[이광식의 천문학+] ‘타임머신’ 망원경으로 138억 년 우주를 보다

망원경은 타임머신

우리는 결코 ‘현재’를 볼 수 없다. 우리가 보는 모든 것은 ‘과거’이다. 이것은 빛의 속도 때문이다. ‘본다는 문제’에 대한 재미있는 해설 기사가 13일 우주 전문 사이트 스페이스닷컴에 발표되어 소개한다. 글쓴 이는 호주 모내시 대학 천문학 부교수인 마이클 J. I. 브라운 부교수다.

우리의 감각은 과거에 고착되어 있다. 멀리서 번개가 번쩍 하면 천둥 소리는 몇 초 뒤에 들린다. 우리는 ‘과거’를 듣는 셈이다. 마찬가지로 우리가 보는 것 역시 과거다.

소리는 3초마다 1km씩 이동하지만, 빛은 1초에 30만km를 달린다. 우리가 3km 떨어진 곳의 조명등을 볼 때, 우리는 100분의 1밀리 초 전에 일어난 일을 보는 것이다. 그렇게 먼 과거는 아니지만, 그래도 과거다.

따라서 우리가 더 멀리 볼 때, 우리는 더 오랜 과거를 보는 셈이다. 우리가 지상에서 보는 것은 거의 찰나의 과거이지만, 눈을 하늘로 돌리면 문제는 달라진다. 몇 초, 몇 시간, 몇 년 전의 과거를 볼 수 있게 된다. 망원경으로 보면 더욱 아득한 과거를 볼 수 있다. 이런 경우 망원경은 타임머신이라 할 수 있다.

우선 초 단위부터 따져보자. 달은 우리의 가장 가까운 천체로, 계곡과 산, 크레이터가 있는 우리 지구 행성의 위성이다. 지구로부터의 거리는 약 38만km로, 지구를 30개쯤 이어놓으면 닿는 거리이다. 빛이 이 거리를 이동하는 데는 1.3초가 걸린다. 그러니까 우리가 쳐다보는 달은 1.3초 전의 달 모습인 것이다.

이 짧은 시간 동안 달이 크게 변하지는 않지만, 그래도 1.3초는 지구에서 교신하는 데는 감지할 수 있을 만한 시간 지체이다. 달 주위를 도는 우주선의 승무원과 전파로 통신한다면, 빛의 속도인 전파가 오가는 시간은 2.6초가 된다. 지상의 관제실에서 어떤 지시를 내리고 그 응답을 받는 데 최소한 그만큼 시간 지체가 일어나는 것이다.

그 다음 분 단위로 넘어가보자. 태양을 타깃으로 삼아 얘기한다면, 지구-태양 간 거리는 약 1억 5000만km다. 천문학에서는 이 거리를 1천문단위(1AU)라 하여 태양계를 재는 잣대로 삼는다. 이 잣대로 재면 금성은 약 0.7AU, 토성은 약 10AU다. 태양에서 지구까지 빛이 달려오는 데는 약 8분 20초가 걸린다. 지평선 위로 해가 올라왔다면 그 해는 이미 8분 20초 전에 올라왔다는 얘기가 된다.

가장 가까운 행성 이웃인 금성과 화성은 수천 만km 떨어져 있다. 그래서 우리가 보는 금성과 화성 역시 몇 분 전 과거의 모습인 것이다. 화성이 지구에 아주 가까울 때는 우리는 3분 전의 화성을 보는 것이며, 아주 멀 때는 20여 분 전 화성 모습을 보는 셈이다.

화성 지표 위에는 현재 여러 대의 탐사 로버들이 돌아다니고 있다. 3~20분의 시간 지체는 이 로버들을 운용하는 데 약간의 문제를 야기하다. 로버를 시속 1km로 운전하는 경우, 이 시간 동안 로버가 이동하는 거리는 50~330m나 된다. 로버가 앞에 보이는 장애물을 관제실에 보고하고, 관제실에서 브레이크를 밟으라는 명령을 내리더라도 그 시간에 로버가 이동하는 거리는 100~660m나 되는 것이다. 이는 제한된 빛의 속도로 인한 시간 지체 때문이다. 이런 이유로 화성 탐사선은 초속 5cm를 제한속도로 하고 있으며, 난파 사고를 막기 위해 온보드 컴퓨터를 운용하고 있다.

