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[사이언스] '관측 가능한 우주의 지도', 최신판 공개

한눈에 훑어보는 우주 지도 그리기의 놀라운 역사

2022.12.12(Mon) 10:43:14

[비즈한국] 우주는 과연 어떤 모습일까? 그 답을 찾기 위해 인류는 지난 수천 년간 우주의 지도를 그려왔다. 지구를 중심으로 한 여러 겹의 수정구슬 우주부터 셀 수 없이 많은 은하들이 그물처럼 이어진 우주 거대 구조까지. 우주의 지도는 계속해서 바뀌어왔다. 그리고 우주 지도 자체가 각 시대의 인류의 우주관을 정의한다. 

 

최근 존스홉킨스대학교의 천문학자들이 또 하나의 놀라운 우주 지도를 새롭게 공개했다. 이 지도는 우리 지구에서 가장 가까운 이웃 은하로 시작해 관측 가능한 우주 끝자락, 어둠 속에 숨어 있는 퀘이사까지 가장 최신의 관측 결과들을 바탕으로 한 우주 전체를 담고 있다. 이름부터 솔직하고 대담하다. ‘관측 가능한 우주의 지도(The map of the observable Universe)’. 이 지도는 누구나 클릭해 둘러볼 수 있다. 

 

오래전 몽상가의 상상 속 우주부터 최신의 서베이 관측으로 완성된 가장 정교한 우주의 지도까지, 200년에 걸친 우주 지도 그리기의 역사를 살펴본다.

 

#우주 지도 그리기의 첫 순간 

 

1750년 영국의 천문학자 토마스 라이트는 밤하늘의 토성을 바라보다 재밌는 생각에 이르렀다. 혹시 우리 은하가 저 토성을 닮지 않았을까? 가운데 둥근 별무리를 중심에 두고 그 주변에 토성처럼 별들로 채워진 납작하고 둥근 고리를 두르고 있는 게 아닐까? 당시 라이트의 추측에는 아무런 관측 증거가 없었다. 우연히 떠오른 직감일 뿐이었다. 라이트가 상상한 토성 모양의 우리 은하에는 아름답게 휘감긴 나선팔은 없다. 하지만 우연히 떠오른 직감이라고 하기에는 놀라울 정도로 우리 은하의 실제 모습과 닮았다. 

 

라이트가 상상한 토성을 닮은 우리 은하의 구조.

 

라이트는 주변에 고리를 두르지 않고 단순히 둥근 공 모양으로만 생긴 은하들도 있을 거라고 상상했다. 그는 이러한 자신의 상상을 ‘우주에 관한 기존의 이론과 새로운 가설’이라는 책을 통해 소개했다. 이 책은 역사상 처음으로 납작한 나선은하와 둥근 타원은하를 모두 묘사했다. 

 

라이트는 수많은 둥근 타원은하로 가득한 우주의 모습까지 상상했다. 우리 은하 역시 납작한 고리를 두른 나선은하거나 둥근 타원은하이고 바깥에 수없이 많은 또 다른 은하들로 우주가 채워져 있다고 생각했다. 그의 놀라운 통찰로부터 무려 150년이 지난 뒤 안드로메다 성운이 우리 은하 바깥의 또 다른 은하라는 사실이 밝혀졌다. 

 

라이트가 상상한 타원은하로 가득한 우주의 모습.

 

결국 천문학자들은 우리 은하가 우주의 전부가 아니었다는 사실을 알게 되었다. 138억 년 전 탄생한 이래로 지금까지 꾸준히 팽창하는 광막한 우주의 시공간 속에는 셀 수 없이 많은 은하가 존재한다. 우주에 존재하는 모든 걸 다 알아냈다고 자만하던 인류의 눈앞에는 다시 끝없는 미지의 암흑이 펼쳐졌다. 인류는 또다시 아무것도 모르는 우주의 망망대해에 버려진 길 잃은 초짜 탐험가가 되었다. 결국 다시 가장 기본이 되는 작업부터 시작해야 했다. 망망대해의 빈 구석을 하나하나 채워나가며 지도를 새로 그린 것이다. 

 

1982년 이탈리아의 천문학자 프란체스코 베르톨라는 지금까지 이어지는 우주의 지도를 그리는 전통을 확립했다. 그는 지구를 중심으로 사방에 관측 가능한 우주를 둥근 공 모양으로 표현했다. 지구에서 점점 거리가 멀어질수록 우주의 과거를 보여준다. 지구 주변에는 충분히 성숙하고 완성된 다양한 은하들이 있지만 관측 가능한 우주 끝자락에 다다르면 이제 막 반죽이 시작된 어린 원시 은하들이 노란 점으로 표현되어있다. 

 

베르톨라가 그린 지구를 중심으로 한 관측 가능한 우주의 지도.


