솔직히 저는 우주의 나이가 138억 년이라는 사실을 당연하게 받아들였습니다. 교과서에도 그렇게 나와 있었고, 천문학자들이 합의한 숫자라고 알고 있었죠. 그런데 1989년 히파르코스 인공위성이 발견한 무두셀라 별(HD140283)의 나이는 당초 160억 년으로 측정되었습니다. 우주보다 나이가 많은 별이 존재한다는 건 논리적으로 불가능한 일입니다. 이 모순을 처음 접했을 때 제가 느낀 건 충격보다는 의구심이었습니다. 우주의 나이를 계산하는 방식 자체에 뭔가 빠진 게 있는 건 아닐까요?
1."내가 우주보다 형이야"우주론을 뒤흔든 무두셀라 별의 반란!!
1923년 미국 천문학자 에드윈 허블(Edwin Hubble)은 인류 최초로 우리 은하 밖 외부 은하의 별을 촬영했습니다. 그리고 모든 은하가 서로 멀어지고 있다는 사실, 즉 우주 팽창(cosmic expansion)을 발견했죠. 여기서 우주 팽창이란 은하들이 서로 멀어지는 현상으로, 마치 풍선을 부는 것처럼 공간 자체가 늘어나는 것을 의미합니다. 이 발견은 빅뱅 우주론(Big Bang Theory)의 토대가 되었습니다. 우주가 팽창한다면 과거로 거슬러 올라갔을 때 모든 물질이 하나의 점에 모여 있었을 것이고, 그 점이 대폭발 하며 우주가 시작되었다는 이론이죠.
그런데 1989년 히파르코스 인공위성이 관측한 무두셀라 별은 이 정설에 균열을 냈습니다. 최초 분석 결과 이 별의 나이가 160억 년으로 추정되었기 때문입니다. 당시 계산된 우주의 나이는 130~138억 년 사이였으니, 별이 우주보다 먼저 태어났다는 말이 됩니다. 이건 마치 '아이가 부모보다 나이가 많다'는 말과 같죠. 천문학계는 크게 동요했고, 1990년 발사된 허블 우주망원경은 무두셀라를 8년간 11회나 관측했습니다(출처: NASA). 이는 천문학계가 얼마나 이 별에 주목했는지 보여주는 증거입니다.
이후 정밀 관측과 별의 구성 분석을 통해 무두셀라의 나이는 145억 년으로 수정되었습니다. 천체 고고학자들은 별의 금속 함량(metallicity)을 분석했는데, 여기서 금속 함량이란 수소와 헬륨을 제외한 무거운 원소의 비율을 의미합니다. 초기 우주에는 무거운 원소가 거의 없었기 때문에, 금속 함량이 낮을수록 오래된 별이죠. 무두셀라는 금속 함량이 매우 낮았고, 이로 인해 별 내부의 대류(convection) 과정이 원활하지 않았다는 사실이 밝혀졌습니다. 이를 반영해 나이를 재계산한 결과 145억 년으로 줄어든 것입니다.
그러나 여전히 문제는 남아 있습니다. 145억 년도 우주의 나이인 138억 년보다 많기 때문입니다. 일부 천문학자들은 측정 오차 범위 안에 있다고 보지만, 제 생각은 조금 다릅니다. 저는 우주의 나이를 계산하는 두 가지 방법이 서로 다른 결과를 내놓는다는 점에 주목했습니다. 혹시 우리가 아직 모르는 변수가 있는 건 아닐까요?
2.사라진 10억 년을 찾아서:암흑 에너지가 숨긴 우주의 진짜 얼굴??
우주의 나이를 계산하는 방법은 크게 두 가지입니다. 첫 번째는 초신성(supernova)을 이용한 방법입니다. 1997년 천문학자 아담 리스(Adam Riess)는 초신성을 관측하던 중 놀라운 사실을 발견했습니다. 우주 팽창 속도가 느려지는 게 아니라 오히려 가속되고 있다는 것이죠. 여기서 초신성이란 별이 수명을 다하며 폭발하는 현상으로, 엄청난 빛을 내뿜기 때문에 먼 거리 측정에 유용합니다. 리스 교수는 초신성까지의 거리와 후퇴 속도를 측정해 우주의 팽창 속도를 계산했고, 이를 역으로 돌려 우주의 나이를 약 130억 년으로 추정했습니다.
