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보이는 빛부터 보이지 않는 빛까지 우주 너머 진짜 우주를 만나기 위한 천체 관측의 역사!

《별, 빛의 과학》은 천문학의 핵심 키워드들―관측, 망원경, 빛, 우주 탐사 등―을 통해 천문학에 대한 대중의 지식과 이해를 넓히는 과학 교양서이다. 특히 천문학에서 ‘관측’의 의미를 재조명하고 관측 기기의 발달과 함께 새롭게 발견된 우주의 모습을 이해하려는 노력에서 우주에 대한 인류의 지식이 성장해온 역사를 상세하게 서술하고 있다. 또한 그 과정에서 벌어진 빛의 성질에 대한 논쟁과 적외선, 자외선 등 다양한 빛의 발견, 빅뱅 우주론의 등장, 중력파 검출, 우주 탐사를 통한 외계 행성 찾기까지 천문학의 역사를 짧지만 굵게 훑어볼 수 있는 주제들을 흥미롭게 펼쳐낸다.

우주 시대의 필수 교양,
천문학의 세계로 초대하다

과학기술의 발전에 따라 빠르게 변화하는 시대를 살고 있는 현대인들에게 과학 지식은 이제 선택이 아닌 필수 교양이 되고 있다. 사회적으로도 올바른 과학 지식이 공유되어야만 해결 방향을 찾을 수 있는 문제들이 늘어가고 있는 추세다. 과학이 고유의 영역에서 벗어나 인간과 사회를 이해하는 인문학적 영역으로 확장되고 있는 것이다. 당장 우리 삶을 변화시키는 것은 아니지만 우주와 생명의 기원과 진화를 탐구하는 천문학도 우주 시대를 앞둔 현대인들이 놓쳐서는 안 될 중요한 과학 지식이다. 고대부터 현대까지 하늘을 관측하고 기록해왔던 천문학자들의 노력이 인류의 과학 발전에 얼마나 큰 역할을 해왔는지, 그리고 앞으로 인류의 삶에 얼마나 큰 변화를 가져올 것인지 알게 된다면 희미한 별빛을 쫓는 천문학자들의 순수한 탐구심에 누구나 깊은 경의를 표하게 될 것이다.
《별, 빛의 과학》은 천문학의 핵심 키워드들―관측, 망원경, 빛, 우주 탐사 등―을 통해 천문학에 대한 대중의 지식과 이해를 넓히는 과학 교양서이다. 특히 천문학에서 ‘관측’의 의미를 재조명하고 관측 기기의 발달과 함께 새롭게 발견된 우주의 모습을 이해하려는 노력에서 우주에 대한 인류의 지식이 성장해온 역사를 상세하게 서술하고 있다. 그리고 그 과정에서 벌어진 빛의 성질에 대한 논쟁―빛 입자설과 파동설의 대립―과 빅뱅 우주론의 등장, 중력파의 발견, 우주 탐사를 통한 외계 행성 찾기까지 천문학의 역사를 짧지만 굵게 훑어볼 수 있는 주제들을 흥미롭게 펼쳐낸다. 또한 젊은 천문학도로서 인공지능의 발달로 점점 설 자리를 잃어가는 천문학자의 존재에 대한 고민을 통해 인간의 가치에 대한 질문을 던지기도 한다.
과학 커뮤니케이터 발굴 프로젝트인 ‘페임렙 코리아’의 첫 우승자이기도 한 저자는 한 사람의 천문학자로서 우주를 연구하는 일뿐 아니라 연구를 통해 얻은 지식과 감동을 다른 사람들과 공유하는 일에도 관심이 많다. 그래서 망원경을 들고 나가 밤하늘에 무관심한 사람들에게 별 보기를 권하고 동료들과 함께 잡지를 기획해 천문학 관련 글을 쓰며 우주에 대한 이야기를 필요로 하는 곳이라면 장소 불문 달려가 사람들을 만나다. 《별, 빛의 과학》 또한 그러한 활동의 일환으로 쓰인 책이다. 저자와 같은 젊은 천문학자들의 열정이 아직은 많이 부족한, 천문학에 대한 우리 사회의 관심과 투자의 밑거름이 될 것이라 믿는다.


지동설 스캔들부터 우주 가속 팽창의 발견까지
인류의 우주관을 바꿔온 천문학자들의 별빛 추적기!