베르톨라의 우주 지도는 얼핏 보면 오래전 사라진 프톨레마이오스의 지구 중심 우주론을 다시 부활하려는 시도처럼 느껴진다. 실제로 어떤 사람들은 이 우주 지도를 보고 천문학자들이 우주의 중심에 지구가 있다는 걸 밝혀냈다는 식으로 오해하기도 한다. 그건 아니다. 다만 관찰자를 중심으로 사방의 관측 가능한 범위를 그렸기 때문에 자연스럽게 관찰자가 있는 지구를 중심으로 둥글게 그려진 것이다. 거대한 우주에서 어디를 기준으로 하건 그곳에서 관측 가능한 우주는 항상 기준점을 중심으로 둥글게 정의된다. 베르톨라의 이러한 우주 지도 표현 방식은 이후 지금까지 다양한 우주 지도에 반영되고 있다. 

 

#대규모 전천 탐사의 새로운 시작 

 

우주 전체의 지도를 그리는 역사의 대전환점은 2000년에 찾아왔다. 1920년대~30년대 미국의 자동차 기업 제너럴모터스(GM)의 CEO를 역임한 알프레드 슬로안은 기초 과학 연구에 지대한 관심을 가졌다. 슬로안은 1934년 다양한 과학 분야 연구에 재정적이고 지속적인 지원을 위해 자신의 이름을 딴 슬로안 재단을 설립했다. 그의 재단은 현재까지 암치료, 미생물학, 컴퓨터 공학, 심지어 위키피디아 운영에 이르기까지 인류 지식의 번영과 보존을 위해 19억 달러(2조 4000억 원)에 달하는 거금을 꾸준히 지원해왔다. 2000년에는 천문학자들이 슬로안 재단의 선택을 받았다. 

 

우주 전역 은하들의 분포 지도를 완성하는 프로젝트. ‘슬로안 디지털 스카이 서베이(SDSS, Sloan Digital Sky Survey)’는 이렇게 시작되었다. 천문학자들은 이를 위해 미국 뉴멕시코 아파치 포인트 천문대에 있는 2.5m 크기 망원경을 사용했다. 이미 훨씬 더 큰 지상망원경들이 있는데도 생각보다 작은 망원경을 사용한 것은 망원경의 지름이 너무 크면 한 번에 담을 수 있는 시야각이 좁기 때문이다. 망원경이 커지면 더 멀고 어두운 빛까지 담을 수는 있지만 한 번에 담을 수 있는 시야 범위가 좁아진다. 반대로 망원경이 작아지면 상대적으로 가까운 거리까지만 관측할 수 있지만 한 번에 더 넓은 범위를 찍을 수 있다. 

 

SDSS의 가장 중요한 목적은 하늘 전역을 최대한 많이 훑어보는 것이다. 당연히 더 멀고 어두운 우주까지 다 담는다면 좋겠지만 좁은 시야각으로 하늘 전체를 하나하나 다 훑으려면 더 많은 시간이 걸린다. 그래서 천문학자들은 2.5m 크기 정도의 적당한 크기의 망원경으로 적당히 넓은 시야로 하늘을 훑어보며 빠르게 하늘의 지도를 채워나갔다. 

 

SDSS로 관측한 은하들의 분포를 3D 지도로 재구성한 그림. 사진=NASA/University of Chicago and Adler Planetarium and Astronomy Museum

 

SDSS로 완성한 우주 지도를 보면 은하들이 양쪽에 부채꼴 모양으로 날개를 펼친 듯한 나비 모양을 하고 있다. 그래서 어떤 사람들은 은하들이 실제로 우리 은하를 중심으로 딱 이 날개 모양으로만 우주에 존재한다고 착각하기도 한다. 그것은 아니다. 현재까지 SDSS로 훑어본 영역의 실제 관측된 은하들의 위치만을 나타내기에 그런 모양이 된 것이다. 특히 우리 은하 원반 너머의 우주는 관측이 까다롭다. 은하수를 채운 두꺼운 먼지 구름으로 인해 그 너머의 먼 우주가 모두 가려지기 때문이다. 먼지 구름으로 가려진 은하수 위아래 하늘을 제외한 나머지 하늘만 관측해 지도를 채워나가기에 SDSS로 완성한 우주 지도 대부분은 이런 나비 같은 모양으로 그려진다. 

 

2003년 프린스턴대학교의 천문학자 리처드 고트와 마리오 주릭은 당시 갓 공개된 SDSS의 데이터를 바탕으로 새로운 우주 지도를 그리고 있었다. 부채꼴 모양으로 관측된 우주 범위에 은하들이 그물 모양으로 얽혀 있는 우주 거대 구조의 모습을 하나하나 채워나갔다. 그런데 둘은 예상치 못한 놀라운 구조를 발견했다. 지구에서 약 10억 광년 거리에 수많은 은하들이 길고 두꺼운 띠 모양으로 쭉 이어져 있었다! 그 전체 규모는 무려 13.8억 광년, 관측 가능한 우주의 전체 지름의 무려 60분의 1에 달했다. 이것은 2013년 더 거대한 구조가 발견되기 전까지 우주에서 관측된 은하로 이뤄진 가장 거대한 구조였다. 천문학자들은 이것을 ‘슬로안 장성(SGW, Sloan Great Wall)’이라고 부른다. 

