망원경, 하늘의 수수께끼를 풀다

조디 포스터가 헤드폰을 쓴 채 거대한 전파망원경 27대 사이에 앉아 우주의 소리를 듣는 영화 <콘택트>의 한 장면. 그는 망원경이 전해주는 정보를 눈이 아닌 귀로 듣는다. 소리로 보는 셈이다. <한겨레> 자료사진

[토요판] 하리하라 눈을 보다
(18) 망원경

푸른 하늘과 누런 대지가 끝없이 이어지다가 만나는 곳. 자연이 빚어낸 황량하고 웅장한 광야와 거기에 줄줄이 늘어선 초현대식 하얀 기계들은 기묘한 부조화 속의 미학을 뽐낸다. 현실 같지 않은 이 광경의 백미는 한 여인이다. 마치 오래전부터 뿌리내린 고목이나 원래부터 그곳에 놓여 있던 암석처럼 늘 같은 자리에서 풍경처럼 존재하는 그녀의 이름은 엘리 애로웨이. 그녀의 몸은 지상의 한 자락에 멈춰 있지만, 그녀의 감긴 두 눈과 귀는 우주의 비밀을 탐색하는 데 바쁘게 움직이고 있다.

소리로 본다

영화 <콘택트>가 어떤 내용이었는지 가물가물한 사람이라도 주인공을 연기한 조디 포스터가 헤드폰을 쓴 채 메마른 대지 위에 세워진 27대의 거대한 전파망원경 사이에 앉아서 우주의 소리를 듣는 장면만은 기억에 남을 것이다. 그런데 이상하지 않은가? 망원경이란 말 그대로 ‘먼 것을 내다보는 거울’이라는 뜻인데, 왜 그녀는 망원경이 전해주는 정보를 귀로 듣는 것일까?

기술의 적용은 필연적으로 인체의 확장과 이어진다. 인간이 자유롭게 쓸 수 있는 두 손을 통해 만들어낸 것은 태생적으로 가지고 태어난 육체의 가능성을 확장하는 것이었다. 인간의 턱은 사자나 악어처럼 튼튼하지 못해-사자의 무는 힘은 사람의 7배, 악어는 무려 20배나 강하다- 일격에 사슴의 목줄기를 물어뜯거나 물소의 머리뼈를 부수지는 못하지만, 암석과 금속을 벼려서 만들어낸 도끼와 칼은 부족한 턱힘을 충분히 보상한다. 오랜 세월 인류는 다양한 방법을 통해 육체의 태생적 한계를 확장해왔으며, 그 대상은 물리적 힘의 영역뿐 아니라 감각의 영역으로도 확장되었다. 흐릿해진 물체를 더 잘 보기 위해 안경이 만들어졌고, 작은 물체를 확대해 보기 위해 확대경과 현미경이 개발됐고, 시야를 확장하기 위해 망원경이 제작됐다. 그리고 그때마다 인간의 시야는 천성적 한계를 극복하고 새롭게 업그레이드되었다.

망원경(telescope)의 어원은 ‘멀다’는 뜻의 ‘tele’와 ‘본다’는 뜻의 ‘skopein’이 더해진 합성어로 말 그대로 먼 것을 볼 수 있게 만들어주는 것을 뜻한다. 망원경을 처음 만든 사람은 17세기 네덜란드의 한스 리페르스헤이로 알려졌다. 안경 제조업자이던 리페르스헤이는 직업상 렌즈를 다루는 일이 많았고, 그 과정에서 우연히 볼록렌즈와 오목렌즈를 겹치면 먼 곳에 있는 물체가 가깝게 보인다는 사실을 알게 되었다. 이 원리를 적용해 그는 1608년 기다란 원통에 두 개의 렌즈를 겹쳐서 만든 최초의 망원경을 선보인다. 당시 이 망원경의 배율은 3배 정도였기에 실용성은 그다지 높지 않았다. 하지만 신기한 장난감 수준에 불과했던 망원경을 제대로 이용하면 오랜 세월 수수께끼에 싸여 있던 하늘의 비밀을 밝힐 수 있다는 것을 알아낸 사람도 있었다. 바로 최초의 근대과학자로 불리는 갈릴레오 갈릴레이(1564~1642)다. 망원경의 존재를 안 갈릴레이는 이를 직접 개량해서 배율을 30배까지 올렸고, 인류 최초로 목성의 새로운 모습을 본 사람이 되었다. 사실 목성은 태양계의 행성 중 금성 다음으로 밝은 별이기에 육안으로도 충분히 볼 수 있지만, 망원경으로 들여다보자 그간 목성의 빛에 가려져 보이지 않았던 네 개의 작은 위성이 모습을 드러냈다.