우주는 인간이 고개를 들고 하늘을 보기 시작한 먼 과거부터 오늘날까지 인류사에서 가장 오래된 관찰과 사색의 대상이었다. 당연히 천문학의 역사도 그만큼 오래되었다고 할 수 있다. 밤하늘을 통해 우주를 관측하는 천문학자의 임무를 한마디로 요약하면 ‘왜 하늘이 지금과 같은 모습으로 보이는지를 설명하는 것’이다. 천문학의 역사는 관측 기술의 발달과 함께 새로운 모습을 드러내는 우주를 논리적으로 설명하기 위한 천문학자들의 분투의 역사라고 할 수 있다.
천문학자들이 하늘에서 주목하는 것은 밝게 빛나는 별빛이다. 오늘날 우리가 알고 있는 우주에 대한 지식은 대부분이 이 별빛 통해 밝혀졌다. 천문학자들은 별빛을 분석해 지구에서 별까지의 거리를 재고 별이 어떤 성분으로 이루어져 있는지 파악한다. 직접 우주 구석구석을 가지 않고도 우주의 모습을 그릴 수 있는 것이다. 17세기 초 갈릴레이가 망원경으로 하늘을 관측한 이래 더 뛰어난 성능의 망원경을 만들기 위한 인간의 욕망은 거대 망원경 시대를 열었다. 그런데 망원경의 크기를 아무리 키워도 인간의 눈으로 볼 수 있는 파장의 빛이 한정되어 있기 때문에 우주를 관측하는 데도 한계가 있었다. 이러한 한계는 18～19세기에 걸쳐 자외선, 적외선, 엑스선 등의 새로운 빛들이 발견되면서 비로소 뛰어넘을 수 있게 되었다.
그런데 별빛을 관측하는 데는 또 다른 큰 문제가 있다. 바로 지구의 대기다. 지구 대기는 특정 파장의 빛만을 통과시키기 때문에 다양한 빛의 형태로 전달되는 우주의 정보를 지상에서는 관측할 수 없다. 그래서 나온 것이 독일의 로켓 과학자 한스 오베르트의 우주 망원경 아이디어다. 이 아이디어는 1990년 허블 우주 망원경을 통해 현실화되었는데, 이후 여러 종류의 우주 망원경들이 별들이 뿜어내는 다양한 빛을 잡아내면서 우리 앞에 전혀 새로운 우주의 모습을 보여주고 있다.
이 책의 전반부에 해당하는 1~4장은 천문학에서 ‘관측’이 가지는 의미와 빛의 물리적 성질이 규명되는 과정, 가시광 외의 다양한 빛을 발견하면서 우주를 보는 새로운 눈을 갖게 된 천문학의 역사를 흥미로운 천문학적 사건들을 통해 재구성하고 있다. 특히 인상적인 부분은 1장 ‘천문학, 관측의 과학’에서 토머스 쿤의 과학혁명의 구조를 뒷받침하는 천문학계의 발전 과정을 지구 중심 모델과 태양 중심 모델의 대립, 나선 은하 논란, 가속 팽창 우주의 발견 등의 에피소드를 통해 보여주며 관측의 중요성을 역설하는 대목이다. 저자는 천문학이 하는 일은 그저 하늘에서 관측되는 현상을 논리적으로 설명하는 것일 뿐, 진짜 우주의 실체를 밝혀내는 일은 애초에 무리이며, 그래서 천문학자들은 더욱 관측에 의존할 수밖에 없음을 힘주어 말한다.


