창간호 특집 : Feel the Scale of the Universe

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우주의 크기를 재어보자


팝퀴즈

답 : 지구

비행기를 타고 서울에서 미국까지 가는데만 10시간이 걸리는 우리 지구는 결코 우리에게는 작은 세상이 아니다. 70억 인구가 모여 살고 있는 우리 지구는 생전에 다 돌아볼 수도 없이 커다란 곳이다. 그런 지구가 이렇게 작은 점에 불과하다니! 앞서 본 사진은 탐사선 Voyager1호가 명왕성 궤도를 지나면서 촬영한 지구의 모습이다. 지구를 이렇게나 멀리서 촬영한 것은 최초였다. 지구 바깥에서 지구를 본다면 아주 작은 먼지처럼 보일 뿐이다. 이 촬영은 당시 우리에게 스스로가 얼마나 작은 존재인지 다시 한번 깨우칠 수 있게 하는 계기가 되었다. 과연 이 우주는 얼마나 넓고 거대한 것일까?

우주는 크다. 넓고 거대하다. 진짜 엄청 크다.

물론 많은 사람들은 “우주가 크다.”라는 사실은 잘 알고 있을 것이다. 하지만 얼마나 큰 지는 잘 감이 오지 않을 것이다. 그래서 지금 당신과 함께 스케일 여행을 떠나려 한다. 우리 우주에는 지구보다 훨씬 큰 태양이 있다. 또 태양보다 훨씬 큰 별들이 수천 억개를 넘는다. 우주에는 그 무엇이든 그것보다 큰 것이 존재한다. 단언컨데 당신이 상상하는 어떤 크기보다도 우주는 훨씬 거대하다. 지금부터 우주의 스케일을 느껴보자!

 

오르트구름

우리가 살고 있는 지구의 지름은 12700km이다. 지구를 포함해 우리 태양계에는 9개의 행성이 있다. 그 중 가장 큰 행성인 목성의 지름은 지구보다 약 11배 큰 140,000km이다. 태양계의 중심의 밝은 별인 태양은 지구보다 약 101배 크다. 지구를 쌀알에 비유한다면, 태양은 농구공 정도로 생각할 수 있다. 정말 어마어마하게 크다. 이렇게 거대한 태양과 지구 사이의 거리는 1억5천만 km 이다. 태양에서 가장 먼 행성인 해왕성까지의 거리는 그보다 30배 더 먼 45억 km이다. 이를 포함해 태양계의 가장 바깥에는 혜성의 고향으로 생각되는 작은 돌맹이들이 약 20조 km의 크기로 모여 오르트 구름이라 불리는 영역을 이룬다.

태양계

 

큰게자리

베텔기우스

 

많은 사람이 좋아하는 대표 간식, 주먹밥. 주먹밥은 밥알들을 모아 둥글게 만든 음식이다. 하나의 주먹밥 안에는 매우 많은 수의 밥알들이 있다. 우주의 별들도 이렇게 모이고 모여 더 큰 주먹밥을 만든다. 그리고 그 주먹 밥 안의 별들의 개수는 셀 수 없이 많다. 그래도 먹는 주먹밥 안의 밥알은 셀 수 있겠지만…

앞서 살펴본 것 처럼, 우주에는 엄청난 크기의 별들이 엄청 다양하게 분포하고 있다. 이제 당신은 우리 태양이, 그리고 그 주변을 돌고있는 지구가 얼마나 작은 존재인지 감이 올 것이다.

하지만 더 충격적인 사실, 저렇게 거대한 별들이 다시 모여 더 커다란 덩어리를 만든다. 이렇게 별들이 모여 이루어진 거대한 구조물을 성단(星團, Star Cluster)이라고 부른다. 현재까지 알려진 성단 중에서 가장 큰 것은 오메가 센타우리로, 지름이 150만 광년에 달한다. 빛의 속도로 달려도 150만년이 걸리는 거리다.

즉, 성단의 한 쪽 끝에 있는 별에서 나온 별 빛이 반대쪽 끝의 별에 다다르려면 150만년은 기다려야 한다는 뜻이다. 현재까지 관측된 태양 주변의 주먹밥의 수는 약 200개다. 그리고 태양으로부터 먼 더넓은 공간에 더 많은 주먹밥들이 떠있다.

