 우리 은하 주변은 빠르게 텅 비어가고 있다

빠르게 어디론가, 말 그대로 ‘미지의 세계’를 향해 빨려 들어가는 우리 은하의 운동 상태 못지않게 더욱 흥미로운 것은 바로 우리 은하가 자리한 공간적 위치다. 우리 은하 주변에 분포하는 은하들의 지도를 쭉 그려보면 놀랍게도 우리 은하는 상대적으로 은하의 밀도가 굉장히 적은 텅 빈 영역 가장자리에 있다. 

우주의 거대 구조는 은하들이 그물처럼 얼기설기 얽힌 모습을 하고 있다. 강한 중력으로 인해 물질이 한데 모이면서 은하들이 높은 밀도로 모여 있는 우주 거대 그물의 매듭을 중심으로 긴 은하들의 흐름이 이어져 있다. 이런 은하들의 흐름을 필라멘트(Filament)라고 하며 필라멘트 사이사이 거의 은하가 없는 텅 빈 영역을 보이드(Void)라고 한다. 우리 은하는 이런 텅 빈 보이드 가장자리에 놓여 있다. 

천문학자들은 우리 은하가 자리한 이 텅 빈 영역을 국부 보이드(Local void)라고 부른다. 현재 이 텅 빈 영역의 크기는 1억 5000만~2억 광년 정도 된다. 그런데 이렇게 상대적으로 거의 은하들이 없는 텅 빈 보이드는 그 안에 질량 덩어리가 없기 때문에 주변 은하들을 강한 중력으로 붙잡을 수 없다. 그래서 보이드 주변의 은하들은 서서히 다른 은하들의 중력에 이끌려 보이드를 떠나 바깥 쪽으로 점점 퍼지게 된다. 

우리 은하를 중심으로 주변 은하들이 분포하는 지도와 함께 은하들이 중력에 이끌려 흘러가는 모습을 함께 보여주는 3D 시뮬레이션 영상. 우리 은하 주변 우주에 은하들이 어디에 더 많이, 또는 적게 모여 있는지를 자세하게 확인할 수 있다. 다음 링크에서 은하들이 어떻게 움직이는지를 직접 돌리고 확대하면서 확인해볼 수 있다. https://bit.ly/33Vw2U2 영상=Daniel Pomarède

이 과정을 쭉 지켜보면 마치 텅 빈 보이드 영역이 점점 부풀어 오르는 것처럼 보인다. 실제로 현재 우리 은하가 가장자리를 두고 걸쳐 있는 국부 보이드 역시 점점 그 영역이 빠르게 넓어지고 있다. 얼핏, 텅 빈 영역 안에 중력을 거슬러서 모든 것을 흩어지게 하는 반중력을 행사하는 무언가가 있는 것처럼 보이기도 한다. 

현재 우리 은하가 속해 있는 이 국부 보이드의 가장자리 벽은 대략 초속 260km의 빠른 속도로 밀려나가며 보이드의 크기를 계속 키우고 있는 것으로 관측된다. 천문학자들은 최근 새롭게 확인된 이 점점 텅 비어가는 국부 보이드의 중심을 쌍극 후퇴군(Dipole Repeller)으로 정의했다. 이 쌍극 후퇴군을 중심으로 은하들이 점점 흩어지면서 국부 보이드를 더 텅텅 비우고 있다.[4] 

섀플리 인력체로 은하들이 끌려들어 가면서 국부 보이드가 더 성장하는 모습을 보여주는 시뮬레이션 영상. 오랜 시간 관측된 은하들의 움직임을 통해 과거부터 미래까지 은하들이 어떻게 움직이는지를 추적한다. 영상=Yehuda Hoffman et al.

