혜성들의 고향, 오르트 구름

“태양에 너무 가까이 다가가지 말라.”

다이달로스가 자기 아들 이카루스에게 당부한 말이다. 이카루스는 밀랍으로 만든 날개를 달고 하늘로 솟아올랐다. 그러나 아버지의 경고를 잊고 태양 가까이 날아오르다 밀랍이 녹는 바람에 추락하고 말았다.

이카루스가 이루지 못한 꿈을 과학자들이 해냈다. 미국 태양 탐사선 ‘파커 솔라 프로브’가 최근에 태양 대기층에 도착했다. 2018년 8월 12일 지구를 떠난 지 990일 만이다. 파커 우주선은 태양 대기층의 가장 바깥층인 코로나 안에 진입했다. 지금껏 이렇게 가까이 다가간 탐사선은 없었다. 

 

탐사선 근처의 온도는 섭씨 166만 도. 태양 표면온도 6000도보다 약 300배 이상 뜨겁다. 그런데도 탐사선이 견딜 수 있는 것은 열을 전달하는 입자들의 밀도가 희박하기 때문이다. 탐사선에 전해지는 열의 온도는 1400도 정도에 지나지 않는다. 이 또한 엄청나게 높은 수치이지만 두꺼운 탄소 단열재로 만든 방열판 덕분에 탐사선에 전해지는 온도는 30도 정도로 낮다.

이 덕분에 아무리 뜨거운 환경에서도 탐사선 온도를 10~120도로 유지할 수 있다. 그래도 오랫동안 복사열을 견뎌야 하기 때문에 태양과 금성 사이를 긴 타원궤도로 돌면서 열을 식힌다.

파커 탐사선 궤도

그동안 태양을 탐사하기 위한 우주선이 여러 차례 발사됐지만, 코로나 속으로 들어가 태양의 맨얼굴을 관찰한 건 처음이다. 파커 우주선은 태양풍 입자가 코로나 가장자리로 빠져나가는 경계인 ‘알펜 포인트’를 가로질러 더 안쪽으로 접근할 전망이다. 이로써 지구에서 1억 5000만㎞ 떨어진 태양의 비밀이 하나씩 풀어질 것으로 기대된다. 지구가 세상의 중심이었고 전부라고 착각했던 옛적을 생각하면 장족의 발전이다.

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지구는 우주에서 특별한 역할을 하고 있으며 모든 것의 중심에 있다고 생각하던 때가 있었다. 그러나 16세기 코페르니쿠스에 의해 태양계의 중심에서 외곽으로 쫓겨난 것으로 시작해서, 현대의 다중 우주론에 이르러서는 우리 우주마저 초차원을 떠도는 티끌인 마당에 지구의 절대적 지위와 가치를 말하기가 민망해질 정도로 공간적 스케일이 커지고 있다. 근현대 우주론의 발전에 내재한 일관된 방향에 물리학은 어떠한 의미를 지니고 있을까?

거인의 어깨에 올라탄 뉴턴

행성 운동에 관한 케플러 법칙은 자연현상에서부터 직접 찾아낸 경험으로부터 탄생했다. 케플러는 한발 더 나아가 행성 운동의 근본적인 원인을 찾고 싶었다. 행성은 태양에 가까워질수록 공전 운동 속도가 빨라지고 또 멀리 떨어질수록 속도가 느려진다. 태양과 그토록 멀리 떨어져 있는 행성들은 자신이 태양에 접근 또는 후퇴하는지를 어떻게 알아내는 것일까? 행성이 태양의 존재를 감지할 수 있는 모종의 방법이 있지 않을까? 그렇다면 떨어져 있어도 작용하는 자기력 같은 힘이 태양과 행성 사이에서 작용하는 것은 아닐까? 케플러는 행성 운동의 근본 원인이 자기력의 작용과 유사한 성격일 것이라고 제안했다. 그는 놀랍게도 만유인력의 개념을 예견한 것이다.

 

케플러가 죽고 36년이 지난 후에 '만유인력의 수학적 정의'라는 결실이 아이작 뉴턴을 통해 맺어지게 된다. 

아이작 뉴턴

물체가 떨어지는 일은 태초부터 있었다. 달이 지구 둘레를 돈다는 사실도 까마득한 옛적부터 알려져 있었다. 그렇지만 이 두 가지 현상이 같은 힘에 따라 일어난다는 사실을 최초로 알아낸 사람이 뉴턴이었다. 만약 달을 지구 쪽으로 잡아당기는 힘이 없었다면 달은 직선으로, 그러니까 달이 도는 궤도의 접선 방향으로 날아가버린다. 그러나 어떤 힘이 달을 계속해서 지구 쪽으로 끌어당기기 때문에 달은 거의 원에 가까운 궤도를 그리며 운동을 한다. 뉴턴은 이 힘을 중력이라고 불렀고, 거리를 두고도 작용하는 힘, 즉 원격 작용이 가능한 힘이라 생각했다. 사과를 떨어뜨리는 힘과 달이 원 궤도를 따라 운동하도록 만드는 힘이 서로 같았다는 게 밝혀지는 순간이었다.

