[비즈한국] 지난 연말 KBS에서 제작한 우주 다큐멘터리에 프레젠터와 자문 역할로 참여했다. 제작진은 대중에 널리 알려진 ‘도플러 효과(Doppler effect)’를 이용해 우주의 팽창을 설명하려 고민했다. 하지만 우주 팽창을 도플러 효과로 설명하는 것은 아주 대표적인 오해라고 짚어주었다. 

평소 과학책이나 과학 다큐멘터리를 즐겨보는 사람이라면 천문학자 에드윈 허블이 은하들의 ‘도플러 효과’를 관측해서 그것을 근거로 우주 팽창을 발견했다고 알고 있을 것이다. 하지만 이는 아주 잘못 알려진 내용이다. 사실 우주 팽창은 도플러 효과로는 설명할 수 없다. 

#도플러 효과가 대체 뭐길래​

이 오해를 바로잡기 위해서 도플러 효과가 무엇인지부터 정확히 짚고 넘어가자. 우리 주변에서 도플러 효과를 가장 쉽게 접할 수 있는 경우 중 하나는 도로에 가만히 서 있을 때 빠르게 지나가는 구급차의 사이렌 소리를 듣는 상황이다. 구급차가 가까워질수록 사이렌 소리의 파장이 짧아지고 주파수 높은 소리로 들린다. 그리고 구급차가 다시 멀어지면 사이렌 소리의 파장은 점점 늘어지고 주파수 낮은 소리로 늘어나서 들리게 된다. 

이처럼 도플러 효과는 소리나 빛과 같은 파동을 내보내는 전파원(source)이 움직일 때 관찰자에게 그 파동의 파장, 주파수가 다르게 관측되는 현상을 의미한다. 도플러 효과는 잔잔한 물 위에서 움직이는 보트가 주변에 파문을 일으키는 장면을 떠올리면 쉽게 이해할 수 있다. 보트가 나아가는 방향 앞쪽으로는 보트가 계속 앞으로 나아가면서 물살을 밀어내기 때문에 보트 앞쪽의 물살은 그 폭이 좁아진다. 반면 보트 뒤로 퍼져나가는 물살은 보트가 뒤로 물살을 일으키면서 계속 앞으로 도망가기 때문에 물살 사이 폭이 점점 벌어진다. 이처럼 보트가 다가오는 쪽과 멀어지는 쪽에서 보면 보트가 일으킨 물살의 파장은 다르게 관찰된다. 

차가 경적을 울리면서 달려가는 모습을 담은 영상. 경적은 분명 하나의 음을 내고 있다. 하지만 차가 다가올 때와 멀어질 때 들리는 경적 소리의 음색은 전혀 달라진다. 이처럼 전파원 자체가 움직일 때 겪는 현상이 도플러 효과다.

이 도플러 효과는 1842년 오스트리아의 물리학자 크리스티안 도플러(Christian Doppler)에 의해 처음 소개되었다. 당시 그는 서로 곁을 맴도는 쌍성을 볼 때, 주기적으로 별들이 지구 쪽으로 다가왔다가 멀어지는 궤도 운동을 하면서 별의 빛 색깔이 조금씩 달라 보일 수 있다는 가설을 주장했다. 이후 1845년 소리를 통한 실험으로 소리에서 도플러 효과가 발생한다는 것이 입증되었다. 

도플러와는 별개로 1848년에 프랑스의 물리학자 히폴라이트 피조(Hippolyte Fizeau)는 움직이는 광원에서 나오는 전자기파의 파장이 다르게 보인다는 현상을 규명했다. 그래서 프랑스에서는 이 현상을 ‘도플러-피조 현상’이라고 부르기도 했다. 

#천문학에서도 도플러 효과를 활용한다 

이러한 도플러 효과는 구급차 사이렌과 같은 소리뿐 아니라 똑같이 파동의 형태로 전파되는 빛에서도 적용된다. 어떤 별이 움직이지 않고 가만히 그 자리에 고정되어 있다면 우리는 계속 똑같은 색깔 스펙트럼의 별빛을 보게 된다. 그런데 별이 우리를 향해 다가온다면, 다가오는 구급차 사이렌 소리의 파장이 짧아지는 것처럼 별빛의 파장도 짧게 변화한다. 결국 지구에서는 원래 그 별빛의 파장이 더 짧은 푸른 스펙트럼으로 치우쳐서 관측된다. 이러한 변화를 스펙트럼의 청색 편이(Blue shift)라고 부른다. 

