50이라는 나이,
우주를 알기에 딱 좋은 시기
“땅만 내려다보지 말고 고개를 들어 하늘의 별을 보라.” 몇 해 전 타계한 스티븐 호킹 박사의 말이다. 일찍이 공자는 “나이 쉰이면 천명을 알아야 한다”라고 말했는데, 공자 시대의 쉰 살과 지금의 쉰 살은 얼핏 생각해도 많은 차이가 있다. 이 시대의 50대는 자녀가 있다면 대학에 갈 나이로, 자식 뒷바라지에 큰돈이 들어갈 나이이면서, 한편으로는 곧 닥칠 자신의 은퇴를 대비해야 할 시기이기도 하다. 지나온 삶도, 가야 할 삶도 모두 만만찮은 나이로, ‘공사다망’하여 마음만 급해지는 시기가 50대인 것이다. 안타깝게도 이 시대의 쉰 살은 고개를 들어 하늘의 별을 볼 새가 없이 앞만 보며 살기 바쁘다.
이 책의 저자는 우리나라 대표 천문학 작가다. 그는 원래 천문 잡지와 책을 주로 내던 출판사 대표였는데, 어느 날 야근을 하고 밤늦게 퇴근을 하다가 어느 아파트 고층 집 베란다에 걸린 조(弔)등을 보고 정신이 퍼뜩 났다고 한다. 밥벌이에 파묻혀 바쁘게 살다가 아파트 안방에서 어느 날 죽는다면 너무 억울할 것 같았다고. 그 길로 유년시절부터 가슴에 품었던 별을 원 없이 보고자 강화도로 터를 옮기고 집 베란다에 천체망원경을 걸었다. 그리고 천문학 작가로서의 삶을 시작했다.

우주의 비밀과
그 비밀을 밝히려는 사람들의 삶을 담은 책
이 책은 ‘우주의 탄생부터 종말까지’, 다양한 별과 우주 이야기를 쉽고 재미있게 들려줄 뿐만 아니라 우주의 비밀을 밝히기 위해 헌신한 사람들의 삶과 업적을 담았다. 1강 ‘세상은 어떻게 시작되었나?’에서는 우주와 별의 탄생과 관련한 이야기들이 담겨 있다. 팽창우주를 주창한 조르주 르메트르, ‘허블의 법칙’을 찾아낸 에드윈 허블과 밀턴 휴메이슨의 이야기가 나온다. 2강 ‘만물의 근원인 수소가 맨 처음 한 일’에서는 별이 반짝이는 이유인 ‘핵융합’을 알아낸 한스 베테, 별의 죽음인 ‘초신성 폭발’과 생명의 시작 등의 이야기가 이어진다. 3강 ‘우주는 무엇으로 이루어져 있나?’에서는 별이 모여 사는 은하를 다룬다. 4강 ‘우주는 얼마나 클까?’에서는 우주의 광활함을 알아본다. ‘창백한 푸른 점’이라는 유명한 사진과 관련된 이야기부터 시작해, 태양계 너머로 항해를 떠난 보이저 1호의 경로를 추적해본다. 그러다보면 우리가 살고 있는 이 우주가 얼마나 거대하고 우리는 얼마나 작은 존재인지 알 수 있을 것이다. 또한 프리드리히 베셀, 헨리에타 리비트 등 일반은 잘 모르지만 천문학사에 이름을 깊이 새긴 이들의 삶들도 곁들인다. 5강 ‘우주는 끝이 있을까?’에서는 유한하나 끝이 없는 우주에 대해 알아본다. 6강 ‘우주에서 가장 기괴한 존재, 블랙홀’에서는 블랙홀, 화이트홀, 웜홀 등을 알아본다. 7장 ‘알수록 신기한 태양계 동네’에서는 지구가 속해 있는 태양계 이야기를 조금 더 자세히 알아본다. 8강에서는 ‘다정한 형제, 지구와 달 이야기’를 알아본다.

