별 하나에 낭만, 별 하나에 과학
서쪽 하늘로 붉은 태양이 내려가고 어둠이 몰려오면 별빛이 우리를 유혹한다. 이런 밤하늘을 보고 어떤 이는 아름다움을 이야기하고, 또 어떤 이는 꿈을 꿨다. 그리고 우리는 낭만과 과학을 함께 이야기할 수 있다.
“나는 지금 아를의 강변에 앉아 있다. 욱신거리는 오른쪽 귀에서 강물 소리가 들려온다. 별들은 알 수 없는 매혹으로 빛나고 있지만 저 맑음 속에 얼마나 많은 고통을 숨기고 있을까. 이 강변에 앉을 때마다 목 밑까지 출렁이는 별빛의 흐름을 느낀다. 나를 꿈꾸게 만든 것은 저 별빛이었을까?”
이 글을 쓴 주인공은 화가 빈센트 반 고흐다. 아를 강변에서 본 별빛에 매료된 고흐는 캔버스에 출렁이는 별빛을 담는다. 이 작품이 유명한
<아를의 별이 빛나는 밤>
이다. 우리는 이 그림에서 밤하늘에 또렷하게 모습을 드러낸 북두칠성을 만날 수 있다. 일곱별이 국자 모양을 하고 있는 북두칠성은 밤하늘에서 찾기 쉬운 별이다. 하지만 북두칠성에 숨겨진 별이 있다는 사실을 아는가? 국자 손잡이 끝에서 두 번째 별인 미자르 옆에는 약한 빛을 내는 알코르가 있다. 짝꿍처럼 서로 가까이 있는 두 개의 별을 ‘짝별’ 또는 ‘이중성’이라고 한다.

시인 윤동주는 가을 밤하늘의 별을 하나 둘 헤이며 추억, 사랑, 시, 어머니 등 아름다운 말 하나씩을 불러본다. 이렇게 쓰인 시가 ‘별 헤는 밤’이다. ‘별 헤는 밤’의 배경이 되는 계절은 왜 하필 가을일까? 대기가 불안정하거나 구름이나 먼지가 많아 하늘이 불투명하면 별이 잘 보이지 않는다. 또 인공불빛과 먼지들로 밝아진 도심의 밤하늘은 그 너머에 있는 별빛을 가린다. 대기가 불안정한 여름을 지나고 윤동주가 올려다본 가을 밤하늘은 대기가 안정되고 투명해 수많은 별이 보석처럼 빛났을 것이다.

세상에서 가장 오래되고 가장 아름다운 미술관, 세상에서 가장 크고 놀라운 과학관은 다름 아닌 ‘우주’다. 이 책은 우주가 품고 있는 신화와 전설, 그리고 과학을 통해 누구라도 밤하늘을 보며 낭만과 과학을 함께 이야기할 수 있게 한다.




커피와 우유를 섞는 순간, 은하가 탄생한다!
가장 간단한 실험으로 만나는 가장 심오한 우주

누구나 우주를 동경하지만 과학의 눈으로 바라보는 것이 어려운 까닭은 우주라는 공간이 인간의 감각을 뛰어 넘는 광활한 공간이라 그 크기와 깊이를 쉽게 가늠할 수 없기 때문이다. 또한 숲속에 있으면 숲 전체의 모습을 알 수 없듯이 평생 지구를 벗어나기 어려운 우리가 우주 곳곳에서 펼쳐지는 현상을 이해하는 것 역시 쉽지 않다. 이 책은 가늠하기 어려운 대상인 우주를 간단한 실험을 통해 눈앞에 생생하게 펼쳐 놓는다.

