별 헤는 밤, 경이로움을 좇다 (上)

겸손과 호기심으로 써 내려온 인류의 우주 서사시

안녕하세요. 덕왕입니다.

추석명절 잘 보내셨는지요? 저도 열심히 정진하며 잘 지냈습니다. 

추석연휴 동안에도 급변하는 국제정세에 뉴스가 끊이지 않았지만 오늘은 정적인 주제를 꺼내볼까 합니다.

이럴 때일수록 마음속 잔잔한 호수 하나쯤은 필요할 테니까요.

연휴에 우연히 애니메이션 『지. 지구의 운동에 대하여』를 보고 깊은 감동을 받았습니다. 지구를 우주의 중심으로 여겼던 인류가 호기심의 횃불을 들고 혹독한 핍박 속에서도 과학적 업적을 이룩한 여정은 만화임에도 불구하고 정말 감동적이었습니다. 탐구의 노력과 고통 속에서 피어난 진리가 우리에게 전하는 교훈은 언제나 진합니다.

사실 거의 모두가 별을 좋아합니다. 각자의 가슴속에 자신만의 별이 있듯이 제게도 그렇습니다. 제가 가장 좋아하는 별들은 플레이아데스 성단과 오리온자리입니다. 군대 시절 추운 겨울에 경계근무를 설 때마다 밤하늘 가득한 별들 사이로 두 별자리를 발견하면 반가운 친구를 만난 것 같이 좋았고 혼자가 아니라는 위로를 받는 것 같았습니다. 

이렇게 경이롭고 누구에게는 특별한 의미를 가지기도 하는 별들이 우리의 세계관을 어떻게 뒤집었는지, 그 여정을 흥미롭게 따라가며 함께 살펴보겠습니다. 이 여정은 인류가 우주 속에서 겸손하게 자신의 위치를 재정의하고 무지와 편견과 싸워온 장엄한 대서사시입니다.

0. 지구가 우주의 중심이다 (기원전 4세기~1543년)

모든 혁명에는 무너뜨려야 할 구체제가 있습니다. 코페르니쿠스 혁명을 이해하려면 먼저 1,500년 이상 지속된 천동설(天動說)의 세계를 들여다봐야 합니다. 고대 그리스부터 중세 유럽까지, 인류는 지구가 우주의 절대적 중심이며 모든 천체가 지구 주위를 돈다고 굳게 믿었습니다.

그리스 철학자들의 우주관: 기원전 4세기 플라톤은 천체들이 완벽한 원운동을 한다고 주장했습니다. 그의 제자 에우독소스는 각 행성이 여러 개의 투명한 구(球)에 실려 회전한다는 동심천구설을 제안했습니다. 하늘의 움직임을 27개의 겹겹이 쌓인 구로 설명한 것입니다. 마치 러시아 전통 인형 마트료시카처럼 지구를 중심으로 여러 겹의 하늘이 둘러싸고 있다고 상상했습니다.

기원전 384~322년 아리스토텔레스는 이 모델을 철학적으로 완성했습니다. 그는 우주를 두 영역으로 나누었습니다. 그의 이론에서 달 아래의 '지상계(sublunary sphere)'는 불완전하고 변화하며, 흙·물·공기·불 네 원소로 구성됩니다. 반면 달 위의 '천상계(superlunary sphere)'는 완벽하고 영원불변하며, 제5원소인 에테르로 이루어졌습니다. 천체들은 완벽한 원운동만 하고 절대 변하지 않는다고 믿었습니다.

이것은 단순한 과학 이론이 아니라 세계관이었습니다. 지구가 중심이라는 것은 인간이 우주에서 특별한 존재라는 의미였고, 하늘의 불변성은 신의 완벽함을 반영했습니다. 교회는 이 우주관을 신학과 결합하여 가장 바깥 천구 너머에 천국이 있다고 가르쳤습니다.

