[우주/데이터주의] 코스모스(COSMOS) 4부 :: 윌리엄 허셜, 블랙홀, 시공간, 빛

코스모스 4부 : 밤하늘의 유령

 

요즘 바쁜일이 좀 있어서 드문드문 글을 쓰다보니, 이제야 4부를 포스팅하게 됐다.

물론, 기다리는 없었겠지만.. 코스모스를 계속해서 이어가 보도록 하겠다.

 

 

 

윌리엄 허셜

 

(이미지 출처 : 위키)

 

윌리엄 허셜(William Herschel)은 잉글랜드의 천문학자로, 코스모스를 누구보다도 깊이있게 들여다본 사람이다.

 

 

 

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1802년, 그는 자신의 아들과 해안을 산책하며 유령에 대한 이야기를 하게 된다.

유령이 있냐는 아들의 물음에 허셜은 밤하늘에 빛나는 것들이 유령이라고 답했다.

 

빛이 아무리 빨라도 그 속도는 유한하기 때문에, 아주 먼 곳에서 빛이 우리에게 도달하려면 시간이 필요하다.

이는 이미 빛을 보내온 별이 사라져 그 자리에 없을 수 있다는 말이 된다.

 

즉, 하늘의 별빛을 통해 과거를 보는 셈이다.

 

 

지구에서 가장 가까운 달만 봐도 1초 전의 모습을 보는 것과 같다.

달과 지구의 거리가 광속으로 1초 거리에 있기 때문이다.

 

 

 

 

신기루

 

 

태양이 떠오를 때 수평선 너머로 보이는 몇 분간 보이는 태양의 모습은 신기루, 환영(幻影)이다.

태양 빛이 지구에 도달하는데는 8분이 소요되며, 우리는 8분 전의 태양의 모습을 보며 살고 있다.

 

수평선과 지평선도 마찬가지로 환영이자 신기루이며, 눈에 보이는 그 자리에 존재하지도 않는다.

태양은 떠오르지 않으며, 단지 우리들이 지구라는 비행기를 타고 실제 제트기 보다 빠른 속도로 태양을 돌고 있을 뿐이다.

 

 

 

 

광년

 

 

태양계의 가장 바깥 행성인 해왕성은 지구와 4광시 거리에 있다.

즉, 빛이 4시간 동안 이동해야 닿을 수 있는 거리다.

 

하지만 태양계를 벗어나, 항성이나  거리가 더 멀기에 이 보다 더 큰 단위인 광년을 사용한다.

아시다시피 빛이 1년 동안 가는 거리를 말하고, 이는 약 6조 마일(약 10조 km)에 해당한다.

조는 10의 12제곱이며, 0이 12개 있는 셈이다.

 

 

 

 

프록시마 센타우리

 

 

태양과 가장 가까운 별이 프록시마 센타우리(Proxima Centauri)다.

이미지처럼 현재까지 발견된 가장 가까운 항성이고, 이름 또한 가깝다는 의미를 가졌다.

 

태양과 가장 가까움에도 4광년이나 떨어져있다.

참고로 나사(NASA)의 보이저호는 약 5만 6천km/h가 넘는 속도로 이동하고 있다.

이러한 보이저호가 태양에서 프록시마 센타우리로 가려면 약 8만년이 필요하다.

 

 

 

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플레이아데스 성단

 

 

별들의 집단인 성단, 그리고 그 가운데 플레이아데스 성단의 항성들은 400광년 떨어져있다.

 

 

 

 

갈릴레이

 

 

이러한 플레이아데스 성단을 갈릴레이는 400년전 자신의 망원경으로 관찰했다.

이를 토대로 그는 광속을 측정하기 위해 노력했으나 실패하고 말았다.

 

 

 

 

게성운

 

 

성운은 성간물질(별과 별 사이에 여러 물질이나 에너지의 총칭)과 수소로 이루어진 구름을 말한다.

 

게성운은 한 때 태양 질량의 10배에 달하는 항성이었다.

하지만 초신성(Supernova) 폭발로 인해, 도시만한 크기의 펄서(Pulsar)가 중심부에서 빠르게 회전 하고 있다.

 

펄서의 고속 회전으로 발생한 자기장이 주위 전자를 정신없이 휘저어서,

전자를 광속에 달할 정도로 가속시킨다.

 

전자는 푸른빛을 내며, 초신성 폭발로 인해 방출되고 있는 주위 가스를 밝힌다.

 

 

 

 

 

이러한 게성운은 지구에서 6,500광년 떨어져 있다.