어느 날 야근을 하고 밤늦게 귀가하는데, 아파트 단지 입구에 들어서자 어느 고층집 베란다에 누런 조등 하나가 걸려 있는 것이 눈에 띄었다. 그 순간 무언가가 내 머리 속을 딱 때렸다. ‘아, 정신없이 살다가 아파트 안방에서 죽으면 저렇게 베란다에 조등 하나 걸고 끝나겠구나.’ 밥벌이에 파묻혀 바쁘게 살다가 어느 날 갑자기 아파트 안방에서 죽는다면, 그보다 억울한 일이 어디 있을까. 박정만 시인은 ‘나는 사라진다/저 광활한 우주 속으로’ (‘終詩’ 전문)라는 절명시를 남겼지만, 나는 우주로 사라지기 전에 내가 어쩌다 우연히 태어나 살게 된 이 우주란 동네를 좀더 알아보고 싶었다. p.21

약 300년 전인 17세기, 독일의 철학자이자 수학자ㆍ물리학자ㆍ역사학자이기도 한 팔방미인형의 천재 고트프리트 라이프니츠(1646~1716)는 “왜 세상은 텅 비어 있지 않고 뭔가가 가득 차 있는가?” 하는 질문을 스스로에게 던졌다. 미적분의 발견 업적을 놓고 뉴턴과 다툰 것으로도 유명한 라이프니츠는 또 이렇게 덧붙였다. “이 세상이 환상일 수도 있고 모든존 재는 꿈에 불과할지도 모르지만, 내가 보기에 이것들은 너무도 현실적이어서 우리가 환상에현혹되지 않고 있다는 것을 입증하기에 충분하다.” 말하자면 “삼라만상의 모든 것들, 곧 만물은 어디서 온 것일까” 하는 원초적인 물음이었지만, 이런 천재도 끝내 그 정답을 알아내지 못했다. 그렇다면 우리를 둘러싸고 있는만 물의 근원은 과연 무엇일까? p.34

허블의 발견에 따르면, 우주 팽창은 나를 중심으로 진행되고 있다고도 볼 수 있다. 내가 만약 이웃 안드로메다 은하로 가더라도 마찬가지다. 그곳을 중심으로 모든 은하들은 나로부터 멀어져가고 있을 것이다. 우주의 모든 은하들은 이처럼 서로 후퇴하고 있다. 이 경우 은하들이 스스로 이동하는 것은 아니다. 우주팽창은 공간 자체가 팽창하는 것이기 때문에 은하 간 공간이 늘어나고 있는 것이다. 따라서 은하들은 늘어나는 우주의 카펫을 타고 서로 기약 없이 멀어져가고 있는 셈이다. 우주는 지금 이 순간에도 빛의 속도로 팽창하고 있다. 그러므로오늘 우리가 사는 우주는 어제의 우주가 아니며, 내일의 우주는 오늘의 우주와는 또 다르다는 얘기다. pp.44-45

세상의 모든 물질들이 다 원자로 이루어져 있다는 것은 상식이다. 우리 몸이나, 흙, 나무, 공기, 물 등등 원자로 만들어지지 않은 것이 하나도 없다. 그래서 노벨 물리학상을 받은 미국의 유명한 물리학자 리처드 파인만(1918~1988)은 이런 말을 남기기도 했다. “다음 세대에 물려줄 과학지식을 단 한 문장으로 줄인다면 ‘모든 물질은 원자로 이루어져 있다’는 것이다.” 이런 원자의 종류가 100여 가지 되는데, 양성자 1개를 가진 원자번호 1번인 수소에서부터 시작해 94번인 플루토늄까지 94종이 자연에서 발견되며, 나머지는 실험실에서 합성된 것이다. 세상의 모든 것들이 다 이런 원자로 이루어져 있다는 얘기다. p.60

베테는 제2차 세계대전이 일어나기 직전인 1938년, 별 속에서 수소가 헬륨으로 바뀌는 핵융합으로 별이 에너지를 생성하는 과정을 처음으로 밝혀냈다. 수만 년 동안 별이 반짝이는 이유를 궁금해 했던 인류는 베테 덕에 비로소 그 이유를 알게 되었던 것이다. 별이 반짝이는 이유를 처음 알아낸 베테에게는 이와 관련된 재미있는 얘기가 하나 있다. 32세 노총각인 베테가 애인과 함께 바닷가를 거닐고 있을 때, 여친이 문득 서녘 하늘을 가리키며 말했다. “어머, 저기 저 별 좀 봐. 정말 예쁘지?” 그러자 베테가 으스대면서한 대꾸가 정말 놀라운 내용이었다. “응, 그런데 저 별이 빛나는 이유를 아는 사람은 세상에 나뿐이지.” 얼마나 엄청난 말인가? 마침 그때가 논문을 발표하기 하루 전날이었다. 베테는 별의 에너지원 발견으로 1967년 노벨 물리학상을 받았다. p.71

