헨리에타 리빗, 세페이드 변광성: 우주의 크기를 잰 위대한 자(尺)
헨리에타 스완 리빗(1868-1921)의 이름은 코페르니쿠스나 뉴턴, 아인슈타인처럼 널리 알려져 있지 않을지도 모릅니다. 하지만 그녀의 조용하고 끈기 있는 연구가 없었다면, 20세기 천문학의 가장 위대한 발견들, 즉 우리 은하의 실제 크기를 측정하고 우주에 수많은 외부 은하가 존재한다는 사실을 밝혀내는 것은 불가능했거나 훨씬 더 늦어졌을 것입니다. 20세기 초, 남성 중심의 과학계에서 '컴퓨터(계산원)'라 불리며 사진 건판 속 별들의 밝기를 묵묵히 기록하던 이 여성 천문학자는, 마젤란 은하의 작은 별들이 뿜어내는 규칙적인 깜빡임 속에서 우주의 거리를 잴 수 있는 위대한 '자(尺)', 즉 세페이드 변광성의 비밀을 발견해냈습니다. 이것은 인류의 우주관을 우리 은하라는 울타리 너머로 무한히 확장시킨, 가장 근본적이고 위대한 발견에 대한 감동적인 이야기입니다.
별의 밝기를 재던 '컴퓨터', 그 시대의 여성 천문학자들
헨리에타 리빗의 이야기를 하려면, 먼저 19세기 말과 20세기 초 하버드 대학 천문대의 풍경을 이해해야 합니다. 당시 천문대장 에드워드 피커링은 방대한 양의 사진 건판에 찍힌 별들의 위치, 밝기, 스펙트럼을 분류하고 목록화하는 야심 찬 프로젝트를 진행하고 있었습니다. 이 지루하고 반복적인 분석 작업은 남성 천문학자들이 '격무'로 여겨 기피했고, 피커링은 상대적으로 적은 임금으로 고용할 수 있었던 고학력 여성들에게 이 일을 맡겼습니다.
이들은 '피커링의 하렘'이라는 경멸적인 별명으로 불리기도 했지만, 공식적인 직함은 '컴퓨터(Computer)', 즉 계산원이었습니다. 헨리에타 리빗 역시 그중 한 명이었습니다. 그녀는 청력을 거의 잃은 상태였지만, 놀라운 집중력과 꼼꼼함으로 사진 건판 위의 수많은 별들 사이의 미세한 밝기 변화를 측정하고 기록하는 일에 몰두했습니다. 그녀의 연구 대상은 변광성, 즉 주기적으로 밝기가 변하는 별들이었습니다. 그녀의 임무는 새로운 변광성을 찾아내고, 그들의 밝기 변화 주기와 등급을 목록으로 만드는 것이었습니다. 이는 겉보기에는 단순한 데이터 정리 작업처럼 보였지만, 리빗은 이 데이터 속에 숨겨진 우주의 거대한 비밀을 찾아낼 운명이었습니다.
마젤란 은하의 깜빡임 속에서 발견한 우주의 규칙
리빗의 가장 중요한 연구는 남반구 하늘에서만 보이는 '마젤란 은하(Magellanic Clouds)'에 있는 변광성들에 대한 것이었습니다. 당시에는 마젤란 은하가 우리 은하에 속한 성운인지, 아니면 멀리 떨어진 외부 은하인지조차 불분명했습니다. 하지만 리빗은 이 마젤란 은하를 연구 대상으로 삼음으로써 결정적인 이점을 얻었습니다.
- 결정적 통찰: 소마젤란 은하 안에 있는 별들은 지구로부터의 거리가 너무나 멀기 때문에, 그 별들 사이의 상대적인 거리는 무시할 수 있을 정도로 작습니다. 즉, 소마젤란 은하의 모든 별들은 지구에서 거의 같은 거리에 있다고 가정할 수 있었습니다.
- 겉보기 밝기와 진짜 밝기: 이는 매우 중요한 가정이었습니다. 우리가 밤하늘에서 보는 별의 밝기(겉보기 등급)는 별의 '진짜 밝기(광도)'와 '거리'라는 두 가지 요소에 의해 결정됩니다. 하지만 모든 별이 같은 거리에 있다면, 겉보기 밝기의 차이는 곧 그 별의 진짜 밝기의 차이를 의미하게 됩니다.
이러한 통찰을 바탕으로, 리빗은 1908년과 1912년에 걸쳐 소마젤란 은하에 있는 '세페이드 변광성'이라는 특정 종류의 변광성들에 대한 연구 결과를 발표했습니다. 그 결과는 놀라웠습니다. 그녀는 별의 밝기가 변하는 주기가 길수록, 그 별의 평균적인 진짜 밝기(광도)가 더 밝다는 명확하고 일관된 규칙을 발견했습니다. 이것이 바로 현대 천문학의 주춧돌이 된 '주기-광도 관계(Period-Luminosity Relationship)'입니다.
'표준 촛불'의 탄생: 우주의 거리를 재는 위대한 자(尺)
리빗이 발견한 주기-광도 관계는 우주의 거리를 측정하는 방법에 혁명을 일으켰습니다. 이는 천문학자들이 그토록 찾아 헤매던 '표준 촛불(Standard Candle)'을 제공했기 때문입니다.
