우주아저씨

 

밤하늘을 올려다볼 때, 우리 눈에 보이는 건 빙산의 일각이라는 말을 들어보셨을 겁니다.

그런데 만약 60여 개의 별만 간신히 보이는 작은 천체가, 사실은 보이지 않는 거대한 무언가에 꽉 붙들려 있다면 어떨까요? 마치 유령처럼 말이죠.

오늘 이야기할 '큰곰자리 III'가 바로 그런 존재입니다. 처음 발견되었을 때, 천문학자들은 당연히 이 유령의 배후로 '암흑물질'을 지목했습니다.

하지만 최근, 이 모든 예상을 뒤엎는 충격적인 용의자가 등장했습니다. 바로 별들의 시체, 즉 블랙홀과 중성자별로 이루어진 `암흑 성단 큰곰자리 III`라는 가설이죠.

지금부터 이 흥미진진한 우주 미스터리의 진실을 추적해보겠습니다. 😊

 

첫 만남: 유령의 기이한 몸짓

큰곰자리 III를 처음 발견했을 때 천문학자들이 느꼈을 감정은 아마 '당혹감'이었을 겁니다. 

저 역시 그랬으니까요. 고작 60개 남짓한 별들이 모여있는데, 그 움직임이 심상치 않았습니다.

별들의 속도를 분석해보니, 이들을 붙잡고 있는 중력이 눈에 보이는 별들의 질량만으로는 도저히 설명되지 않았습니다. 

이걸 전문용어로 '질량 대 광도 비율(M/L ratio)'이 비정상적으로 높다고 말합니다.

뭐랄까, 깃털처럼 가벼워 보이는데 실제로는 바위처럼 무거운 셈이죠.

이런 앞뒤가 맞지 않는 상황에서 과학자들이 가장 먼저 떠올린 용의자는 역시 '암흑물질'이었습니다. 

눈에 보이지는 않지만 강력한 중력으로 우주를 지배하는 존재 말입니다.

그래서 큰곰자리 III는 거대한 암흑물질 덩어리가 희미한 별들을 품고 있는 `왜소은하`일 것이라는 해석이 지배적이었습니다. 

하지만 제 마음 한구석에는 미묘한 어색함이 가시질 않았습니다. 마치 범인으로 확신하기엔 석연치 않은 구석이 남은 느낌이었죠.

 

새로운 용의자: `암흑 성단`의 등장

오랫동안 교과서적인 설명은 암흑물질이었습니다.

그런데 최근 독일 본 대학교 연구진이 전혀 다른 아이디어를 들고 나왔습니다. 

"만약 암흑물질이 아니라, 별들의 시체가 범인이라면?" 

이 한 문장이 수십 년간 천문학을 공부해온 제 머리를 한 대 때리는 듯한 충격을 주었습니다.

이 가설의 핵심은 이렇습니다. 

큰곰자리 III는 본래 수많은 별들로 이루어진 평범한 성단이었지만, 수십억 년 동안 우리 `은하수 위성`으로 맴돌면서 강력한 `조석력`에 의해 바깥쪽의 가벼운 별들을 모두 빼앗겨 버린 겁니다.

솔직히 말해서, 이 가설은 정말 신선하고 충격적이었습니다. 

우리가 늘 찾던 미지의 암흑물질이 아니라, 이미 알고 있는 천체(블랙홀)가 유령의 정체일 수 있다니, 등잔 밑이 어두웠던 셈이죠.

 

결정적 증거: 유령의 과거를 재현하다

물론 가설은 가설일 뿐, 증거가 필요합니다.

여기서 컴퓨터 시뮬레이션이 타임머신 역할을 해냈습니다. 

연구진은 `N체 시뮬레이션`이라는 기술을 이용해 큰곰자리 III의 수십억 년 역사를 스크린에 고스란히 재현했습니다. 

마치 수십억 년짜리 우주 다큐멘터리를 단 몇 시간 만에 압축해서 보는 것과 같죠.

결과는 놀라웠습니다. 시뮬레이션 속에서 성단은 은하수 옆을 지나가며 별들을 뜯겨나갔고, 중심부에는 정확히 블랙홀과 중성자별 핵이 형성되었습니다.

더욱 소름 돋는 사실은, 이 시뮬레이션이 예측한 현재 모습이 실제 관측되는 큰곰자리 III의 특징과 정확히 일치했다는 점입니다.

