[비즈한국] 1950년 12월 31일 워싱턴포스트 한 구석에 눈길을 끄는 기사가 실렸다. 기사 제목은 이러했다. “젊은 엄마가 우주의 심연을 발견하다!” ‘젊은 엄마’는 당시 박사 과정 학생이던 천문학자 베라 루빈을 말한다. 당시 루빈은 첫 아이를 출산한 지 얼마 지나지 않았다. 루빈은 아버지, 남편과 함께 갓난아기를 안은 채 눈보라를 헤치고 천문학회에 참석했다. 그 자리에서 루빈은 스스로 가장 민망한 순간으로 기억하는 ‘흑역사’를 남겼다.
당시 루빈은 북반구 하늘에 분포하는 외부은하 108개의 움직임을 분석했다. 거기서 은하들의 움직임이 전반적으로 한쪽 방향으로 치우친 듯한 패턴을 발견했다. 이를 근거로 우주 전체가 특정한 축을 중심으로 회전하고 있을 거라는 가능성을 제시했다. 루빈은 당시 발표에서 “우주의 회전(Rotation of the Universe)”이라는 아주 거창하고 당돌한 제목을 걸었다. 이제 막 연구를 시작한 박사과정 학생이라고는 생각할 수 없는 파격적인 주장과 제목이었다.
루빈의 주장은 우주가 특별한 방향성 없이 균일하고 등방하다는 핵심 가정을 정면으로 부정한 것이었다. 당연히 천문학자들의 반응은 싸늘했다. 갓 아이를 낳은 당돌한 젊은 여성이 무려 우주가 통째로 회전한다는 주장을 펼치다니. 이 충격적이고 민망한 사건이 앞선 우스꽝스러운 제목으로 기사까지 났던 것이다. 이후 시간이 지나면서 그녀의 발견은 제한된 데이터로 인해 일종의 통계적 바이어스, 오차가 발생했기 때문으로 밝혀졌다. 우주는 별다른 방향성 없이 균일하다고 이야기하는 우주론적 원리는 오랫동안 자명한 사실로 받아들여졌다.
그런데 반세기 전에 등장하고 사라진 루빈의 흑역사 연구를 떠올리게 하는 충격적인 발견이 최근 제시되었다. 새로운 연구를 보면 정말 우주가 무언가 특정한 방향을 갖고 회전하는 것처럼 보인다. 게다가 이번 연구는 더 방대한 제임스 웹의 관측 데이터를 활용했다. 정말 당황스럽다. 심지어 이번 논문의 저자 리오르 샤미르는 이러한 발견이 오랫동안 흥미로운 가설 정도로 여겨진 블랙홀 우주론, 우리 우주가 하나의 거대한 블랙홀 안에 갇혀 있다는 가설의 가장 직접적인 증거가 될 수 있다고까지 주장한다. 과연 이번 발견은 사실일까? 정말 우리는 하나의 거대한 블랙홀에 갇힌 것일까?
우리 은하와 바로 옆의 안드로메다은하를 비롯해 우주의 은하 대부분은 뚜렷한 원반과 나선팔 구조를 보인다. 이러한 은하를 나선은하라고 한다. 나선은하는 모두 한쪽 방향으로 회전한다. 휘감긴 나선팔의 모양을 통해 은하의 회전 방향을 쉽게 파악할 수 있다. 나를 비롯한 천문학자들이 특히 나선은하에 관심을 갖고 있는 이유는 단순히 예쁘기 때문만은 아니다. (물론 이것도 큰 이유다.)
나선은하의 회전은 은하 전체를 감싸는 암흑 물질 헤일로의 지배를 받는다. 은하의 회전 방향은 오래전 은하가 만들어진 당시 그 주변 우주의 거대 구조 환경과 암흑 물질의 방향성을 고스란히 반영한다. 방대한 데이터를 바탕으로 여러 나선은하의 회전을 체계적으로 연구하면, 우주 전역에 걸쳐 암흑 물질이 어떻게 분포하고 어떤 방향으로 흘러가는지, 마치 공기의 흐름을 일기도에 표현하는 것처럼 우주 속 암흑 물질의 흐름을 파악할 수 있다.
샤미르 박사는 최근 제임스 웹으로 관측한 JWST Advanced Deep Extragalactic Survey(JADES) 이미지를 분석해 대대적인 나선은하 사냥을 진행했다. 특히 그 중에서 나선팔 구조가 뚜렷하게 보여서 회전 방향을 쉽게 파악할 수 있는 263개를 골랐다.
