에드윈 허블, 또 다른 우주들: 우리 은하가 유일하지 않다는 위대한 증명
에드윈 허블(1889-1953)의 이름은 20세기 천문학의 가장 극적인 두 가지 발견, 즉 우주가 팽창하고 있다는 사실과 우리 은하(Milky Way)가 우주의 전부가 아니라는 사실과 동의어입니다. 그의 발견은 인류가 스스로를 바라보는 관점을 뿌리부터 뒤흔들었습니다. 지구가 우주의 중심이 아니라는 코페르니쿠스 혁명 이후, 인류는 적어도 우리가 속한 우리 은하가 곧 우주 전체일 것이라는 마지막 자존심을 붙들고 있었습니다. 하지만 1920년대, 한 명의 야심 찬 천문학자가 당시 세계 최대의 망원경을 이용해 밤하늘의 희미한 성운 조각의 정체를 밝혀냄으로써, 인류가 보는 우주의 경계를 단숨에 무한대로 확장시켰습니다. 이것은 '대논쟁'이라 불렸던 20세기 초 천문학계 최대의 논쟁을 종식시키고, 우리를 수천억 개의 은하 중 하나에 불과한 존재로 만들었던 위대한 발견에 대한 이야기입니다.
대논쟁(The Great Debate): 나선 성운의 정체를 둘러싼 격돌
20세기 초, 천문학자들은 망원경으로 밤하늘을 관측하며 뿌옇게 보이는 다양한 형태의 '성운(Nebula)'들을 발견했습니다. 그중에서도 나선팔 구조를 가진 '나선 성운(spiral nebulae)'들은 특히 미스터리한 존재였습니다. 이들의 정체를 두고 천문학계는 두 개의 진영으로 나뉘어 치열한 논쟁을 벌였습니다.
- 할로 섀플리(Harlow Shapley) 진영: 우리 은하가 우주 전체다.
하버드 대학 천문대의 할로 섀플리는 당시 천문학계의 거두였습니다. 그는 구상성단의 분포를 연구하여 우리 은하의 크기가 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 거대한 약 30만 광년에 달한다고 주장했습니다. 그리고 이 나선 성운들은 우리 은하 내부에 있는, 이제 막 별과 행성계를 형성하기 시작하는 작은 가스 구름일 뿐이라고 믿었습니다. 만약 나선 성운들이 우리 은하 밖에 있는 독립된 은하라면, 그 거리가 너무나 멀어 당시의 상식으로는 이해할 수 없는 크기와 밝기를 가져야 했기 때문입니다. 그의 관점에서, 우주는 우리 은하 하나로 이루어진 거대한 '섬 우주(Island Universe)'였습니다. - 히버 커티스(Heber Curtis) 진영: 나선 성운은 또 다른 '섬 우주'다.
릭 천문대의 히버 커티스는 섀플리의 주장에 반대했습니다. 그는 나선 성운에서 더 많은 초신성(별의 폭발)이 관측된다는 점, 그리고 그들의 스펙트럼이 별들의 집합체와 유사하다는 점 등을 근거로, 이들이 우리 은하와 같은 거대한 별들의 집합체, 즉 또 다른 은하라고 주장했습니다. 그는 18세기 철학자 임마누엘 칸트가 제안했던 '섬 우주' 가설을 지지했습니다.
1920년 4월 26일, 미국 국립 과학 아카데미에서 섀플리와 커티스는 이 주제를 놓고 공개 토론을 벌였습니다. 이 사건은 훗날 '대논쟁(The Great Debate)'이라 불리게 됩니다. 토론은 승패를 가리지 못한 채 끝났습니다. 논쟁을 종식시키기 위해서는 단 하나의 결정적인 증거, 즉 나선 성운까지의 '거리'를 정확하게 측정하는 것만이 유일한 방법이었습니다.
야심 찬 관측가 허블, 그리고 윌슨 산의 거대 망원경
이 논쟁의 무대에 주인공 에드윈 허블이 등장합니다. 1차 세계대전에 참전했다가 돌아온 허블은 1919년, 캘리포니아의 윌슨 산 천문대에 합류했습니다. 그곳에는 당시 세계에서 가장 강력한 100인치(2.5미터) 후커 망원경이 있었습니다. 허블의 목표는 명확했습니다. 나선 성운의 정체를 밝히는 것.
그는 수년에 걸쳐 밤마다 끈질기게 가장 가까운 나선 성운 중 하나인 안드로메다성운(Andromeda Nebula)을 관측하며 수많은 사진 건판을 촬영했습니다. 그는 성운 속에서 '신성(nova)', 즉 갑자기 밝아지는 별들을 찾고 있었습니다. 그러던 1923년 10월 6일 밤, 그는 이전에 촬영했던 사진 건판에서 발견했던 신성 중 하나가 사실은 신성이 아니라, 주기적으로 밝기가 변하는 세페이드 변광성(Cepheid variable)임을 깨닫게 됩니다.