뉴턴은 케플러의 법칙을 이용해 중력 즉, 만유인력의 세기를 수학적으로 추정하였다. 더 나아가 만유인력을 비롯한 힘들이 물체에 작용할 때 물체의 운동 상태가 어떻게 변화하는지에 대한 예측의 적중률을 높이는 세 가지 운동 법칙도 만들어냈다. 

 

뉴턴 운동 법칙은 지구 상에 있는 물체 운동뿐만이 아니라 천체의 운동까지도 타당성 있게 설명하였다. 이로 인한 천문학의 비약적인 발전은 우리의 시야를 태양 너머 드넓은 우주로 확장시켰다.

중력의 비밀을 파헤친 아인슈타인

알버트 아인슈타인

뉴턴의 운동 법칙의 기저엔 서로 독립적인 시간과 공간이 있었으며, 시간의 흐름과 공간엔 절대적 지위가 부여되었다. 그러나 아인슈타인은 시간과 공간의 절대성을 부정하고, 시간과 공간을 '시공간'이라는 서로 유기적으로 엮여있는 초차원적 개념으로 보았다. 

더 나아가 아인슈타인은 질량을 가진 물체 주위의 시공간 왜곡을 중력의 원인으로 지목하였다. 이러한 아인슈타인의 가설은 에딩턴의 관측 결과 팩트임이 입증되었다. 뉴턴이 규명하지 못했던 만유인력의 정체가 아인슈타인에 의해 근현대에 와서 밝혀지게 된 것이다.

시간과 공간의 통합은 질량과 에너지가 서로 동등한 것이었음으로 귀결되었다. 이로 인해 전우주적 동력으로써 무궁무진한 에너지의 출처를 알게 되었고, 인류는 그 에너지로 드넓은 우주로의 항해에 첫 발을 떼게 되었다.

혜성들의 고향, 오르트 구름

오르트 구름은 태양계의 가장자리를 껍질처럼 둘러싸고 있다고 여겨지는 가상의 천체 집단을 말한다. 광속으로도 1년 남짓 걸리는 거리에 있다 보니 보통 태양계의 '끝'하면 떠올리는 명왕성 언저리 정도는 아득하게 초월하는 수준이다. 거리도 멀고 천체의 크기도 비교적 작아서 실존 여부를 실제로 확인하지는 못했다. 하지만 혜성의 궤도 장반경과 궤도 경사각의 통계에 의거하여 존재를 추정하였고, 그 존재가 거의 확실시되어가고 있다.

 

현시점에서 지구로부터 가장 멀리 날아간 우주 탐사선인 보이저 1호가 오르트 구름 안쪽 경계에 도달하는 것은 2310년쯤이며, 오르트 구름을 완전히 벗어나려면 대략 3만 년의 시간이 걸린다. 한계에 한계를 넘어서는 인류의 여정은 끝을 모르는 듯하다. 마치 나의 여정과 같다.

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"구름 너머 세상을 내 품에 안을래"

어둠만이 나의 전부였던 동안
숨이 벅차도록 달려왔잖아
경계의 끝자락
내 끝은 아니니까

 

두 눈앞의 끝, 사뿐 넘어가
한계 밖의 trip, 짜릿하잖아
녹이 슨 심장에 쉼 없이 피는 꿈
무모하대도 믿어 난

 

구름 너머 세상을 내 품에 안을래
나의 여정을 믿어 난

윤하 - 오르트 구름 中 

 

밤의 들판에 서서 어두컴컴한 하늘의 심연을 올려다보며 더 넓은 세계에 대한 질문을 마음에 품은 인간으로 인해 우주는 138억 년간의 오랜 침묵을 깨게 되었다. 우리가 한 평 남짓의 공간에 앉아 우주의 탄생과 종말을 상상하며, 자신의 내면 안에 무한한 우주를 담아 우주의 의미를 이해하려 하는 면에서 인류의 존재는 '우주적'이고 그렇기에 인간은 절대 하찮지 않다. 나의 우주를 보는 유일한 자이자, 세상에 의미와 가치를 부여하는 최후의 존재는 바로 나 자신이다.

 

인생.

뭐 그렇게 오래 살지 않았지만 쓰디쓴 바람에 수많은 생채기를 겪어오며 내 심장도 남들과 다를 바 없이 여리다는 걸 알게 되었다. 그러나 그 바람은 내 심장에 생채기만 남기지 않았다. 바람에 흩날려 온 자그마한 씨앗은 생채기 난 심장에 자리 잡아 소중한 꿈으로 자라나고 있었다.

수십 번 깨지고 슬퍼하고 자책하면서도 내 심장에서 쉼 없이 피어가는 소중한 꿈을 지키기 위해 나는 오늘도 그 바람을 등지고 앞으로 달려간다.

 

끝이 새로운 시작임을 알기에

무모함이 새로운 기회임을 알기에

녹슨 심장에도 꿈이 피어남을 알기에

사소한 모든 것의 의미를 찾아가며 앞으로 달려가리라.

경계의 끝자락에서 피어나는 수많은 꿈들을 품기 위해 앞으로 달려가리라

 

「참고자료 및 문헌」

태양에 도착한 美 우주선 - 한국경제 천자칼럼

통념과 상식을 거스르는 과학사 - 로널드 L. 넘버스

지대넓얕0 - 채사장

오르트 구름 -나무 위키-

각 이미지 구글 출처