시뮬레이션에 따르면 큰곰자리 III는 약 40억 년 전부터 '암흑 성단' 단계로 접어들었으며, 앞으로 10억 년이 지나면 남은 별마저 모두 사라져 완벽한 유령이 될 운명이라고 합니다. 

과학자들이 이 결과를 확인했을 때 느꼈을 유레카의 순간이 그려지는 듯합니다.

 

끝나지 않은 논쟁: 암흑물질파의 반격

하지만 과학의 세계는 그리 간단하지 않습니다. 제가 암흑 성단 가설에 감탄하고 있을 때, '암흑물질 왜소은하' 가설을 지지하는 과학자들의 반격도 만만치 않았습니다.

그들의 핵심 근거는 '별들의 속도 분포'입니다. 큰곰자리 III에 남은 별들의 속도를 분석해보니, 특정 패턴(선형 시선 속도 분산)이 나타납니다. 

이건 마치 거대한 `암흑물질` 헤일로가 전체를 부드럽게 감싸고 있을 때 나타나는 전형적인 특징이라는 겁니다.

 

그래서, 이 발견이 왜 중요한가?

고작 별 60개짜리 천체 하나를 두고 왜 이렇게까지 싸우는지 궁금하실 수 있습니다.

하지만 이 작은 유령의 정체는 우주 전체의 지도를 바꿀 수 있는 나비효과를 일으킬 수 있습니다. 

만약 큰곰자리 III가 정말 암흑 성단이라면, 그동안 우리가 암흑물질 왜소은하라고 믿었던 다른 수많은 천체들도 다시 조사해야 하기 때문입니다.

그렇게 되면 우주 전체에 존재한다고 생각했던 `암흑물질`의 총량을 다시 계산해야 할지도 모릅니다.

어쩌면 우리는 별이 태어나고 죽는 '성단의 일생' 이후, '성단의 죽음'이라는 새로운 진화 단계를 처음으로 발견한 것일 수도 있습니다. 

이 작은 발견이 우주를 이해하는 우리의 관점을 근본적으로 바꿔놓을 수 있는 것이죠.

 

최종 판결을 기다리며: 우리가 나아갈 길

이 흥미진진한 논쟁을 끝내기 위한 마지막 퍼즐 조각은 무엇일까요? 바로 더 정밀한 관측입니다.

천문학자들은 '다중 epoch 고분해능 분광 관측'이 필요하다고 말합니다. 말이 좀 어렵죠? 

쉽게 말해 '별들의 움직임을 아주 오랫동안, 아주 정밀하게 반복해서 추적하는 것'입니다.

이 관측을 통해 별들의 정확한 3D 궤도를 알아낼 수만 있다면, 이들을 붙잡고 있는 중력의 실체가 '중심부에 뭉친 무거운 핵(암흑 성단)'인지, 아니면 '전체를 감싸는 거대한 헤일로(암흑물질)'인지 명확히 구분할 수 있습니다.

현재 기술로 가능한 일이며, 머지않아 이 우주적 재판의 최종 판결이 내려질 것으로 기대합니다.

유령의 속삭임에 귀 기울이며

결론적으로, 큰곰자리 III는 우리에게 '암흑물질 왜소은하 vs `암흑 성단 큰곰자리 III`'라는 정말 흥미로운 질문을 던졌습니다.

오늘 제가 전달하고 싶었던 것은 하나의 정답이 아닙니다. 

우리가 아는 것이 전부가 아니며, 우주는 여전히 우리가 상상하지 못했던 놀라운 비밀들을 품고 있다는 사실 그 자체입니다.

이 글을 다 읽으신 후 밤하늘을 보게 된다면, 저 희미한 별무리 너머에 숨어있는 '우주 유령'의 진짜 모습은 무엇일지 한번 상상해보시는 건 어떨까요?

더 궁금한 점이 있다면 언제든 댓글로 물어봐 주세요~ 😊

자주 묻는 질문

 

여러분, 혹시 젊은 시절 스티븐 호킹 박사가 연구했던 '블랙홀 우주론'에 대해 들어보셨나요? 사실 이 개념은 아주 오래전부터 물리학자들 사이에서 논의되어 왔던 흥미로운 가설 중 하나예요. 그런데 최근 제임스 웹 우주 망원경의 관측 데이터를 바탕으로 한 연구 결과가 이 가설에 힘을 실어주고 있다고 해서, 제가 직접 논문의 저자 샤미르 박사님과 전문가들과 인터뷰를 진행해봤습니다. 솔직히 말하면, 저도 처음엔 좀 당황스러웠어요. 😊

이게 무슨 이야기인지 지금부터 차근차근 풀어드릴게요. 어쩌면 우리가 살고 있는 이 우주가 상상도 못한 모습일지도 모른다는 이야기에요. 자, 그럼 함께 우주의 심연으로 떠나볼까요?