이것은 결정적인 순간이었습니다. 허블은 헨리에타 리빗이 발견한 세페이드 변광성의 '주기-광도 관계'를 알고 있었습니다. 별의 밝기 변화 주기를 측정하면 그 별의 진짜 밝기를 알 수 있고, 이를 겉보기 밝기와 비교하면 거리를 계산할 수 있다는, 우주를 재는 마법의 자를 사용하는 법을 알고 있었던 것입니다.
허블은 자신이 발견한 세페이드 변광성의 사진 건판 위에 흥분을 감추지 못하고 'VAR!' (Variable, 변광성이라는 뜻)이라고 적고 느낌표를 찍었습니다. 그는 이 발견이 대논쟁을 끝낼 열쇠임을 직감했습니다.
우주의 문을 연 계산: 안드로메다은하의 거리 측정
허블은 자신이 발견한 세페이드 변광성의 주기를 정밀하게 측정했습니다. 그리고 헨리에타 리빗의 주기-광도 관계를 적용하여 안드로메다성운까지의 거리를 계산했습니다.
그가 얻은 결과는 약 90만 광년.
이 숫자는 천문학의 역사를 바꾸었습니다. 당시 섀플리가 주장했던 우리 은하의 크기는 약 30만 광년이었습니다. 90만 광년이라는 거리는 안드로메다성운이 우리 은하 내부에 있는 작은 가스 구름일 가능성을 완전히 배제하는, 압도적인 거리였습니다. 안드로메다는 우리 은하 밖에 존재하는, 우리 은하와 필적하는 거대한 또 다른 은하였던 것입니다. 히버 커티스의 '섬 우주' 가설이 옳았음이 증명되는 순간이었습니다.
1924년 말, 허블은 자신의 연구 결과를 미국 천문학회 회의에서 발표했습니다. 이 소식을 전해 들은 할로 섀플리는 "이것이 내 우주를 파괴했다"고 말한 것으로 전해집니다. 그의 말처럼, 인류가 알던 우주는 그날 밤 파괴되고, 상상할 수 없이 더 크고 장엄한 새로운 우주가 탄생했습니다.
허블의 분류법과 우주 팽창의 발견
안드로메다의 정체를 밝힌 이후에도 허블의 연구는 멈추지 않았습니다.
- 허블 순차(Hubble Sequence): 그는 수많은 외부 은하들을 관측하고, 그 모양에 따라 타원 은하, 나선 은하, 불규칙 은하 등으로 분류하는 체계, 즉 '허블 순차(허블의 소리굽쇠 다이어그램)'를 만들었습니다. 이 분류법은 오늘날까지도 은하 연구의 기본적인 틀로 사용되고 있습니다.
- 우주 팽창의 발견: 더 나아가, 허블은 이 외부 은하들의 스펙트럼을 분석하여 대부분의 은하들이 우리에게서 멀어지고 있으며(적색편이), 더 멀리 있는 은하일수록 더 빠른 속도로 멀어지고 있다는 놀라운 사실을 발견했습니다. 1929년, 그는 이 관계를 '허블의 법칙'으로 발표하며, 우주가 정적인 상태가 아니라 팽창하고 있다는 사실을 최초로 증명했습니다. 이는 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 뒷받침하는 강력한 증거이자, 빅뱅 우주론의 서막을 여는 위대한 발견이었습니다.
결론: 변방으로 밀려난 인류, 무한한 가능성을 얻다
에드윈 허블이 안드로메다성운에서 발견한 단 하나의 세페이드 변광성은, 코페르니쿠스가 지구를 태양 주위로 옮긴 것에 버금가는, 인류의 두 번째 '우주적 강등'이었습니다. 우리는 더 이상 우주의 중심도, 유일한 은하의 주인도 아니게 되었습니다. 우리는 이제 수천억 개의 은하 중 하나인 우리 은하의, 그 변두리에 위치한 태양계의, 세 번째 행성에 사는 존재가 되었습니다.
하지만 이 강등은 결코 인류의 위상을 떨어뜨리지 않았습니다. 오히려 그것은 우리에게 무한한 상상력과 가능성의 문을 열어주었습니다. 저 밤하늘의 희미한 빛 조각들이 각각 수천억 개의 별을 품고 있는 거대한 세계라는 사실은, 외계 생명체와 또 다른 문명의 존재 가능성을 현실적인 과학 탐구의 영역으로 끌어들였습니다.
허블의 발견은 한 명의 끈기 있는 관측가가 위대한 질문을 품고, 강력한 도구(100인치 망원경)와 선구적인 아이디어(리빗의 법칙)를 결합했을 때 어떤 일이 벌어질 수 있는지를 보여주는 가장 극적인 사례입니다. 그는 우리에게 진정한 우주의 크기를 보여주었고, 그 안에서 우리의 위치를 겸허하게 되돌아보게 만들었습니다. 인류가 보는 우주는 그날 이후, 영원히, 그리고 무한히 확장되었습니다.