위키독:올베르스의 역설 - 밤은 왜 어두운가?

낮과 밤

파일:/api/File/Real/590a7e8f0fa8ac777055cb501

낮은 밝고 밤은 어둡다.

낮

낮이 밝은 이유는 대부분 태양이 있기 때문이라고 생각한다. 너무 당연해보이지만 이것은 지구에서만 그렇다. 낮에 하늘이 푸르게 보이는 이유는 대기의 산란 때문인데 태양에서 들어오는 빛 중, 청색광이 가장 산란이 많이되어 우리 눈에 들어오기 때문이다.

그림과 같이 노을이 지는 시간에는 태양빛이 상대적으로 먼거리를 이동하여 들어오기 때문에 파란색은 산란이 되다 못해 아예 대기에 흡수되어버리고 빨간 빛만이 우리 눈에 들어오게 된다.

대기가 아예 없는 달에서는 태양이 있음에도 하늘은 검다.

아폴로 11호에서 찍은 사진을 보면 달의 하늘은 검다는 것을 알 수 있다. 이는 달이 밤이든 낮이든 상관없다.

또한, 대기가 있다고 해서 모두 파란 하늘을 가지는 것은 아니다.

위 사진은 화성의 일몰을 촬영한 것이다. 화성 대기의 밀도는 매우 낮아서 태양이 충분히 긴 거리를 이동해도 파란색이 사라지지 않아 일몰이 푸른색으로 보인다. 화성에서 하늘을 본다면 약간 붉은 기운이 도는 하늘을 볼 수 있는데 이는 화성의 먼지때문이다. 화성의 대기에는 엄청난 양의 먼지가 있는데 이 크기는 대략 1.5㎛로 초미세먼지 기준인 2.5㎛보다 낮다. 즉, 화성은 초미세먼지가 가득하다는 뜻이다.

이러한 이유로 인해 화성의 일반적인 하늘은 붉은빛, 일몰은 푸른빛으로 지구와는 완전히 반대의 하늘을 가지고 있다.

밤

밤이 왜 어둡냐고 물으면 대부분 태양이 없기 때문이라고 답한다. 하지만 이 말은 반만 정답이다. 생각해보면 밤에도 엄청난 양의 별이 있다. 이는 허블 망원경이 찍은 「허블 울트라 딥 필드」에서도 증명이 되었다.

Hubble Utra Deep Field a.k.a HUDF

이 사진은 아무것도 없어보이는 하늘에 대고 11일에 걸친 노출로 인해 얻은 것이다. 얼핏 보기에는 꽤 큰 공간을 겨눈 것으로 보이지만 사실 1mm X 1mm의 모눈종이보다 작은 면적을 찍은 사진이며 저 모든 빛들은 별이 아니라 은하이다. 대략 1만 여개의 은하로 대부분 130억년의 과거의 모습이며 우주 탄생 4~8억년 후에 생성된 아주 초기의 은하로 추정되고 있다.

이 면적은 대략 밤하늘의 [[File:http://latex.codecogs.com/gif.latex?\large&space;\frac%7B1%7D%7B130,000,000%7D%7C85x36px%7C\large \frac{1}{130,000,000}]](1억 3천만 분의 1)이며 이 면적에 은하 1만 여개가 있다. 그렇다면 지금 하늘에는 상상도 안 될만큼의 별들이 있다는 것이 된다. 하지만 이렇게 많은 별들이 있는데도 밤하늘은 여전히 어둡다. 이러한 것에 의문을 품었던 사람이 바로 올베르스이며 그가 궁금해했던 '밤하늘이 어두운 이유'는 올베르스의 역설로 남았다.

올베르스의 역설

독일의 천문학자, 하인리히 올베르스 (1758.10.11 ~ 1840.3.2)

그는 이 질문을 던져놓고 해결되는 것을 보지못한 채 세상을 떴다.

올베르스가 살던 때는 18~19세기로써 뉴턴의 중력법칙이 우주에도 적용된다고 알고 있었던 시기이다. 물론 이때에는 우주가 팽창한다거나 우주에 시작이 있었다던가 하는 것을 몰랐던 시대라 내로라하는 천문학자들도 이 문제에 골머리를 싸매고 있었다. 이것은 뉴턴때로 거슬로 올라간다.