 

공간에 퍼진 구름

별과 별, 성단과 성단 사이의 공간에는 마치 하늘의 뭉게 구름처럼 가스들이 거대하게 뭉쳐있다. 이런 것들을 성운(Nebula)이라 부른다. 성운은 가스와 먼지가 뭉게 뭉게 모여 있는 천체다.

오리온성운

독수리성운

 

우리 은하 ,별로 만든 피자

주먹밥에 이어 두번째 요리를 소개한다. 우주에는 별들로 만들어진피자도 있다! (내가 절대 배고파서 이러는 것이 아니다.) 앞서 살펴본, 별들, 그 별이 모여있는 성단, 그리고 엄청 거대한 성운들까지 이 모든 것들이 다시 모여 더 큰 구조를 이룬다! 우리 태양 역
시 이런 구조에 속해있다.

실제로 우리 태양을 포함해 수천 억개의 별들이 납작하게 모여있다. 이처럼 수많은 별과 성단, 성운이 다시 뭉쳐있는 것을 가리켜 은하 (銀河, Galaxy)라고 부른다. 우리 태양이 있는 우리 은하는 피자같이 납작한 원반의 모습이다. 이런 은하를 가리켜 나선은하라고 한다. 치즈가루와 토핑으로 가득한 피자처럼, 실제 은하에도 엄청난 수의 별과 가스가 뿌려져 있다. 그리고 그 위에 뿌려진 토핑의 종류에 따라 피자의 맛과 성질이 결정된다.

사실 우주에는 피자가 우리 은하 하나만 있지 않다. 무한히 많은 피자들이 우주에 퍼져있다. 그리고 각각의 피자에는 역시 수천 억개의 토핑이 뿌려져 있다. 그렇다면 우리 은하를 피자 한 판에 비유했을 때, 태양계의 크기는 어느 정도가 될까?

위에 올라간 햄? 올리브? 빵부스러기? 입맛을 다시며 피자 위를 맴돌고 있는 파리의 뒷다리에 난 털 한 가닥 정도가 될까? 아니, 그것도 너무 크다. 우리 은하의 지름은 120경 km이다. 억도 아니고, 조도 아니고, 경이라니… 그렇다, 은하는 정말 크다.

모래은하

은하는 모래보다 많다.

과거 천문학자들은 우리 은하가 우주의 전부라고 생각했다. 그런데 거대한 성운처럼 보이는 천체들이 관측되었고, 이들까지의 거리를 측정한 결과, 우리 은하의 크기보다 훨씬 더 멀리 있다는 사실이 밝혀졌다. 우리 은하 안의 가스가 아니라, 우리 은하 밖의 또다른 은하였던 것이다! 이를 계기로 우리 우주는 우리 은하를 넘어 더 넓어지게 되었다.

그렇다면 우주에는 은하가 몇개나 있을까?

허블100개? 10000개? 당신이 몇개를 상상하던지 은하는 그 수보다는 많을 것이다. 지구 상의 모든 바닷가에서 모래알을 모았을 때, 그 모래알의 전체 수보다 우주에 있는 은하들의 수가 훨씬 더 많다. 믿기지 않겠지만 사실이다.

1990년 발사된 허블 우주 망원경을 통해 과학자들은 우주의 깊은 영역을 살펴보았다. 그리고 그 전까지는 아무것도 보이지 않던 어두운 곳에서, 그간 숨어있던 수많은 은하들을 찾아내었다. 배경 사진에서 보이는 작은 점들이 모두 별이 아니고 은하다! 은하에 있는 별의 개수보다, 우주에 있는 은하의 개수가 훨씬 많다고 한다. 우주의 위압적인 스케일을 가늠할 수 있다.

그렇게 거대한 은하가 우주에 비하면 작은 점, 먼지에 불과한 것이다. 이미 지구는 태양에 비해, 태양은 다른 큰 별에 비해, 그리고 그 큰 별은 은하에 비해 엄청 작은 존재임을 확인했다. 우주 전체에서 볼 때 우리가 얼마나 작은 존재인지 느껴보라!

허블 우주 망원경 (Hubble Space Telescope).
이 페이지의 배경 사진은 허블 우주 망원경이 촬영한 사진이다. 허블 우주 망원경은 1990년 발사되어 지구 대기권 바깥에서 우주를 관측한 최고의 우주 망원경이다. 지구의 대기 밖에서 촬영하기 때문에 구름, 날씨에 의한 방해를 받지 않는다. 그래서 지상에서 보는 것보다 훨씬 더 깨끗하고 선명하게 관측할 수 있다. 허블 망원경을 통해 우리 은하말고도 은하가 이렇게 많이 있었다는 사실을 알게 되었다. 허블 우주 망원경의 발사를 통해, 우리 마음 속의 우주가 제대로 더 넓어질 수 있었다.