프톨레마이오스의 정교한 체계: 기원후 2세기, 알렉산드리아의 클라우디오스 프톨레마이오스는 『알마게스트(Almagest)』에서 천동설을 수학적으로 완성했습니다. 하지만 문제가 있었습니다. 행성들이 밤하늘에서 가끔 뒤로 가는 것처럼 보이는 '역행 운동'을 설명해야 했습니다. 화성을 관측하면 대부분은 동쪽으로 가다가, 몇 달간 서쪽으로 후진하고, 다시 동쪽으로 갑니다.

프톨레마이오스는 천재적인 기하학적 트릭을 고안했습니다. 바로 '주전원(epicycle)'과 '이심원(eccentric)' 개념입니다. 행성이 작은 원(주전원)을 그리며 움직이고, 그 작은 원의 중심이 큰 원(이심원)을 따라 지구 주위를 돈다는 것입니다. 마치 놀이공원의 회전목마가 큰 원판 위에서 돌고, 각각의 목마는 또 자기 축으로 도는 것과 비슷합니다.

더 복잡한 것은 지구가 정확한 중심이 아니라 약간 벗어나 있다는 '편심(eccentricity)'과, 회전 속도가 일정하지 않다는 '등화점(equant)' 개념까지 도입했습니다. 결과적으로 이 모델은 놀랍도록 정확했습니다! 천체의 위치를 몇 년 앞까지 예측할 수 있었습니다.

1,500년의 지배: 프톨레마이오스 체계는 관측 자료와 놀랍도록 잘 맞았고, 철학적으로도 완벽해 보였으며, 종교적으로도 올바른 것처럼 보였습니다. 그래서 중세 유럽 대학에서 가르치는 표준 우주론이 되었습니다. 단테의 『신곡』도 이 우주관을 바탕으로 쓰였고, 모든 천문학 교과서가 이것을 당연한 진리로 받아들였습니다.

물론 고대에 지구가 태양 주위를 돈다고 생각한 사람이 전혀 없던 것은 아니었습니다. 헬레니즘 시대의 아리스타르코스는 이미 태양중심설을 주장했었습니다. 그럼에도 결국 프톨레마이오스의 지구중심설이 1,500년을 지배할 수 있었던 이유는 천동설이 지구의 특별함과 하늘의 완벽성을 주장하는 크리스트교의 세계관과 잘 맞았기 때문이며, 또한 관측결과를 설명하기 위해서는 천구의 개수가 수십 개에 이르는 등 상당히 복잡했지만 그때까지 관측한 결과를 대체로 잘 설명할 수 있어서 그럭저럭 쓸 만했기 때문입니다.

천동설은 연주시차 문제를 고민할 필요도 없었고, "태양이 돈다"는 우리의 일상적인 경험과도 잘 맞아떨어졌으며, 무엇보다도 '지구는 당연히 정지해 있다'는 우리가 느끼는 상식과도 완벽히 들어맞았습니다. 지구가 움직인다면 항상 바람이 불어야 하고 새들은 뒤처져야 하며 건물은 무너져야 합니다. 위로 던진 돌은 앞이나 뒤로 떨어져야 하며 우리는 항상 어지럼증을 느껴야 합니다. 하지만 무엇 하나도 벌어지지 않으므로 지구는 분명히 움직이지 않는 세상의 중심임이 당연했습니다. 이 '상식'이야말로 가장 강력한 적이었습니다. 때로는 진실이 상식보다 더 낯설고 다가가기 어렵습니다.

하지만 시간이 지나면서 균열이 생기기 시작했습니다. 관측이 정밀해질수록 프톨레마이오스 모델은 더 많은 주전원을 필요로 했습니다. 어떤 버전에는 80개가 넘는 원이 등장했습니다. 너무 복잡했습니다. 마치 엑셀 수식이 너무 길어져서 본인도 무슨 계산을 했는지 모르게 된 것처럼 말이죠. 13세기 카스티야의 알폰소 10세는 "만약 신이 우주를 창조할 때 나에게 조언을 구했더라면, 더 간단한 설계를 제안했을 텐데"라고 비꼬았다고 전해집니다.

그리고 1543년, 폴란드의 한 사제가 1,500년의 벽에 도전장을 내밀었습니다. 그의 이름은 니콜라우스 코페르니쿠스였습니다.

