[비즈한국] 인류는 얼마나 많은 에너지를 소비하고 있을까? 미국 에너지정보청 통계에 따르면 21세기 현재 인류는 1.8×10¹³와트(18.4테라와트)의 에너지를 소비하고 있다. 이는 지구에 살고 있는 모든 인구가 쉬지 않고 2초에 한 번씩 성냥불을 켜는 수준이다. 이 많은 에너지 대부분은 여전히 석탄과 석유 등 화석 연료에 의존하고 있다. 문제는 한 번 태운 연료는 다시 쓸 수 없다는 점이다.
인류가 소모하는 에너지의 전체 양을 줄이는 것이 가장 궁극적인 해결책이지만, 이미 필요 이상으로 막대한 에너지를 소비하는 삶에 익숙해진 우리의 생활 습관을 바꾸는 건 어려워 보인다. 점차 고갈되어가는 자원을 눈앞에 두고도 에너지 소비를 줄이고 싶지 않은 인류의 욕망을 채우기 위해선, 영원히 꺼지지 않는 궁극의 불씨가 필요하다. 어쩌면 앞으로도 50억 년간 꺼지지 않고 계속 타오를 거대한 태양에서 그 희망을 얻을 수 있지 않을까?
이미 태양광 발전은 아파트 베란다에서도 볼 수 있는 흔한 에너지 발전 방식이 되었다. 하지만 태양에서 1억 5000만 km나 떨어진 지구의 작은 건물 옥상에 설치된 태양판으로 얻을 수 있는 효율은 아주 낮다. 게다가 날씨에도 큰 영향을 받고 태양판 패널을 만드는 데에 또 다른 자원이 필요하기 때문에 여전히 화석 연료의 궁극적인 대안으로 인정받지 못하는 상황이다.
#태양 에너지를 가두는 ‘다이슨 스피어’
그렇다면 어떻게 해야 태양 에너지의 효율을 극한으로 올릴 수 있을까? 태양판을 아예 우주로 띄워 올려서 태양 코앞에 설치한다면 훨씬 가까운 거리에서 태양 에너지를 쭉쭉 뽑아낼 수 있지 않을까? 우리보다 훨씬 진보한 외계 문명이 있다면, 그들도 에너지 난을 마주했을 것이다. 그리고 어쩌면 그들이 살고 있는 중심 별을 인공적인 거대 패널로 감싸는 해답을 찾았을지도 모른다.
1937년 올라프 스테이플던은 SF 소설 ‘스타 메이커’에서 태양계 전체를 둥글게 감싸서 에너지를 얻는 인공적인 구형 구조물을 상상했다. 이후 1960년 물리학자 프리먼 다이슨은 이 소설에 등장한 개념을 과학적으로 분석한 논문을 발표했다. 그리고 만약 어떤 외계 문명이 실제 자신의 별을 둥글게 감싼 인공 구조물을 지어놓았다면 그 존재를 어떻게 찾을 수 있을지 방법을 제시했다.
다이슨은 거대한 구조물이 별빛을 가리고 있기 때문에 모든 파장에 대해 별빛이 어두워 보일 것이라 생각했다. 하지만 별을 감싸고 있는 구조물 자체도 뜨겁게 달궈질 것이다. 약 50~1000K 정도의 온도로 뜨거워진 거대 구조물은 강한 적외선을 방출하게 된다. 결국 모든 파장에 대해서 어두운 별이 유독 적외선에서만 밝게 보이는 적외선 초과(Infrared excess)를 보인다면 무언가 거대한 인공 구조물이 별을 가린 채 뜨겁게 달궈지고 있다고 생각해볼 수 있다. 이렇게 다이슨은 소설 속에서나 존재하던 개념을 실제 검증할 방법을 제시해 과학의 영역으로 옮겼다. 그래서 이 상상 속 거대 구조물을 ‘다이슨 스피어(Dyson Sphere)’라고 한다.
그렇다면 과연 천문학자들은 다이슨이 제시한 것처럼 적외선 초과를 보이는 수상한 별을 발견했을까? 아쉽게도 아직까지 우리 은하 안에서 다이슨 스피어는 발견되지 않았다. 그런데 최근 천문학자들은 다이슨이 제시한 것과 전혀 다르게 다이슨 스피어를 찾는 새로운 방법을 제시했다. 그리고 어쩌면 정말 다이슨 스피어로 감싸져 있을지 모르는 수상한 후보 별을 하나 포착해냈다. 과연 이번에 포착된 후보 별은 어떤 곳일까? 소설 속에서나 상상했던 다이슨 스피어로 에너지를 뽑아먹으며 살고 있는 초고도 외계 문명의 존재를 발견한 것일까? 대체 그들을 어떻게 찾을 수 있는 걸까?