뉴턴

뉴턴이 중력법칙을 발견했다는 것은 누구나 안다. 하지만 뉴턴은 이 중력법칙으로 인해 애매한 문제를 다루게 되었다. 바로 우주의 존재에 관한 물음으로 뉴턴을 괴롭혔던 문제는 다음과 같았다.

“모든 물체가 서로 끌어당긴다면 우주는 어째서 한 점으로 붕괴하지 않는가?”

뉴턴은 처음에 이 문제에 대한 해답으로 우주는 아주 정교하여 모든 힘이 적절히 상쇄되기 때문에 현 상태를 유지할 수 있다고 대답하였다. 물론 아주 '정교하다는 것'에 대해서는 문제가 많다는 것은 뉴턴도 알고 있었다. 조금만 삐끗하면 바로 모든 것이 모여들어 우주가 존재할 수 없게 되기 때문이다. 이에 생각에 생각을 거듭하던 뉴턴은 결국에는 우주는 무한하고 그에 따라 무한한 별들이 우주 공간에 고루 퍼져 있어서 서로의 중력을 상쇄하고 있기 때문이라고 말하며 이 문제는 일단락되었다.

올베르스

그리고 여기서 올베르스가 등장한다. 뉴턴의 말대로 우주가 무한하고 또 그만큼 무한한 별이 우주에 퍼져있다면 밤하늘이 어두울 수가 없다는 것이다. 그는 무한한 수의 별이 빛을 내뿜고 있다면 우주 어디서나 어두운 곳은 존재할 수 없게 된다고 말한다. 물론 거리에 따라 빛이 약해지겠지만 그 거리를 상쇄할만큼의 별이 존재한다! 즉, 거리의 제곱에 비례하여 빛의 양이 감소하는 반면, 면적의 제곱에는 별이 늘어나게 되므로 거리는 아무 상관 없게 되는 것이다.

이 그림처럼 멀어질수록 그만큼의 별이 그 거리를 상쇄한다. 무한한 우주에 무한한 별이 고루 분포되었다고 했으니 당연한 논리인 것이다. 만약 뉴턴의 말이 옳다면 실제 밤하늘은 아래의 사진과 같이 보여야 한다. (가정보다 어두운 하늘이다.)

이는 낮에도 마찬가지이다! 태양은 비교적 우리에게 가까운 별이지만 무한한 별을 가정했으므로 태양따위는 간단히 씹어먹을 정도의 빛이 우리에게 쏟아지는 것이다. 이는 낮이나 밤이나 별빛은 어디에서나 쏟아지므로 우리는 결코 어두운 하늘을 볼 수 없다. 하지만 관측결과, 그러니까 밤하늘은 여전히 어둡다. 이는 가설과 관측결과가 정면충돌하는 상황으로 가설을 수정해야 할 필요가 있는 것이다.

올베르스는 생각 끝에 "가스층 흡수 이론"이라는 것을 만들었지만 여전히 해결이 되지 않았다. 먼 곳의 별빛은 중간에 존재하는 가스층에 가려져서 안보이게 된다고 주장하는 이론이었지만 '무한'이라는 것이 발목을 잡았다. 무한한 시간동안 가스에 빛을 비춰주면 가스층 자체가 빛을 내는 발광성운이 되어버린다! 과학자들이 무한이라는 단어를 싫어하는 이유가 다 있다.

윌리엄 허셜

이때 허셜이라는 사람이 나타나 은하의 존재를 확인했다. 즉, 우주는 무한한 것이 아니라 은하라는 것이 존재하며 모든 별은 그 은하 속에 있는 구성물임을 발견한 것이다. 이리하여 우리은하 안에만 별이 존재하여 무한한 별이라는 가설은 맞지 않게 되어 올베르스의 역설은 해결이 된 것처럼 보였다. 하지만 은하 또한 우리은하뿐만 아니라 우리은하 밖에도 엄청난 수의 은하가 있는 것이 밝혀지면서 올베르스의 역설은 다시 고개를 내밀었다.