만고에 변함없이 보이는 별자리도 사실 오랜 시간이 지나면 그 모습이 바뀐다. 별자리를 이루는 별들은 저마다 거리가 다를 뿐만 아니라, 항성의 고유운동으로 인해 1초에도 수십~수백 km의 빠른 속도로 제각기 움직이고 있다. 다만 별들이 너무 멀리 있기 때문에 그 움직임이 우리 눈에 띄지 않을 뿐이다. 그래서 고대 그리스에서 별자리가 정해진 이후 별자리의 모습은 거의 변하지 않았다. 별의 위치는 2천 년 정도의 세월에도 변화가 거의 없었다는 것을 말해준다. 하지만 더 오랜 세월, 한 20만 년 정도가 흐르면 하늘의 모든 별자리들이 완전히 변모한다. 그때까지도 지구상에 인류가 생존한다면 그들은 지금 밤하늘과는 전혀 다른 모양의 별자리들을 보게 될 것이다. 그렇다고 별자리마저 덧없다고 여기지는 말자. 기껏 해야 백 년도 못 사는 인간에겐 그래도 별자리는 만고불변의 하늘 지도이고, 당신을 우주로 안내해 줄 첫 길라잡이니까. pp.90-91

밤하늘에 동서로 길게 누워 가는 이 빛의 강, 은하수를 서양에서는 밀키웨이milky way라 일컫는다. 그리스 신화에 의하면 은하수는 제우스의 부인 헤라 여신의 젖이 뿜어져 나와 만들어진 것이라 한다. 우리나라에서는 예로부터 은하수를 미리내라고 불렀다. ‘미리’는 용을 일컫는 우리 고어 ‘미르’에서 나왔고, ‘내’는 강이란 뜻이므로, 한자로는 용천龍川, 곧 용의 강이다. 미리내란 우리 이름이 밀키웨이란 말보다 훨씬 멋지고 품위 있어 보인다. 태양계가 있는 우리은하를 그래서 미리내 은하라고도 한다. 흔히 ‘우리은하’로 부르는데, 우리나라처럼 붙여 쓰는 게 자연스럽다. 영어로는 밀키웨이 갤럭시라 하고, 또는 머리글자를 대문자로 써서 그냥 갤럭시The Galaxy라고도 한다. p.100

지구에서 태양까지의 거리는 약 1억 5천만 km다. 이걸 1천문단위 AU라 하여 태양계를 재는 잣대로 쓰인다. 이게 대체 얼마만 한 거리일까? 천문학은 감수성과 상상력을 필요로 한다. 가장 간단한 답으로는, 1초에 지구 7바퀴 반을 도는 초속 30만 km인 빛이 8분 20초 걸려 주파하는 거리다. 초로는 약 500초인데, 달까지의 거리의 약 400배에 달하며, 시속 100km의 차로 달리면 무려 170년이 걸린다. 우리가 해바라기처럼 올려다보는 태양이 실제로는 얼마나 멀리 떨어져 있는 별인지를 실감할 수 있다. 그런데도 그 먼 거리에서 내뿜는 별빛이 이리도 뜨겁다니 참 믿기지 않는 일이지만, 이것이 태양 표면 온도 6천도의 위력이다. 태양이 만약 10%만 지구 가까이에 위치했다면 지구상에는 어떤 생명체도 살지 못했을 것이다. 우리는 부디 태양이 그 자리를 지켜주기만을 기도해야 한다. p.121

리비트는 수백 개에 이르는 세페이드 변광성의 광도를 측정했고 여기서 독특한 주기-광도 관계를 발견했다. 일 주기를 갖는 세페이드의 광도는 태양의 800배이다. 30일 주기를 갖는 세페이드의 광도는 태양의 1만 배이다. 1908년, 리비트는 세페이드 변광성의 ‘주기-광도 관계’ 연구결과를 〈하버드 대학교 천문대 천문학연감〉에 발표했다. 리비트는 지구에서부터 마젤란 성운 속의 세페이드 변광성들 각각까지의 거리가 모두 대략적으로 같다고 보고, 변광성의 고유 밝기는 그 겉보기 밝기와 마젤란 성운까지의 거리에서 유도될 수 있으며, 변광성들의 주기는 실제 빛의 방출과 명백한 관계가 있다는 결론을 이끌어냈다. p.136