“구름 사이 아래로부터 주피터(목성)를 둘러싼 네 개의 별이 나타났다. 이 별들은 대공 전하의 수학자인 피렌체 출신의 갈릴레오 갈릴레이가 경이로운 망원경으로 발견한 것이다. 그는 하늘에 위대한 영웅들의 이름을 붙인 고대인들처럼 이 별들을 발견한 뒤 메디치라는 이름을 붙였고, 첫번째 별을 대공 전하께, 두번째 별을 돈 프란체스코 왕자께, 세번째 별을 돈 카를로 왕자께, 네번째 별을 돈 로렌초 왕자께 바쳤다.”(당시 메디치가의 궁정공연 중)

갈릴레이가 최초로 관찰한 4개의 위성은 인류의 천문학에 대한 심안뿐 아니라, 갈릴레이 개인의 인생에도 새로운 빛이 되었다. 목성을 중심으로 도는 위성 4개의 존재는 모든 천체가 지구를 중심으로 돌도록 만들어졌다는 기존의 믿음을 반박하는 ‘눈에 보이는’ 증거였다. 덧붙여 갈릴레이는 이 위성들을 통해 그가 오랜 세월 시달린 경제적 궁핍함과 세속적 차별대우를 일시에 털어낼 수 있는 새로운 비전을 보게 된다. 갈릴레이는 이들을 묶어 ‘메디치가의 별들’이라고 칭한 뒤, 당시 피렌체의 통치자이던 메디치 가문의 코시모 2세와 세 왕자에게 이 별들을 바친 것이다. 하지만 그는 이 형식적인 의식을 통해-애초에 별이란 게 누구에게 가져다 바칠 수 있는 존재가 아니므로- 메디치가의 전속 수학자이자 철학자라는 권위와 함께, 먹고살 걱정 없이 좋아하는 하늘만 실컷 볼 수 있는 경제적 안정도 보장받게 된다. 그는 망원경으로 하늘 저 멀리뿐 아니라, 자신의 미래까지도 본 셈이었다.

갈릴레이의 이런 ‘미래마저 내다보는 망원경적 시야’의 전통은 훗날 영국의 천문학자 윌리엄 허셜(1738~1822)까지 이어져, 허셜은 자신이 최초로 발견한 태양계의 일곱번째 행성인 천왕성을 ‘조지의 별’(George’s Star)이라고 명명해 영국의 조지 3세에게 바친 바 있다. 자신의 이름을 신들과 나란한 반열-지구를 제외하고 이전에 찾은 행성 5개의 이름은 모두 신의 이름에서 유래되었다-에 올릴 수 있다는 것을 안 조지 3세는 크게 기뻐하며 상금으로 무려 4000파운드를 하사한다. 1760년대 영국의 글래스고대 교수였던 애덤 스미스가 연봉 170파운드를 받았다고 하니, 어마어마한 금액이 아닐 수 없다. 허셜은 이 상금을 바탕으로 당시 세계 최대의 망원경을 만들었고, 별들을 보는 눈을 한층 키울 수 있었다. 하지만 ‘조지의 별’은 얼마 못 가 제우스의 할아버지인 우라노스에게 이름을 뺏기고 역사 속으로 사라진다. 아무래도 일개 인간보다는 신들의 왕인 제우스의 조상님 쪽이 더 끗발이 강했던 모양이다.

도끼와 칼로 문명을 발전시켰듯
인간은 기술로 인체를 확장했다
오목렌즈와 볼록렌즈 겹쳐져
우연히 탄생한 망원경 발전하면서
더 큰 눈, 더 먼 눈이 되어간다