 

처녀자리

이렇게 많은 수의 은하들도 성단의 별들처럼 모여있다. 은하들이 모여 이루는 큰 구조를 은하단 (Galaxy Cluster)라고 부른다. 우리 은하는 국부은하단에 들어있다. 이 은하단에는 약 30개의 은하들이 모여있고, 유명한 안드로메다 은하도 함께 들어있다. 이런 은하단들은 다시 모여 더 큰 구조인 초은하단 (Super Cluster)를 만든다. 초은하단은 평균적으로 1억 광년에 달하고, 3억 광년 정도 떨어져서 분포한다.

국부은하단

 

그물의 매듭.

기술이 발전하면서, 과학자들은 더 좋은 망원경을 이용해 더 먼 우주를 보게 되었다. 그리고 더 멀리 있는 더 거대한 구조에 대해 이해를 하게 되었다. 태양을 비롯한 다양한 크기의 별들이 우주에 퍼져있다. 별들의 크기는 매우 다양하며, 상상할 수 없을 정도로 거대하다. 그리고 이러한 별들이 수천만개가 주먹밥의 밥알처럼 뭉쳐서 성단을 이룬다.

우주 공간에는 성단보다 100배, 1000배 더 큰 가스 구름들일 떠다닌다. 그리고 별, 성단들이 피자처럼 모여있는 은하가 있다. 토핑 한조각도 못되는 태양에 비해 은하라는 피자는 상상할 수 없을 정도로 크다.

하지만 여기서 끝이 아니다. 은하들 역시 성단의 별들처럼 모여있다. 은하들이 모여 은하단을, 은하단이 다시 모여 초은하단을 만든다. 이미 우주의 사이즈는 내 상상의 범위를 넘어간지 오래.

하지만 다시 수없이 많은 초은하단들이 모여서 더 거대한 구조를 이룬다. 마치 그물처럼 초은하단이 길게 이어져 엮여있다. 그물의 매듭 하나 하나가 초은하단 하나에 해당하는 것이다. 마치 뭉쳐져 있는 실 뭉치처럼 우주는 얽혀있다. 참으로 거대한 그물이다! 이런 거대한 우주의 모습을 초거대구조 (Large Scale Structure)라고 부른다.

결론적으로 우리 우주는 그물처럼 얽혀있고, 그 줄을 따라 초은하단이 분포한다. 그리고 그 안에 지금까지 본 모든 세계가 들어있는 것이다.

물고기를 잡을 때 쓰는 그물을 상상해보자. 가느다른 끈이 서로 매듭을 이어가며 커다란 구조를 이루고 있다. 그리고 그물의 끈과 끈 사이에는 아무것도 없이 텅 빈 공간이 있다. 지금 당신이 상상한 바로 그 모습이 우주의 모습이다! 앞서 설명했듯이, 은하들이 모인 은하단, 그리고 은하단이 모여 더 큰 초은하단을 이룬다. 그리고 그 초은하단들은 다시 얽히고 섥혀 더 거대한 우주 그물을 완성한다.

거대한 초은하단들이 단지 매듭에 불과할 정도라면, 우주의 그물 전체는 얼마나 거대할 지 상상이 되는가? 우리는 그저 그물에 걸린 바늘 코 하나 보다도 못한 것이다! 그런 조그만 존재가 이렇게 거대한 우주를 공부하고 있다는 것은 어쩌면 엄청난 특권일지도 모르겠다.

그물
끝

끝없는 우주.

지금까지 우리는 우주가 얼마나 큰지, 그리고 우리가 얼마나 작은 존재인지를 확인했다. 우주에는 그 어떤 큰 것을 찾더라도 그것보다 더 큰 것이 또 존재한다. 그리고 끝없이 연결되고 이어져있다. 심지어 우리가 보는 우주가 우주의 다 가 아니다. 우리가 보는 우주보다 더 넓은 볼 수 없는 우주가 뒤에 숨어있다. 다만 너무 멀어서 그곳의 별에서 출발한 빛이 우리에게 올 수없다.

그 뒤에 무엇이 있는지 또 어디까지 우주가 계속될지, 아마 우주 자신도 모를 것이다.

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