우주에 관해 가장 궁금한 것 중의 하나는 “과연 우주는 끝이 있을까” 하는 문제일 것이다. 지금 이 순간에도 쉬지 않고 빛의 속도로 팽창하고 있는 이 우주의 끝은 과연 어디일까? 우주의 끝이라고 할 만한 게 있기는 한 것일까? 우리의 경험칙에 비추어보면 모든 것은 시작과 끝이 있다. 그런데 이것을 우주에 적용하면 ‘에러’가 뜬다. 끝이 있다는 것은 그 바깥으로 다른 무언가가 또 있다는 뜻이기 때문이다. 우주에 끝이 없다면 크기가 무한대라는 뜻인데, 일찍이 철학자 아리스토텔레스는 무한대는 상상의 산물일 뿐 실재하지는 않는다는 것을 다음과 같이 삼단논법으로 멋들어지게 증명한 바 있다. “무한대라 하더라도 유한한 것들의 집합일 수밖에 없다. 유한한 것들은 아무리 합쳐봐야 그 결과는 유한하다. 그러므로 무한대란 존재하지 않는다.” p.150

독일 물리학자 막스 보른(1882~1970)은 “유한하지만 경계가 없는 우주의 개념은 지금까지 생각해왔던 세계의 본질에 대한 가장 위대한 아이디어의 하나”라고 평했다. 현재 우주의 크기는 약 930억 광년이라는 NASA의 계산서가 나와 있다. 138억 년 전에 태어난 우주가 이처럼 큰 것은 초기에 빛의 속도보다 빠르게 팽창했기 때문이다. 이를 인플레이션이라 한다. 아인슈타인의 특수 상대성 이론에 따르면 우주에서 빛보다 빠른 것은 없다고 하지만, 우주는 공간 자체가 팽창하는 것이기 때문에 그에 구애받지 않는다. 어쨌든 현대 우주론은 우주의 끝에 대해 이렇게 결론 내리고 있다. “우주는 유한하나 그 경계는 없다.” p.158

블랙홀에 관해서 사람들이 공통적으로 가장 궁금해하는 것은 ‘만약 내가 블랙홀 안으로 떨어진다면 어떻게 될까’ 하는 문제다. 일견 무시무시한 상상이긴 하지만, 이 문제는 변함없이 사람들의 가장 큰 관심사다. 가장 널리 알려진 이론이 바로 ‘스파게티화spaghettification’다. 블랙홀 가까이 접근하자마자 모든 사물은 가락국수처럼 길게 늘어져버린다는 얘기다. 이유는 이렇다. 블랙홀의 가공스런 중력이 당신 몸의 각 부분에 작용하면서 그힘의 차이로 인해 몸이 길게 늘어나기 때문이다. 지구에서는 중력의 크기가 당신의 지금 키만큼 유지되게 해주고 있는 정도지만, 블랙홀 안으로 떨어지면 사정은 좀 달라진다. 먼저 당신의 발이 블랙홀로 접근한다고 상상해보자. 그러면 블랙홀의 엄청난 조석력이 머리보다는 발쪽에 더 강하게 작용한다. 발끝과 머리에 가해지는 중력의 차이?

지은이의 말_쉰 살, ‘천명天命’을 알아야 할 때

프롤로그_어느 날 문득 ‘우주’가 나를 찾아왔다
대체 우주란 어떤 동네일까?
나의 버킷 리스트, 백수의 꿈
융합형 천문학 책
왜 우주를 알아야 하나?
우주란 무엇인가?
우주는 아직 어린 게 틀림없다

1강 세상은 어떻게 시작되었나?
세상은 왜 텅 비어 있지 않은가?
어제가 없는 오늘
괴짜 콤비가 발견한 ‘팽창우주’
우주의 나이를 가르쳐준 허블의 법칙
우주의 시작은 아름다운 불꽃놀이였다
<재미난 쉼터 1> 천문학 영웅의 영광과 좌절 _미스터리에 싸인 허블의 무덤
신호는 빅뱅 우주를 의미했다!
<재미난 쉼터 2> 빛이란 무엇인가? _놀라운 빛의 정체
하나님의 말씀이 바로 수소다!