은하의 회전: 우주 방향성의 단서? 🤔

우리 은하, 그리고 바로 옆 안드로메다 은하처럼 우주의 대부분 은하들은 뚜렷한 원반과 나선팔 구조를 가지고 있어요. 이런 은하를 나선 은하라고 부르죠. 나선 은하는 모두 한쪽 방향으로 회전하는데요, 휘감긴 나선팔의 모양을 보면 은하의 회전 방향을 쉽게 알 수 있어요.

천문학자들이 이런 나선 은하를 연구하는 이유는 단순히 예뻐서만은 아니에요. 나선 은하의 회전은 은하 전체를 감싸고 있는 암흑 물질 헤일로의 지배를 받습니다. 은하의 회전 방향은 오래전 은하가 만들어질 당시 주변 우주 환경과 암흑 물질의 방향성을 그대로 반영하죠. 방대한 데이터를 바탕으로 여러 은하의 회전을 체계적으로 연구하면, 우주 전역에 걸쳐 암흑 물질이 어떻게 분포하고 어떤 방향으로 흘러가는지, 마치 공기 흐름을 일기도에 그리는 것처럼 우주 속 암흑 물질의 흐름을 파악할 수 있답니다.

이번 논문의 저자 샤미르 박사는 제임스 웹 우주 망원경의 관측 데이터를 통해 대대적인 나선 은하 사냥을 진행했습니다. 특히 나선팔 구조가 뚜렷해서 회전 방향을 파악하기 쉬운 263개의 은하를 선별했죠. 분석에 사용된 은하 263개 중에서 무려 2/3가 시계 방향으로 회전하는 충격적인 결과가 나왔습니다. 반시계 방향으로 회전하는 경우는 겨우 1/3에 불과했죠. 이건 너무 극단적인 불균형 아닌가요?

과거의 '착시'와 현재의 '증거' 📊

사실, 이러한 은하 회전의 비대칭 문제는 일찍이 다른 연구에서도 제시된 바 있습니다. 과거 천문학자들은 '슬로안 디지털 스카이 서베이'를 통해 수백만 개의 은하 이미지를 바탕으로 은하의 모양을 분류하는 작업을 진행했는데요, 당시에는 인공지능의 분류 능력이 부족해서 전 세계 천문학 덕후들의 도움을 받았습니다.

그 결과, 1년 만에 수백만 개의 은하 분류가 끝났는데, 재밌게도 반시계 방향으로 도는 나선팔을 가진 은하가 살짝 더 많다는 통계가 나왔죠. 이게 정말 사실인지 검증하려고 천문학자들은 똑같은 은하 이미지를 거울에 반사시키듯 뒤집어서 사람들에게 재투표를 시켰습니다. 만약 실제로 우주가 비대칭이라면 뒤집었을 때 반대 결과가 나와야 하는데, 여전히 반시계 방향으로 도는 은하의 비율이 높게 나타났대요.

이건 사람들이 동일한 나선 은하의 이미지를 보고도 유독 반시계 방향으로 감겨 있다고 인식하는 비율이 조금 더 높다는 것을 의미하는, 일종의 '착시 현상'이었던 거죠. 결국, 과거의 연구는 우주가 비대칭한 것이 아니라 사람들의 인식 자체가 편향되어 있다는 재밌는 결과를 보여주었습니다.

그렇게 분석한 결과가 흥미롭게도 은하 전체의 2/3가 시계 방향으로 돌고 있다는 당황스러운 결과였던 겁니다. 우주가 이런 불균형을 보여야 할 어떤 이유도 없기 때문에 솔직히 이해하기 어렵습니다.

그렇다면 이 결과를 대체 어떻게 받아들여야 할까요? 우선, 가장 유력한 가능성은 이번에 사용된 데이터 자체가 편향되었다는 겁니다. 은하 263개, 얼핏 보면 많아 보이지만 사실 요즘 진행하는 거대한 규모의 통계적 연구에 비하면 턱없이 적은 숫자예요. 물론 이번 연구에서는 제임스 웹으로 관측된 고해상도 이미지만 사용하려 했다는 특수성이 있긴 합니다. 하지만 우주 전체의 방향성을 대변한다고 보기엔 너무나 빈약하죠.