1. 지구가 우주의 중심이 아님을 발견하다 (1543년)

상상해 봅시다. 지구가 우주의 유일한 중심이란 믿음이 1,500년 동안 흔들림 없이 지속되다가 어느 날 그 반대의 주장이, 그것도 한 사람에 의해 생뚱맞게 등장했다면 어떨까요? 아마 신문 한 귀퉁이의 가십란에도 실리지 못할 만큼 미미하거나 어느 미치광이의 주장 정도로 치부해 버렸을 수도 있습니다. 만약 그 사람이 유력자라면 모든 기득권으로부터 비난을 받고 사회적 매장을 당할 가능성이 높습니다. 왜냐하면 그것은 기득권 세력에게는 마치 평생 자신이 세상의 주인공이라고 믿다가, 어느 날 자신이 수많은 등장인물 중 하나에 불과하다고 선고받는 것과 같은 충격이었을 테니 말입니다.

1543년, 니콜라우스 코페르니쿠스는 사망 직전 『천구의 회전에 관하여』를 출간하며 태양중심설을 제시하였습니다. 코페르니쿠가 사망 직전까지 출판을 망설였던 이유는 당시 그가 사제의 신분으로서 정립한 주장이 가톨릭 교회의 우주관에 정면으로 도전하는 것이었기 때문입니다. 이 저서는 2세기 프톨레마이오스가 정립한 천동설을 무너뜨리는 과학 혁명의 서막을 열었으며, 지구가 태양 주위를 도는 여러 행성 중 하나에 불과하다는 사실을 밝혔습니다.

Nicolaus Copernicus, 1473 - 1543

이후 코페르니쿠스의 이론은 종교계와 학계의 격렬한 반대를 불러일으켰습니다. 그러나 후대 과학자들이 이를 입증하며 불꽃을 이어갔습니다. 요하네스 케플러는 1609년부터 1619년까지 행성운동의 세 법칙을 확립하여 행성이 완벽한 원이 아닌 타원 궤도를 따라 움직인다는 점을 증명하였습니다. 이것은 당시 '완벽한 천상계'라는 믿음에 또 한 번의 타격을 주었습니다.

갈릴레오 갈릴레이는 1610년 망원경 관측으로 금성의 위상 변화와 목성의 위성을 발견하며 지동설의 증거를 쌓았습니다. 금성이 달처럼 차고 기울고 하는 현상은 금성이 태양 주위를 돈다는 결정적인 증거였습니다. 갈릴레오는 이 발견 때문에 종교재판에 회부되어 가택연금에 처해졌지만, 그의 관측 기록은 사라지지 않았고 "그래도 지구는 돈다" 그의 말 또한 진리를 향한 꺾이지 않는 마음으로써 후세에 길이 남았습니다.

Galileo di Vincenzo Bonaiuti de' Galilei, 1564 - 1642

결국 코페르니쿠스 혁명은 천문학적 발견을 넘어 인류의 우주관을 근본적으로 변화시켰습니다. 지구가 특별한 위치에 있지 않다는 '코페르니쿠스 원리'는 현대 우주론의 토대가 되었으며, 인간 중심의 세계관에서 벗어나는 계기가 되었습니다. 그 순간, 우주의 광대함 속에서 인류의 겸손이 싹트기 시작했습니다.

TMI: 조선의 코페르니쿠스 홍대용(1731 ~ 1783)

조선 중기 실학자겸 과학사상가인 담헌 홍대용(1731~1783) '지구자전론'은 물론이고 '우주무한론'을 설파했습니다. 그는 자신의 저서 <담헌서>에서 "하늘의 뭇별은 각각의 세계를 갖고 있다. 우주세계에서 지구 또한 한 개의 별일 뿐이다. 무한한 세계가 우주에 흩어져 있는데 오직 지구 만이 중심에 있다는 것은 있을 수 없다"고 주장했습니다. 리스펙!