 

벽돌이 아닌 은하로 세워진 이 거대한 우주 장성을 발견하면서, 고트와 주릭은 발견을 먼저 한 다음에 그곳의 지도를 그린다는 탐험가들의 오랜 전통을 뒤집었다. 이 슬로안 장성은 그 존재를 먼저 발견하고 나중에 지도로 옮긴 것이 아니라, 아무것도 모르고 지도를 그리고 나서야 그 다음에 존재가 발견되었기 때문이다. 

 

SDSS로 관측한 은하들의 분포 지도 중 일부. 위쪽 지도에서 길게 이어지는 은하들의 띠가 슬로안 장성이다.

 

슬로안 장성이 가진 우주 최장 구조물의 타이틀은 2013년 더 거대한 구조물이 발견되면서 갱신되었다. 더 머나먼 우주 끝자락의 퀘이사를 관측할 수 있게 된 천문학자들이 사자자리 방향 하늘에서 73개의 퀘이사가 한 줄로 길게 이어진 새로운 구조체 Huge Large Quasar Group(Huge-LQG)을 발견한 것이다. 전체 규모만 무려 40억 광년, 관측 가능한 우주의 20분의 1에 달했다. 

 

2013년 발견한 퀘이사로 이어진 거대 구조 Huge-LQG의 모습을 담은 관측 결과.

 

#관측 가능한 우주의 새로운 지도 

 

이번엔 또 다른 방식으로 그 사이에 추가된 더 먼 우주의 모습까지 생생하게 담아낸 놀라운 지도가 제작되었다. 가장 최근 SDSS 데이터를 비롯해 다양한 서베이 관측의 데이터를 모두 활용했다. 새 지도는 거의 200만 개가 넘는 은하들을 포함한다. 지도에 찍힌 각각의 작은 점은 모두 우주에 실제 존재하는 은하다. 그 결과 90도 너비의 둥근 부채꼴 모양 안에 들어오는 우주의 한 조각의 지도를 완성했다. 

 

‘관측 가능한 우주의 지도’라고 이름이 지어진 새 우주 지도는 지금까지 발견된 모든 은하를 망라한다. 부채꼴의 가장 아래 꼭짓점에 우리 은하가 있고, 부채꼴 외곽으로 나가면서 점점 더 먼 우주의 은하들, 퀘이사들, 그리고 관측 가능한 우주 끝자락까지 다다른다. 

 

최근 발표한 관측 가능한 우주의 지도.

 

우리 은하에 가까운 부채꼴 아랫부분에는 아주 많은 파란 점들이 찍혀 있다. 이것은 비교적 가까운 우주에서 쉽게 볼 수 있는 나선은하들이다. 우리 은하도 나선은하 중 하나다. 비교적 가깝기 때문에 우주 팽창으로 인해 빛이 긴 파장으로 늘어지는 적색편이를 덜 겪었다. 그래서 실제로도 파장이 그리 길지 않은 영역에서 밝게 빛나는 모습으로 관측된다. 

 

점차 더 먼 우주로 갈수록 우주 팽창으로 인한 효과도 커져 파장이 더 길게 늘어진 타원은하들이 많이 보이기 시작한다. 더 먼 우주를 봤을 때 나선은하가 적게 보이고 타원은하만 보이는 것은 타원은하가 훨씬 더 밝아서 먼 거리에서도 더 잘 보이기 때문이다. 아마 먼 초기 우주에도 당연히 나선은하들이 많이 존재했을 것이다. 다만 타원은하에 비해 더 작고 어두운 경우가 많아서 거리가 너무 먼 탓에 아직 관측할 수 없는 나선은하들이 많이 숨어 있다. 

 

여기서 멈추지 않고 우주 끝자락을 향해 더 멀리 위로 올라가면 이제는 정말 밝고 강력한 에너지를 내뿜고 있는 퀘이사들만 보이기 시작한다. 물론 퀘이사들 중에서도 상대적으로 가까운 퀘이사는 적색편이 정도가 약하다. 하지만 더 먼 정말 우주 끝자락에 걸쳐 있는 퀘이사들은 가장 극단적인 적색편이를 겪는다. 이를 반영해 천문학자들은 비교적 가까운 퀘이사는 푸른색으로 더 먼 퀘이사는 붉은색으로 구분해놓았다. 