우주가 특정한 방향성 없이 모두 임의로 존재할 것이라는 기존 관점에 따르면, 이 나선은하들의 회전 방향도 임의여야 한다. 시계 방향으로 도는 은하, 반시계 방향으로 도는 은하가 50:50으로 분포해야 한다. 그런데 이번 논문의 결과는 충격적이다. 관측 가능한 263개의 은하들 중에서 무려 3분의 2가 시계 방향으로 회전한다. 반시계 방향으로 회전하는 은하는 3분의 1에 불과하다. 이건 너무 극단적인 불균형이다. 우주에 존재하는 은하들의 절반 이상, 거의 66%에 달하는 은하들이 특정한 한쪽 방향으로만 회전한다는 건, 결국 우주 전체 은하를 모두 평균 냈을 때 우주 자체도 더 우세한 특정한 방향성을 갖고 회전해야 한다는 결론을 가리키기 때문이다.
사실 이러한 은하 회전의 비대칭 문제는 일찍이 다른 연구에서도 제기된 적이 있다. 앞서 천문학자들은 슬로안 전천 탐사를 통해 관측한 수백만 개의 은하 이미지를 모양에 따라 분류했다. 당시에는 인공지능이 이미지를 분류하는 능력이 부족했다. 그래서 천문학자들은 전 세계 천문학 덕후들의 도움을 받았다. 그 결과 1년 만에 은하 수백만 개의 분류가 끝났다. 그런데 여기에서 천문학자들은 재밌는 사실을 발견했다. 반시계 방향으로 회전하는 나선팔을 가진 은하가 살짝 더 많았다.
이러한 편향이 사실인지 추가로 검증하기 위해 천문학자들은 재밌는 테스트를 했다. 똑같은 은하의 이미지를 거울에 반사시키듯 뒤집어서 다시 사람들에게 투표를 시켰다. 만약 정말로 우주에 반시계 방향으로 회전하는 나선 은하가 더 많다면, 은하 이미지를 모두 거꾸로 뒤집어서 재투표를 했을 때에는 반대로 시계 방향으로 회전하는 은하가 더 많다는 결과가 나와야 한다. 결과는 어땠을까? 재밌게도 여전히 반시계 방향으로 회전하는 은하 비율이 조금 더 높게 나왔다. 이것은 사람들이 동일한 나선은하 이미지를 보고도 유독 반시계 방향으로 감겨 있다고 인식하는 비율이 조금 더 높다는 것을 의미한다. 당시 갤럭시 주 데이터를 바탕으로 진행한 연구는 결국 실제 우주가 비대칭한 것이 아니라 은하의 나선팔 방향을 보는 사람들의 인식이 조금 편향되었을 뿐이라는 결과를 보여주며 작은 해프닝으로 마무리되었다.
하지만 이번 결과는 다르다. 나선은하의 회전 방향을 단순히 눈대중으로 보고 분류한 게 아니기 때문이다. 별과 가스가 더 높은 밀도로 모여 있는 은하의 나선팔은 팔과 팔 사이 영역에 비해 픽셀이 더 밝다. 이를 활용해 모든 은하들에 대해 자동으로 나선팔은 인식하고 각각의 회전 방향을 파악했다. 그렇게 분석한 결과가, 흥미롭게도 전체 은하의 3분의 2가 시계 방향으로 돌고 있다는 당황스러운 결과가 나왔다. 이건 이해하기 어렵다. 우주가 이런 비대칭을 보일 아무 이유가 없기 때문이다. 그렇다면 이 결과를 어떻게 받아들여야 할까?
우선 가장 유력한 가능성은 이번 분석에서 사용한 데이터 자체가 편향되었다는 것이다. 은하 263개는 얼핏 많아 보이지만, 사실 규모가 더 거대한 요즘 통계적인 연구에 비하면 개수가 매우 적다. 물론 이번 연구에서는 제임스 웹으로 관측한 고해상도 은하 이미지만을 사용하려 했다는 특수성이 있기는 하다. 하지만 우주 전체의 방향성을 대변한다고 보기에는 너무나 빈약하다. 게다가 이번 연구에서는 제임스 웹으로 특정한 방향을 관측한 JADES 데이터만 활용했다. 우주 전역 다양한 방향에 걸쳐 분포하는 모든 은하를 대상으로 한 연구가 아니라, 애초에 비슷한 방향에 모여 있는 은하들만 갖고 분석했다는 점이다. 이 점이 굉장히 치명적이다.