그런데 2003년 나사가 보내온 데이터는 완전히 다른 결과를 보여주었습니다. 우주 배경 복사(Cosmic Microwave Background, CMB)를 관측한 결과였죠. 우주 배경 복사란 빅뱅 직후 우주를 가득 채웠던 뜨거운 빛이 식으면서 전파 형태로 남은 흔적을 말합니다. 쉽게 말해 우주 탄생 38만 년 후의 '화석'인 셈입니다. 2009년 유럽 우주국이 발사한 플랑크 우주망원경(Planck Space Telescope)은 이 우주 배경 복사를 정밀하게 관측했고, 천문학자 히란야 페이리스(Hiranya Peiris)는 이 데이터를 토대로 우주의 나이를 138억 년으로 계산했습니다(출처: European Space Agency).
문제는 이 두 방법의 결과가 약 10억 년 차이난다는 점입니다. 초신성 방법은 130억 년, 우주 배경 복사 방법은 138억 년. 천문학적으로 10억 년은 결코 무시할 수 있는 오차가 아닙니다. 일부 과학자들은 측정 도구의 한계 때문이라고 주장하지만, 저는 실제로 써보니 이 차이가 단순한 오차가 아닐 수도 있다고 봅니다.
그래서 등장한 개념이 바로 암흑 에너지(dark energy)와 암흑 물질(dark matter)입니다. 리스 교수는 우주가 가속 팽창하는 이유를 중력과 반대로 작용하는 '암흑 에너지' 때문이라고 주장했습니다. 현재 밝혀진 바로는 우주의 구성이 다음과 같습니다.
- 암흑 에너지: 약 70%
- 암흑 물질: 약 26%
- 보통 물질(우리가 아는 원자): 약 4%
저희가 눈으로 보고 만질 수 있는 물질은 고작 4%에 불과하고, 나머지 96%는 정체를 모르는 '암흑'의 영역입니다. 암흑 물질은 질량이 있어 중력을 행사하지만 빛을 내지 않아 직접 관측이 불가능합니다. 다만 중력 렌즈 효과(gravitational lensing)를 통해 그 존재를 간접적으로 확인할 수 있죠. 중력 렌즈 효과란 질량이 큰 천체 주변에서 빛이 휘어지는 현상으로, 마치 와인 잔 밑바닥을 통해 촛불을 보면 여러 개로 보이는 것과 비슷합니다.
영국 천문학자 캐서린 헤이먼스(Catherine Heymans)는 암흑 물질 지도를 제작하고 있습니다. 그녀는 암흑 물질이 예상보다 균일하게 퍼져 있다는 사실을 발견했는데, 이는 우주가 현재 모델보다 더 젊을 가능성을 시사합니다. 하지만 아직 암흑 우주의 극히 일부만 관측한 상태이기 때문에 확정적인 결론을 내리기는 이릅니다.
저의 생각에는 이런 불확실성은 과학의 한계가 아니라 오히려 매력입니다. 저희가 우주의 5%밖에 이해하지 못한다는 사실은, 앞으로 95%의 발견이 남아 있다는 뜻이기 때문입니다. 일부에서는 빅뱅 우주론 자체가 틀렸을 수도 있다는 주장도 나옵니다. 순환 우주론이나 다중 우주론 같은 대안 이론들이죠. 심지어 우리가 사는 이 우주가 특수한 물리 법칙이 적용되는 '포켓 우주(pocket universe)'일 가능성도 제기됩니다.
현재 과학자들은 달 뒷면에 전파망원경을 설치하려는 계획을 추진 중입니다. 지구의 전파 잡음이 없는 달 뒷면에서 태초의 수소 복사를 관측하면, 우주 탄생 초기의 모습을 더 정확히 파악할 수 있을 것으로 기대됩니다. 2019년 중국이 달 뒷면에 탐사선을 보낸 것도 이런 연구의 첫걸음이었죠.
지금까지 우주의 나이를 둘러싼 논쟁을 살펴봤습니다. 무두셀라 별은 여전히 우주보다 나이가 많은 것처럼 보이고, 초신성과 우주 배경 복사로 계산한 우주의 나이는 10억 년 차이가 납니다. 저는 이 모순이 과학의 실패가 아니라 진행 중인 탐구 과정이라고 생각합니다. 앞으로 암흑 우주의 비밀이 밝혀지고, 달 뒷면 관측이 성공한다면, 우리는 마침내 우주의 정확한 나이를 알게 될지도 모릅니다. 그리고 그때 밝혀질 진실은 지금 우리가 상상하는 것보다 훨씬 더 흥미로울 가능성이 큽니다.
"결국 우주의 나이를 둘러싼 이 혼란은 우리가 아직 우주의 95%를 차지하는 '암흑의 영역'을 모르기 때문일지도 모릅니다. 여러분은 130억 년과 138억 년 중 어느 쪽이 더 진실에 가깝다고 생각하시나요?"