 

이 지도는 한 가지 재밌는 시뮬레이션 결과도 함께 보여준다. 만약 우리가 이 거대한 우주를 구성하는 요소들을 따로따로 볼 수 있다면 지구의 밤하늘에선 어떤 풍경이 보이게 될까? 지평선 위로 가장 멀리 놓인 퀘이사, 비교적 가까운 퀘이사, 먼 우주의 타원은하들, 그리고 가장 가까운 나선은하들만 골라서 본다면 밤하늘에서 어떤 모습으로 보일지를 간단한 시뮬레이션을 통해 보여준다. 그리고 여기서 흥미로운 점을 발견할 수 있다. 

 

먼 우주의 퀘이사, 타원은하들만 봤을 때는 은하들의 분포가 상당히 불규칙하게 보인다. 별다른 거대 구조의 낌새 없이 그저 이곳저곳 아무렇게나 은하들이 산재된 듯한 느낌이다. 하지만 점차 가까운 우주의 은하들만 볼수록 조금씩 그물 형태로 은하들이 구조를 갖추기 시작한다. 그리고 가장 가까운 나선은하들만의 분포를 그리게 되면 가장 확실하게 우리에게 익숙한 우주 거대 구조의 그물 같은 모습이 나타난다. 이것은 빅뱅 직후부터 점차 시간이 흐르면서 물질이 모여들고 거대한 그물 모양의 우주 거대 구조 골격이 갖춰졌음을 선명하게 보여준다. 또 비교적 가까운 우주에서는 더 어둡고 작은 은하들까지 볼 수 있기 때문에, 그러한 차이 역시 먼 우주에 비해 가까운 우주에서 더 선명한 거대 구조의 존재를 쉽게 확인할 수 있게 해준다. 

 

우주 끝자락의 먼 퀘이사들만 본다면 밤하늘에서는 아무런 거대 구조의 낌새를 볼 수 없다.


가까운 거리에 있는 나선은하들만 보게 되면 밤하늘에서 뚜렷한 그물 형태의 거대 구조의 모습을 확인할 수 있다.

 

이 모든 연구를 가능하게 해준 SDSS는 지금까지 20년 넘게 쭉 이어지고 있다. 가장 최근엔 열일곱 번째 데이터 공개가 있었다. 그리고 지금도 계속 우주의 빈 구석을 열심히 채워나가고 있다. 한편으로 SDSS는 기초 과학에 대한 기업가, 자본가의 관심이 과학 발전에 얼마나 큰 도움이 될 수 있는지를 보여주는 중요한 사례이기도 하다. 

 

천문학자들은 여기서 멈추지 않고 훨씬 더 거대한 눈으로 더 멀고 어두운 우주까지 한꺼번에 빠르게 담을 수 있는 새로운 서베이 관측도 준비하고 있다. 최근 칠레에 지름 8.4m 크기의 베라 루빈 망원경이 완공되었다. 은하 속 별들의 움직임을 통해 암흑 물질의 존재를 규명한 천문학자 베라 루빈의 이름을 붙였다. 이제 천문학자들은 더 거대한 베라 루빈 망원경을 통해 앞선 SDSS와 비슷하게 하늘 전역을 새롭게 쭉 훑어보는 전천 탐사를 준비하고 있다. 

 

새로운 프로젝트는 LSST(Legacy Survey of Space and Time)라고 부른다. 훨씬 더 거대한 눈으로 미처 보지 못한 우주 끝자락의 암흑까지 지도의 빈 구석을 계속 채워나가며 빅뱅 직후부터 현재까지 우주의 팽창과 진화가 어떻게 벌어졌는지를 더 정확하게 파악할 예정이다. 베라 루빈 망원경의 첫 관측은 2024년에 본격적으로 시작될 예정이다. 원래는 2022년 말이나 2023년 초에 시작될 예정이었지만 코로나19로 인해 망원경 건설과 운용 준비의 전 과정이 연기됐다.

 

지구의 역사에서 지도 그리기는 오랫동안 탐험의 종결을 의미했다. 새로운 세계를 발견하고 그 경험과 기록을 한 장의 종이 위에 옮기는 과정, 지도 그리기는 미지의 종결이었다. 하지만 이제는 정반대가 되었다. 인류는 머나먼 암흑 너머에 무엇이 있는지도 모르는 채 우주 지도의 빈 공간을 계속 채워나가고 있다. 우주 지도 위에 새로운 작은 점 하나를 추가하는 순간은 미지의 종결이 아닌 새로운 탐험의 시작을 의미한다. 

 

참고

https://www.sdss4.org/dr17/

https://hub.jhu.edu/2022/11/17/interactive-universe-map/

https://www.lsst.org/ 

https://iopscience.iop.org/article/10.1086/428890

https://academic.oup.com/mnras/article/429/4/2910/1008743 

 

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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