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어려운 전문용어도, 복잡한 수학도 필요 없다
태양과 별, 은하를 누비며 맛보는 교양천문학


블랙홀의 수수께끼부터 끈이론 빅립 같은 최신 발견에 이르기까지
태양과 별, 세상과 우리를 보는 전지적 천문학 시점

우리는 우주에서 왔다. 뼛속 칼슘과 혈액 속 철은 별의 중심부에서 만들어져 초신성 폭발에 의해 우주에 퍼진 것이다. 끝없는 호기심으로 기꺼이 탐구한 밤하늘의 신비는 많은 것을 알려주었다. 우주에 우리만 있을까? 시간 여행이 가능할까? 중력을 이길 순 없을까? 같은 질문의 답을 내릴 수 있게 됐다. 우주에 대해 아는 만큼 볼 수 있다. 빅뱅과 블랙홀, 아인슈타인이 100년 전에 예측한 중력파, 최근의 획기적 관측에 이르기까지 광할한 우주를 소화할 수 있는 한입 크기로 잘라 이해를 돕는다. 경이로운 우주가 주는 통찰을 만끽해보자.

우리가 궁금한 우주의 모든 것!
초기 천문학부터 태양과 별, 은하의 가장 흥미로운 진실을 찾는 여행

“사람들은 우주를 공부하는 것이 어렵다고 생각해 천문학을 멀리한다. 이 책은 광대한 우주를 소화할 수 있는 한입 크기로 잘라 이해를 도울 것이다. 여러분이 우주를 이해하고 가장 흥미로운 것을 찾을 수 있도록 여행 일정을 신중히 선택했다. 함께 우주를 누비는 여행을 떠나보자. 밤하늘과 사랑에 빠지고 말 것이다.”
‘들어가며’ 중에서

우리는 여전히 우주의 진실을 파헤치기 위한 여정에 있다. 이 책은 우리가 아직 결정하지 못한 우주의 신비, 밤하늘의 무한한 가능성을 한입 크기로 잘라 즐기는 시간을 선물한다. 어려운 전문용어도, 복잡한 수학도 필요 없다. 스낵처럼 가볍게 즐기면 되는 천문학 이야기, 우리가 궁금한 우주의 모든 것이 담겼다. 미신을 과학으로 이끈 12개의 별자리, 아인슈타인의 이론을 알 수 있는 초기 천문학 이야기부터 태양계의 불가사의, 별의 체계, 신비로운 은하계 이야기까지, 아직도 탐구되는 여러 의문과 가능성을 하나하나 살피며 우주의 진실에 한 발짝 다가설 시간이다.

아는 만큼 보이는 우주
심심할 때 즐기는 한입 쏙 천문학 지식

○ 뉴턴은 머리에 사과를 맞지 않았다
☞ 가장 믿을 만한 전기 《아이작 뉴턴 경의 삶에 대한 회고록》에 따르면 저자 윌리엄 스터클리와 뉴턴이 함께 차를 마시던 중에 땅에 떨어진 사과를 보고 뉴턴이 중력 이론에 관한 아이디어를 떠올렸음을 알 수 있다. 뉴턴이 통찰한 아이디어의 핵심을 1부 초기천문학, ‘뉴턴은 사과에 머리를 맞지 않았다’에서 확인할 수 있다.

○ 거대 소행성이 지구를 위협한다
☞ 2013년, 지름 20m의 작은 소행성이 러시아 첼랴빈스크의 하늘을 가로지르며 떨어졌다. 사망자는 없었으나 유리창이 깨져 구경하던 사람들이 유리 파편에 부상을 입었다. 거대 소행성이 지구와 충돌할 가능성도 배제할 수 없다. 6,600만 년 전 지름이 10km나 되는 소행성이 멕시코 해안을 강타한 적이 있기 때문이다. 현재 로봇 망원경이 지름 1km 이상의 소행성을 찾아내기 위해 우주 공간을 뒤지고 있다. 3부 태양계, ‘소행성대’에서 이 무시무시한 이야기를 자세히 들을 수 있다.

○ 어떤 것도 블랙홀에서 탈출할 수 없다
☞ 위험을 무릅쓰고 블랙홀에 다가간다면 블랙홀의 중력에 영원히 갇히게 된다. 빛의 속도보다 빨라야 탈출이 가능하다. 그러나 빛보다 빠른 속도로 움직일 수 있는 것은 우주에 없다. 빛조차 흡수해버리는 검은책의 천체여서 블랙홀이라는 이름이 붙었다. 4부 별, ‘가장 강력한 중력을 가진 천체, 블랙홀’에서 블랙홀의 흥미로운 진실을 더 파헤쳐보자.