천문학의 현재와 미래
우주를 향한 끝없는 모험의 역사

밤하늘을 바라보며 광활한 우주를 상상하면 존재론적 물음에 사로잡히게 된다. 우주의 시작과 끝은 어떤 모습일까, 우리는 대체 이 우주 어디에서 왔을까, 이 넓은 우주에 지적 생명체는 과연 우리뿐일까? 우리 몸속에 수천 년 동안 전해져온 ‘천문학적 유전자’가 던지는 이 질문들에 답하기 위해 천문학자들은 매일 밤하늘을 탐색해왔고 이제는 우주 공간에 우주선을 보내 직접 우주를 탐사하고 있다.
이 책의 5장과 6장은 20세기 이후 진일보한 과학 기술을 바탕으로 별과 행성을 연구해온 천문학의 역사를 훑으며 우주와 지구의 나이, 태양계 형성에 관한 실마리가 어떻게 풀려왔는지를 이야기한다. 또 지구인의 다음 정착지로 태양계 행성과 위성들을 알아보기 위해 보낸 탐사선들이 보내온 놀라운 사실들과 지구를 닮은 ‘슈퍼 지구’, 외계 행성을 찾기 위해 과학자들이 고안한 기발한 방법들에 대해 들려준다. 과연 인류는 지구가 아닌 행성에서 새로운 역사를 쓸 수 있을까? 우주를 향한 인류의 끝없는 도전의 역사를 보면 곧 그 꿈을 이룰 수도 있을 것 같다.
마지막 7장은 관측 천문학의 현주소와 앞으로 천문학 연구에서 인간의 역할이 무엇인지에 대한 저자의 진지한 고민이 담긴 장이다. 20세기 초 하늘에서 쏟아지는 방대한 데이터들을 정리하고 연구하는 과정에서 남성 과학자들은 여성 계산 노동자―컴퓨터―들을 고용해 문제를 해결했는데(물론 잘 알려져 있다시피 여성 컴퓨터들은 단순히 계산만 한 것이 아니라 현대 천문학의 기틀을 마련한 놀라온 연구 성과를 내기도 했다), 이제는 인간의 능력으로는 도저히 처리할 수 없는 데이터들이 쏟아지고 있다. 이른바 빅 데이터 사이언스 시대가 열린 것이다. 저자는 스스로 학습하는 인공지능과, 시민 과학을 표방하는 갤럭시 주 프로젝트 등을 통해 천문학계가 이 문제에 어떻게 대처하고 있는지 소개한다. 그러면서 인공지능의 놀라운 발전 앞에서 인간으로서 느끼는 무기력을 솔직히 토로하기도 한다. 하지만 저자는 인간만이 할 수 있는 ‘질문의 힘’을 강조하며 우리 스스로 ‘자가 번식 천문학자’, ‘천문학적 인류’가 되어 천문학의 미래를 만들어가야 한다고 말한다.

[책속으로 이어서]
이제 인류는 지구와 달을 넘어 더 먼 곳에 인류의 발자국을 남길 준비를 하고 있다. 그리고 이 모험은 앞으로 순수한 과학적 호기심을 넘어 인류의 생존을 위해 반드시 해내야 하는 숙명이 될지도 모른다. 그리고 항상 그래왔듯이 인류는 목표한 바를 반드시 이루어낼 것이다.(245쪽)

천문학은 단순히 하늘을 관측하고 데이터를 분석하는 일에 한정되지 않는다. 그 과정과 결과를 통해 우주를 알아가고 우주에 대한 경이를 느끼는 일련의 경험까지를 모두 포함한다. 나는 막연히 더 좋은 화질의 우주 사진이나 더 거대한 용량의 우주 시뮬레이션에 천문학의 미래가 있다고 생각하지 않는다. 인류가 왜 밤하늘을 보며 의문을 품기 시작했는지, 우리 몸속에 수천 년 동안 전해져온 그 ‘천문학적 유전자’의 첫 기억을 다시 떠올려보자. 우리는 대체 이 우주 어디에서 왔을까? 이 광활한 우주에 지적 생명체는 과연 우리뿐일까? 우리 스스로가 이 오래된 인류의 질문들이 우주에서 사라지지 않도록, 다음 세대에 전해줄 수 있는 ‘자가 번식 천문학자’, ‘천문학적 인류’가 될 수 있어야 한다.(278쪽)

서문_우주를 알고 싶다면 일단 고개를 들어 하늘을 보자

1장 천문학, 관측의 과학
패러다임 변화 앞의 과학자 | 불확실성이 지배하는 천문학 | 고대인의 우주관 | 수학으로 표현된 우주 | 태양 중심 모델의 등장 | 지구 중심 모델의 반격 | 갈릴레이의 망원경 | 당대의 우주관을 바꾼 집요한 관측 | 20세기에 등장한 나선 성운 논란 | 성운에서 은하가 된 안드로메다 | 빅뱅과 우주 팽창이라는 새로운 패러다임 | 가속 팽창하는 우주 | 암흑 에너지, 빅뱅 이론을 구하다 | 우리 앞의 새로운 우주 | 진짜 우주의 모습을 찾아서