사실 우주가 균일하고 등방하다고 이야기할 때, 이 우주론적 원리는 아주 거시적인 스케일에 대한 이야기다. 우리에겐 은하단이라고 하면 아주 거대하게 느껴지지만, 우주론적 원리가 말하는 우주의 규모에 비해서는 아주 작은 구조다. 은하단 하나 정도 안에서는 그 안에 살고 있는 은하들이 충분히 특정한 방향성을 공유할 수 있다. 실제로 2021년 Nature Astronomy에는 거미줄처럼 얽힌는 우주 거대 구조의 필라멘트들도 한 방향으로 회전하고 있다는 사실을 보여주는 결과가 발표되었다.
당시 천문학자들은 슬로안 전천 탐사의 데이터를 사용해서 총 1만 7181개의 필라멘트에 속한 21만 3625개의 은하들을 대상으로 방대한 통계적 분석을 진행했다. 이번 제임스 웹 연구에서 사용한 263개보다 압도적으로 많은 수다. 필라멘트를 간단하게 표현하면 기다란 원기둥 모양으로 은하들이 쭉 이어진 구조라고 볼 수 있다. 그런데 이 필라멘트가 긴 축을 중심으로 회전하고 있다면, 필라멘트에 속한 은하 절반은 우리를 향해 다가오고 나머지 절반은 멀어지는 것처럼 보여야 한다. 천문학자들은 각 필라멘트에 속한 은하들이 상대적으로 어떤 방향으로 얼마나 빠르게 움직이는지 비교했다. 그 결과 놀랍게도 각 필라멘트에 대해서 은하들 절반이 우리에게서 멀어지고, 나머지 절반은 다가오는 움직임을 보였다! 회전하지 않는 필라멘트를 가정했을 때는 절대 설명할 수 없을 정도로, 그 차이가 너무 명확했다. 게다가 필라멘트 끝에 더 육중한 은하단이 존재하는 필라멘트에서 회전이 더 강하게 나타났다.
이것은 필라멘트 전체가 그 주변 중력장에 의해 회전하고 있다는 것을 보여준다. 우주 거대 구조의 필라멘트가 만들어질 때, 물질이 단순히 흘러오기만 한 것이 아니라 태초에 미미하게 갖고 있던 각운동량도 함께 보존되면서 그것이 누적된 결과 지금 더 선명하게 회전하는, 빙글빙글 도는 필라멘트가 되었을 것이다.
앞서 2021년에 발표된 이 발견은 결국 우주 거대 구조의 한 구석을 바라본다면 충분히 그 일대 은하들이 특정한 방향성을 갖고 일제히 한쪽으로 회전하는 듯한 모습으로 관측될 수 있다는 것을 의미한다. 결국 우주 전체가 정말 통째로 일관된 회전 성분을 갖고 있는지를 이야기하기 위해서는 고작 은하단 하나, 필라멘트 한두 개만 봐서는 판단할 수 없다. 북반구, 남반구 전역에 분포하는 수백만, 수천만 개의 은하들을 모두 모아놓고 분석을 해야 공평한 이야기를 할 수 있다.
이번 연구에서 저자는 먼 은하에 대해서도 나선팔을 뚜렷하게 분간하기 위해 제임스 웹의 고해상도 이미지 데이터를 사용했다. 하지만 제임스 웹은 한 번에 볼 수 있는 시야가 매우 좁고, 애초에 다른 서베이 관측들처럼 하늘 전체를 빠르게 훑어볼 목적으로 올라간 망원경도 아니다. 결국 어쩔 수 없이 특정한 좁은, 같은 시야 안에 들어오는 은하들만 분석할 수밖에 없고, 이로 인해 그 일대의 은하들이 한쪽으로 기울어진 방향성을 가진 것처럼 보일 여지가 충분히 있다.
그럼에도 저자는 여기에서 한 발짝 더 나아가 파격적인 주장을 한다. 우주가 정말 통째로 한쪽 방향으로 회전하고 있다면, 우리 우주가 거대한 블랙홀 안에 갇힌 세상임을 암시한다는 것이다.