○ 별도 행성도 없는 우주의 최후, 빅립
☞ 우주의 점점 더 빠른 속도로 팽창할 것이다. 그렇게 되면 태양계 같은 행성계는 팽창을 이기지 못하고 붕괴된다. 결국, 우주의 모든 것이 산산조각 나는 최후를 맞을 것이다. 천문학자들은 이것을 ‘빅립Big Rip’이라 부른다. 원자도, 은하도, 별도 없어지고 황량한 망망대해만 남을 뿐이다. 우리가 살고 있는 이 우주는 약 220억 년 후에 사라질 것이다. 더 궁금한 내용은 6부 우주, ‘우주의 최후, 빅립’에서 알 수 있다.

이밖에도 직접 관측하지 않아도 알 수 있는 외계 행성, 자연의 원리에 대한 새로운 설명 ‘끈이론’, 호킹 복사로 증발하는 블랙홀 이야기 등 아는 만큼 볼 수 있는 우주의 흥미진진한 이야기가 가득하다. 우주가 들려주는 새로운 통찰을 따라가 보자. 세상과 우리를 보는 눈을 갖게 될 것이다.

우주로 나아가기, 꿈을 현실로 만드는 탐구와 발견

“별이 반짝이는 밤하늘은 늘 나를 꿈꾸게 한다.”
_빈센트 반 고흐(1988)

경이로운 별빛을 따라 밤하늘을 여행하기 시작해, 지구가 거대한 우주 한구석에 위치한 평범한 은하의 평범한 별 주위를 도는 행성이라는 것을 깨닫는 이성적 판단을 할 수 있게 됐다. 우주에 대해 우리가 이룬 발견은 그 자체로 충분한 보상이 된다. 달에서 지구가 떠오르는 것과 화성에서 태양이 지는 것을 목격했고, 우주의 경계선까지 관측했다. 계속해서 새로운 발견, 탐구를 해내며 우주로 나가야 한다. 우주에 우리만 있는 것이 아니라는 증거는 인간이 우주에 영구적으로 체류할 수 있는 도약대가 될 것이다. 반짝이는 밤하늘을 보며 꿈꾸고, 가능성의 경계를 넓혀야 한다.

들어가며 밤하늘과 사랑을

01 초기 천문학
하늘의 변화와 시간의 흐름 | 지구의 모양 발견 | 반지처럼 보이는 일식 | 핏빛달과 월식 | 별자리의 진실 | 미신을 과학으로 이끈 12개 별자리 | 방황하는 별 | 프톨레마이오스와 지구중심모형 | 코페르니쿠스와 태양중심모형 | 햄릿의 실제 모델, 괴짜 천문학자 브라헤 | 천문학 역사를 바꾼 망원경의 발명 | 갈릴레이와 망원경 관측 | 케플러와 행성운동법칙 | 뉴턴은 머리에 사과를 맞지 않았다 | 뉴턴이 밝혀낸 빛의 진실 | 뢰머와 빛의 속도 | 핼리와 핼리혜성 | 지구 중심설을 잠재운 브래들리의 광행차 효과 | 금성의 태양 면 통과 | 세상의 무게 재기 | 허셜이 새로 발견한 행성 | 허셜이 발견한 새로운 빛 | 철처한 설계로 발견해낸 해왕성 | 아인슈타인과 특수상대성이론 | 아인슈타인과 일반상대성이론

02 태양과 지구와 달
태양은 무엇으로 이루어져 있을까? | 태양의 에너지원은 무엇일까? | 태양 중성미자 문제 | 태양빛의 대장정 | 태양의 바깥 | 거대한 자석, 태양 | 태양의 흑점 | 태양을 보는 방법 | 태양의 모든 현상은 CME 때문이다 | 태양풍 | 지구를 이루는 것 | 대양과 대기 | 지질 구조 판 | 밀물과 썰물 | 계절이 생기는 이유 | 지구의 보호막, 자기장 | 오로라가 말하는 것 | 운석과 유성우 | 인공위성과 국제 우주 정거장 | 달의 형성 | 달의 모습 | 달의 자전과 공전 | 달이 중요한 이유 | 달에 도착한 아폴로 탐사선 | 소행성 충돌 사건

03 태양계
수성 | 금성 | 화성 | 소행성대 | 67P혜성과 필레 | 목성 | 토성 | 천왕성 | 해왕성 | 명왕성 | 왜행성 | 카이퍼 벨트와 산란 분포대 | 미지의 행성에 관한 예측 | 보이저호와 태양권 | 니스 모델

