KISTI의 과학향기

왜 밤하늘은 어두울까요? 그거야, 해가 뜨지 않았으니까! 라고 생각할 수도 있지만, 낮 동안에 하늘이 푸른색으로 보이는 이유는 햇빛이 대기에 산란되기 때문입니다. 만약 지구에 달처럼 대기가 없었다면, 우리가 보는 하늘은 어두울 것입니다. 심지어 해가 떠있는 데도요! 그러니까 질문을 약간 수정합시다. 우주는 왜 어두울까요?

제 말은, 우주는 별들로 가득하죠. 태양만큼 밝은 별들이 수없이 많은데, 우주가 영원하고 무한하다면, 당신이 어느 방향을 선택하든지 그 방향으로 멀리 본다면, 당신은 별이나 은하를 보게 될 것입니다. 그러니까 하늘은 온통 태양만큼 밝겠죠, 밤이나 낮이나.

그런데 그게 아니면, 밤하늘의 어두움은 멀리 떨어져 있는 별이나 은하들이 없다는 뜻일까요? 무언가와 아무것도 없는것 사이에 경계선이라도? 아니면 우주에 테두리가? 아닐 겁니다. 우리의 실험적 증거들은 공간은 끝이 없음을 보여줍니다. 하지만 우주 자체는, 공간적이 아닌, 다른 끝을 가지고 있죠. 우리 모두 알다시피, 우주는 시작이 있습니다. 적어도 137억년 전, 우주가 굉장히 작았고 모든게 구겨져 있을 때엔, 우리의 근본적인 시공간에 대한 관념이 깨집니다.

그리고 우주의 시작 이후로 유한한 양의 시간이 흘렀을 때는 "모든 방향으로 밝게" 빛나게 만들기 위한 별들이 너무나 멀어서 별들의 빛이 우리에게 올 시간이 부족했던 것입니다… 마치 우주가 엄청나게 큰 번개이고, 우리는 아직도 굉장히 먼 거리에 있는 별들로부터 천둥을 듣고싶어하는 것이죠.

하지만, 더 좋은 방법! - 빛이 우주를 가로질러 오는 데 시간이 걸리니까, 굉장히 먼 곳을 향해 망원경을 설치하면, 우리는 사실 빛이 방출됐던 때의 우주를 보는 것과 같으니까, 135억 년된 빛을 본다면, 밤하늘이 어두운 건 별들의 빛이 우리에게 아직 안 왔기 때문이 아닙니다.
우리가 별들을 볼 수 없는 이유는 우리가 어떤 별도 형성되기 전의 우주를 보고 있기 때문입니다! 별이 없는 우주! 이제 이것이 저에게 밤하늘이 어두운 꽤 좋은 이유로 들립니다.

그런데… 이게 아닙니다. 제 말은, 우리는 아무 별도 없는 곳을 초창기의 별들과 그 전 과거를 알아보기 위해 찾을 수 있습니다. 그런데 우리가 초기 별들보다 과거로 망원경을 향해도, 우리는 여전히 빛을 보게 됩니다.

별빛은 아니고, 바로 빅뱅이 남긴 빛입니다. 그리고 우리는 이 “우주 배경 복사”를 보게됩니다. 모든 방향으로부터, 별들 너머로 우주 배경 복사가 옵니다. 그래서 제 생각엔 밤하늘은 사실 어둡지 않습니다. 그래요... 우리의 망원경이 밤하늘이 어둡지 않다는 것을 말해준다면, 왜 '어두운' 것처럼 보이는걸까요?

여기 정답에 대한 실마리입니다 : 허블 망원경이 굉장히 먼 별들의 아름다운 사진을 찍을때, 망원경은 적외선 카메라를 사용합니다. 왜냐구요? 우주는 팽창하기 때문에, 먼 거리의 별과 은하들은 우리로부터 멀어져갑니다. 그래서 마치 레코드에 녹음된 제 목소리가 느려지는 것처럼, 도플러 효과는 멀어지는 별들이 더 붉게, 그리고 더 멀수록, 우리로부터 더 빠르게 멀어질수록 더 붉게 변하게 만듭니다.
그 빛들이 자외선이 될때까지... 그럼 더이상 우린 볼 수 없겠죠. 적어도 인간의 눈으론. 이것이 바로 밤하늘이 어둡게 보이는 이유입니다!

요약 : 만약 우리가 무한하고, 변하지 않는 우주에 있다면, 하늘 전체가 태양처럼 빛날 것입니다. 하지만 밤에 어두운 이유는, 두 가지, 우주의 시작이 있기에 모든 방향으로 별들이 없고, 더 중요한것은 굉장히 먼 거리의 별(그리고 먼 거리의 우주배경복사)들의 빛들은 우주의 팽창으로 가시광선으로부터 적색편이를 일으켜, 우리는 그냥 볼 수 없습니다.