커피 한잔이면 당신의 눈앞에서 우리은하가 모습을 드러낸다. 따뜻한 물에 커피가루를 넣고 스푼으로 한 방향으로 빠르게 돌리다가 위에서 우유를 몇 방울 떨어뜨린다. 잠시 후면 찻잔에 여러 개의 나선팔이 휘감겨 도는 우리은하가 둥실 떠오른다. 아인슈타인의 상대성이론의 핵심 개념인 ‘휜 공간’을 이해하는 것이 힘에 부친다면, 종이 상자와 모기장만 준비하면 된다. 또 아이스크림을 사면서 드라이아이스를 몇 덩어리 받았다면 당장 혜성을 만들어볼 수도 있다. 헤어드라이어기 바람 한 방이면 안방에서 혜성의 꼬리와 조우할 수도 있다.

뉴턴이 쿵하고 떨어진 사과 한 알을 보고 만유인력의 법칙을 도출했듯이, 이 책은 가장 간단한 실험을 통해 가장 심오한 우주를 이해할 수 있게 한다. 과학은 복잡한 실험 도구들로 둘러싸인 실험실에만 있지 않다. 축소되고, 단순해지고, 변형되어서 우리의 일상 도처에 흩어져 있지만, 좀처럼 ‘내가 과학이오!’하고 내색하지 않을 뿐이다. 천문우주 실험실의 문을 두드리는 순간, 당신은 우주여행의 첫 발을 내딛게 된다.




황홀한 사진과 일러스트에 한 번, 쉽고 재미있는 글에 또 한 번 매료

화려한 외서들과 달리 국내 천문우주 관련 책은 텍스트 위주로 구성돼 있어, 시각적 만족이 덜했던 것이 사실이다. 하지만 이 책을 펼치는 순간 화려한 그래픽과 아름다운 천체사진들이 독자의 눈을 사로잡는다. 저자가 호주, 몽골 등지에서 찍어온 사진과 허블우주망원경 등 천체망원경이 포착한 우주는 한 장 한 장이 모두 그림처럼 아름답다. 천체망원경도 포착하지 못한 우주의 심연은 오랫동안 별과 행성을 그려온 천문일러스트레이터가 생생하게 구현해 냈다.

저자는 우주여행을 안내하는 가이드가 되어 우주 이곳저곳을 친절히 안내한다. ‘별은 왜 반짝일까?’라는 기초적인 물음에서부터 우주탄생, 블랙홀까지 천문우주 분야의 핵심 주제 스무 개를 일상의 언어로 쉽게 풀어낸다. “별의 수명은 질량에 따라 달라진다. 질량에 따라 짧게는 수백만 년에서 길게는 수천억 년을 살기도 한다. 덩치가 큰 사람이 체중을 유지하기 위해 음식을 많이 먹듯이, 무거운 별은 강한 에너지를 뿜으면서 내부의 물질을 빨리 태워버린다.(261p)”, “예상했던 것보다 적은 수의 유성이 떨어지더라도 실망할 필요는 없다. 그 유성 하나하나가 먼 옛날에 태어난 혜성이 남긴 부스러기로, 태양계 공간의 방랑을 끝내고 지구의 품 안에 들어오면서 마지막으로 아름다운 빛줄기를 선사하는 것이기 때문이다.(157p)” 과학자의 눈과 시인의 감성으로 풀어낸 각각의 주제는 마치 한 편의 이야기처럼 재미있게 읽힌다.

이 책의 마지막 이야기는 우리나라에서 볼 수 있는 54개 별자리를 다룬 ‘별이 찾아온 밤, 사계절의 별자리’다. 별자리의 모습은 익숙한 일러스트 대신 고(故) 박승철님이 남긴 50여 장의 실제 사진으로 깊이를 더했다. 박승철님은 천체사진의 불모지나 다름없던 국내에 1000여 장의 작품급 천체사진을 남긴 천체사진 전문가다. 우리나라 밤하늘의 사계를 통째로 옮겨 놓은 이 장을 통해서 우리는 언제라도 밤하늘을 만날 수 있게 됐다.




◎ 융합형 교과 시대에 필요한 지식과 교양 모두를 잡는다!