어두운 우주, 아스라한 별은
빛을 인공적으로 모아서 보고
가시광선 파장보다 작은 물체는
전자파를 이용해 시각화한다
육체를 초월한 시각이 탄생했다

정보를 조합해 본다

리페르스헤이의 손에서 탄생해 갈릴레이를 거쳐 허셜의 손으로 이어지면서 망원경은 초기의 굴절망원경에서 반사망원경으로 변모하며 점점 덩치를 불려갔다. 빛, 정확히 말하자면 사람의 눈이 인식할 수 있는 가시광선을 보는 광학망원경은 무엇보다도 렌즈의 크기가 중요하다. 사실 우주는 어둡다. 공상과학(SF) 영화에서 등장하는 우주가 검은 스크린 속 작은 점들의 조합으로만 제시되는 건 실제로 우주가 그렇기 때문이다. 따라서 망원경의 성능은 얼마나 크게 볼 수 있느냐가 아니라, 얼마나 더 어두운 것까지, 즉 얼마나 약한 빛까지 잡아낼 수 있는지가 중요하다. 렌즈의 지름이 크면 클수록 빛을 많이 모을 수 있고, 빛을 많이 모으면 어두운 별도 볼 수 있다. 특히나 오목거울을 이용해 반사된 빛을 모아서 보는 반사망원경의 경우, 빛을 모을 수 있는 능력을 집광능이라고 하는데 렌즈 지름이 2배로 증가하면 집광능은 제곱으로 증가한다. 즉, 지름이 2배면 집광능은 4배, 지름이 10배로 증가하면 집광능은 100배 좋아진다. 당연히 집광능이 좋아지면 맨눈으로는 관찰할 수 없던 별도 볼 수 있게 된다. 현미경의 능력이 작은 것을 크게 확대하는 것이라면, 망원경의 능력은 어두운 것을 환하게 밝히는 것이다.

하지만 아무리 집광능을 증가시킨다 한들 가시광선 영역만을 밝혀서 보는 것은 한계가 있다. 렌즈 자체가 지닌 특성 때문에, 아무리 정밀한 기술과 엄청난 자본의 투자가 있다고 하더라도 굴절렌즈는 1m를 넘기 힘들고, 반사경도 최대 8.4m를 넘길 수가 없다. 이건 물리적 한계다. 광학현미경을 아무리 정밀하게 가공해도 가시광선의 파장보다 작은 물체는 볼 수 없듯이 기술적 장치가 지닌 태생적인 한계인 셈이다. 하지만 광학현미경의 한계를 그보다 더 파장이 작은 전자파를 이용해 극복했듯이 망원경의 한계도 전파를 통해 극복될 수 있다. 실제로 별들은 가시광선뿐 아니라 다양한 파장의 전자기파들도 발산하기에 이들을 감지할 수만 있다면 더 어둡고 더 미약한 빛도 감지할 수 있다. 그렇게 해서 등장한 것이 전파망원경이다. 전파망원경은 가시광선 너머의 전파 대역의 파동을 잡아내기에 육안으로는 보기에 불가능한 별의 모습을 포착하는 것도 가능하다.

우주는 상상 이상으로 넓기 때문에 전파망원경 역시도 광학망원경과 마찬가지로 크면 클수록 좋다. 하지만 당연하게도 전파망원경의 크기를 무한정 늘릴 수는 없기에, 다수의 전파망원경을 일정한 패턴으로 배열해서 이들이 늘어선 면적에 해당하는 분해능을 얻도록 배열하는 방법이 개발되어 있다. 영화 <콘택트>에 등장하는 미국 뉴멕시코주의 ‘브이엘에이’(VLA,Very Large Array)의 커다란 전파망원경들이 대표적이다. 가시광선을 이용하기에 접안렌즈에 눈만 대면 볼 수 있는 광학현미경과는 달리 전파망원경은 전파 자체가 인간의 오감으로는 측정 불가능한 정보이기 때문에 전파망원경이 수집한 정보를 해석하기 위해서는 이를 인간이 인식할 수 있는 정보의 형태로 변환해야만 한다. 그런데 그 정보의 형태가 반드시 시각적일 필요는 없다. 즉, 전파 정보를 이미지로 변환할 수도 있지만, 소리로 변환하는 것도 가능하고 또 그래도 무방하다. 영화 속 조디 포스터가 늘 헤드폰을 끼고 사는 건, 전파망원경에서 얻은 신호를 변환한 소리를 듣기 위해서다. 마치 태아의 심장박동 소리처럼 들리는 별들의 고동을 그녀는 눈보다는 귀를 통해 받아들이기를 선택한 것이다.

도슨트의 설명이 끝나자 닫혀 있던 돔이 스스르 열린다. 단지 평평한 천장을 둥글게 곡면으로 만든 것뿐인데도, 돔의 개방은 하늘이 열리는 듯한 느낌이 든다. 열린 지붕의 틈새로 파란 하늘 조각이 환한 빛과 함께 쏟아져 들어와 눈이 부셨다. 관측소 내부에도 전등이 켜져 있었지만, 태양빛의 찬란함에 비하면 전등의 밝기는 창백할 정도로 초라하다. 여기는 경기도 과천시에 위치한 국립과천과학관 내 천문대. 흔히 천체관측이라 하면 깜깜한 한밤에 인적도 불빛도 없는 첩첩산중에 고고하게 서 있는 망원경의 이미지가 떠오른다. 별빛을 눈으로만이 아니라 몸으로도 느낄 수 있을 법한 그런 곳. 그런데 대기마저도 봄기운으로 빛나는 듯한 4월의 한낮에 도심 근처에서 하는 천체관측이라니, 어쩐지 어색하다. 하지만 이곳에서 만난 천문학자 이강환 박사는 비록 태양이 너무 밝아 그 빛에 가리어질 뿐, 낮이라고 해서 별이 사라지는 것은 아니기 때문에 몇몇 밝은 별-대표적으로 금성과 목성-들은 충분히 낮에도 관측이 가능하다고 귀띔해주었다. 더군다나 낮에 하는 관찰은 어차피 하늘이 밝기 때문에 도심이나 청정지역이나 별 차이가 없다. 나아가 이 시간대는 지구상에서는 오직 낮에만 볼 수 있는 별, 즉 태양의 본모습을 관찰할 수 있는 좋은 기회였다. 국내에서 둘째로 크다는 지름 1m 크기의 대형 망원경을 통해 이 시기에 볼 수 있다는 목성의 자취를 쫓으며 문득 갈릴레이의 이름이 떠올랐다. 직접 렌즈를 갈아 망원경을 만들어서까지 별을 보고 싶었던 그의 열정이.