[1]2-4. 에드거 앨런 포

Edgar Allan Poe. (1809.1.19 ~ 1849.10.7)

그는 당시 천문학자들도 풀지 못한 올베르스의 역설을 해결했다! 문과의 승리인 것이다!

『검은 고양이』 등 추리소설 작가로 알려진 그 사람 맞다. 이 사람은 소설가이면서 아마추어 천문학자이기도 했는데 그가 1848년에 출간한 『유레카』라는 산문시집에서 자신의 천체관측 결과를 산문시로 쓴 것이 있다.

"광할한 우주공간에 별이 존재할 수 없는 공간이 따로 있을 수는 없으므로, 우주공간의 대부분이 비어있는 것처럼 보이는 것은 천체로부터 방출된 빛이 우리에게 도달하지 않았기 때문이다."

이것은 올베르스의 역설을 해결한 것으로 기록되어 있는 최초의 아이디어이다. 실제 현재의 관측결과에 비추어 보아도 틀린 말이 없기 때문이다.

해결

결국엔 현대에 와서 우주가 무한하지 않다는 것이 밝혀지면서 올베르스의 역설은 완전히 해결되었다. 이것은 해결하는데에는 많은 관측 결과들이 뒤따랐는데 크게 보면

• 우주에 시작이 있었다.

우주는 무한하거나 영원한 것이 아니라 시작이 있었다. 그러니까 우주에도 나이가 있다는 말이 된다.

• 빛의 속도는 유한하다.

빛의 속도는 약 초속 30만km이다. 이는 아주 먼 곳에서는 아직 우리에게 도달하지 못한 빛이 있다는 말이 된다.

• 공간의 팽창속도는 빛보다 빠를 수 있다.

흔히 우주의 최고속도를 빛의 속도라고 비유하며 빛보다 빠른 것은 아무것도 없다고 하는데 엄밀히 말하면 빛보다 빠른 것이 있다. 공간의 팽창속도가 바로 그것이다. 과거 빅뱅직후의 공간의 팽창 속도는 빛보다 훨씬 빨랐다. 또 공간의 팽창속도는 멀어질수록 빨라진다. 이는 허블이 발견하여 그의 이름을 따 허블의 법칙으로 알려져 있으며 충분히 먼 거리의 공간은 빛보다 빠른 속도로 팽창하기 때문에 이곳에서 나오는 빛은 영원히 지구에 도달할 수 없다.

• 우주의 크기 ≠ 우주의 나이이다.

공간의 팽창속도가 빛보다 빠르기 때문에 발생하는 현상. 우주의 나이는 현재 137억년으로 알려져 있지만 우주의 크기는 대략 940~960억광년으로 추정되고 있다. 이때문에 우리는 최대 138억년의 빛만을 관측할 수 있게 된다. 이 공간의 크기를 '관측가능한 우주'라고 하며 이보다 더 큰 우주는 우리가 볼 수 없다. 즉, 별빛이 우리에게 도달하지 않는 것이다.

• 먼 은하일수록 붉게 보인다.

이것은 흔히 말하는 도플러 효과때문이다. 흔히 앰뷸런스의 사이렌 소리로 비유하는데 우리에게 가까이 오면 파장이 짧아지면서 고주파의 소리로 바뀌고 멀어지면 파장이 길어지며 저주파로 바뀌는 것이 바로 그것. 대부분 교과서에 채택되어 있는 훌륭한 예이다. 이는 빛에도 그대로 적용되어 먼곳일수록 더 빠르게 팽창하며 도플러 효과가 크게 발생하기 때문에 파장이 긴 붉은빛으로 변해가는 것이다.

이것이 붉다못해 적외선2이 되어버리면 우리 눈이 감지하지 못하므로 그냥 어둡게 보이게 된다.

아래의 유튜브는 밤은 왜 어두운가? 라는 물음에 대답을 주는 4분짜리 영상으로 보고 싶다면 자막을 한국어로 설정하고 보자.