[우리나라의 우주 개발이 속도를 내고 있습니다. 올해 6월 한국 최초의 우주발사체 '누리호' 발사가 성공했고, 지난 8월 쏘아올린 달 궤도선 '다누리호'는 우주에서 영상과 사진, 문자를 보내오고 있습니다. 우주에 관한 높아진 관심과 호기심을 풀어주기 위해 경제관료 출신 이철환씨가 최근 출간한 <우주패권의 시대,4차원의 우주이야기>중 일부를 저자와 협의해 칼럼 형식으로 게재합니다]

우리가 사는 지구의 바깥세상에도 지구와 같은 천체가 무수히 많이 존재한다. 이렇게 지구를 포함한 모든 별이 있는 끝없이 넓은 공간을 우주라고 한다. 우주는 유한한가 아니면 무한한가? 사실 우리는 그것을 알지 못한다. 더욱이 우주의 중심이 어딘지도 알 수가 없다. 그래서 천문학자들은 '가시적 우주(可視的 宇宙, visible universe)'와 '관측 가능한 우주(observable universe)'라는 개념을 사용한다.

우주는 워낙 커서 직접 도달하기에 너무 멀다. 그래서 태양계 바깥의 천체의 경우 정보 전달체인 빛을 통해 연구하고 알아내는 수밖에 없다. 이 빛을 받아들여 빛의 세기와 색 정보, 또 감마선부터 전파까지 빛의 파장에 따른 세기를 측정한다. 이런 자료와 물리학적 지식을 동원해 천체의 온도· 나이· 질량 등을 계산한다. 나아가 별이 어떤 상태에 있는지, 은하라면 어떤 종류의 은하이고 어떤 진화 과정을 거쳤으며 미래에는 어떻게 될 것인지, 우리의 우주는 언제 어떻게 태어났고 어떻게 진화해 현재에 이르렀으며 미래에는 어떻게 될 것인지를 연구하고 있다.

지금까지의 관측결과에 따르면 현재의 우주는 대폭발 이후 약 138억 년이 지난 것으로 보인다. 즉 우주의 나이가 138억 살인 것이다. 이는 빛이 우주를 가로지르는데 138억 년이 소요된다는 의미이다. 아울러 우주 반경이 138억 광년이라는 의미이기도 하다. 따라서 가시적 우주는 중심에 우리가 있고 반지름이 138억 광년 되는 가상적인 구로 생각할 수 있을 것이다.

그런데 이론적으로 '관측 가능한 우주(observable universe)'의 크기는 이보다 훨씬 더 큰 것으로 추정되고 있다. 그리고 이 관측 가능한 우주에는 수천억 개의 은하가 있으며, 은하의 구성원인 별은 지구에 있는 모래알의 개수보다도 더 많다. 여기서 '관측 가능'의 의미는 특정한 물체가 발하는 각종 파장 등의 신호가 원리상 영원한 미래에 지구에 닿을 수 있다는 것을 말한다. 이와 같은 개념은 천체에서 발생하는 빛과 다른 신호가 우주팽창의 시작부터 지구에 이르는 데까지 시간이 걸리기 때문에 만들어졌다.

초속 30만km로 이동하는 빛의 속도도, 우리 은하를 가로지르는 데는 약 10만 년, 우리 은하의 바로 이웃 은하로 알려진 안드로메다 은하(Andromeda Galaxy) 까지 이동하는 데는 약 254만 년이라는 천문학적인 시간이 필요하다고 알려져 있다.

우주의 무수한 은하 중에 하나를 이동하는데 이렇게나 오랜 시간이 걸린다면, 우주 전체를 이동하는 데는 과연 얼마나 오랜 시간이 걸릴까? 우주의 일부는 너무 멀어 빛조차 138억 년을 여행해도 지구에 도달하지 못하였다. 그래서 이 부분을 관측 가능한 우주 밖에 있다고 하며, 이렇게 관측이 불가능해지기 시작하는 곳을 '우주의 지평선(cosmic horizon)'이라고 한다.

관측기술의 발전은 우주의 크기를 점점 더 키워나가고 있다. 현시점에서 우리가 관측할 수 있는 가장 멀리서부터 온 빛은 138억 년 전에 출발한 빛이다. 그런데 이 빛이 우리에게 오기까지 걸린 138억 년 동안에도 우주공간은 계속해서 팽창하였고 지금도 팽창하는 중이다.
따라서 그 빛이 출발한 지점과 지구 사이의 현재 거리는 138억 광년보다 훨씬 멀 것이다. 이에 지금까지의 관측 가능한 우주의 크기는 지구를 중심으로 반경 465억 광년, 직경 총 930억 광년의 규모로 추정된다. 즉, 우주는 한쪽 끝과 반대편 다른 끝 사이의 거리가 930억 광년인 큰 공 모양을 하고 있다는 것이다.