대낮의 하늘을 구경한 뒤, 태양을 좀더 자세히 보기 위해 다양한 크기의 망원경들이 태양을 향해 초점을 맞추고 있는 옥상으로 갔다. 이들은 각각 서로 다른 필터를 이용해 태양의 다른 모습을 보여주는 역할을 한다. 겉보기등급이 ‘-26’에 이르는 태양은 너무 밝아서 오히려 제대로 보기가 어렵기 때문에 이를 보기 위해서는 다양한 필터를 이용해야 한다. 세 대의 망원경은 각각 태양의 색을 초록, 주황, 빨강으로 보여주고 있었다. 실체는 볼 수 없고 필터를 이용해 걸러내야만 볼 수 있는 존재. 사실 우리가 미디어에서 익히 보는 안드로메다은하나 게자리성운의 멋진 모습들도 우리 눈에 보이는 그대로가 아니라, 다양한 종류의 필터나 여러 파장의 전파들을 이용해 얻어낸 각각의 정보들을 조합하는 방법으로 만들어낸 경우가 많다고 한다. 현실에 존재하되 육안으로는 확인 불가능한 것들을 눈으로 보기 위해 애쓴 결과다.

시각은 공유된다

전문가와 아마추어를 나누는 기준은 여러 가지가 있지만, 전용 물품을 구비하느냐 아니냐도 하나의 기준이 되곤 한다. 승마를 처음 배우는 초보자는 승마장에서 말을 빌려 타지만, 전문 기수는 자신만의 말이 있는 것처럼 말이다. 천문학계에서는 오히려 반대다. 천문학 분야에서는 자신만의 망원경을 가진 사람이 아마추어이며, 진짜 연구자들은 개인 망원경을 거의 이용하지 않는다는 것이다. 그도 그럴 것이 전문적인 정보를 얻을 수 있는 망원경들은 어마어마한 덩치에 걸맞게 비싼 몸값과 오랜 제작기간을 필요로 하기 때문에 개인이 이를 소유하기는 매우 어렵다. 따라서 대부분의 관측기기들은 공공의 소유이며 누구에게나 열려 있다. 그래서일까. 천문학계에서는 기기의 공유뿐 아니라 정보의 공유도 일상화되어 있다. 천문학자들은 자신이 관측한 자료를 짧은 유예기간이 지난 뒤에는 공개하는 것이 원칙이며, 미국 항공우주국(NASA)조차도 자신들이 보유한 다양한 망원경들의 사용 권리를 타인에게 나눠주는 데 인색하게 굴지 않는다. 또한 대부분의 천문사진이 상업적 용도로 2차 사용되지 않는 한 저작권 문제에서 자유로운 편인 것도 이런 이유 때문이다. 땅에는 주인이 있어도 하늘에는 주인이 없기에, 우주를 볼 권리는 누구에게나 열려 있다는 것. 망원경을 통한 시야의 확장은 그를 보는 이들의 마음조차도 열어놓은 것이다.

이은희 과학 작가

이은희 과학 작가

▶ 하리하라 본명 이은희. 생물학을 전공해 연구원으로 사회생활을 시작했으나, 우연히 인터넷 블로그에 썼던 글들이 <하리하라의 생물학 카페> 등 책으로 묶여 나오면서 과학언론학으로 전공을 바꾸었다. 현재는 과학작가이자 강연자로 살고 있다. ‘하리하라’라는 인터넷 아이디를 필명으로, 세상에 퍼져 있는 과학에 대한 선입견과 오해를 걷어내는 이야기를 통해 사람들과 소통하고 있다. <한겨레> 토요판에서 격주로 ‘인간의 눈’과 본다는 것의 의미를 탐구한다.