별 주변을 둥글게 감싼 가상의 거대 구조물 다이슨 스피어를 찾는 새로운 방법은 무엇일까?
#별의 거리를 재는 두 가지 방법, 연주 시차와 스펙트럼
상상 속의 거대 구조물 다이슨 스피어는 별을 감싸고 있는 작은 인공위성들의 대열이라고 볼 수 있다. 별을 감싸는 형태에 따라서 다이슨 링(Ring), 다이슨 셸(Shell), 다이슨 스웜(Swarm), 또는 다이슨 버블(Bubble) 등으로 분류한다. 별 바로 앞을 금속 구조물이 감싸고 있다면 당연히 별빛 때문에 달궈진 구조물 자체에서도 미지근한 적외선 열복사가 방출되어야 한다. 오랫동안 많은 천문학자들은 이렇게 유독 적외선만 방출하는 별을 찾아서 다이슨 스피어의 존재를 확인하려 시도했다. 하지만 아직까지 적외선 초과 현상으로 발견된 다이슨 스피어는 없다.
그런데 이것만으로 다이슨 스피어가 우주에 존재하지 않는다고 단언할 수 있을까? 최근 일부 천문학자들이 흥미로운 가능성을 더했다. 다이슨 스피어 구조물 자체가 달궈져서 우주 공간으로 방출하는 적외선 열복사는 결국 다이슨 스피어가 흡수하는 전체 에너지 효율을 떨어뜨린다. 따라서 다이슨 스피어가 흡수하는 총 에너지를 최대한으로 끌어 올리고 싶은 외계 문명 입장에서는 다이슨 스피어에서 새어나가는 적외선 열복사를 잡는 것이 아주 중요한 해결 과제일 것이다.
만약 새로운 소재나 기술을 개발해서 다이슨 스피어에서 우주 공간 바깥으로 적외선 열복사가 최대한 새어나가지 않게 만드는 데 성공한 외계 문명이 있다면 어떨까? 이런 극한의 에너지 효율과 가성비를 추구하는 엄청난 구두쇠 외계 문명이 있다면 아마 이들의 다이슨 스피어는 적외선 초과를 통해 포착할 수 없을 것이다. 그렇다면 이렇게 꽁꽁 숨어있는 구두쇠 외계 문명은 어떻게 찾아야 할까?
천문학자들이 별까지 거리를 재는 데 활용하는 두 가지 방법으로 이들을 찾을 수 있다. 우선 첫 번째로 연주 시차(parallax method)를 통해 별까지 거리를 재는 방법이 있다. 1년 동안 태양을 중심으로 지구가 궤도를 돌면서 시기에 따라 지구에서 별을 왼쪽에서 보기도 하고 오른쪽에서 보기도 한다. 그래서 시차가 발생한다. 특히 이 방법은 기하학적으로 정확하게 별까지 거리를 잴 수 있는 방법이다. 태양에서 지구 사이 거리를 한 변으로 하고 그 반대편 꼭지점의 각도가 관측된 별의 시차에 해당하는 삼각형을 그리면 삼각형은 정확하게 딱 하나만 나온다. 이처럼 간단한 삼각법을 통해서 정확한 거리를 알 수 있다.
2013년 발사된 가이아 위성은 바로 이 시차 방법을 통해서 우리 은하 속 별들의 세밀한 입체 지도를 그리고 있다. 수십억 개가 넘는 별들을 꾸준히 관측하면서 가까운 별부터 먼 별까지 얼만큼의 시차를 보이는지를 모니터링한다. 현재 가이아는 최대 3만 광년 범위까지 10퍼센트 이내의 정밀도로 별까지 거리를 측정하면서 역대 가장 방대한 우리 은하 속 별들의 지도를 제공하고 있다.
별까지 거리를 재는 또 다른 방법으로 파장에 따른 별빛의 플럭스 분포를 활용한 분광학적 방식(spectrophotometric method)이 있다. 파장이 짧은 자외선부터 파장이 긴 적외선에 이르기까지 다양한 파장에서 별이 얼마나 밝게 빛나고 있는지 스펙트럼을 관측하면 실제 별의 표면 온도, 크기 등을 알 수 있다. 이를 통해 별이 얼마나 뜨거운 주계열성인지, 혹은 거성인지 등 세밀한 별의 성질을 파악할 수 있다. 그런데 거리가 멀어지면 지구에서 관측하는 모든 파장에서의 플럭스가 동일하게 (거리 제곱에 반비례해서) 줄어든다. 즉 스펙트럼을 반영해 모델링한 별의 실제 플럭스 분포와 관측한 별의 플럭스를 비교하면 별이 얼마나 먼 거리에 놓여 있는지, 실제에 비해서 모든 파장에서 플럭스가 얼마나 어두워 보이는지를 알 수 있다.
