[과학 지식] 우주가 검은색인 이유

별들로 가득 찬 우주는 왜 어두울까?

 우주가 검은색이 아니라면 어떤 색을 상상할 수 있을까? 흰색 혹은 붉은색, 푸른색을 상상할 수 있을까? 결론부터 내리자면 우주가 검은색이 아니었다면 모두 소멸했을 것입니다. 이제부터 우주가 검은색인 이유에 관해 설명해 보겠습니다.

 밤하늘을 바라보면 별이 보입니다. 하늘에 보이는 빛나는 별은 우리 태양계의 태양처럼 스스로 빛을 내는 것일까? 우리가 밤하늘에서 보는 별은 태양과 같은 항성으로, 스스로 빛을 내고 있습니다. 우주 대부분의 별은 대부분 태양처럼 스스로 빛을 내는 항성들로 이루어져 있습니다.

 태양은 아주 밝습니다. 낮에는 눈을 뜨고 바라볼 수 없을 정도로 아주 밝습니다. 우주도 이러한 밝은 천체로 가득 차 있습니다. 그렇다면 우주는 눈부시도록 하예야 하지만 실제로는 그렇지 않습니다. 단순히 우리가 바라보기에는 항성까지의 거리가 멀기 때문에 밝지 않는 것일까?

 무한히 많은 항성이 존재하는 우주는 그 자체로 밝은 빛을 발해야 정상입니다. 하지만 이런 반박은 할 수 있을 것입니다. 만일 성운과 같은 거대한 먼지구름이 빛을 모두 막는다면, 스스로 빛을 내는 항성들 사이에 빈틈없이 성운이 차 있다면, 우주는 어두울 수도 있을 것입니다. 이 경우 항성들의 빛이 성운에 거의 모두 가려져 우주가 마치 원래 검은색인 양 보일 수 있을 것입니다. 하지만 먼지구름 뒤에 있는 항성들로 인해 복사 에너지를 발산하게 되고, 결국 뜨거워진 가스층은 그대로 밝은 빛을 낼 수밖에 없을 것입니다. 다시 말해 이 모든 경우의 수를 감안하더라도 우주가 무한히 넓은 만큼 별들 또한 무한히 많을 것이기에 밤하늘은 태양보다 15만 배 정도 더 밝아야 합니다. 하지만 그런 강력한 빛이 존재하는 한 생명체는 살아갈 수 없을 것입니다. 그렇다면 도대체 그 많은 별이 있는데도 왜 우주는 칠흑같이 어두운 것일까?

우주의 팽창과 빛의 관계

 이 질문의 핵심은 바로 우주의 팽창에 있습니다. 약 138억 년 전에 빅뱅이 일어난 순간부터 우주는 끊임없이 팽창을 해왔습니다. 적색 편이라는 현상을 통해 이런 사실을 증명할 수 있습니다. 적색 편이란 스펙트럼 색상의 특정한 이동을 의미합니다. 붉은색일수록 긴 파장이, 보라색일수록 짧은 파장이 생기는 것입니다.

 '에드윈 허블'이라는 천문학자가 특이한 현상을 발견합니다. 지구에서 먼 천체들은 모두 붉은색 파장을 가지고 있는 것입니다. 지구에서 관측되는 모든 천체의 스펙트럼에는 적색 편이가 관측되고 있습니다. 그리고 거리가 멀수록 적색 편이가 크게 관측되었습니다. 이러한 관측 결과는 우주가 멀어지고 있다고 정리할 수 있습니다. 우주의 모든 공간은 서로 멀어지는 가운데 우주 빛의 근원인 항성 또한 점점 서로 멀어지고 있는 상황입니다. 이러한 상황에서 한 지점의 빛은 결국 다른 지역에 닿지 못하는 상황이 발생하게 됩니다. 이 같은 현상은 별빛의 세기가 점점 약해져 희미해지거나, 소멸하는 것으로 확인할 수 있을 것입니다.

 또한 멀리 있는 항성일수록 그 멀어져 가는 속도가 거의 빛의 속도에 가까울 것이기 때문에 그 별빛은 지구에 도달하지 못하는 경우도 발생하게 되는 것입니다. 빛의 속도보다 공간이 빠르게 팽창하기 때문에 빛이 지구에 도달하지 못하는 것입니다.

 바로 이러한 이유로 우주 속 엄청난 별빛들은 결코 꽉 들어찰 수 없고 이렇게 별과 별 사이 거리가 멀어진 만큼 빛이 없는 공간도 더 커져서 우리는 검은 공간만 확인할 수 있는 것입니다.

우주의 무한함과 텅 빈 공간

 과학자들은 빛이 무엇인가에 부딪혀 반사될 때까지 직선으로만 이동한다고 설명해 왔습니다. 우리가 인지하는 색의 빛은 가시광선의 영역입니다. 빛이 특정 입자에 부딪히고 반사하는 색을 확인하는 것입니다. 다시 이야기하자면 이 빛이 반사되기 전까지는 우리는 그 무엇도 눈으로 볼 수 없는 것입니다.