그런데 이 관측 가능한 반경은 앞으로도 계속 확장될 것이며, 그 너머의 거리는 우주의 종말까지 기다려도 영원히 관측할 수 없을 것이다. 이렇게 되는 이유는 우주가 가속 팽창하기 때문이다. 허블의 법칙에 의하면 우주는 지금도 계속 팽창하며, 상당히 먼 거리에 있는 천체는 빛보다 더 빠른 속도로 우리로부터 멀어지고 있다. 게다가 암흑에너지라는 미지의 힘에 의해 우주는 가속 팽창을 하고 있음이 밝혀졌다. 이는 결국 관측 가능한 우주 바깥에서 출발한 빛은 우주의 종말까지 기다려도 지구에 영원히 도착하지 못한다는 것을 말한다.

이처럼 전체 우주의 크기에 대해서는 현재로서는 추정할 방법조차 확실하지 않다. 따라서 우주의 크기가 유한한지, 무한한지조차 알 길이 없으며, 단지 확실히 말할 수 있는 사실은 전체 우주가 무한하거나, 유한하고 끝이 있다면 엄청나게 크다는 것이다.

우리가 아는 우주 안의 물질은 5%도 채 되지 않는다. 그동안 인간이 우주를 연구하면서 알아낸 것은 우리가 우주의 95%가 무엇으로 이루어졌는지 모른다는 사실이다. 이 95%의 물질은 다시 27%의 암흑물질과 68%의 암흑에너지로 구성된다. 암흑물질은 질량이 있기에 다른 물질을 끌어당기는 중력을 발휘할 수 있다. 이와 반대로 암흑에너지는 빈 공간에서 우주를 밀어내는 역할을 한다. 우주가 가속 팽창하는 데 주요한 작용을 하는 에너지이다. 우리가 아는 물질의 5%도 4%는 수소와 헬륨으로 이뤄져 있고, 별과 같은 천체는 1%가 채 되지 않는다.

우주는 수억 광년 규모로 은하가 없는 빈 공간인 '거시공동(Void)', 또 이것의 외곽을 따라 은하나 성간물질들이 길게 이어진 '거대가락(Filament)'이 형성되어 있다. 그리고 이 가락들이 두 개 이상 교차하는 지점에는 은하단 혹은 초은하단이 있으며, 이 가락들은 우주 저편까지 서로 엮여나가 해면 또는 거미줄 같은 구조를 형성하고 있다. 우주의 이러한 형태를 '우주의 거대 구조 (large scale structure of the universe)' 라고 부른다.
거시공동 즉 보이드는 우주공간에서 수억 광년 스케일로 텅 빈 것처럼 보이는 구역, 다시 말해 초은하단과 거대가락을 제외한 구역을 말한다. 그렇다고 그 지역에 아예 물질이 없거나 천체들이 전혀 없는 것은 아니다. 단지 그 공간을 빛을 내지 않는 물질인 암흑물질이 채우고 있거나, 특정 천체가 존재하지 않을 뿐이다. 크기는 3천만 광년 ~ 3억 광년 정도이다.

보이드와 보이드 사이에 위치하는 거대가락, 즉 필라멘트는 기다란 실가닥 형태로 구조를 이루고 있다. 그래서 은하단에 새로운 은하들과 가스를 보충하는 통로와도 같은 역할을 한다. 은하뿐만 아니라 보이지 않는 암흑물질의 분포 또한 필라멘트 구조의 분포를 따르고 있다.
우리 은하는 라니아케아 초은하단(Laniakea Supercluster)의 변방에 있는 거대가락 중 하나에 속해 있을 것으로 보인다. 우주가 진화해감에 따라 점점 가늘어지며 가닥의 개수 또한 감소한다. 먼 미래에는 초은하단으로 전부 흡수되어 사라질 것으로 보인다.

특히 거대한 규모의 필라멘트가 길게 늘어져 있는 경우를 장성(長城), 또는 '거대한 벽(Great wall)'이라고 부른다. 이는 은하들의 군집 단위 중 가장 큰 단위로 초은하단의 군집체다. 거대한 벽의 길이는 약 5억 광년 정도이며 높이는 약 2억 광년, 그리고 두께는 약 1천 5백만 광년 정도가 된다.

지금까지 발견된 거대한 벽들로는 13억 광년 규모의 '슬론 장성(Sloan Great Wall)', 퀘이사들의 필라멘트인 40억 광년 규모의 'Huge-LQG'가 있다. 그리고 가장 큰 구조물로 알려진 '헤라클레스자리-북쪽왕관자리 장성(Hercules-Corona Borealis Great Wall)'은 100억 광년에 달한다. 이는 관측 가능한 우주의 약 11%를 차지하는 엄청난 크기이며, 태양의 약 10^19배에 달하는 질량을 가지고 있다.

이처럼 우주는 다양한 구조를 지니고 있다. 규모가 작은 순서부터 보면 은하(Galaxy), 은하군(Group of galaxies), 은하단(Galaxy Cluster), 초은하단(Galaxy Superclusters), 큰 구조물 등이 있다. 은하군과 은하단들이 무리를 지어 초은하단을 이루고 있으며, 초은하단 이상 큰 규모의 천체를 우주의 거대 구조(large scale structure of the universe)라고 부른다.

