은하탈주 : 우주는 팽창한다

은하탈주는 다른 모든 은하단들이 우리가 속한 은하단으로부터 멀어져가는 현상을 말한다. 다시 말해서 그들은 우리가 보는 앞에서 도망가고 있는 셈이다. 은하단이 우리에게서 멀면 멀수록 더 빨리 멀어지게 된다. 앞서 예를 든 건포도 빵을 다시 한번 떠올려보자. 건포도 빵의 반죽이 부풀어 오르면 어떤 일이 일어날까? 당신이 만약 빵 안에 있는 건포도에 실제로 살고 있다고 상상해보라. 빵이 부풀어 오르면 건포도에서 살고있는 당신은 다른 건포도와 거리가 점점 멀어지는 것을 목격하게 될 것이다. 그리고 거리가 멀면 멀수록 더 빨리 멀어질 것이다. 예를 들어 어느 한 건포도가 당신이 살고 있는 건포도에서 2배만큼 멀리 있게 되면 그 건포도는 빵이 팽창할 때도 2배 빠르게 팽창할 것이다. 은하탈주에서도 우주 공간은 위에서 예를 든 것과 같이 진행된다. 우주가 팽창하면서 은하단은 서로 멀어지게 된다. 앞서 잠깐 설명했듯이 은하탈주는 은하가 아니라 은하단이 공간의 팽창을 통해서 서로 멀어지는 현상이기 때문에 정확히 표현하자면 '은하단 탈주' 이다. 하지만 학계에서는 통상 '은하탈주'라는 용어가 사용된다. 그렇다면 마치 우리에게서 도망치는 것처럼 보이는 이 은하탈주가 실제로 일어난다는 것을 어떻게 알 수 있을까? 이것은 적색이동(적색편이)이라고 불리는 물리 효과로 관찰할 수 있다. 우리가 태양을 포함한 거의 대부분의 별들과 이러한 별들로 이루어진 은하 및 은하단은 주로 노란 파장대에서 빛을 발산한다. 하지만 은하에 있는 별들의 노란파장대에서 발사된 최초의 빛이 우리에게 도착할 때는 빨간 파장대에 속하게 된다. 이것은 어떻게 설명될 수 있을까? 우주를 향해 있는 모든 망원경은 흥미롭게도 타임머신이기도 하다. 우주의 천체를 관찰한다는 것은ㅇ 사실 우주의 과거를 바라보는 것이다. 왜냐하면 빛이 지구에 도달하기까지는 일정 시간이 소요되기 때문이다. 일테면 우리에게서 10억 광년 떨어져 있는 은하단의 별빛을 볼 때, 우리는 현재가 아니라 그 별빛이 최초로 지구를 향해 향해하기 시작한 10억 년 전의 별을 보고 있는 것이다. 그 별빛이 저 멀리에 있는 은하단에서 우리 지구에 도달하기 까지 10억 년의 시간이 필요했던 것이다. 나중에 다시 설명하겠지만 이런 사실은 우주의 아주 먼 과거, 심지어 빅뱅의 순간까지도 관측 가능하게 해준다. 빅뱅을 목격함으로써 우주의 최초의 탄생 순간인 빅뱅에서부터 오늘날에 이르기 까지 숨가쁘게 진행되었던 우주의 발전이 관찰될 수 있었고 그와 더불어 그 발전 과정에 있었던 다른 사건들도 이해할 수 있었던 것이다. 우리는 원칙적으로 어느 정도 일정한 거리에 있는 우주만을 관찰할 수 있다. 이 무한히 넓은 우주의 아주 작은 단면만 볼 수 있는 셈이다. 우리들이 볼 수 있는 우주는 하나의 구인데 이 구는 중심과 140억 광년이나 되는 반경을 갖는다. 이 반경 밖에서 오는 빛은 빅뱅 이후 오늘날까지 우리에게 아직 도달하지 못하고 있다. 아주 멀리 떨어져 있는 은하단에 있는 별이 과거 어느 때인가 빛을 비추었고 그 빛이 10억년 후에 우리 지구에 도달한다고 하자. 하지만 이 기간 동안 우주의 전체 공간은 건포도 빵의 예에서처럼 계속해서 팽창했다. 공간이 팽창한다는 것은 광파의 길이가, 즉 파장이 점점 커진다는 의미다. 멀리 떨어져 있는 은하단에서 우리 지구까지 오기까지 시간이 많이 걸릴수록 공간도 팽창하고 빛의 파장도 커진다. 파장이 커진다는 것은 빛의 색이 노란 영역에서 빨간 영역으로 이동한다는 것을 뜻한다. 빨간색 빛은 노란색 빛보다 파장이 더 크기 때문이다. 이러한 빛의 적색이동을 통해서 은하단이 우리에게서 멀어지는 속도와, 그와 아울러 우주의 팽창 속도가 규명될 수 있는 것이다. 그렇다면 우리에게서 점점 멀어지는 은하의 적색이동을 통해서 관찰되는 은하탈주는 왜 빅뱅의 근거가 될 수 있을까? 만약 웅리가 계속해서 팽창하고 우주의 모든 물질들이 서로 멀어진다면 우리는 다음과 같은 사실을 가정해야 한다. 즉, 과거 우주에는 모든 것이 오늘날보다 더 가깝게 응축되어 있었다는 것이다. 우리가 더 먼 과거를 볼 수록 우주는 그만큼 더 조밀했다. 결국 137억 년 전의 빅뱅 때 우주의 물질들은 극도의 높은 밀도와 온도에서 압축되어 있었던 것이다.