2. 초신성을 관측하다 (185년 ~ 1572년)

초신성은 서기 185년 12월 7일, 중국 후한(後漢) 시대의 천문학자들(태사)에 의해 처음 관측되었습니다. 중국의 정사인 《후한서(後漢書)》에는 "객성(客星, Guest Star)", 즉 "손님별"이라는 의미로, 평소에 보이지 않던 별이 갑자기 나타났음이 기술되어 있으며 지금의 알파 센타우리 부근에서 나타났다고 합니다.

당시 기록으로는 "크기가 방석의 절반만 했다(大如半席)"고 묘사되며, 약 8개월 동안 오색으로 빛나다가 점차 어두워지며 사라졌다고 합니다. 현대에 X선 관측 등을 통해 당시 기록을 바탕으로 추적한 결과, 해당 천체가 RCW 86일 가능성이 매우 높다고 합니다.

이 빛나는 '새로운 별'(Nova Stella)이 달보다 훨씬 멀리, 즉 항성들의 영역에 있는 새로운 천체임을 과학적으로 입증한 과학자는 덴마크 천문학자 티코 브라헤입니다. 1572년 11월 11일, 티코 브라헤는 카시오페이아자리에서 갑자기 나타난 밝은 '새 별'을 목격하였습니다. 이 천체는 금성보다 밝아 낮에도 육안으로 보일 정도였습니다. 밤하늘에 갑자기 나타난 이 불청객은 당시 사람들에게는 거의 기적에 가까운 광경이었을 것입니다.

티코는 이 현상을 단순히 경이로운 구경거리로만 여기지 않았습니다. 그는 18개월 동안 꾸준히 관측하며 최대 밝기가 -4등급에 달한다는 것을 기록했습니다. 이는 현재 우리가 보는 가장 밝은 별들보다도 훨씬 밝은 수준입니다. 그는 1573년 『새로운 별에 관하여』를 출간하여 '신성(nova)'이라는 용어를 처음 도입하였습니다.

이 발견이 왜 그토록 중요했을까요? 그것은 아리스토텔레스 이래 2,000년 가까이 유지되던 '천구 불변성' 이론에 정면으로 도전했기 때문입니다. 고대 그리스 철학에서는 달보다 먼 천상계는 신의 영역으로써 완벽하고 영원불변하며, 변화는 오직 불완전한 지상계에서만 일어난다고 믿었는데, 완벽한 천상에서 엄청난 변화가 일어난 것은 그 당시 우주관으로서는 받아들일 수 없는 일이었습니다.

티코는 시차 측정을 통해 이 천체가 달보다 훨씬 멀리 있음을 증명하였습니다. 시차란 관찰자의 위치가 바뀔 때 천체의 겉보기 위치가 변하는 현상입니다. 만약 이 별이 가까이 있었다면 밤새 위치가 바뀌었어야 했지만, 티코가 관측한 결과 위치 변화가 없었습니다. 이것은 항성 영역에서도 변화가 가능하다는 점을 드러낸 혁명적인 증거였습니다.

현대 연구에 따르면 티코가 본 이 초신성은 7,500에서 13,000광년 떨어진 Ia(아이에이) 형 초신성으로, 백색왜성이 동반성으로부터 물질을 흡수하다가 찬드라세카르 한계(태양 질량의 1.4배)를 초과하면서 폭발한 결과입니다. 백색왜성은 죽은 별의 잔해인데, 옆에 있는 동료 별에서 가스를 계속 빨아먹다가 배가 터져버린 것이죠. 그 폭발의 밝기가 너무나 강렬해서 우리 은하 전체보다도 밝게 빛났던 것입니다.

TMI: Ia형 초신성(Ia形超新星, type Ia supernova)

표준촛불: Ia형 초신성은 밝기가 일정하여 먼 은하의 거리를 측정하는 데 활용됩니다.

암흑 에너지 연구: Ia형 초신성 관측 데이터는 우주 가속 팽창을 설명하는 암흑 에너지 연구에 중요하게 사용되었습니다. 이 연구로 2011년 노벨물리학상이 수여되었습니다.

티코의 기록은 오늘날 과학자들이 초신성 잔해 SN 1572를 분석하는 데 ...