스페이스 크로니클

칼 세이건의 뒤를 잇는 천체물리학자 닐 타이슨,
우주 탐험의 의미를 묻다

지난 1980년 천체물리학자 칼 세이건이 진행한 13부작 우주 다큐멘터리 <코스모스>는 우주의 법칙과 생명의 기원을 아름다운 영상과 친근한 해설을 통해 사람들에게 알려주면서 천문학 대중화에 크게 공헌한 작품으로 이름이 높다. 세이건이 집필한 동명의 책 또한 천문학의 고전으로 자리 잡았다. 그리고 2014년, 이 기념비적인 우주 서사시는 그사이 축적된 새로운 과학적 성과를 바탕으로 전면 리부트되기에 이르렀다. 전 세계 180여 개국에서 방영된 이 다큐멘터리 속에서 칼 세이건 대신 ‘상상의 우주선’을 타고 시청자들을 우주의 광대한 시공간으로 안내한 인물은 뉴욕 헤이든 천문관의 천체물리학자 닐 디그래스 타이슨 박사였다.
‘현존하는 최고의 우주 스토리텔러’인 타이슨의 장기는 복잡하고 어려운 과학적, 기술적 개념을 명쾌하고 쉽게 설명하는 것이다. 특유의 활기찬 화법과 유머 감각으로 풍부한 과학적 사례와 대중문화를 섞어가며 물 흐르듯 이야기하는 그의 능력을 보고 어느 평론가는 “딱딱할 수밖에 없는 기술적 설명조차 마치 영화를 보는 듯하다.”고 평하기도 했다.
“내 목표는 우주를 지상으로 끌고 내려와 뭔가 새로운 것을 찾는 사람들을 좀 더 재미있게 해주는 것”이라는 타이슨은 그러나 사람들에게 흥미로운 오락거리를 제공하는 것에 만족하지 않는다. 사실 모든 과학적 활동에는 당연히 이런저런 비용이 들며, 특히 우주 개발의 경우에는 그 예산이 가히 천문학적이다. 오늘날의 민주적인 사회에서 이런 사업은 여론의 호응 없이 추진하기가 불가능하다. 타이슨 박사는 궁극적으로 우주 탐험에 대한 대중들의 폭넓은 공감을 이끌어냄으로써 더욱 많은 지원과 투자가 우주 개발에 쏟아지기를 염원하고 있다.
이런 자신의 꿈을 담아 펴낸 열 번째 저서 <스페이스 크로니클>에서 타이슨은 인류가 왜 우주를 동경하게 되는지, 왜 우주로 나가려 하고, 나가야 하는지 등의 근원적인 질문을 던지면서 우주 탐험의 과거와 현재, 그리고 미래를 조망하고 있다. 이 책은 세계 최초의 인공위성 스푸트니크, 인간을 최초로 달에 내려놓은 아폴로 11호, 우주왕복선, 허블 우주 망원경 등 지금까지 우리가 어떤 방법과 기술을 이용하여 우주를 탐사해왔는지 살펴보고, 반물질 로켓을 이용한 먼 우주로의 여행이나 웜홀을 통과하는 공간 이동과 같은 미래 기술의 가능성을 전망한다. 이를 통해 궁극적으로 우주의 의미를 다시 한 번 우리에게 일깨우며, 인류의 삶과 정신을 더욱 풍요롭게 만들기 위해 우주로 시선을 확장하고 나아갈 것을 촉구한다.