융합형 인재 육성을 목표로 최근 고등학교 과학 교과서가 대변신했다. 가장 큰 특징은 천문우주 관련 분야의 중요성과 비중이 확대된 점이다. 융합형 과학교과서는 ‘우주의 기원과 진화’라는 단원으로 문을 연다. 이어지는 단원이 ‘태양계와 지구’, ‘생명의 진화’다. 학생들은 허블의 법칙을 통해 우주의 팽창을 이해하고 우주의 나이를 구하는 방법을 배우게 되며, 별이 탄생하고 적색거성과 초신성을 거치며 소멸하는 과정을 이해하고, 은하의 크기와 우주의 구조 등을 알아야 한다.

태양계, 소행성, 혜성, 변광성, 성단, 성운, 우리은하, 별의 일생, 블랙홀 등을 다루는 이 책은 자체가 한 권의 융합형 과학교과서다. 또한 간단한 실험을 통해 우주의 현상을 증명하고 이해하는 과정은 교과 과정에서 다룰 수 없는 체험의 기회를 제공한다.

천문우주과학의 눈으로 분석한 고흐의
<아를의 별이 빛나는 밤>
과
<한밤의 하얀 집>
, 신윤복의
<월하정인>
, 조토의
<동방박사의 경배>
등의 예술 작품은 과학책에서 느낄 수 없었던 새로운 지적 즐거움을 선사한다. ‘우주를 품은 사람들’ 코너에서는 ‘천문학의 아버지’ 히파르코스에서부터 ‘빅뱅 이론’을 주장한 가모브까지 스물한 명의 천문학자들의 족적을 더듬어본다. 신화와 전설, 역사와 예술, 과학사를 아우르는 이 책은 공식과 요점정리로 우주를 암기하는 것이 아니라, 교양의 지평을 넓히며 우주를 즐겁게 여행할 수 있게 한다.

“반짝 반짝 작은 별. 아름답게 비추네.” 어린 시절 불렀던 동요처럼 밤하늘의 별은 보석처럼 반짝인다. 그렇다면 실제로 별의 밝기가 변하면서 반짝이는 것일까?
투명한 유리잔에 물을 3분의 2 정도 채우고 동전을 하나 떨어뜨린 뒤 물이 잠잠해 질 때까지 기다린다. 젓가락으로 살며시 물을 저으면서 동전을 관찰해본다. 동전은 어떻게 보이는가? 물이 잔잔할 때 물 속에 들어 있는 동전은 뚜렷하게 잘 보이지만, 물을 저어 흔들면 동전은 일그러져 보인다. 동전에서 반사돼 나온 빛이 물의 요동으로 인해 이리저리 흔들리기 때문이다.
같은 원리로 우주에서 날아오는 별빛은 지구의 대기권을 통과하면서 대기의 요동으로 흔들리게 된다. 이렇게 흔들리는 별빛을 지상에서 보고 있으면 반짝이는 것처럼 보인다. -별이 빛나는 밤/ 별은 왜 반짝일까?(14p)

 

지표면을 덮고 있는 물이 혜성이 전해 준 것이라는 가설도 설득력이 있다. 지구 생성초기에 태양계 가장자리에서 날아온 많은 혜성이 지구와 부딪쳤다. 혜성은 지구 중력에 이끌려 빠른 속도로 부딪친다. 충돌이 만들어내는 충격파는 굉장한 열을 만들어 내고, 혜성이 품고 있던 물은 순식간에 증발해 버린다. 공기는 수증기의 형태로 혜성의 물을 머금고 있다가 가끔씩 비를 내렸다. 비가 올 때마다 낮은 지대로 빗물이 모이면서 바다가 생겼다. 이 가설이 사실이라면, 지구의 3분의 2를 차지하는 넓은 바다를 채우기 위해서 얼마나 많은 혜성이 지구에 떨어져야 할까? 지름 200킬로미터쯤 되는 혜성이 200개 정도 충돌하면 가능하다고 한다.
혜성의 충돌은 지구 생명체의 진화 과정에도 적지 않은 영향을 끼쳤다. 조심스러운 주장이기는 하지만, 혜성이 지구의 생명 탄생에도 중요한 역할을 했을 것으로 보고 있다. 혜성이 지구에 ‘생명의 씨앗’을 전해주었을 가능성이 있기 때문이다. 혜성에는 물과 더불어 탄화수소와 단백질을 이루는 아미노산도 함께 있다. 생명의 씨앗을 드는데 필요한 물질이다. -지구/ 창조의 시간(91p)

