오늘 밤 도착한 빛은 수천 년 전에 출발했다 — 밤하늘이라는 시간 여행

오늘 밤 도착한 빛 중에는, 지구에 인간이 나타나기 훨씬 전에 출발한 것도 있다.

우주 사진을 보면 보통 ‘저기는 얼마나 멀까’를 먼저 묻게 된다. 그런데 질문을 조금 바꾸면 사진이 다르게 보인다.

우리는 지금, 언제의 우주를 보고 있을까?

태양빛도 도착하는 데 시간이 걸린다

빛은 빠르지만 순간이동하지는 않는다. 태양 표면을 떠난 빛이 지구까지 오는 데에는 약 8분 20초가 걸린다. 우리가 받는 햇빛은 그만큼 이전에 출발한 신호다.

광년도 시간 단위처럼 들리지만 실제로는 거리 단위다. 빛이 1년 동안 이동한 거리라는 뜻이다. 가까운 우주에서 수천 광년 떨어진 천체를 보면, 수천 년을 여행한 빛을 보고 있는 셈이다.

망원경은 멀리 보는 도구인 동시에 오래전 모습을 받는 도구다. 과거로 몸을 보내는 타임머신은 아니지만, 과거에서 온 정보를 모은다는 말은 비유만은 아니다.

6,500년을 건너온 별의 탄생

제임스 웹 우주망원경 NIRCam으로 관측한 ‘창조의 기둥’(2022년 공개). 적외선 관측 자료를 가시적인 색에 대응시킨 이미지다. Credit: NASA, ESA, CSA, STScI; J. DePasquale, A. Koekemoer, A. Pagan (STScI). 원본·설명. 게시용 크기 축소·JPEG 압축.

거대한 바위산처럼 보이지만 단단한 절벽이 아니다. ‘창조의 기둥’은 독수리성운 안에 있는 가스와 먼지의 구조다. ESA는 이 성운까지의 거리를 약 6,500광년으로 설명한다.

이곳에서는 어린 별이 만들어진다. 충분한 질량이 모인 덩어리가 중력으로 수축하며 가열되고, 별 형성의 과정으로 이어진다. 가장자리의 붉고 구불구불한 흔적 중에는 형성 중인 별이 뿜어내는 물질과 관련된 구조도 있다.

사진 속에서 우리가 만나는 것은 오늘 그곳의 실시간 모습이 아니다. 수천 년 전 그 영역에서 출발해 이제 망원경에 도착한 빛이다.

사진 한 장을 보고 있는 동안, 그 빛이 건너온 시간은 인류가 쌓아온 긴 역사의 상당 부분을 가로지른다.

이번에는 별 몇 개가 아니라, 은하 수천 개

웹 망원경의 첫 딥필드: 은하단 SMACS 0723과 그 앞뒤의 천체들(2022년 공개). Credit: NASA, ESA, CSA, and STScI. 원본·설명. 게시용 크기 축소·JPEG 압축. 사진 속 모든 천체가 같은 거리에 있는 것은 아니다.

이 사진에서는 작은 빛무리 하나가 은하인 경우가 많다. 은하 안에는 수많은 별이 있다. 단, 뾰족한 회절 무늬가 눈에 띄는 밝은 천체 등 우리 은하의 전경 별도 함께 찍혀 있으므로, 보이는 점을 전부 먼 은하로 세면 안 된다.

중심의 은하단 SMACS 0723은 NASA 설명에 따르면 약 46억 년 전 모습으로 보인다. 그보다 앞에 있는 천체도, 뒤에 있는 더 먼 은하도 같은 화면에 담겼다.

우주 사진 한 장은 하나의 시각에 찍힌 관측이면서, 서로 다른 시대에서 출발한 빛의 모음이기도 하다.

휘어진 주황색 선은 사진 오류가 아니다

중심 주변의 길고 휘어진 호를 보자. 은하단의 질량이 뒤쪽 은하에서 오는 빛의 경로를 휘게 만들어, 천체가 늘어나거나 확대되고 때로는 여러 상으로 보인다. 중력렌즈다.

앞쪽의 은하와 암흑물질이 함께 자연의 확대경 역할을 한다. 망원경만으로 보던 장면에 우주 자체의 렌즈가 하나 더 놓인 셈이다.

그러니 구부러진 은하 모양은 단지 특이하게 생긴 장식이 아니다. 빛이 여기까지 오는 동안 어떤 중력 환경을 통과했는지 알려주는 단서다.

색을 입혔다고 상상화가 되는 건 아니다

웹은 주로 적외선을 관측한다. 우리 눈에 보이지 않는 파장별 관측값을 색으로 대응시키고 합쳐서 이런 이미지를 만든다.

따라서 사람이 우주선 창문에서 맨눈으로 보았을 때 반드시 똑같은 색을 보는 것은 아니다. 그렇다고 임의로 그린 가상의 풍경도 아니다. 실제 측정한 빛의 분포를 사람이 읽을 수 있게 표현한 것이다.

색을 해석할 때는 어떤 필터를 어느 색에 대응했는지 확인하면 좋다. 우주 사진에는 보기 좋은 풍경과 측정 자료라는 두 성격이 함께 있다.

멀리 볼수록 과거를 본다. 다만 거리는 조금 복잡하다

수십억 년 규모로 가면 우주의 팽창까지 고려해야 한다. ‘빛이 여행한 시간’과 ‘지금의 우주에서 정의한 거리’는 같은 숫자가 아니다. 46억 년 전 모습이라고 해서 현재 거리도 단순히 46억 광년이라고 고정되는 것은 아니다.

그리고 먼 별을 볼 때마다 ‘이미 죽은 별일 것’이라고 생각할 필요도 없다. 별의 수명은 종류마다 크게 다르며, 빛의 지연만으로 지금 상태를 단정할 수 없다.

확실한 것은 하나다. 그곳의 소식은 빛보다 먼저 우리에게 도착하지 않는다.

밤하늘은 현재의 지구에 펼쳐져 있지만, 그 안의 빛들은 저마다 다른 시각에 출발했다. 누군가는 그것을 풍경이라고 부르고, 천문학자는 그 빛에서 역사를 읽는다.

밤하늘이 멋진 이유는 멀어서만이 아니다. 오래전의 무언가가 아직도 우리에게 도착하고 있기 때문이다.

사진·참고 자료

• NASA: 광년과 빛의 이동 시간
• ESA/Webb: 창조의 기둥 이미지와 설명
• NASA: 첫 딥필드와 약 46억 년 전의 은하단
• ESA/Webb: 첫 딥필드와 중력렌즈
• ESA/Webb: 관측 자료의 색 표현
• ESA/Webb 이미지 이용조건