그리고 어떤이들은 이것이 전 우주의 나이라고 믿고 있다.

 

허나, 이는 잘못됐다고 말할 수 있다.

더 멀리에서 오는 별 빛도 관측했기 때문이다.

 

 

 

 

 

가장 오래된 은하

 

 

이는 허블 우주망원경이 포착한 134억 년된 별 빛이다.

우주의 1세대 별빛이라 할 수 있다.

 

 

 

 

 

중심

 

 

앞서 지구에서의 지평선과 수평선이 환영임을 살펴봤다.

마찬가지로, 우리가 우주에 서있게 되면 자신이 중심의 위치로 착각하게 된다.

 

또한, 수평선과 지평선처럼 저멀리 우주의 끝이 보이기도 한다.

하지만 이는 위에서 살펴봤듯 환상에 지나지 않는다.

 

그 어디에도 끝은 없고, 중심같은 건 없다.

우주에는 시간의 개념이 존재하고, 빛의 속도가 유한하기 때문이다.

 

 

 

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빅뱅

 

 

빅뱅 이후 어둠이 가득했던 우주에서 수소와 헬륨으로 이루어진 구름들이 응결해 별과 은하가 되었다.

우주는 끊임없이 팽창했고, 운명을 달리한 1세대 별들은 보다 무거운 원소를 우주에 낳았다.

 

결과적으로 행성이 탄생했고, 그 행성에선 생명이 태어났다.

 

 

이렇게 빅뱅은 물질과 에너지를 만들었고, 시간과 공간도 창조했다.

 

 

 

 

쌍성

 

 

윌리엄 허셜은 뉴턴의 중력법칙을 토대로 새로운 사실을 발견했다.

바로 두 개의 별이 서로를 행성보다도 느린 속도로 뱅뱅 돌기도 한다는 사실이었다.

 

이 말은 즉, 공통된 중력을 갖는다는 말이 된다.

 

때문에 아주 멀리서 바라본다면 하나의 별로 보일 수 있고, 우주 전체를 중력이 지배한다고 볼 수도 있다.

 

 

 

 

중력

 

 

이러한 형태의 중력을 뉴턴은 처음에 원격작용이라 불렀다.

그리고 마이클 패러데이는 우리가 보이지 않는 힘의 장에 둘러 쌓여있다고 설명했다.

이는 중력의 원리를 설명해주었다.

 

이후 제임스 클러크 맥스웰은 전기장과 자기장에 대한 패러데이의 연구를 수학적으로 정리했다.

또한, 맥스웰은 힘의 장이 파도처럼 우주를 여행한다는 사실을 발견했다.

그리고 계산결과 이 속도는 빛의 속도와 일치했다.

 

그러나 이들도 결국 중력과 빛, 공간으로 이루어진 우주를 설명하진 못했다.

아인슈타인은 뉴턴과 패러데이, 맥스웰의 초상화를 앞에 걸어두고 풀어내기 위해 골똘히 생각했다.

 

마침내 아인슈타인은 이들의 업적을 바탕으로 새로운 이론을 세웠다.

 

 

 

 

 

우리는 속도를 계산할 때, 움직이지 않는 기준을 정해야 한다.

하지만 우주에서는 움직이지 않는 것이 없다.

 

천체 물리학자 닐 타이슨이 지면에 대해 시속 10km로 자전거를 탄다고 생각해보자.

하지만 지구는 시속 1,600km로 자전하므로 땅이 움직이는 셈이다.

그런데 동시에 지구는 시속 108,000km로 태양을 주위를 돌고 있다.

 

 

 

 

태양 또한 시속 70만km가 넘는 속도로 우리은하 속을 이동하고 있다.

또, 우리은하는 시속 250만km로 우주 속을 이동한다.

 

즉, 움직이지 않는 것은 없다.

그리고 이러한 사실은 아인슈타인에게도 흥미로운 주제가 되었다.

 

 

 

 

 

이처럼 죄다 이동하는데, '나 자신이 빛의 속도로 이동하면 어떻게 될까?'

이러한 어린 아인슈타인의 생각은 끊없는 모순을 만들어냈다.

 

빛의 속도로 오토바이를 타고 달린다고 생각해보자.

그런데 여기에서 오토바이의 라이트를 켠다면, 불빛은 어떻게 될까?

 

결론은 물체의 속도와 관계없이, 물체에서 나오는 빛의 속도가 늘 같다는 것이다.

 

빛의 속도는 여느 물리적 속도와 차원이 다르다.