2장 망원경, 어두운 우주를 밝히다
올베르스의 캄캄한 밤하늘의 역설 | 망원경, 우주의 빛을 담는 그릇 | 거대 망원경 시대의 개막 | 고성능 망원경으로도 풀리지 않는 비밀 | 우리가 보는 우주의 유한함 | 인간의 눈으로 볼 수 없는 빛 | 눈에 보이지 않는 빛을 찾아서 | 죽음을 보여준 엑스선 | 우주로 올라간 망원경 | 다양한 빛으로 본 우주

3장 빛, 우주를 채우고 있는 회색분자
빛을 정의하려는 무모한 도전의 역사 | 빛의 파도를 포착한 사람들 | 빛 입자설의 부활 | 아인슈타인의 광전 효과 실험 | 애매한 타협안 | 모든 물질은 입자이자 파동이다 | 양자의 이중성을 둘러싼 논쟁 | 확률론적 우주 vs 결정론적 우주

4장 중력파, 우주를 보는 새로운 눈
케플러, 중력의 개념을 상상하다 | 지구를 맴도는 달의 비밀 | 뉴턴 중력 이론의 한계 | 아인슈타인, 중력을 새롭게 정의하다 | 출렁이는 3차원의 시공간 | 왜곡된 시공간에 피어오르는 아지랑이 | 아인슈타인의 미완성 교향곡 | 중력파 포착 스캔들 | 출렁이는 시공간에 띄운 부표 |
중력파 그물에 걸린 블랙홀의 스킨십 현장 | 현대 천문학의 역사적 순간 | 중력파를 일으키는 우주의 바람을 찾아서

5장 별과 행성, 탄생에서 죽음까지
오만함의 절정, 결정론적 우주관 | 태양계 형성에 관한 아무말 대잔치 | 태양의 자전 속도는 왜 느릴까? | 지구 나이 계산하기 | 지구 밖에서 확인한 지구의 진짜 나이 | 천문학자들의 별 관상학 | 관측 덕후들의 별 외모 평가 | 눈대중에서 과학적 도량형으로 | 별의 센서스 |
외모로 구분되는 별들의 종류 | 너무 커지지도 작아지지도 않는 별의 크기 | 별이 오래도록 빛날 수 있는 이유 | 130억 년을 이어온 별들의 노블리스 오블리주 | 우리는 모두 별의 먼지에서 태어났다

6장 우주 탐사, 또 다른 지구를 찾아서
코스모스, 유니버스, 스페이스 | 화성에 대한 인류의 오래된 관심 | 화성에 물이 존재했다는 증거들 | 붉은 사막이 되어버린 화성 | 화성 재활 프로젝트 | 큐리오시티의 화성 탐사 | 목성의 위성에서 발견된 물 | 토성의 얼음 위성들 | 태양계 바깥 생명체를 상상한 사람들 | 적외선 망원경에 포착된 외계 행성 | 별을 흔드는 행성들 | 태양계 밖 또 다른 지구 찾기 | 우주를 향한 인류의 모험

7장 천문학의 미래, 인공지능이 천문학자를 대신할 수 있을까?
알파고가 인간에게 던진 도전장 | 천문학과 여성 과학자 | 인간 컴퓨터들의 위대한 발견 | 빅 데이터 천문학의 시대 |　이미지 문맹, 컴퓨터의 한계 | 갤럭시 주 프로젝트 | 스스로 학습하는 인공지능 천문학자 | 사람이 사라진 천문대 | 인간만이 던질 수 있는 질문의 힘

부록_
참고문헌
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천문학이 여타 자연과학과 다른 점은 어떤 가설을 검증하기 위한 실험을 설계하고 진행할 수 없다는 것이다. 화학자들은 시험관에 화학 물질을 섞고, 생물학자들은 세균을 배양한다. 그들은 ‘손에 잡히는’ 실험 대상과 기구를 이용해 ‘손에 잡히는’ 실험을 한다. 그러나 천문학자는 그럴 수 없다. 천문학이 다루는 별과 은하로 이루어진 우주의 거시세계, 그리고 그런 별을 구성하는 작은 원자들의 미시세계는 인간의 감각과 도량형의 범위에서 한참 벗어나 있다. 천문학자는 별을 쪼개어보고, 뒤집어보고, 실험실에서 우주를 직접 반죽하는 등 다양한 실험을 해보고 싶어도 할 수 없다. 게다가 백년 남짓한 인간의 수명은 우주 단위에서 일어나는 유의미한 변화를 파악하기에는 턱없이 짧다.(20쪽)