왜 우주로 나가려 하고, 나가야 하는가

타이슨은 이 책에서, 인간과 지구를 더욱 잘 알고자 한다면 우리는 역설적으로 지구 밖으로 눈을 돌려 우주를 연구해야 한다고 이야기한다. 우주에서 가장 흔한 원소 다섯 가지는 수소, 헬륨, 산소, 탄소, 질소이며, 이 중에서 다른 원소와 반응을 하지 않는 헬륨을 제외한 네 가지는 인간을 비롯한 지구 생명체를 구성하는 주된 원소이기도 하다. 이것은 결코 우연의 일치가 아니다. 바로 지구와 우리가 별의 잔해에서 태어났기 때문이다. 그러므로 인간은 우주 속에서 특별한 존재가 아니고, 우리의 몸이 지금과 같은 구성 성분으로 이루어진 것은 지극히 당연한 결과였다. 우주 탐험이야말로 생명의 탄생에 대한 궁극의 답을 제시해줄 수 있는 길인 셈이다.
20세기 초, 과학자들이 분자와 원자라는 극미세 영역을 관찰하면서 양자역학이 태동했고, 빛의 속도라는 인간이 체감하기 불가능한 속도를 연구하면서 상대성 이론이 생겨났다. 이런 발견을 통해 우리는 이 세상이 인간의 상식을 뛰어넘는 법칙에 따라 존재하고 변화한다는 사실을 깨닫게 되었다. 우리가 가늠할 수조차 없는 거대 시공간인 우주를 탐구하다 보면 세상을 지배하는 또 다른 법칙이 발견될지도 모르는 일이다. 그러면 우리의 세계관은 또 한 차례 변혁을 맞이할 것이다.
하지만 우리 바로 눈앞에 우주가 펼쳐져 있지 않기 때문일까, 우주 탐사의 가치를 체감하기는 여전히 쉽지 않다. 많은 사람들은 우주과학자들에게 이런 질문을 던진다. “지구상에서 굶주림과 질병에 시달리는 사람들을 구제할 돈도 부족한 판인데, 왜 우리 삶과 동떨어진 우주에 돈을 쏟아붓는가?” 아마도 이런 현실적 거리감이 지난 50년 가까이 지구 저궤도에 발이 묶인 채 우주 개발이 정체된 요인의 하나로 작용했을 것이다.
우리 앞에 산적한 온갖 문제를 제쳐놓고 우주로 눈을 돌리는 것이 과연 바람직한 일일까? 이 질문에 타이슨 박사는 지극히 단순하고 현실적인 답변을 하나 내놓는다. 바로 소행성이나 혜성이 언젠가 지구에 충돌할지도 모르기 때문이다. 37억 년 전 지구에 최초의 생명체가 출현한 이래, 생태계는 지금까지 다섯 차례의 대량 멸종 사태를 겪었다. 가장 최근의 대멸종은 6500만 년 전에 발생했으며, 이때 날지 못하는 공룡이 지구상에서 사라졌다. 이 재앙의 가장 유력한 원인으로 지목되는 것이 바로 운석 충돌이다. 오늘날 멕시코의 유카탄 반도에는 직경 200킬로미터짜리 크레이터의 흔적이 남아 있는데, 이것은 그 당시 직경 10킬로미터짜리 초대형 운석이 만들어낸 것이다. 그 충돌 에너지는 2차 세계 대전 때 히로시마에 투하된 원자폭탄 50억 개에 맞먹는다고 한다. 연구에 따르면, 이런 대형 운석의 충돌은 1억 년에 한 번꼴로 일어난다.
타이슨은 소리 없이 지구에 다가오는 소행성이야말로 인류의 생존을 가장 위협하는 존재라고 말한다. 실제로 2029년 4월 13일에 대형 축구 경기장을 가득 채울 정도로 큰 소행성이 통신 위성보다 가까운 거리에서 지구를 스쳐 지나갈 예정이다. 아포피스(이집트 신화에 등장하는 어둠과 죽음의 신)로 명명된 이 소행성이 소위 ‘중력 구멍(keyhole)’이라 부르는 고도까지 접근한다면, 그다음 재상봉일인 2036년에는 캘리포니아와 하와이 사이의 태평양에 충돌할 가능성이 높다. 이 끔찍한 시나리오가 실현된다면 5층 높이의 쓰나미가 북미 대륙 서부 연안을 집어삼키고 하와이의 도시들을 쓸어버릴 것이다. 그러므로 가장 시급한 과제는 지구와 궤도가 겹치는 소행성들의 목록을 만드는 것이다. 그러고 나서 이 소행성들의 움직임을 추적하고, 위험한 소행성들의 지구 충돌을 막는 방안도 계속 연구해야 한다. 핵폭탄을 발사하여 소행성을 폭파할 수도 있고, 중력 견인기를 소행성에 접근시켜 그 진행 방향을 슬쩍 바꿀 수도 있을 것이다.