# 새롭게 완성한 우리 은하 주변의 거대한 우주 지도

이렇게 우주 공간에서 빠르게 부유하는 우리 은하의 움직임은 크게 두 가지 효과로 결정된다. 하나는 우주 시공간 자체가 빠르게 팽창하면서 모든 은하 사이의 거리를 멀어지게 하는 우주 팽창의 효과. 다른 하나는 우리 은하 주변의 인접한 다른 은하들, 또는 다른 은하단들의 중력에 의해 특정한 방향으로 끌려가는 효과. 이 두 가지가 뒤섞여 우리 은하가 움직이는 방향과 속도를 결정한다.[5]

그래서 정확하게 오로지 주변 은하들의 중력에 의해 끌려가는 방향을 확인하기 위해서는 우주 팽창으로 은하들끼리 서로 멀어지는 효과를 정확하게 빼서 선별해야 한다. 최근 천문학자들은 이처럼 우주 팽창 효과와 중력으로 은하들이 서로를 끌어당기는 효과를 솎아내 구분해내면서 정확하게 우리 은하 주변의 은하들이 어떻게 엮여서 거대한 구조를 이루고 있는지 정확한 지도를 완성했다.[6] 

천문학자들은 우리 은하를 포함해 약 10만 개의 크고 작은 은하들이 함께 중력으로 엮여서 거대한 인력체 쪽으로 끌려들어가는 모습을 확인했다. 그리고 이를 통해 우리 은하가 중력적으로 어떤 은하들과 연관되어 하나의 거대한 구조를 이루는지를 새롭게 찾아냈다. 천문학자들은 우리 은하가 속한 이 거대한 초은하단을 라니아케이아 초은하단(Laniakea supercluster)이라고 이름 붙였다. 이 이름은 하와이 방언으로 ‘헤아릴 수 없는 하늘(immense heaven)’이라는 뜻이다. 이렇게 인류는 우리 은하의 가장 거대한 주소를 새롭게 정의할 수 있게 되었다.[7] 

라니아케이아 초은하단을 쭉 비행하는 여정을 담은 영상. 은하들이 거대한 인력체가 잡아당기는 중력에 이끌려 움직이는 흐름이 노란색 선으로 표현되어 있다. 우리 은하는 라니아케이아 초은하단 외곽에 자리하고 있다. 영상=Burmer Music LLC.

너무나 넓고 광막한 우주 속에서 이제야 우리가 정확히 우주의 어디에 자리했는지, 또 우리가 우주에서 어떤 방향으로 얼마나 빠르게 떠돌아다니는지를 파악해나가고 있다. 이전까지 우리는 자신이 정확히 우주의 어디에서 어디를 향해 항해하고 있는지조차 제대로 파악해지 못했던 셈이다. 그동안은 나침반도 지도도 없이 암흑 속을 떠돌던 표류기였다면, 이제야 겨우 나침반 바늘을 더듬어 가면서 우리 은하의 항로를 파악하기 시작했다.

하지만 여전히 많은 비밀이 남아 있다. 대체 무엇이 우리 은하를 비롯한 주변의 많은 은하들의 항해를 조종하는지, 우리 은하가 향해 가는 먼 우주의 끝에 정말 아직 확인되지 않은 거대한 인력체가 존재하는지는 여전히 수수께끼다. 과연 우리는 대체 무엇을 향해 이 엄청난 여행을 하고 있는 것일까? 

언젠가는 우주의 모든 은하들, 별들의 움직임과 위치를 파악해 우주의 과거와 미래를 모두 내다보는 라플라스의 악마가 되고 말겠다는 꿈은 이룰 수 없는 꿈일 것이다. 하지만 우리는 영원히 이룰 수 없을 그 꿈을 좇아가며, 이제야 겨우 채워나가기 시작한 새로운 우주의 지도를 손에 쥔 채 끝없는 항해를 계속하고 있다. 끝나지 않는 우주에 대한 호기심과 탐구 정신은 바로 우리의 미지의 항해를 지속시켜주는 거대한 인력체가 될 것이다. 

“인간은 아무것도 모르기에 꿈을 꾼다.” -히가시노 게이고 ‘라플라스의 마녀’ 중에서

[1] https://iopscience.iop.org/article/10.3847/0004-6256/151/3/52

[2] https://www.atnf.csiro.au/research/WALLABY/

[3] https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ab2597

[4] https://www.nature.com/articles/s41550-016-0036

[5] http://ifa.hawaii.edu/info/press-releases/local_void/

[6] https://www.nature.com/articles/nature13674

[7] https://www.nature.com/news/earth-s-new-address-solar-system-milky-way-laniakea-1.15819​ 

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.​​​​

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