암흑 에너지와 가속 팽창 우주 모델은 정말로 21세기 천문학이 기록한 한때의 해프닝으로 끝날지도 모른다. 하지만 그렇다고 해서 그것이 우리가 무지했다는 것을 의미하지는 않는다. 그 순간까지 우리가 바라봤던 우주에 한계가 있었을 뿐, 그리고 이제 다시 그 한계를 넘어 새로운 우주를 볼 수 있게 되었을 뿐이다. 원래 과학이란 그런 것이고, 앞으로도 그렇게 발전할 것이다._54쪽

고대부터 현대에 이르기까지 인류는 눈앞에 보이는 하늘의 모습, 별과 행성, 그리고 은하의 움직임을 설명하기 위해 고심해왔다. 그리고 새로운 천체 관측이 보고될 때마다 기존의 우주 모델로는 이를 완벽하게 설명할 수 없는 상황에 부딪혔다. 하지만 지금까지 천문학이 걸어온 길을 따라가다 보면, 과학 철학자 토머스 쿤이 이야기했던 것처럼 과학자들이 새로운 패러다임의 데뷔를 쉽게 받아들이지 않는다는 것을 알 수 있다. 천문학은 발전은 세간의 기대와 달리 혁명적이지 않다. 굉장히 점진적이고 소심하다.(55쪽)

현대 천문학은 현대 예술과 기조를 같이 한다고 볼 수 있다. 이제 천문학은 단순히 인간의 눈에 보이는 세상만을 기술하지 않는다. 눈에 보이지 않는 세상도 가시화하고 그려내고 느낄 수 있다. 진지충 올베르스가 던졌던 고약한 질문으로 돌아가보자. “왜 밤하늘은 깜깜할까?” 올베르스는 미처 알지 못했지만 사실 그의 질문은 잘못되었다. 실제 우주는 깜깜하지 않다. 우주 전역을 가득 채우고 있는 균일한 우주 배경 복사 위에 곳곳에서 강하게 폭발하는 블랙홀의 엑스선과 감마선, 그리고 은하계를 둘러싸고 있는 먼지 구름의 거대한 적외선과 쉬지 않고 태어나는 아기 별들이 내뿜는 강렬한 자외선까지. 올베르스를 궁금하게 만들었던 어둡고 깜깜한 우주는 사실 다양한 파장의 빛으로 넘실대는 눈부시게 밝은 세상이었다.(88쪽)

아주 오랜 시간에 걸친 데이터 검증과 분석을 통해 연구진은 2016년 2월 드디어 첫 번째 중력파가 포착되었음을 세상에 공식적으로 발표했다.(…) 한국 시간으로 늦은 새벽이었지만 라이고 연구진의 발표 순간을 생중계로 시청했던 기억이 아직도 생생하다. 연구진의 첫마디는 당돌하고 활기찼다. “우리가 해냈습니다We did it.” 과학사에 한 획을 긋는 대발견의 순간은 항상 교과서 속에서나 만날 수 있는 것이라고 생각했다. 그러나 그때 우리 모두가 함께했던 역사적인 순간은 멈추지 않고 성장하는 천문학의 생명력을 다시금 느끼게 해주었다.(151쪽)

현재 우주에 존재하는 모든 존재는 별들의 노블리스 오블리주의 결과물이다. 우리 몸, 우리가 살고 있는 지구라는 행성, 그리고 우리 하늘을 비추는 태양도 선배 별들이 남기고 간 다양한 원소의 유훈을 모아 만든 2세대 별이다. 지금 이 순간 우주에 존재하는 모든 존재는 빅뱅 이후 지금까지 우주를 더 비옥하게 만들어준 별들의 희생에서 비롯되었다. 바로 우리가 130억 년째 이어지고 있는 우주의 진화를 보여주는 살아 있는 증거, 생화석인 셈이다. (202쪽)