반대로 별이 우리에게서 멀어지면, 멀어지는 구급차 사이렌 소리의 파장이 더 길게 늘어나는 것처럼, 별빛의 파장도 길게 변화한다. 그 결과 지구에서 보면 원래 그 별빛의 스펙트럼보다 파장이 더 긴 붉은 스펙트럼으로 치우쳐서 관측된다. 이러한 변화는 스펙트럼의 적색 편이(Red shift)라고 부른다. 

실제로 이런 별들의 도플러 효과를 활용하면, 우주 공간 멀리 떨어져서 돌아다니는 별들이 우주 공간상에서 어떤 방향으로 얼마나 빠르게 돌아다니고 있는지를 파악할 수 있다. 어떤 별을 관측했을 때 그 별빛의 스펙트럼이 아주 큰 청색편이 또는 적색편이를 보인다면, 아주 빠른 속도로 지구를 향해 다가오거나 멀어지는 쪽으로 운동하고 있음을 알 수 있다. 

외계행성과 함께 조금씩 궤도를 돌고 있는 별을 보면 그 별의 미세한 움직임은 작은 도플러 효과를 일으킨다. 영상은 왼쪽 멀리 지구에서 별을 볼 때 나타나는 도플러 효과가 아래 스펙트럼으로 표현되어 있다. 이런 효과를 통해 처음으로 태양과 비슷한 별 주변에서 외계행성을 찾은 천문학자들이 2019년 노벨 물리학상을 수상했다. 영상=ESO/L. Calçada

이러한 방법을 활용해 천문학자들은 별 곁에 숨어 있는 외계행성의 존재를 파악할 수도 있다. 외계행성 자체는 별에 비해 너무 어두워서 잘 보이지 않지만, 만약 육중한 외계행성이 별 곁을 돌면서 별을 조금씩 흔들고 있다면 별 자체가 조금씩 앞뒤로 뒤뚱거리면서 미세한 도플러 효과를 경험할 수 있다. 그러한 미세한 적색편이와 청색편이가 반복되는 모습을 확인하면 그 별 곁에 육중한 외계행성이 숨어 있음을 알 수 있고, 도플러 효과가 발생하는 정도를 보면 행성의 질량과 공전 주기도 알 수 있다. 

이처럼 도플러 효과는 빛이나 소리를 내는 그 전파원이 직접 움직일 때 적용되는 현상이다. 지구에서 움직이는 별을 관측할 때, 가만히 서 있는 사람이 움직이는 구급차의 사이렌 소리를 듣거나 움직이는 기차의 경적 소리를 들을 때처럼, 전파원이 직접 움직이기 때문에 파동의 파장이 변화하는 현상을 도플러 효과라고 부른다. 

#우주 팽창은 도플러 효과를 일으키지 않는다

이해하기 쉬운 탓인지 많은 대중 교양서나 과학 관련 유튜브 영상 등에서 은하들의 도플러 효과가 우주 팽창의 근거라고 잘못 설명한다. 이런 식이다. ‘​우주가 팽창하면서 우주에 퍼져 있는 은하들이 점점 우리에게서 멀어진다. 따라서 지구에서 보기에 지구에서 멀어지는 은하들의 빛은 점점 멀어지는 구급차의 사이렌 소리가 긴 파장으로 늘어나는 것처럼 도플러 효과를 겪는다. 천문학자들은 도플러 효과를 겪은 은하들의 빛의 적색편이를 통해 우주가 팽창하고 있음을 확인했다.’​ 

하지만 실제 우주 팽창에 의해 벌어지는 은하들의 적색편이는 도플러 효과와는 완전히 다르다. 

우주 팽창을 이해하기 위해 서서히 바람을 넣어 부풀어 오르는 풍선을 떠올려보자. 그 풍선 표면에 단추 두 개를 붙이고 그 두 개의 단추 사이에 진동하는 물결무늬를 사인펜으로 그렸다고 해보자. 풍선 표면은 팽창하는 우주의 시공간을 의미하며, 풍선 표면에 붙인 두 개의 단추는 우주 공간에 놓여 있는 두 개의 은하를 의미한다. 그리고 그 두 개의 단추 사이에 그려 넣은 물결무늬는 은하 사이에서 전파되는 빛의 파장을 나타낸다. 