04 별
얼마나 밝을까? | 얼마나 멀리 있을까? | 얼마나 뜨거울까? | 별을 보는 눈, H-R도 | 얼마나 클까? | 얼마나 오래됐을까? | 별이 태어날 때 | 태양이 더 붉어질 때 | 행성상 성운과 백색 왜성 | 적색 초거성 | 손님별의 등장, 초신성 폭발 | 초신성 폭발의 잔재, 중성자별 | 가장 강력한 중력을 가진 천체, 블랙홀 | 중력파를 발견하다 | 뒤틀리는 공간, 지연되는 시간 | 화이트 홀과 웜 홀 | 블랙홀이 사라진다? 호킹 복사 이론 | 만물이론 | 끈이론과 루프 양자 중력 | 외계 행성 찾기 | 지금까지 무엇을 발견했는가? | 대기 성분 분석으로 알 수 있는 것 | 외계 위성 찾기

05 은하계
신비로운 은하수 | 은하의 회전 운동 | 지적 외계 문명 수를 찾는 드레이크 방정식 | 외계인이 보내는 전파 | 국부은하군 이야기 | 먼 거리의 은하 | 은하를 분류하는 방법 | 중요한 건 은하핵이다 | 은하 이동의 실마리, 적색편이 | 허블의 법칙 | 팽창하고 있는 우주

06 우주
빅뱅 | 빅뱅 우주론의 문제점 | 빅뱅 우주론 문제 해결의 열쇠, 급팽창 | 우주의 경계선과 운명 | 완벽한 표준, Ia형 초신성 | 중력을 이기는 암흑에너지 | 우주의 최후, 빅립

나오며 고향으로 돌아가는 우주로의 모험

우주는 그 크기만으로도 압도적이다. 지난 10년간 천문학에 관한 글을 쓰고 강연하러 다녔지만 나는 여전히 내 자신이 미약한 존재로 느껴진다. 사람들은 우주를 공부하는 것이 어렵다고 생각해 천문학을 멀리한다. 그러나 그렇게 어렵게 생각할 필요 없다. 이 책은 광대한 우주를 소화할 수 있는 한 입 크기로 잘라 독자들이 쉽게 이해할 수 있게 도와줄 것이다. 특별한 전문 용어나 수학도 쓰지 않고, 우주의 가장 매력적인 특징만을 뽑아 간단히 설명할 것이다. (본문 5쪽)

계절이 생기는 이유는 지구가 기울어져 있기 때문이다. 지구는 똑바로 서서 자전하는 것이 아니라 수직에서 23.4° 기울어져 있다. 그래서 6월이면 북반구는 태양 쪽으로 기울어져 날씨가 더 따뜻해지고 낮이 더 길어진다. 특히 북극권은 태양 쪽으로 매우 기울어져 있어 해가 지지 않고 낮이 계속된다. 한편 남반구는 태양에서 멀어지므로 태양으로부터 빛과 열을 얻기 어렵다. 남반구는 이때가 겨울이다. 특히 남극 대륙은 영원한 밤의 시간 속으로 들어간다. 6개월 후 지구는 태양의 건너편에 자리하므로 상황이 뒤바뀐다. 적도 아래 지역에서는 바비큐용 그릴을 꺼내고, 적도 위쪽에서는 두꺼운 외투를 준비한다. 북극 지방은 어둠에 잠기고, 남극 지방에서는 해가 지지 않는다. (본문 97~98쪽)

달은 지구의 자전 속도를 늦추는 일도 하고 있다. 10억 년 전 18시간이던 하루가 지금은 24시간이다. 제자리를 지키고 있던 바닷물이 달의 중력에 의해 밀물이나 썰물이 되면 해저 바닥과 마찰을 일으킨다. 그 마찰로 지구의 자전 에너지가 서서히 약해진다. 대양으로 이동된 에너지는 적도 지방의 열이 극지방으로 운반될 수 있도록 도와주므로 지구 전체의 온도 폭이 상당히 작아진다. 이처럼 달의 도움으로, 지구에 생명체가 발생했을 때 다양한 종으로 진화할 수 있는 유리한 환경이 유지됐다. (본문 111쪽)

인간은 어쩌면 21세기 안에 화성에 갈 수 있을지도 모른다. 38만km 떨어져 있어 도착하는 데 3일이 걸리는 달보다 화성까지 가는 여정은 훨씬 더 험난하다. 무려 7개월에 걸쳐 2억 2,500만km를 가야 한다. 무엇보다 우주에 장기간 체류하면 방사선 노출 위험이 커진다. 고에너지 입자들이 피부를 뚫고 들어와 세포 안에 에너지를 방출하고 DNA를 손상시킨다. 치명적인 양의 방사선에 노출되면 방사선 병, 암, 백내장 등이 생길 수 있다. 그래서 우주 비행사들은 임무 수행을 방해하지 않는 선에서 방사선을 막을 수 있는 가벼운 보호 장비를 착용한다. (본문 126쪽)