게다가 이번 연구에서는 제임스 웹으로 특정한 방향을 관측한 '제이드 관측 데이터'만 사용했어요. 우주 전역 다양한 방향에 걸쳐 분포하는 모든 은하를 대상으로 진행한 연구가 아닌 거죠. 이렇게 특정한 방향에 모여 있는 은하만으로 진행한 분석 결과라는 점은 매우 치명적일 수 있습니다.

블랙홀 우주론과 우주의 비균질성 🧮

사실, 우주가 균일하고 등방하다고 이야기할 때, 이 '우주론적 원리'는 아주 거시적인 스케일에 대한 이야기입니다. 우리에게 은하단은 거대하게 느껴지지만, 우주론적 원리가 이야기하는 우주의 규모에 비하면 훨씬 작은 스케일이죠. 은하단 하나 정도 안에선 그 안에 살고 있는 은하들이 충분히 특정한 방향성을 공유할 수 있습니다.

필라멘트를 간단하게 표현하면 기다란 원기둥 모양으로 은하들이 쭉 이어진 구조라고 볼 수 있습니다. 그런데 이 필라멘트가 긴 축을 중심으로 회전하고 있다면, 필라멘트에 속한 은하 절반은 우리를 향해 다가오고 나머지 절반은 멀어지는 것처럼 보일 거예요. 천문학자들은 각 필라멘트에 속한 은하들이 상대적으로 어떤 방향으로 얼마나 빠르게 움직이는지를 비교했는데요, 놀랍게도 각 필라멘트에 대해서 은하의 절반은 우리에게서 멀어지고 나머지 절반은 다가오는 움직임을 보였습니다.

회전하지 않는 필라멘트를 가정했을 땐 절대 설명할 수 없을 정도로 그 차이는 너무나 명확했죠. 게다가 필라멘트 끝에 더 육중한 은하단이 존재하는 경우에는 회전이 더 강하게 나타났는데요, 이것은 필라멘트 전체의 회전이 그 주변 중력장에 의해서 진행되고 있다는 것을 보여줍니다. 결국, 우주 거대 구조의 한 구성만 바라본다면 충분히 그 일대의 은하들이 마치 특정한 방향성을 갖고 일제히 한쪽으로 돌고 있는 것 같이 보일 수 있다는 가능성을 보여주는 거죠.

결국 우주 전체가 정말 통째로 일관된 회전 성분을 갖고 있는지를 이야기하기 위해선 고작 은하단 하나, 필라멘트 한두 개만 봐서는 판단할 수 없어요. 북반구, 남반구 전역, 우주 전체에 분포하는 수백만, 수천만 개의 은하들을 모두 모아놓고 분석을 해야만 공평한 이야기를 할 수 있는 거죠.

이번 연구에서 저자는 먼 은하에 대해서도 나선팔을 뚜렷하게 확인하기 위해서 굳이 제임스 웹의 이미지 데이터만 사용했습니다. 하지만 제임스 웹은 다른 망원경들과 달리 한 번에 볼 수 있는 시야가 너무나 좁아요. 결국 어쩔 수 없이 특정한 영역에 모여 있는 은하들에 대해서만 분석을 진행했고, 그것이 어쩌면 이 은하들이 어떤 방향성을 갖고 움직이는 것처럼 보이게 만드는 착시를 일으켰을 수도 있습니다.

그럼에도 저자는 여기에서 한 발짝 더 나아갑니다. 더 파격적인 주장을 하고 있죠. 우주가 정말 통째로 한쪽 방향으로 돌고 있는 것이 맞다면, 우리 우주가 아주 거대한 블랙홀 안에 갇힌 세상이라는 겁니다. 블랙홀 우주론은 일찍이 젊은 시절 스티븐 호킹 박사가 블랙홀의 특이점에 대해 연구하던 때부터 거론되기 시작했어요. 물리학적으로 봤을 때 블랙홀의 특이점이나 태초 빅뱅의 특이점이나 다를 게 없거든요.

둘 모두 막대한 질량이 한 점에 모여 있고, 따라서 밀도는 무한이고 부피는 0인 상태이기 때문이죠. 결국, 블랙홀의 특이점과 태초 우주의 빅뱅 특이점을 구분할 수 없다면, 우리 우주도 아주 거대한 블랙홀의 특이점 속에서 탄생한 세계일 수도 있지 않을까요?