이중 은하는 우주를 구성하고 있는 기본단위로, 수천억 개의 별과 가스 성운 · 암흑 성운 등으로 이루어져 있다. 은하는 항성, 밀집성, 성간물질, 암흑물질 등이 중력에 의해 뭉친 거대한 천체이다. 우주를 구성하고 있는 기본단위인 은하는 우주를 사람의 몸으로 비유하면 세포에 해당한다. 따라서 은하는 우주에 대한 수많은 정보를 갖고 있다. 우주에는 이러한 은하가 수천억 개가 존재한다고 한다.

우리가 살고 있는 태양계를 포함하는 은하는 '우리 은하' 또는 은하계라고 부른다. 수 세기 동안 사람들은 지구가 속한 '우리 은하'를 유일한 은하계로 생각했다. 그러나 천문관측 기술의 발전으로 수많은 외부 은하들이 속속 밝혀지고 있다. 우리 은하처럼 다른 많은 은하에서도 성운이라고 하는 성간 가스와 티끌 입자 구름을 볼 수 있다.

은하의 크기는 은하마다 매우 다양하나 일반적으로 매우 큰 규모다. 은하는 수많은 별들로 이루어져 있는데, 각 은하에는 보통 10억 개 이상 수천억 개의 별이 있다. 은하의 지름은 대략 수만~수백만 광년으로 추정된다. 크기가 보통 수준 이상인 우리 은하는 지름이 10만 광년에 이른다. 한 은하단 안에서 은하간 거리는 평균 약 100만~200만 광년이고, 은하단간 공간은 이것의 100배 정도 될 것이다.

지금까지 발견된 은하 중 가장 큰 'IC 1101 은하'는 지름이 약 400만~600만 광년 정도로 추정된다. 우리 은하보다 무려 40~60배 더 크다. 심지어 우리 은하와 안드로메다 은하(Andromeda Galaxy) 사이의 거리 254만 광년을 훌쩍 넘는다. 또 거의 모든 은하는 초대질량 블랙홀을 중심부에 갖고 있을 것으로 추측된다. 모체 은하의 중앙팽대부가 크고 무거울수록 블랙홀의 질량도 큰 경향을 지닌다.

가끔 은하들끼리도 서로 충돌하거나 다른 은하들을 잡아먹고 크기를 불리기도 한다. 우리 은하도 우주 초기에 이런 과정을 거치면서 점점 덩치가 커진 것으로 추정되며, 마젤란 은하는 이 과정의 희생양이 된 것으로 알려져 있다. 그리고 우리 은하는 수십억 년 후 바로 곁에 위치한 규모가 2배 이상 더 큰 안드로메다 은하와 충돌할 것으로 예상되고 있다. 우리 은하와 안드로메다 은하는 시간당 40만㎞ 속도로 서로 가까워지고 있다. 결과적으로 약 45억 년 후면 두 은하가 충돌해 거대한 하나의 타원은하가 될 예정인데, 천문학자들은 태어나지도 않은 이 은하에 '밀코메다'(Milkomeda)'라는 이름을 붙여놓았다.　

관측 가능한 범위 내에서의 은하의 총수는 무려 수천억 개 이상인 것으로 알려져 있다. 또한, 이들 은하의 대다수는 은하단 또는 은하군을 이루고 있다. 은하단은 은하들이 모여 만드는 구조로, 보통 수백~수천 개의 은하들이 밀집되어 있다. 은하군은 은하단보다 작은 은하들의 모임으로 보통 수십~백여 개의 은하들이 모여 있다. 우리 은하가 속한 국부은하군이 여기에 속한다.

초은하단은 은하단들이 여러 개 모여 만드는 구조로 우주에서 가장 거대한 구조 중 하나이다. 일반적으로 초은하단은 약 1억 5천만 광년 이내의 영역에서 수십 개의 개별적인 은하단을 가진다. 은하단과는 달리, 초은하단은 서로 중력에 의해 결집되어 있지 않다. 따라서 초은하단에 포함되더라도, 초은하단은 자체 중력만으로 우주팽창을 이겨내지 못하기 때문에 우주가 진화할수록 점점 느슨해지고 있으며 먼 미래에는 개개 은하단 단위로 뿔뿔이 흩어져 버릴 것으로 예측된다. 그 질량은 보통 태양의 1,000조 배~1경 배 정도 된다.

관측 가능한 우주에서의 초은하단의 수는 1,000만 개로 추정된다. 대표적으로 우리 은하가 속한 라니아케아 초은하단이 있다. 우리 은하는 국부은하군(局部銀河群, Local Group of Galaxies)에, 그를 포함하는 라니아케아 초은하단(Laniakea Supercluster)에 포함되어 있다. 국부은하군은 폭이 1,000만 광년이지만, 라니아케아 초은하단은 폭이 5억 광년 이상이다.