공학적으로 기술이 아무리 발달해도 잡아낼 수 없는 하나의 자연법칙이기 때문이다.

자연법칙은 어떤 방식으로도 결코 깰 수 없는, 시대불변하여 어디에나 적용가능한 사실을 의미한다.

즉, 99.9%까지는 기술로 가능하다하더라도 절대로 100%에 도달할 수 없는 셈이다.

 

그리고 아인슈타인은 이러한 상대적인 움직임에 대하여 확실한 체계를 세웠다.

 

 

 

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블랙홀

 

 

블랙홀은 빛마저 끌어 당기는 중력을 가진 시공간적 영역을 말한다.

보통 천개에 한 개 꼴로 보고 있으며, 가장 무거운 별이다.

 

블랙홀은 진공청소기처럼 돌아다니며 천체를 삼키는 친구가 아니라,

접근하면 자신에게 끌어 당길 뿐이다.

 

 

 

 

최초로 발견된 블랙홀은 백조자리의 X-1이다.

보이지도 않는데 어떻게 찾았을까?

 

X선을 이용해 표면온도가 3만도가 안되는 별을 제외하고 1억도가 넘는 블랙홀을 관측한 것이다. 

 

 

 

 

 

그리고 이렇게 쌍성계를 이루는 두 별 중 하나가 질량이 매우큰 블랙홀 이라면,

다른 별의 대기물질들을 끌어당기며 회전하게 될 것이다.

 

이러한 가스를 X선으로 찾아낸 것이다.

 

 

 

 

블랙홀의 중심으로 회전하며 빨려들어가는 가스는 사건 지평선에 달하게 된다.

사건 지평선에 도달하면 외부에서 볼 땐 점차 느려지고, 끝내 도달하지 못하는 것으로 보이게 된다.

 

 

 

 

 

만약, 사건 지평선에 도달한다면 무슨 일이 벌어질까.

닐 타이슨은 시간이 무한정으로 뻗어나가기 때문에 다가갈수록 빨려들어온 빛을 통해 우주의 미래를 볼 수 있을 것이라 말했다.

그리고 너머에는 지금의 자연법칙이 적용되지 않을 미지의 세계가 갇혀있을 수 있다.

또한, 블랙홀을 빠져나온다면 또 다른 우주의 공간과 시간으로 이동할 수도 있을 것이다.

 

아직 정답은 없지만, 결국 블랙홀이 시공을 틀어지게 할 우주의 터널일 가능성이 매우 높다.

 

 

 

블랙홀의 내부세계

 

 

블랙홀은 마치 우리 우주의 시작을 알렸던 빅뱅과 유사하다.

높은 에너지로 응축되어 폭발, 팽창하는 지금의 시스템 속에 블랙홀이 존재하듯이,

블랙홀 안에서 또 다시 응축된 빛과 가스가 폭발한다면 그 안에 또다른 우주를 만들게 되는 것이다.

 

 

 

 

우린 이미 어떤 우주 속 블랙홀에서 일어난 빅뱅을 통해 지금의 지구에 살고 있는지 모른다.

 

그래서 닐 타이슨은, 블랙홀 내부가 궁금하다면 주위를 둘러보라고 말한다.

돌고 도는 세계가 우리 세계인 셈이다.

 

 

 

 

 

존 허셜

 

 

이렇게 돌고 돌아, 다시 포스팅의 시작을 알렸던 윌리엄 허셜에게 유령에 대해 질문했던 아들이 바로 존 허셜이다.

아버지의 뒤를 이어 그 또한 훌륭한 천문학자가 되었고, 천왕성, 베텔게우스 등을 발견한 하는 등 수 많은 업적을 세웠다.

 

특히, 시간과 공간을 기억하기 위해 지금의 사진(Photography)을 남긴 인물이기도 하다.

 

 

 

 

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마치며

 

주로 시간과 공간에 대한 내용이 되었는데, 간단하면서도 복잡한 내용이다.

 

끝으로 예를 하나 들어보면, A4용지에 양 끝에 두 개의 원 A와 B를 그렸다고 생각해보자.

A에서 B로 이동하려면 아무래도 거리가 있기때문에 시간이 소요될 것이다.

 

그렇다면, A4용지를 접어서 A와 B가 만나도록 하면 어떻게 될까.

맞닿아 있으므로 A와 B가 만났다는 결과는 같으나 시간이 단축된다.

 

이렇게 공간을 뒤틀어 시간을 줄일 수 있는 것이다.

 

 

끝.

 

 

 

참고자료

 

위키 / 코스모스 4부