약 13억 년 전 태양 질량의 30배가 되는 블랙홀 2개가 어지럽게 빨려들어가는 죽음의 소용돌이처럼 서로 충돌했다. 충격이 워낙 강력해서 거대한 파동이 시공간 구조를 통과해 바깥으로 광풍처럼 폭주했다. 빛의 속도로 세게 내달리던 중력파는 2015년 9월 마침내 지구에 도달했다. 다행히 때마침 중력파를 감지할 수 있는 장치를 막 켜둔 참이었다. 그 후로 2015년 12월, 2017년 1월, 2017년 8월에도 다른 블랙홀 합병으로 발생한 중력파가 감지됐다. 2017년 8월에는 중성자별 2개가 합병하면서 생긴 파동도 감지됐다. 조금씩 흘러나오던 중력파는 머지않아 봇물 터지듯 쏟아져 나올지도 모른다. (본문 184쪽)

이론물리학자이자 우주과학자인 스티븐 호킹은 학자로서 일생을 블랙홀의 특이한 성질을 연구하는 데 바쳤다. 호킹의 가장 중요한 업적 가운데 하나는 호킹 복사 효과에 의해 블랙홀이 서서히 사라진다는 이론을 제기한 것이다. 물리학자들은 겉보기에 비어 있는 것처럼 보이는 공간이 실제로는 결코 비어 있지 않음을 알고 있다. 우주는 지속적으로 에너지를 입자 쌍으로 변환시키고 있지만 그런 입자들은 오로지 일시적으로만 존재한다. 신데렐라의 마차와 말처럼 입자들은 금방 원래 모습으로 돌아가야 한다. 그렇지 않으면 중요한 물리 법칙을 어기게 된다. (본문 190쪽)

인기리에 방영된 CBS 드라마 〈빅뱅이론〉에서 천재이지만 사회생활에는 서툰 쉘든 쿠퍼 덕분에 끈이론은 최근 몇 년 사이 대중에게 익숙한 문화가 됐다. 끈이론은 물리학자들이 양자물리학과 중력을 결합해 TOE를 만들려는 시도 가운데 하나다. 끈이론의 기본 전제는 우리가 주변에서 보는 모든 것이 근본적으로 아주 작고 진동하는 끈으로 만들어졌다는 것이다. 현악기의 줄을 다양하게 마찰시켜 다양한 음을 내는 것처럼 끈 진동을 달리해서 다양한 아원자 입자를 만들어낼 수 있다. 끈이론과 초대칭 이론이 결합됐을 때 초끈이론이 된다. (본문 192~193쪽)

별을 중심으로 생명체가 존재할 수 있는 온도를 지닌 좁은 범위의 우주 공간을 생명체 거주 가능 지역이라 한다. 지구는 그런 구역에 위치하고 있다. 행성이 모 항성에 너무 가까우면 행성의 물은 기체가 돼버리고, 너무 멀리 떨어져 있으면 얼음으로 변해버린다. 그래서 생명체 거주 가능 지역은 종종 골디락스 존이라 불리기도 한다. 영국 동화 《골디락스와 곰 세 마리》에 나오는 죽처럼 너무 뜨겁지도, 너무 차갑지도 않은 적당한 상태여야 한다는 것이다. 현재 천문학자들은 외계 생명체의 흔적을 찾으려고 다른 별의 생명체 거주 가능 지역에 존재하는 행성을 찾고 있다. (본문 195~196쪽)

빅뱅이라는 아이디어는 현재 우주가 팽창하고 있는 속도를 살펴 시간을 거꾸로 돌려서 팽창이 시작된 시점을 찾는 과정에서 나왔다. 엄밀히 말해 허블의 법칙을 따르는 팽창은 급팽창이 끝난 후에 시작됐다. 그러므로 대폭발 이전에 급팽창이 일어났다고 할 수 있다. 많은 이론가가 급팽창 전에는 특이점이 필요하지 않으며, 더욱이 만물 법칙이 실제로 존재한다면 특이점이 필요하지 않다고 주장한다. 작은 한 부분이 팽창해서 우리의 우주가 만들어지기 이전에 무엇이 있었든 어쩌면 그것은 아주 오랫동안 존재했던 것일지도 모른다. (본문 269쪽)