이제 바람을 넣으면, 서서히 풍선 자체가 부풀어 오른다. 풍선 표면 단추 사이의 간격도 서서히 벌어진다. 그리고 두 개의 단추 사이에 그려 넣은 물결무늬 역시 늘어나는 풍선 표면을 따라 서서히 늘어난다. 이때 중요한 것은 풍선 표면에서 실제로 움직인 것은 아무것도 없다는 점이다. 풍선 표면에 붙인 단추들이 직접 풍선 표면을 기어다니지 않았다. 이들은 원래 붙여놓은 그 자리에 그대로 붙어 있다. 다만 단추들이 붙어 있는 풍선 표면 자체가 부풀어 오르면서 두 단추 사이 간격이 벌어졌을 뿐이다. 그리고 풍선 표면이 팽창한 탓에 그 위에 그린 물결무늬도 늘어졌을 뿐이다. 

도플러 효과와 달리 이 상황에서는 전파원 자체가 직접 움직이지 않았다. 

실제 우주에서 벌어지는 모습도 이와 같다. (우주 팽창 효과에 의해서는) 은하들은 우주 공간 속을 직접 돌아다니지 않는다. 은하들은 시공간에 콕 박혀 있다. 다만 은하들이 박혀 있는 시공간 자체가 부풀어 오르면서 은하들 사이 거리가 벌어지고 있을 뿐이다. 또 은하에서 출발한 은하의 빛이 날아오는 동안, 그 빛이 날아오는 시공간 자체가 팽창하기 때문에 그 빛의 파장이 서서히 늘어질 뿐이다. 이는 도플러 효과와는 전혀 다르다. 따로 구분해 우주론적 적색편이(Cosmological redshift)라는 이름도 어엿하게 붙어 있다. 

#우주론적 적색편이와 도플러 효과는 어떻게 다를까? 

얼핏 보기에는 두 현상이 비슷한 것 아닌가 하는 의구심을 던질 수도 있다. 하지만 우리가 관찰하게 되는 변화된 파장의 변화 과정을 역으로 따라가면 우주론적 적색편이와 도플러 효과는 엄연히 다른 현상임을 알게 된다. 

두 현상의 가장 큰 차이점은 바로 전파원에서 방출된 파장이 언제 변화되는가에 있다. 

도플러 현상은 움직이는 전파원에서 파장이 전파되어 나오는 그 순간에 이미 파장이 늘어진 채로 날아온다. 즉 우리에게서 멀어지는 구급차 사이렌에서 소리 파장이 출발하는 그 순간, 이미 구급차가 달리는 속도만큼 도플러 효과를 겪어 파장이 늘어진 채로 사이렌을 떠난다. 그리고 공기를 타고 날아오는 동안에는 더 이상 파장이 변화하지 않는다. 사이렌을 떠날 때 이미 늘어진 파장이 그대로 유지되어 우리의 귀까지 도달한다. 

반면 우주론적 적색편이를 겪는 은하들의 빛은 은하를 떠나 출발할 때에는 아직 파장의 변화를 겪지 않았다. 사이렌에서 출발할 때부터 소리의 파장이 이미 늘어진 채로 전파되어 오는 도플러 효과와 달리, 은하에서 빛이 출발할 때는 아직 아무런 변화를 겪지 않은 원래의 파장 그대로 전파되어 나오기 시작한다. 하지만 그 빛이 시공간을 타고 전파되어 오는 동안 시공간 자체가 늘어나고 팽창하는 탓에 결국 그 시공간을 타고 날아오는 빛의 파장도 함께 늘어질 뿐이다. 

더 정확히 비유하자면 우주론적 적색편이는 고무줄의 양 끝을 잡고 서서히 잡아당기면서 손가락으로 튕겼을 때 고무줄에서 나는 소리의 음색이 달라지는 현상과 같다. 손으로 튕기는 고무줄 자체가 점점 늘어나면서 소리의 음색이 변하는 것처럼, 먼 은하에서 날아오는 빛이 타고 오는 시공간 자체가 팽창하다보니 그 안에 있는 소리의 파장도 함께 비례해서 늘어질 뿐, 은하가 구급차처럼 직접 움직이기 때문에 생기는 도플러 효과가 아니다. 