기하학적인 공간 분포 자체를 활용하는 연주 시차 방식은 별의 밝기, 플럭스에 영향을 받지 않는다. 하지만 분광학적 방식은 관측되는 별의 겉보기 플럭스를 비교해서 거리를 추정한다. 그래서 만약 별이 우리가 알지 못하는 어떤 거대한 구조물에 가려져서 실제보다 더 어둡게 보인다면 우리는 실제보다 더 먼 거리에 놓여 있다고 착각할 수 있다. 만약 연주 시차 방식과 분광학적 방식 모두 정확하게 거리를 쟀다면, 동일한 별에 대해서 두 가지 방식으로 구한 별까지 거리는 같아야 한다.
하지만 만약 어떤 다이슨 스피어와 같은 거대한 구조물로 상당 부분 가려져 있다면 어떨까? 플럭스에 상관없이 그저 기하학적인 연주 시차 방식으로 구한 별까지 거리는 변함없다. 하지만 플럭스로 구하는 분광학적 거리는 훨씬 더 멀게 나올 것이다. 천문학자들은 바로 여기서 아이디어를 얻었다!
우리 은하에 있는 모든 별에 대해서 연주 시차로 구한 거리와 분광학적 플럭스로 구한 거리를 비교한다. 그 중에서 연주 시차로 구한 거리에 비해서 플럭스로 구한 거리가 확연하게 더 멀어 보이는 별이 있다면, 어쩌면 별이 거대한 구조물로 가려져서 실제보다 플럭스가 더 어두워 보이기 때문일 수 있다! 그리고 연주 시차로 구한 거리와 플럭스로 구한 거리를 비교하면 그 별의 몇 퍼센트가 가려져 있는지 다이슨 스피어로 추정되는 물체의 규모도 파악할 수 있다!
#다이슨 스피어를 만든 외계 문명은 호전적이다?
다이슨 스피어 사냥을 위해 천문학자들은 우리 은하 속 별들의 세밀한 움직임과 위치를 관측한 가이아 위성의 첫 번째 공개 데이터(Gaia Data Release 1)를 활용했다. 그리고 가이아가 연주 시차로 측정한 거리와 비교하기 위해서 우리 은하 속 별들의 정밀한 스펙트럼을 관측한 RAVE(Radial Velocity Experiment)의 다섯 번째 공개 데이터(RAVE Data Release 5)를 활용했다. 두 관측에서 모두 동일하게 관측된 별은 약 23만 개다. 분석의 정밀도를 높이기 위해서 이 중 가이아에서는 10퍼센트 이내, RAVE에서는 20퍼센트 이내의 정밀도로 관측된 데이터만 남겼다. 그 결과 두 관측에서 모두 높은 정밀도로 관측된 유효한 별을 총 8441개를 걸러냈다.
놀랍게도 이 별들 중에서 유독 연주 시차로 추정되는 거리에 비해 전체 플럭스가 많이 어두워 보이는 별 단 하나를 찾아냈다. 바로 태양과 비슷한 6200K의 온도로 빛나고 있는 F형 별 TYC 6111-1162-1이다. 이 별의 스펙트럼과 플럭스를 통해 RAVE 관측이 추정한 거리는 약 720광년이다. 하지만 가이아가 연주 시차로 추정한 거리는 그 절반밖에 안되는 360광년이다! 더 정확하다고 볼 수 있는 연주 시차로 추정한 거리에 비해서 무려 두 배나 더 멀리 떨어져 보일 만큼 별이 어둡게 보인다는 뜻이다. 이 정도로 별빛이 어둡게 보이기 위해서는 무언가가 별 전체의 70퍼센트 가까이를 가리고 있어야 한다(별이 가려진 비율, Covering fraction이 약 0.7이다).
기존 관측에서도 이 별에서는 그 어떤 적외선 초과도 보이지 않았다. 그렇다면 왜 이 별은 연주 시차로 잰 거리보다 두 배나 더 멀리 있는 것처럼 확연하게 어둡게 보일까? 정말 무언가 거대한 구조물이 별 앞을 대부분 가리고 있는 걸까?