 

태양보다 8배 이상 무거운 별은 적색 초거성 단계에서 초신성 폭발로 최후를 맞이한다. 강력한 폭발로 바깥쪽 물질을 우주 공간에 흩뿌린다. 남아 있는 중심부는 높은 밀도로 중성자별이 되거나 한없이 수축해서 ‘블랙홀’이 된다.
생명을 다한 나뭇잎이 떨어져 땅속에 묻히면 새로 돋아나는 씨앗의 좋은 거름이 된다. 수명을 다한 별이 폭발하면서 내놓은 잔해들도 우주 공간에서 새로운 별과 행성을 만드는 재료가 된다. 지구에 있는 산소, 탄소, 철과 같은 원소는 태양계가 처음 만들어질 무렵 근처에 있던 어느 별의 부스러기에서 비롯되었을 것이다. -별의 일생/ 질량이 큰 별은 짧고 굵게 산다(263p)

 

[Astronomy Lab] 은하의 나선팔 만들기
* How To
1. 큰 그릇에 뜨거운 물을 3분의 2정도 채운다.
2. 인스턴트 커피가루를 두 숟가락 정도 물에 넣고 잘 풀어준다.
3. 찻숟가락으로 액체 전체가 한 방향으로 회전하도록 저어준다. 이때 회전 중심부가 약간 함몰될 정도로 빠르게 회전시켜 준다.
4. 회전하고 있는 액체의 중심부에 흰 우유를 위에서 떨어뜨린다.
5. 떨어진 우유가 돌면서 어떤 모양을 나타내는지 살펴본다.
6. 시간이 지남에 따라 커피에 섞인 우유의 모양이 어떻게 변해가는지 관찰한다.

 

* Discussion
회전하고 있는 커피가 흰 우유에 불규칙한 모양에서 점차 소용돌이 모양의 나선팔을 만드는 것을 관찰할 수 있다. 레코드판을 회전시키면 고체인 레코드판의 안쪽과 바깥쪽의 회전 속도는 같다. 하지만 물을 채운 욕조에서 마개를 빼냈을 때 만들어지는 소용돌이 모양은 각 지점의 회전 속도가 다른 ‘차등회전’이다. 소용돌이의 중심은 속도가 빠르고, 중심에서 멀어질수록 상대적으로 속도가 느리다. 숟가락으로 회전운동을 시킨 우유도 차등회전에 의해 소용돌이 모양을 형성하며 우리은하처럼 나선팔을 만들게 된다. (중략) -우리은하/ 은하의 나선팔 만들기(240p)

 

별들은 긴 삶의 여정을 마치고 최후의 순간에 이르러 다양한 형태의 죽음을 맞이한다. 인간은 앞으로 자신에게 닥칠 죽음의 형태를 알지 못한다. 그러나 별은 빛나는 동안 자신이 어떻게 죽어갈 것인지를 미리 예측할 수 있다. 별의 질량이 그것을 말해준다.
태양 정도의 질량을 가진 별은 생의 마지막 단계에서 백색왜성이 된다. 그러나 질량이 태양의 10배 이상인 별은 중심부에서 핵융합 반응이 계속해서 일어난다. 철과 같은 무거운 원소들이 중심핵을 이루며, 고밀도인 중심핵에는 강한 중력이 작용해 크기가 더 줄어들게 된다. 중력 수축이 더욱 급격하게 일어나면 별을 이루는 물질들이 중심을 향해 매우 빠르게 붕괴한다. -블랙홀/ 질량이 별의 운명을 결정한다(279p)