광속의 한계를 뛰어넘는 우주 여행은 가능할까

<스페이스 크로니클>에서 타이슨은 인류가 하늘과 우주로 ‘비행’하게 된 경위를 차근차근 짚어보고 나서, 나아가 앞으로 어떤 신기술을 이용할 수 있을지 그 가능성을 모색해본다. 수천 년 전부터 하늘을 나는 새를 동경하면서 자유롭게 비행하기를 꿈꿔왔던 인간이 드디어 하늘로 날아올라 비행을 하게 된 지는 겨우 100년 남짓 지났다. 1903년 라이트 형제는 인류 최초로 비행에 성공했지만, 불과 2년 전만 해도 윌버 라이트는 글라이더 시험 비행에 실패한 후 동생 오빌에게 “사람이 하늘을 날려면 50년은 기다려야 할 것”이라고 푸념했다. 비행기가 발명된 이후에도 많은 사람들은 음속보다 빠른 비행이란 불가능하다고 생각했다. 하지만 음속 장벽 또한 1947년 미 공군의 로켓 추진 비행기 벨 X-1에 의해 극복되었다. 물리학 법칙에는 “음속보다 빠르게 움직일 수 없다.”는 조항이 없다. 인간의 꿈은 기술적으로 구현하기가 어렵다 해도, 물리학 법칙에 위배되지만 않는다면 언젠가는 실현되기 마련이다. 마침내 1969년, 인류는 아폴로 11호를 탄 채 지구의 중력을 이겨내고 달까지 다녀오는 데 성공했다.
현재 항공우주공학자들 앞에 놓인 가장 큰 과제 중 하나는 화학 연료를 능가하는 고효율 추진 장치를 개발하는 것이다. 지금까지 우주 여행에 주로 사용되어온 화학 연료 로켓은 그 추진력에 한계가 있다. 그런데 우주선이 지구 대기를 벗어난 후에는 굳이 막대한 양의 화학 연료를 태워가며 추진력을 발휘할 필요가 없다. 예를 들면 소량의 이온화된 제논 가스만으로도 우주 공간에서는 엄청난 속도를 낼 수 있다. 태양풍을 바람 삼아 항해하는 솔라 세일(solar sail) 또한 미래의 기술로 연구되고 있다. 가벼운 솔라 세일 우주선이 우주로 나가 꾸준히 가속하면 몇 년 후에는 시속 수만 킬로미터에 도달하게 된다. 핵반응기를 이용한 우주선도 조만간 등장할 것으로 예상된다. 핵반응기에서 생성되는 에너지는 화학 연료 에너지의 수백에서 수천 배에 달한다.
그러나 뭐니 뭐니 해도 연료 효율이 가장 높은 것은 바로 ‘반물질 로켓’이다. 이것은 물질과 반물질이 만나면서 생성되는 에너지를 추진력으로 사용하는 로켓인데, 부산물도 없고 효율도 엄청나게 높아서 최상의 엔진으로 불리지만 반물질을 다루는 기술이 아직 개발되지 않아서 SF 소설에만 간간이 등장하고 있다. 문제는 반물질을 보관하는 방법이다. 격납고라든가 금고 같은 것은 모두 물질로 이루어져 있으므로, 재질이 아무리 견고하다 해도 그 안에 반물질을 넣는 순간 곧바로 사라진다. 따라서 반물질은 물질이 아닌 보관 장치, 예를 들면 자기장을 특별한 형태로 가공한 자기 호리병(magnetic bottle)에 보관해야 한다. 여기서 한 걸음 더 나아가 우주에 대한 이해가 지금보다 훨씬 깊어지면 시공간 속의 지름길인 웜홀(wormhole)을 통해 목적지에 도달할 수 있다. 이런 단계에 이르면 우주 여행의 한계가 사실상 사라지게 된다.