실제로 우리 우주의 블랙홀도 계속 물질을 집어삼키며 덩치를 키우고 있고, 우리 우주 역시 계속 팽창하고 있습니다. 또, 블랙홀은 그 안에서 무슨 일이 벌어지는지 알 수 없는 '사건의 지평선'이란 한계가 존재하는데요, 이건 마치 우리가 빛을 통해 볼 수 있는 우주의 경계, 관측 가능한 우주의 지평선처럼 느껴집니다.

게다가 최근 일부 천문학자들은 우주의 팽창을 가속시키는 암흑 에너지가 우주 곳곳 은하 중심에 살고 있는 초거대 질량 블랙홀과 연관될 수 있다는 주장까지 하고 있죠. 이러면서 정말 우주 전체와 블랙홀 사이에 어떤 신비로운 연결 고리가 있는 게 아닐까 하는 의심이 들기도 합니다.

우주에서 발견된 모든 블랙홀은 한쪽 방향으로 빠르게 돌고 있습니다. 천천히 회전하던 거대한 별 가스 구름이 순식간에 작은 점으로 붕괴하고 수축하면서 만들어진 블랙홀은 그 과정에서 각운동량을 유지하기 위해 매우 빠른 스핀을 얻게 되죠. '슈바르츠실트 우주론'으로도 불리는 블랙홀 우주론이 말하는 것처럼 정말 우리 우주가 거대한 블랙홀 속에 갇힌 세계라면, 우리 우주를 품고 있는 블랙홀 역시 빠르게 스핀을 돌고 있을 겁니다.

그렇다면 우리는 우주가 통째로 한쪽 방향으로 돌고 있는 것 같은 모습을 볼 수도 있겠죠. 논문의 저자는 이러한 정황적 가능성들을 언급하면서 이번 자신의 발견이 블랙홀 우주론을 가리킨다고 주장합니다.

마무리: 핵심 내용 요약 📝

우주아저씨가 직접 파고들어 본 이번 연구, 어떠셨나요? 아직 결론을 내리기엔 이르지만, 정말 흥미로운 이야기였죠. 정리해 보자면 이렇습니다.

1. 나선 은하의 회전 편향 발견: 제임스 웹 우주 망원경 데이터를 분석한 결과, 나선 은하의 2/3가 시계 방향으로 회전하는 편향이 관측되었습니다. 이는 우주가 특정 방향성을 가질 수 있다는 충격적인 가능성을 제시하죠.
2. 과거 연구와의 차이: 과거 연구에서는 '인식 편향'으로 결론 났지만, 이번 연구는 자동 분류 방식을 사용하여 객관성을 높였습니다.
3. 블랙홀 우주론과의 연결: 연구 저자는 이 발견이 우리 우주가 거대한 블랙홀 안에 갇혀 있다는 '블랙홀 우주론'의 증거가 될 수 있다고 주장합니다.
4. 데이터 편향 가능성: 하지만 사용된 은하 수가 적고 특정 영역에 집중되어 있다는 한계가 있어요. 우주 거대 구조 필라멘트처럼 작은 스케일에서는 방향성이 나타날 수도 있거든요.
5. 우주의 비균질성 연구의 연장선: 결국 이번 연구는 우주의 비균질성, 즉 거시적인 스케일에서도 우주가 균일하지 않을 수 있다는 최근 논의의 연장선으로 보는 것이 타당합니다.

만약 정말로 우주가 한쪽 방향으로 회전하고 있고 각운동량을 갖고 있는 세상이라는 게 사실이었다면, 과거 베라 루빈의 '흑역사'라고 평가했던 당시의 순간은 어쩌면 '우주의 회전'이란 진리를 처음으로 이야기했던 시대를 앞서 나간 발견의 순간으로 재평가될지도 모르겠습니다. 오랫동안 아인슈타인의 흑역사로 평가받았던 우주 상수 람다가 결국 암흑 에너지 발견으로 인해 시대를 앞서 나간 통찰로 재평가를 받았던 것처럼 말이죠.

과연 우리 우주는 정말 빙글빙글 돌고 있을까요? 최근 벌어지고 있는 이 비대칭 우주의 불균형은 어떻게 받아들여야 할까요? 우주아저씨의 현자 타임즈, 오늘은 여기서 마칩니다. 더 궁금한 점이 있다면 댓글로 물어봐주세요~ 😊

자주 묻는 질문 ❓