성운의 왕국

갈릴레오와 뉴턴이 살던 1600년대만 하더라도 우주는 태양계 크기이거나 혹은 그것보다 조금 더 큰 공간이었다. 실질적으로 태양계가 우리가 살고 있는 우주의 전부였다. 1781년 허셜이 천왕성을 발견하자 인지 가능한 우주의 크기가 별들의 세계로 커진다. 대형 망원경 전쟁이 시작되는 때가 바로 이때다. 더 멀리 있는 것을 발견하기 위해 사람들은 더 큰 망원경을 경쟁적으로 제작했다. 그 결과 우리가 살고 있는 우주의 개념은 별들이 있는 공간까지 뻗어나가게 된다. 1920년대까지만 하더라도 이것이 전부였다. 100년도 안 되는 가까운 과거에 인간은 우리가 살고 있는 우주가 기껏해야 은하수라고 부르는 우리 은하계인 줄만 알았다. 용기 있는 철학자나 냉소적이고 비판적인 천문학자들만 이 사실에 반론을 제기할 뿐이었다. 논쟁은 논쟁을 낳았다. 누구도 부인할 수 없는 과학적 증거를 가진 사람은 없었다. 허블 전까지는 말이다.
허블은 처음으로 안드로메다은하까지의 거리를 정확하게 측정했다. 그가 측정한 거리는 그 당시 사람들이 알고 있던 우리 은하의 크기보다 훨씬 더 큰 값이었다. 하지만 허블이 측정한 방법이 너무나도 확실했기 때문에 누구도 부인할 수 없었다. 우주의 크기가 폭발적으로 커지는 순간이었다. 허블의 두 번째 업적은 우주 곳곳에 흩어져 있는 안드로메다은하나 우리 은하 같은 은하들을 연구하기 위한 기틀을 만들었다는 것이다. 허블은 은하의 분류를 처음으로 시도했다. 이 분류법이 완전한 것은 아니다. 분류법이 의미하는 것도 아직은 분명히 알지 못한다. 하지만 여전히 허블의 은하 분류법은 기초 자료로 활용되고 있다. 이런 점에서 허블은 외부 은하 연구의 아버지라고 불릴 만한 사람이다. 허블의 세 번째 업적이자 허블을 허블답게 만든 업적은 허블 법칙의 발견이다. 물론 허블 법칙에 필요한 자료들은 다 있었다. 하지만 허블이 했던 방식으로 자료를 분석한 사람은 없었다. “모든 진리는 한번 발견되면 이해하기는 쉽다. 중요한 것은 진리를 발견하는 것이다.” 허블 법칙은 우리가 알고 있는 우주의 가장 근본적인, 그리고 가장 확실한 관측적 사실이다. 어느 우주론이든 이 법칙을 설명하지 못하는 이론은 재고할 가치도 없다.
결론은 간단하다. 우주는 엄청나게 크며, 더 커지고 있다. 우리가 알고 있는 이 사실을 확립한 사람이 바로 허블이다. 그 증거를 허블이 우리 앞에서 직접 설명한다면 어떤 느낌일까? 이 책은 1936년 허블 자신이 그의 주요 관측 결과를 설명한 책이다. 자신만의 관측 결과를 자신만의 신념에 기대어 차분하게 설명하고 있다. 과학사적 관점으로도 이 책은 중요하다. 그의 노력과 그의 결론이 지금 관측 우주론 역사에 어떻게 영향을 미치고 있는지 알 수 있기 때문이다. 지금도 허블이 했던 일을 반복하고 있는 셈이다. 단지 우리는 더 좋은 관측 기구를 사용할 수 있고 반복할 방법을 알고 있다. 이 책을 통해 우리는 가장 위대한 발견의 내용뿐 아니라, 발견에 대한 발견자의 개인적 생각과 방법 속에 있는 발견자의 의도를 직접 알 수 있을 것이다.
허블이 발견한 것은 단순히 위대한 발견 중 하나가 아니다. 인간이 알고 있던 우주의 크기를 혁명적으로 넓힌 것이다. 1543년 코페르니쿠스가 제안했던 원리를 실현하는 발견이었다. 지구가 우주의 중심이 아니라던 그의 주장은 우주의 중심을 태양으로 옮겨 놓았을 뿐이었다. 오랫동안 우주의 중심은 태양이었다. 태양이 우주의 중심 자리를 은하수의 중심 자리에 내어주려던 순간, 우주는 중심을 잃고 만다. 허블이 우리 은하와 비슷한 은하를 엄청나게 발견했기 때문이다. 우주는 우리 은하를 중심으로 팽창하는 것이 아니다. 우주의 팽창에는 중심이 없다. 우주에는 특별한 중심도 없고 특별한 은하도 없다. 비슷한 은하들이 여기저기 거의 균등하게 분포한다. 코페르니쿠스의 주장이 진정으로 실현되는 순간이다.
인류의 철학적 고민을 단번에 해결한 관측 결과를, 인류의 인식 체계를 통째로 뒤바꾼 사실을 이 책은 설명하고 있다. 발견자인 허블 자신이 직접 설명해 준 이 책이야말로 코페르니쿠스의 ≪천구의 회전에 관하여≫, 케플러의 ≪신천문학≫과 ≪우주의 조화≫, 갈릴레오의 ≪시데레우스 눈치우스≫, ≪2개의 주된 우주 체계에 관한 대화≫, ≪새로운 두 과학에 관한 논의와 수학적 논증≫, 뉴턴의 ≪프린키피아≫와 같은 고전 중의 고전이라고 할 수 있다.