 예를 들어 강의실에서 쓰는 레이저 포인터를 한번 생각해 보겠습니다. 레이저 포인터로 칠판을 가리키기까지 레이저가 부딪히는 지점을 포함해 실내에서는 어느 정도 선명하게 뻗은 선을 볼 수 있습니다. 하지만 야외에서 하늘을 향해 레이저 포인터를 쏘아 올려본다면 그 광선은 보이지 않거나 너무도 희미해서 인상을 찌푸려야 할 것입니다. 이러한 현상처럼 빛이란 입자를 만나지 않으면 보이지 않는 상태로 남습니다. 희미하게 보이는 레이저의 줄은 공기 중의 작은 입자들에 부딪혀 생기는 것입니다. 지구상에서 볼 수 있는 하늘의 경우 대기에는 다양한 입자들이 존재함으로 인해 빛이 여기저기 반사되면서 다양한 색깔을 내보이는 것입니다.

 그렇지만 우주는 빛으로 가득 차 있음에도 불구하고 대부분의 공간이 아무것도 없는 채 비어 있기 때문에 전혀 반사될 것이 없는 상황입니다. 떠도는 입자가 지구에 비해서 현저히 적은 것입니다. 이러한 현상은 '살다간 요하네스 캐플러'의 가설로 우주는 무한한 빈 공간임이 입증될 수 있습니다. '요하네스 케플러'는 별들이 전 우주에 균일하게 퍼져 있을 것이라는 가설로 우주가 유한하다고 주장했습니다.

 하지만 우주가 유한하다는 것은 사실과 달랐습니다. 단지 '케플러'가 살았던 시대에는 은하나 초은하단 같은 개념이 정립되지 않은 시기였습니다. 그리고 이러한 생각을 뒤바꿔 놓은 것이 바로 17세기말 '아이작 뉴턴'이 발견한 만유인력의 법칙입니다. 이 발견으로 우주론에 대한 일대 혁명이 일어나게 되면서 질량이 있는 모든 물체는 서로를 끌어당기는 힘이 있다는 것이 정설이 바뀌게 됩니다. 그리고 이 법칙은 곧 우주는 유한한 것이 아닌 무한하다는 주장이 되었습니다. 우주가 유한하다면 서로를 끌어당기는 이 법칙에 의해 우주는 진작에 끝이 났어야 했다는 것입니다. 결국 우주는 무한하다는 결론이 남과 동시에 이러한 무한한 공간 속에서는 빛이 살아남을 수 없게 되고 결국 밤하늘은 검은색을 띤 채 어두울 수밖에 없다는 것입니다.

올베르스 역설

 1823년 독일 태생의 천문학자 '하인리히 올베르스'의 주장을 알아보겠습니다. 그는 우주를 여행하는 빛이 우주 공간을 지나면서 곳곳의 물질들에 조금씩 흡수된다는 가정을 세웠습니다. 이러한 이유로 지구에 닿는 빛이 약해질 수밖에 없다는 이론을 내세웠습니다. 하지만 빛 에너지를 흡수한 물질은 결국 에너지가 높아진 상황에서 자신의 온도를 높여 빛을 발하게 됩니다. 빛을 흡수하고 다시 빛을 내뿜는다. 결국 빛은 다시 우주 공간으로 내뿜어지게 되는 것입니다. 이 가설은 원점으로 돌아오게 되었습니다. 이 같은 문제를 지적한 당시의 수많은 과학자는 결국 밤하늘이 까만 이유를 떠올리는 과정에서 항상 '올베르스'를 거론하게 되었습니다. 우주가 검은색을 띠는 부분에 대한 논의가 시작되면 대부분의 과학자는 '올베르스'를 언급하였으며 이 같은 모순을 '올베르스의 역설'이라고 부르게 되었습니다.

 결국 이 문제는 20세기에 들어와 미국의 천문학자 '에드윈 허블'이 적색 편의를 발견하면서 해결이 되었습니다. 앞서 설명한 멀리 있는 천체일수록 지구보다 훨씬 더 빠른 속도로 멀어지고 있다는 사실을 발견한 것이었습니다. 이러한 팽창 상황에서는 빛보다 빠르게 움직일 수 있는 물질은 없기에 결국 우리가 인지할 수 있는 우주의 범위도 제한될 수밖에 없다는 것입니다. 이렇게 눈으로 볼 수 있는 범위가 한정되면 당연하게도 무한한 별빛 또한 우리에게 결코 닿을 일이 없습니다.

 만일 이러한 검은 우주가 결국 자신의 팽창을 멈춘다면 어떻게 될까? 빅 바운스라는 가설에서는 우주가 팽창을 멈추고 다시 한 점으로 모여서 또 다른 빅뱅이 일어난다고 합니다. 우주가 한 점으로 뭉칠 때 수많은 별이 하나둘 모이기 시작할 것입니다. 그리고 그 별빛들로 꽉 들어찬 하늘을 바라보며 대낮처럼 환한 밤을 감상해야 할지도 모릅니다. 태양의 빛만큼이나 밝은 다른 항성들의 빛이 우주를 채울 것입니다.