이 별에 정말 외계 문명이 살고 있는지를 알아보기 위해, 천문학자들은 아프리카 카나리아제도에 있는 노르딕 광학 망원경(Nordic Optical Telescope, NOT)의 고해상도 분광기를 활용해 정밀 관측했다. 그 결과 이전까지 알려지지 않았던 새로운 가능성이 제시됐다. 이 별이 단순히 혼자가 아니라 잘 보이지 않는 어두운 백색왜성과 함께 짝을 이룬 쌍성일 수 있다는 것이다. 이 별의 위치가 미세하게 요동치는 것이 추가로 확인되었기 때문이다.
만약 이 별이 동반성과 함께 서로의 곁을 맴돌고 있다면 연주 시차 관측에 큰 영향을 줄 수 있다. 순수한 연주 시차 효과에 더해서 별이 동반성과 함께 요동치는 움직임이 더해지면서 실제보다 연주 시차가 더 크다고 오해할 수 있다. 연주 시차가 약 두 배 더 크다고 오해하면 실제보다 거리가 절반 정도 가깝다고 착각하게 된다. 스펙트럼 플럭스로 잰 거리가 맞게 추정한 것임에도 연주 시차 거리와 비교하면서 별이 뭔가에 의해 어둡게 가려진 것이 아닐까 오해하게 될 수 있다.
천문학자들은 이 별이 정말 이해할 수 없는 무언가로 어둡게 가려진 것인지, 아니면 곁에 동반성을 두고 있는 것이지 추가로 더 정밀하게 관측을 진행할 예정이다. 김빠지는 결론이 나더라도, 다이슨 스피어로 의심되는 별들을 골라낼 수 있는 좋은 방법이 개발되고 시도되었다는 점에서 아주 흥미로운 연구다.
만약 이런 방법으로 언젠가 다이슨 스피어로 정말 의심되는 후보 별이 발견된다면 그들에게 인류의 신호를 보낼 수 있지 않을까? 실제로 SETI 천문학자들은 이를 제안했다. 하지만 나는 그리 영리한 시도는 아닐 거라 생각한다. 다이슨 스피어를 만드는 데 성공한 외계 문명에게 지구의 신호를 보내는 것이 좋은 선택일지에 대해 의문이 들기 때문이다.
다이슨 스피어를 만들기 위해선 상상하기 어려운 기술뿐 아니라 아주 막대한 자원이 필요하다. 우리 태양을 감싸는 다이슨 스피어를 만든다면 태양계 행성과 소행성들을 모두 재료로 사용한다 해도 태양을 겨우 1~2cm 두께로 감싸는 아주 얇은 구조물밖에 만들 수 없다. 제 기능을 할 수 있는 다이슨 스피어를 만들려면 태양계 바깥 다른 별 주변의 외계행성까지 채굴해야 할 것이다.
이 문제는 다이슨 스피어를 만든 다른 외계인들도 똑같이 경험할 것이다. 따라서 실제 다이슨 스피어를 만든 외계인들이 있다면 분명 자신의 고향 행성계뿐 아니라 다른 별 곁의 행성들까지 파괴하고 자원으로 썼을 것이다. 심지어 그 행성에 원주민 생명체들이 살고 있더라도 개의치 않고 파괴하는 상당히 폭력적인 문명일지 모른다. 어쩌면 다이슨 스피어는 그 문명의 폭력성과 잔혹함을 보여주는 상징일지 모른다.
나 역시 당장 태양계 바깥 외계 생명체, 나아가 외계 문명의 존재가 과학적으로 발견되고 입증되기를 고대한다. 미지의 존재와의 조우를 꿈꾸며 인류의 편지를 품고 우주로 날아간 보이저호의 아름다운 이야기를 사랑한다. 하지만 다이슨 스피어라는 거대 구조물을 만드는 데 성공한 외계 문명에게 인류의 메시지를 보내는 것은 적극 말리고 싶다. 어쩌면 별 TYC 6111-1162-1에서 다이슨 스피어를 짓고 살아가는 외계인들에겐 우리 지구도 그저 탐나는 다음 채굴장에 불과할지 모르니 말이다.
참고
https://www.nature.com/articles/s41586-020-3010-5
https://aasnova.org/2018/08/27/seti-on-the-side-seeking-dyson-spheres-with-gaia/
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/aac386
https://www.scientificamerican.com/article/human-made-stuff-now-outweighs-all-life-on-earth/
https://strelkamag.com/en/article/backcasting-kardashev-one
http://simbad.u-strasbg.fr/simbad/sim-id?Ident=TYC+6111-1162-1
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S009457650000028X?via%3Dihub
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0004-637X/810/1/23
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[핫클릭]
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