- 표준 촛불이란? 고유한 진짜 밝기를 우리가 알고 있는 천체를 말합니다. 만약 우리가 어떤 촛불의 진짜 밝기를 안다면, 그 촛불이 얼마나 어둡게 보이는지를 측정함으로써 거꾸로 거리를 계산할 수 있습니다. (밝기는 거리의 제곱에 반비례하여 어두워집니다.)
헨리에타 리빗의 발견은 세페이드 변광성을 완벽한 표준 촛불로 만들어 주었습니다.
- 주기를 측정한다: 멀리 있는 은하에서 세페이드 변광성을 찾고, 그 밝기가 변하는 주기를 며칠 또는 몇 주에 걸쳐 관측한다.
- 진짜 밝기를 알아낸다: 리빗의 주기-광도 관계를 이용해, 측정된 주기로부터 그 별의 진짜 밝기(절대 등급)를 알아낸다.
- 거리를 계산한다: 진짜 밝기와 우리가 지구에서 관측하는 겉보기 밝기를 비교하여, 그 별(그리고 그 별이 속한 은하)까지의 거리를 계산한다.
이제 천문학자들은 우주적 심연을 들여다볼 수 있는 강력하고 신뢰도 높은 '우주의 자'를 손에 쥐게 된 것입니다. 하지만 안타깝게도, 리빗 자신은 이 '자'의 눈금을 매기지 못했습니다. 주기-광도 관계를 절대적인 거리 척도로 사용하려면, 거리를 이미 알고 있는 가까운 세페이드 변광성이 최소 하나는 있어야 그 관계를 '보정'할 수 있었는데, 당시에는 그럴 기술이 없었기 때문입니다. 그녀는 위대한 자를 발명했지만, 그 자에 센티미터 눈금을 새기는 일은 다음 세대의 천문학자들에게 넘겨졌습니다.
리빗의 열쇠로 우주의 문을 연 허블
헨리에타 리빗이 만든 열쇠는 곧 다른 위대한 천문학자들의 손에 들려 우주의 거대한 문들을 열기 시작했습니다.
- 할로 섀플리의 우리 은하 지도: 천문학자 할로 섀플리는 리빗의 법칙을 이용하여 우리 은하 내에 흩어져 있는 구상성단들의 거리를 측정했습니다. 그 결과, 우리 은하는 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 거대하며, 태양계는 은하의 중심이 아닌 변두리에 위치하고 있다는 충격적인 사실을 밝혀냈습니다.
- 에드윈 허블의 우주 확장: 리빗의 발견이 낳은 가장 극적인 결과는 에드윈 허블의 연구에서 나왔습니다. 1920년대 초, 천문학계는 '안드로메다성운'과 같은 나선 성운의 정체를 두고 '대논쟁(The Great Debate)'을 벌이고 있었습니다. 이 성운들이 우리 은하 안에 있는 작은 가스 구름인지, 아니면 우리 은하와는 별개인 거대한 '섬 우주(island universe)'인지에 대한 논쟁이었습니다.
1923년, 허블은 당시 세계 최대였던 윌슨 산 천문대의 100인치 망원경을 이용해 안드로메다성운 속에서 희미한 세페이드 변광성을 발견하는 데 성공했습니다. 그는 즉시 리빗의 주기-광도 관계를 적용하여 안드로메다까지의 거리를 계산했습니다. 그 결과는 약 90만 광년(현재는 약 250만 광년으로 측정됨). 이는 당시 알려진 우리 은하의 크기를 아득히 뛰어넘는 거리였습니다. 안드로메다성운은 우리 은하 밖에 존재하는, 우리 은하와 같은 또 다른 거대한 은하였던 것입니다.
이 발견은 인류의 우주관을 영원히 바꾸었습니다. 우주는 우리 은하 하나로 이루어진 공간이 아니라, 수천억 개의 은하들이 흩어져 있는 상상할 수 없이 광대한 공간임이 증명되었습니다. 헨리에타 리빗의 조용한 연구실에서 시작된 작은 발견이, 인류가 보는 우주의 크기를 단숨에 수억 배 이상 확장시킨 것입니다.
현대 우주론의 조용한 초석을 놓은 위대한 업적
헨리에타 리빗은 1921년, 53세의 나이로 암으로 세상을 떠났습니다. 그녀는 자신의 발견이 얼마나 거대한 영향을 미쳤는지 온전히 보지 못했습니다. 1925년, 스웨덴의 한 수학자는 그녀의 업적을 높이 사 노벨상 후보로 추천하려 했지만, 그녀가 이미 세상을 떠났다는 사실을 뒤늦게 알게 되었습니다. (노벨상은 사후 수여되지 않습니다.)
그녀는 평생 낮은 임금과 불안정한 지위, 그리고 여성이라는 한계 속에서 연구했지만, 그녀가 남긴 유산은 현대 우주론의 가장 단단한 초석이 되었습니다. 허블의 우주 팽창 발견, 우주의 나이 측정, 그리고 허블 상수 불일치 문제에 대한 오늘날의 논쟁에 이르기까지, 우주의 거리를 측정하는 모든 연구는 헨리에타 리빗이 발견한 '우주의 자'에 빚을 지고 있습니다. 그녀의 이야기는 가장 조용하고 겸손한 연구가 어떻게 우주 전체를 뒤흔드는 가장 위대한 서사시가 될 수 있는지를 보여주는 감동적인 증거입니다.