2강 만물의 근원인 수소가 맨 처음 한 일
우주의 별이 많을까, 지구상 모래가 많을까?
별이 빛나는 이유를 알아낸 노총각 교수
별도 사람처럼 생로병사를 거친다
별의 운명은 질량이 결정한다
운 좋으면 초신성 폭발을 볼 수 있다
사람이 별먼지로 만들어졌다고?
<재미난 쉼터 3> 별자리는 대체 무엇에 쓰는 물건인고? _하늘은 88번지까지 있다
<재미난 쉼터 4> 별자리로 보는 별점, 정말 맞을까? _인류 3분의 1이 믿는다

3강 우주는 무엇으로 이루어져 있나?
은하, 은하수, 우리은하_어떻게 다를까?
최초의 은하는 어떻게 만들어졌나?
우리은하의 탄생
은하수가 하늘을 가로지르는 이유
은하에도 종류가 있다
은하들의 층층 구조로 이루어진 우주
<재미난 쉼터 5> 우리은하와 안드로메다 은하가 충돌한다! _45억 년 후 밀코메다가 탄생한다

4강 우주는 얼마나 클까?
지구 30개를 늘어놓으면 달에 닿는다
60억 km만 나가도 지구는 한 점 티끌
가장 가까운 별까지 가려면 6만 년 걸린다
천문학자들의 줄자 ‘우주 거리 사다리’
중학교 중퇴자가 최초로 별까지 거리를 쟀다
천문학 역사상 가장 중요한 한 문장
우주 팽창을 가르쳐준 ‘적색이동’
우주의 가장 긴 줄자인 ‘초신성’
<재미난 쉼터 6> 심오한 질문 ‘밤하늘은 왜 어두운가?’ _ 올베르스의 역설, 소설가가 풀었다

5강 우주는 끝이 있을까?
우주는 끝이 있다? 없다?
안과 밖이 따로 없는 우주의 구조
공간은 휘어져 있다, 일반 상대성 이론으로 보는 우주
유한하나 끝이 없는 우주
<재미난 쉼터 7> 아인슈타인은 과연 ‘신’을 믿었을까? _ 27단어로 답하다

6강 우주에서 가장 기괴한 존재, 블랙홀
블랙홀이 태어난 곳은 인간의 머릿속이었다!
블랙홀 논쟁의 마침표
블랙홀 존재, 어떻게 알 수 있나?
블랙홀 동네의 일방통행 구간, 사건 지평선
블랙홀, 화이트홀, 웜홀
블랙홀이 완전히 검지는 않다
시간 앞에 영원한 것은 없다
블랙홀도 과체중을 싫어한다
마침내 블랙홀 사진을 찍었다!
<재미난 쉼터 8> 내가 만약 블랙홀 안으로 떨어진다면? _ 스파게티가 된다고?

7강 알수록 신기한 ‘태양계’ 동네
세상을 바꾼 갈릴레오의 망원경
그래도 지구는 돈다
태양은 아침에 뜨는 별이다
태양계의 기원을 밝힌 철학자
인류 탄생에 걸린 시간은 138억 년
행성 이름들은 어떻게 지어졌을까?
가장 많은 천문학자를 ‘배출’한 토성
망원경 발명 후에 발견된 행성들
태양계에서 태양이 차지하는 비중은 99.86%
신비로운 태양계의 실제 움직임
<재미난 쉼터 9> 고졸 별지기와 행성반에서 낙제한 명왕성 _죽어서 명왕성을 본 톰보
딱 천왕성 주기만큼 산 천왕성 발견자

8강 다정한 형제, 지구와 달 이야기
별먼지가 뭉쳐져서 된 지구
바다는 어디서 왔을까?
지구가 기우뚱하다고?
<재미난 쉼터 10> 그 많던 공룡들은 왜 다 죽었을까? _백악기 공룡들이 억세게 재수 없던 날
지구의 대기가 그렇게 대단하다니
자석의 힘이 지구를 지켜준다
지구를 쪼개면 뭐가 나올까?
<재미난 쉼터 11> “2060년에 세계는 멸망한다!” _아이작 뉴턴의 ‘지구 종말론’
지구의 하나뿐인 변덕쟁이 동생
음력과 양력, 어떻게 다른가?
덩치가 커도 너무 큰 달
달에도 바다가 있다고?
달은 지구의 보디가드
하늘에 있던 달이 없어졌다!
해를 품은 달
우리 몸이 달과 관계가 있다고?
달도 언젠가 지구를 떠난다
<재미난 쉼터 12> 달에서 본 ‘지구돋이(Earthrise)’ _역사상 가장 영향력 큰 사진

에필로그 우주는 어떤 종말을 맞을까?
은하들이 안 보인다
우주 종말 3종 세트
가장 유망한 우주의 종말, 대동결
우리가 우주를 사색하는 이유
찰나의 불씨 한 점
<재미난 쉼터 13> 인류가 우주를 완벽히 아는 날이 올까? _우주는 프랙탈 구조