138억 년 우주의 전 역사를 본다

조금 더 우주 멀리 나가보자. 토성의 경우, 지구로부터 가장 가까울 때라 하더라도 여전히 10AU 이상 떨어져 있으므로, 지금 맨눈으로 보는 토성은 약 1시간 전의 모습이다. 카시니 우주선이 2017년 토성의 대기로 뛰어들어 최후를 맞았을 때, 우리는 카시니의 임종을 이미 파괴된 우주선에서 보내진 에코(echos)를 1시간 후에 듣고 알 수 있었다.

지금까지 우리가 본 ‘과거’는 사실 우주라는 그릇 속에서는 맛보기에 지나지 않는다. 밤하늘에 가득한 별들은 태양계 행성들과는 비교가 되지 않을 정도로 엄청나게 멀다. 태양계 마지막 행성인 해왕성까지 빛이 달리는 데는 고작 4시간 걸리지만(4광시란 한다), 별까지의 거리는 광년이라는 잣대를 써야 한다. 1광년은 빛이 1년 동안 달리는 거리로, 약 10조km이다. 우리가 맨눈으로 볼 수 있는 가장 가까운 별인 알파 켄타우루스(리길켄트)는 4.3광년으로 지구-태양 간 거리의 27만 배에 이른다. 그러니까 지금 보는 리길켄트는 4년3개월 전의 모습인 것이다.

현재 밤하늘에서 가장 핫한 관심을 모으는 별이 하나 있는데, 바로 오리온자리의 일등성 베텔게우스다. 태양의 900배인 적색 초거성인 이 별이 조만간 초신성 폭발을 일으켜 최후를 맞을 것으로 예측되고 있기 때문이다. 밝기는 태양의 50만 배, 거리는 640광년인 이 별이 만약 터진다면 어떻게 될까? 그때 내는 빛은 온 은하가 내는 빛보다 더 밝으며, 지구는 약 1~2주간 밤이 없는 세상이 된다. 하지만 조만간이라 하지만 천문학에서는 며칠이 될 수도 있고, 몇천 년, 몇만 년이 될 수도 있다. 물론 그런 일이 오늘밤 실제로 일어난다면 현장에선 이미 640년 전에 일어났다는 얘기다. 640년 전이라면 이성계가 고려조를 치기 위해 위화도에서 군사를 되돌릴 무렵이다.

망원경 없이 인간이 볼 수 있는 가장 먼 물체는 안드로메다 은하이다. 거리는 약 250만 광년. 인류가 지구상에 모습을 드러낸 것이 겨우 30만 년 전인데, 오늘 보는 안드로메다 은하의 빛은 그보다 더 까마득한 과거에 안드로메다를 출발한 빛인 셈이다.

별지기들이 많이 쓰는 소형 망원경만으로도 몇억 년의 시간을 거슬러 여행할 수 있다. 퀘이사 3C 273은 블랙홀에서 에너지를 받아 엄청나게 빛나는 천체로 개개의 은하보다 밝다. 그러나 25억 광년이나 떨어져 있기 때문에 맨눈 볼 수 있는 한계치보다 1,000배나 어둡다. 하지만 구경 20cm 망원경을 들이대면 우리 눈에도 보인다. 즉, 25억 년 과거가 보이는 것이다.

더 큰 망원경은 더 먼 과거를 보여준다. 구경 1.5m 망원경으로 보니 퀘이사 APM 08279 + 5255는 단지 희미한 점이었다. 그러나 그 천체는 무려 120억 광년 거리로, 지구 나이 46억 년의 3배나 되는 과거라 할 수 있다. 우주의 나이는 138억 년이다. 머지않아 우주로 올려질 제임스웹 망원경은 우주의 끝을 볼 수 있을 거라 한다. 그러면 우리는 망원경으로 우주의 전 역사를 돌아볼 수 있게 될 것이다. 타임머신을 타고 돌아보듯이.

이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com