천문학자 허블이 직접 들려주는 팽창하는 우주의 비밀. 안드로메다은하는 얼마나 멀리 떨어져 있을까? 우주는 과연 얼마나 클까? 18세기 미국 천문학자 에드윈 허블이 ‘허블 법칙’을 발견하기 전까지는 아무도 진상을 알지 못했다. 허블은 100인치 반사 망원경인 후커 망원경과 윌슨산천문대의 60인치 망원경으로 행한 관측 결과를 토대로 성운이 우리 은하와 유사한 독립된 외부 항성계임을 알아냈다. 큰 망원경으로 찍은 당시의 사진 건판 자료들과 함께, 우주팽창설의 토대를 놓은 허블의 생생한 육성을 들을 수 있다.

에드윈 허블은 안드로메다은하의 거리를 측정해 사람들이 알고 있던 우주의 크기를 획기적으로 확장시킨 천문학자다. 그 결과 당시 우주 전체라고 믿던 우리 은하의 크기보다 훨씬 먼 거리에 안드로메다은하가 있다는 사실이 드러났다. 1781년 4월 윌리엄 허셜이 천왕성을 발견해 그 당시 사람들이 알고 있던 태양계의 크기를 확장시킨 것 이상으로 충격적인 일이었다. 그 후 외부 은하의 분류법을 만드는 등 외부 은하의 연구에 튼튼한 기초를 쌓았다. 게다가 은하의 스펙트럼이 적색편이 현상을 보인다는 것을 이용해 거리와 적색편이 관계를 발견한다. 팽창하는 우주의 첫 번째 확실한 관측적 증거를 만든 셈이다. 이는 ‘허블의 법칙’으로 알려져 있다. 허블은 살아생전뿐 아니라 사후에도 많은 영예를 누렸다. 허블은 생전에 상을 많이 수상했지만 끝내는 노벨상을 수상하지 못했다. 당시 노벨물리학상 심사위원들은 허블이 당대 가장 위대한 천문학자임을 인정하고 있었다. 그렇지만 당시에는 천문학을 물리학으로 생각하지 않았기 때문에 노벨물리학상을 수여하지 않았다. 허블의 이름은 노벨상 아닌 다른 수단으로 기려졌다. 허블의 이름을 따 허블 우주 망원경의 이름을 붙인 것이다. 허블 우주 망원경은 허블 상수의 정확한 측정을 위한 관측 자료뿐 아니라 일반인들에게도 매력적인 관측 자료를 제공함으로써 천문학 발전에 이바지하고 있다.