인류의 다음 목적지는 어디인가

물론 반물질 로켓이라든가 웜홀을 돌파하는 여행은 그 실현 가능성을 이야기하기가 민망할 정도로 한참 먼 미래의 이야기다. 그렇다면 지금 우리가 찾아갈 만한 목적지는 어디일까? 지구에서 가까운 행성으로는 금성과 화성이 있는데, 금성은 두꺼운 이산화탄소 대기가 일으키는 온실 효과로 표면 온도가 섭씨 480도에 이르고 대기압도 지구의 90배가 넘기에 인간은커녕 무인 탐사선조차 온전히 버티지 못한다. 따라서 달을 넘어서 가볼 수 있는 다음 천체는 화성일 수밖에 없다.
2010년 4월 15일, 버락 오바마 미국 대통령은 플로리다에 있는 케네디 우주 센터에서 2030년대 중반까지 화성에 사람을 보내겠다는 계획을 발표했다. 물론 지금도 로봇을 이용한 화성 탐사는 꾸준히 진행되고 있다. 1960년대부터 미국과 소련은 화성에 탐사선을 보냈고, 현재는 마스 익스프레스 오비터 같은 탐사선이 화성 궤도를 돌면서 공중에서 화성 표면을 촬영하고 있으며, 오퍼튜니티와 큐리오시티 같은 탐사 로봇이 화성 표면을 돌아다니면서 화성의 지형을 관찰하고 시료를 채취하여 분석 결과를 지구로 보내주고 있다. 우주 탐사를 수행하는 데 로봇은 아주 유용한 수단이다. 로봇을 우주로 보내는 데 드는 비용은 인간의 경우에 비해 50분의 1에 불과하다. 생명 유지 장치도 필요 없으며, 임무를 완수한 후 지구로 귀환할 필요도 없다. 불의의 사고가 일어나도 그저 비싼 기계 장치를 잃는 선에서 끝날 뿐이다. 사람은 지구에 앉아서 로봇이 보내온 자료를 분석하기만 하면 그만이다.
그런데 굳이 사람을 보내려는 이유는 무엇인가? 무엇보다도 사람에게는 감정과 직관이라는 것이 있어서, 때로 로봇이 못하는 일을 해낼 수 있기 때문이다. 로봇은 미리 예측된 사실을 조사하고 확인하지만, 인간은 예기치 않은 곳에서 의외의 발견을 할 수 있다. 탐사 로봇 스피릿은 2004년 1월 4일 화성에 착륙하면서 펴진 에어백에 길이 막히는 바람에 12일 동안이나 갇혀 있었다. 만일 사람이 함께 있었다면 그 자리에서 에어백을 치우고 스피릿을 살짝 밀어서 곧바로 임무를 개시하도록 만들었을 것이다. 마지막 유인 달 탐사선인 아폴로 17호의 우주인이자 지질학자인 해리슨 슈미트는 착륙선 주변을 거닐던 중 우연히 오렌지색 토양을 발견하고는 그 자리에서 채취했다. 나중에 분석해보니 그것은 화산 유리 조각이었는데, 로봇이라면 이런 식의 즉각적인 판단을 하지 못했을 것이다.
오바마의 구상이 실현된다면 인류의 우주 탐사는 새로운 전기를 맞이할 전망이다. 1972년 아폴로 17호를 타고 마지막으로 달을 밟은 이래 반세기 가까이 인간은 지구 주변의 저궤도만 맴돌았기 때문이다. 우리는 과연 화성에 발자국을 남길 수 있을까? 그리고 유인 화성 탐사가 성공한 이후 더 먼 우주로 나아갈 수 있을까? 나아가 어떤 뜻밖의 발견이 우리를 기다리고 있을까? 타이슨 박사의 말처럼, “탐험과 발견은 인간의 뇌에 각인되어 있는 본능”일지도 모른다.