블랙홀 우주론은 일찍이 젊은 시절의 스티븐 호킹이 블랙홀의 특이점에 대해 연구하던 때부터 거론되기 시작했다. 물리학적으로 봤을 때 블랙홀의 특이점이나, 태초 빅뱅의 특이점이나 다를 게 없다. 둘 모두 막대한 질량이 한 점에 모여 있는, 밀도가 무한이고 부피는 0인 상태이기 때문이다. 결국 블랙홀의 특이점과 태초 우주의 빅뱅 특이점을 구분할 수 없다면, 우리 우주도 아주 거대한 블랙홀의 특이점에서 탄생한 세계라고 생각해볼 수 있다는 것이다. 실제로 우리 우주의 블랙홀도 계속 물질을 집어삼키며 덩치를 키우고 있고, 우리 우주도 계속 팽창하고 있다.
또 블랙홀은 그 안에서 무슨 일이 벌어지는지 알 수 없는 사건의 지평선이라는 한계가 존재하는데, 이것은 마치 우리가 빛을 통해 인식할 수 있는 우주의 경계, 우리 우주의 관측 가능한 지평선과 유사하게 느껴진다. 게다가 최근 일부 천문학자들은 우주의 팽창을 가속하는 암흑 에너지가 우주 곳곳 은하 중심에 살고 있는 초거대 질량 블랙홀과 연관되어 있을 거라는 주장까지 하면서, 정말 우주 전체와 블랙홀 사이에 어떤 연결 고리가 이어져 있는 건 아닌지 의심이 들기도 한다.
우주에서 발견되는 모든 블랙홀은 한쪽 방향으로 빠르게 회전하고 있다. 한쪽으로 천천히 회전하면서 거대하게 퍼져 있던 별과 가스 구름이 순식간에 작은 점으로 붕괴하고 수축하면서 만들어진 블랙홀은 그 과정에서 각 운동량을 유지하기 위해 매우 빠른 스핀을 얻게 된다. 슈바르츠실트 우주론으로도 불리는 블랙홀 우주론이 말하는 것처럼 정말 우리 우주도 더 거대한 블랙홀 안에 갇힌 세상이라면, 우리 우주를 품고 있는 블랙홀 역시 빠르게 회전하고 있을 것이고 결국 우리는 우주 전체가 한쪽 방향으로 회전하고 있는 듯한 모습을 봐야 한다. 논문의 저자는 이러한 정황적 가능성을 언급하며, 이번 발견이 블랙홀 우주론을 암시한다고 주장한다.
저자가 이번 논문에서 언급한 블랙홀 우주론이라는 개념이 너무 파격적이라서 여기에만 사람들이 주목하는데, 사실 이번 연구에 사용한 관측 데이터가 갖는 더 중요한 의미는 따로 있다.
최근 몇 년 사이 천문학자들은 우주에서 수십억 광년에 이르는 거대한 구조들을 새롭게 발견했다. 우주 끝자락에 퀘이사 여러 개가 길게 이어진 원시 필라멘트, 심지어 관측 가능한 우주의 절반에 가까운 규모로 은하들이 길게 이어진 초거대 구조까지. 이러한 구조는 우주가 거시적인 스케일에서는 균일하기만 할 것이라 생각했던 기존의 우주론적 원리를 거스르는 것처럼 보인다. 이런 초거대 구조는 기존의 표준 우주론 모델을 적용한 시뮬레이션에서는 재현할 수 없다. 이를 해결하기 위해 천문학자들은 우주가 태초부터 한쪽으로 치우치거나 편향된 채로 시작되었을 가능성까지 고민한다. 따라서 이번 논문의 주장은 이러한 우주의 불균일성, 비등방성에 대한 의심의 연장선에서 바라보는 것이 더 합리적이다.
정말로 우주가 통째로 한쪽 방향으로 회전하고 각운동량을 가진 게 사실로 확인된다면, 베라 루빈이 흑역사라고 회고한 순간은 역사상 처음 우주의 회전이라는 진리를 이야기한, 시대를 앞선 발견의 순간으로 재평가될지도 모르겠다. 오랫동안 아인슈타인의 흑역사라고 평가받았던 우주 상수, 람다가 결국 암흑 에너지의 발견으로 인해 시대를 앞서나간 통찰로 재평가받은 것처럼 말이다.
“특별한 주장에는 특별한 증거가 필요하다.” 칼 세이건이 남긴 이 말의 의미를 다시금 되새겨보게 된다.
참고
https://academic.oup.com/mnras/article/538/1/76/8019798?login=false
https://www.nature.com/articles/s41550-021-01380-6
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
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