장헌영은 연세대학교 천문학과를 졸업한 후, 영국 케임브리지대학에서 태양 내부 구조에 관한 연구로 박사학위를 받았다. 귀국 후 삼성항공 항공우주연구소 선임연구원, 고등과학원 조교수로 있었고 현재 경북대학교 천문대기과학과 교수로 재직 중이다. 태양 및 우주 환경, 감마선 폭발체, 미시 중력 렌즈 현상, 블랙홀과 관련된 고에너지 천체물리학 현상 등을 연구하고 있다. 역서로는 ≪갈릴레이의 천문노트: 시데레우스 눈치우스≫, ≪망원경으로 떠나는 400년의 여행≫, ≪상대성 이론: 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론≫ 등이 있다.

실리만 재단 강연에 대해
서문

서론
과학 연구/ 천문학 용어/ 거리 단위/ 겉보기 등급/ 절대 등급/ 세페이드 변광성의 주기?광도 관계/ 성운과 외부 은하/ 개별적 성운의 명칭

1장 우주 탐험
멀어지는 지평선/ 섬우주 이론/ 성운의 성질 (a) 문제의 설정, (b) 문제의 해답/ 우주의 거주민/ 성운의 영역, (a) 성운의 분포, (b) 속도.거리 관계/ 우주의 표본으로 관측 가능한 지역

2장 성운의 가족적 특성
성운의 분류/ 공통된 모양/ 타원 성운/ 나선 성운/ 정상 나선 성운/ 막대 나선 성운/ 나선 성운의 순서/ 정상 성운의 순서/ 추가적 특성/ 불규칙 성운/ 표준 성운/ 순서를 따라 체계적으로 변하는 특징 (a) 분광형, (b) 색, (c) 분해, (d) 성운형의 상대적 빈도/ 요약

3장 성운의 분포
성운 조사/ 천구에 나타나는 분포/ 은하의 엄폐/ 성간 구름의 엄폐/ 흡수층/ 일반 시야/ 천구에 나타나는 거대 분포/ 거리에 따른 거대 분포/ 작은 규모 분포/ 성운군/ 성운단

4장 성운의 거리
거리 기준의 개발/ 나선 성운에서 발견된 신성/ 성운의 분해/ 세페이드 변광성/ 유사한 은하로서 성운들/ 성운 거리의 추가적 기준

5장 속도.거리 관계
성운의 초기 분광 사진/ 최초 시선속도/ 슬라이퍼의 적색편이 목록/ 관측 자료의 해석/ 성운에 대한 태양 운동/ 거리와 K항의 관계식/ 속도.거리 관계/ 휴메이슨의 시선속도 목록/ 성운단/ 고립된 성운/ 속도.거리 관계의 중요성

6장 국부 성운군
국부 성운군의 구성원/ 우리 은하계/ 마젤란성운들/ 메시에 31/ 메시에 32/ NGC 205/ 메시에 33/ NGC 6822/ IC 1613/ 국부 성운군의 가능한 구성원/ 요약

7장 일반 시야
거리 기준/ 가장 밝은 별들/ 가장 밝은 별 기준에서의 오차/ 가장 밝은 별 기준의 적용 (a) 낱별이 보이는 성운의 광도 함수, (b) 처녀자리 성운단의 거리, (c) 속도.거리 관계/ 속도.거리 관계의 눈금 조정/ 성운단에 속한 성운의 광도/ 거리의 통계적 기준에 대한 선택 효과/ 낱성운의 광도/ 성운의 크기/ 성운의 질량

8장 성운의 영역
연속적인 한계로의 조사/ 거리에 따른 성운의 분포/ 분포의 정량적 설명/ 성운 간 공간/ 관측 가능한 지역/ 겉보기 광도에 대한 적색편이 효과/ 수 효과/ 에너지 효과/ 적색편이와 관측된 균일성으로부터 벗어남/ 여러 우주론들

해설
지은이에 대해
옮긴이에 대해

문제 해결은 거대한 망원경의 업적이다. 망원경과 기술이 개선되면서 이들은 실제로 확실히 중요한 점에 닿았고 마침내 장벽은 무너졌다. 갈라진 틈이 열리면서 탐험의 물결이 휩쓸고 진행했다. 거리가 알려지자 이미 축적된 지식으로부터 효과적인 새로운 연구 방법이 개발되었다. 특별히 한 방법이 거리 문제의 초기 해결책에 필적하는 중요한 결과를 이끌었다. 이것은 성운 스펙트럼의 적색편이로부터 유도된 것이었다.