그래서 에드윈 허블이 발견한 우주 팽창의 놀라운 증거를 단순히 우주의 팽창으로 인해 더 먼 은하일수록 더 빠르게 “멀어진다”라고 표현하는 것은 적절하지 않다. “은하들이 멀어진다”라는 표현은 자칫하면 은하들이 도플러 효과를 겪는다는 오해를 일으키기 때문이다. 그래서 많은 천문학자들은 더 먼 은하들일수록 더 빠르게 “멀어진다(recede)”가 아니라 “그 은하까지 사이 거리가 더 벌어진다(expand)”라는 표현을 더 선호한다. 

은하들은 우주 공간에 고정되어 있다. 움직이지 않는다. 다만 우주 공간 자체가 팽창하면서 은하들 사이에 전파되는 빛의 파장이 더 길게 늘어지고 에너지가 낮은 붉은 빛으로 변화할 뿐이다. 우주 팽창을 확인할 수 있게 해준 것은 은하들의 도플러 효과가 아니라, 바로 이 영상에 담긴 우주론적 적색편이다.

은하가 직접 우주 공간을 돌아다니면서, 도망가는 구급차처럼 우리에게서 멀어지는 것은 아니다. 단지 우리가 살고 있는 우리 은하라는 거대한 단추 하나, 그리고 멀리 떨어진 또 다른 거대한 단추들이 풍선 표면과 같은 우주 시공간에 붙은 채로 우주 자체가 팽창하면서 은하 단추들 사이 간격이 벌어지고 있을 뿐이다. 그리고 그 벌어지는 시공간을 타고 빛이 날아오면서 빛의 파장이 잡아당기는 고무줄처럼 늘어졌을 뿐이다. 도플러 효과가 우주 팽창의 증거라고 하는 것은 대표적인 오개념이자, 정확하지 않은 설명이다. 

#이제라도 정확하게 바로잡히기를 

은하들이 직접 이동하면서 도플러 효과를 겪는다고 ‘오해’했을 때 은하에서 날아온 빛이 겪는 스펙트럼 변화는 실제 우주론적 적색편이에 의한 효과와 비슷하다. 그래서 더더욱 두 현상을 혼동하거나 착각하기가 쉽다. 하지만 이 둘은 엄연히 다른 현상이다. 또 도플러 효과는 실제 우주 팽창에 의해 은하들 사이 간격이 벌어지는 현상을 전혀 하나도 설명하지 못한다. 

최근 우주의 가속 팽창과 관련한 국내 천문학자들의 흥미로운 연구 결과가 여러 언론을 통해 보도되면서 우주 팽창과 관련한 다양한 콘텐츠가 만들어지고 있다. 하지만 안타깝게도 이 오개념을 많은 사람이 여전히 답습하고 있다. 

우주 팽창과 관련된 오래된 오해가 부디 이 글을 통해 바로잡히기를 바란다. 

참고

[1] https://www.cambridge.org/core/books/cambridge-companion-to-einstein/einsteins-role-in-the-creation-of-relativistic-cosmology/498FDAF3672B3E7328F212765130E631

[2] http://astronomy.swin.edu.au/cosmos/C/Cosmological+Redshift

[3] https://ieeexplore.ieee.org/document/1265343

[4] http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Relativity/GR/hubble.html

[5] https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2008arXiv0806.4085G/abstract

필자 지웅배는? 고양이와 우주를 사랑한다. 어린 시절 ‘은하철도 999’를 보고 우주의 아름다움을 알리겠다는 꿈을 갖게 되었다. 현재 연세대학교 은하진화연구센터 및 근우주론연구실에서 은하들의 상호작용을 통한 진화를 연구하며, 강연과 집필 등 다양한 과학 커뮤니케이션 활동을 하고 있다. ‘썸 타는 천문대’, ‘하루 종일 우주 생각’, ‘별, 빛의 과학’ 등의 책을 썼다.​​​​​​​​​​​​​​​​​​​

지웅배 과학칼럼니스트 galaxy.wb.zi@gmail.com​​

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