[2019 노벨물리학상] 피블스, 마요르, 켈로 : 우주의 '설계도'와 '최초의 외계행성'을 발견하다

 

 

 

 

📜 들어가며: 우리는 우주에 대해 무엇을 아는가?

 

20세기, 인류는 우주에 대한 이해를 근본적으로 바꾸었습니다. 아인슈타인 [1921년 수상]은 시공간의 법칙을, 허블은 우주가 '팽창'한다는 사실을 밝혔습니다. 20세기 후반, 펜지어스와 윌슨 [1978년 수상]은 '빅뱅'의 메아리[CMB]를 들었고, 매더와 스무트 [2006년 수상]는 그 '첫 빛'의 사진을 찍었습니다.

물리학은 우주가 138억 년 전, 뜨거운 '빅뱅'에서 시작되었다는 '사실'은 알게 되었습니다. 하지만 두 개의 거대한 질문이 남아있었습니다.

1. "그래서, '어떻게' 지금의 우주가 되었는가?" 빅뱅 직후의 '뜨거운 수프'는 어떻게 식어서, 오늘날 우리가 보는 이 경이로운 '은하들의 거미줄' 구조를 만들었을까요? 그 '청사진'은 무엇이며, 우리가 보는 '물질'이 전부일까요?

2. "그래서, 이 거대한 우주에 '우리는' 어디에 있는가?" 수천억 개의 은하, 수조 개의 별이 있다면, 우리가 사는 '태양계'는 특별한 존재일까요? 아니면, 다른 태양계, 즉 '외계 행성' [Exoplanet]도 우주에 흔하게 존재할까요?

2019년 노벨 물리학상은, 이 두 개의 근본적인 '우주론적 질문'에 답을 하여, 우주 속 우리의 '자리'를 규명한 세 명의 위대한 천문학자, 제임스 피블스 [James Peebles], 미셸 마요르 [Michel Mayor], 디디에 켈로 [Didier Queloz]에게 수여되었습니다.

 

🏆 영광의 수상 이유: "우주의 진화와 우리의 자리"

 

스웨덴 왕립 과학 아카데미는 2019년, 이 세 명의 공로를 인정하여 노벨상을 수여했습니다. 이 상은 '두 개의 다른 발견'이 어떻게 '우주'라는 하나의 그림을 완성했는지 보여줍니다.

상의 절반 [1/2]은 제임스 피블스 [James Peebles]에게 수여되었습니다.

"물리 우주론 [Physical Cosmology]의 이론적 발견 공로를 기리며"

상의 나머지 절반 [1/2]은 미셸 마요르 [Michel Mayor]와 디디에 켈로 [Didier Queloz]에게 공동 수여되었습니다.

"태양과 같은 유형의 별 주위를 공전하는 '외계 행성' [Exoplanet]의 발견 공로를 기리며"

이 수상은 완벽한 조화를 이룹니다.

• 제임스 피블스는 '이론가'입니다. 그는 1960년대부터 '우주론'을 '추측'의 영역에서 '정밀 과학'으로 바꾼, 현대 우주론의 '설계자'이자 '건축가'였습니다. 그는 우리가 아는 5%의 물질 외에, 암흑 물질과 암흑 에너지 [2011년 수상]의 존재를 이론적으로 확립한 거장입니다.
• 마요르와 켈로는 '실험가'입니다. 그들은 1995년, 인류 역사상 최초로 태양과 같은 별[51 페가시] 주위를 도는 '외계 행성'을 '실제로' 발견한 '사냥꾼'들이었습니다.

피블스가 '우주'라는 거대한 '무대'의 설계도를 그렸다면, 마요르와 켈로는 그 무대 위에 '우리와 같은' 또 다른 '배우'[행성]가 존재함을 증명한 것입니다.

 

🌌 [절반의 공로] 제임스 피블스: '우주론'을 '과학'으로 만든 설계자

 

1960년대 초, '우주론'은 물리학의 주류가 아니었습니다. "우주의 시작" 같은 주제는 철학이나 '공상 과학'에 가까운 '추측'으로 취급받았습니다.

프린스턴 대학의 제임스 피블스는 이 '추측'을 '계산'으로 바꾼 선구자였습니다.

'첫 빛' [CMB]의 예언자

1964년, 피블스는 프린스턴의 동료들과 함께 '빅뱅'이 사실이라면, 그 '첫 빛'의 잔해가 138억 년이 지난 지금 '마이크로파'의 형태로 우주를 채우고 있어야 하며, 그 온도는 약 '10K' 정도일 것이라고 '예측'했습니다. 그들이 이 신호를 찾기 위한 망원경을 만들기 직전, 불과 몇 마일 떨어진 '벨 연구소'의 펜지어스와 윌슨 [1978년 수상]이 '우연히' 이 신호를 먼저 발견했습니다.

피블스의 진정한 위대함은 그 '이후'에 있습니다.

'암흑 물질'의 설계자

그는 이 '첫 빛' [CMB]이 '중력의 씨앗'임을 깨달았습니다. 2006년 조지 스무트가 COBE 위성으로 '미세한 얼룩' [비등방성]을 발견하기 훨씬 전부터, 피블스는 이 '얼룩'이 어떻게 '중력'과 상호작용하여 오늘날의 '은하'와 '은하단'이라는 거대한 그물망 구조를 만드는지 그 '이론적 틀'을 완성했습니다.

하지만 그의 계산은 '심각한 문제'에 부딪혔습니다. 우리가 아는 '보통 물질' [원자, 별]의 중력만으로는, 우주가 지금처럼 거대하게 뭉칠 '시간'이 턱없이 부족했습니다.

피블스는 1980년대, 이 문제를 해결하기 위해 '보통 물질' 외에, 빛과 상호작용하지 않지만 '강력한 중력'을 가진 '차가운 암흑 물질' [Cold Dark Matter, CDM]이라는 '보이지 않는' 물질이 우주의 대부분을 차지해야 한다고 주장했습니다.

'암흑 에너지'의 귀환

1998년, 펄머터, 슈밋, 리스 [2011년 수상]는 우주가 '가속 팽창'한다는 것을 발견했습니다. 이는 '암흑 에너지'라는 미지의 힘이 우주를 밀어내고 있음을 의미했습니다. 피블스는 이 발견을 즉시 자신의 'CDM 모델'과 결합하여, '람다-CDM' [ΛCDM] 모델을 완성시켰습니다.

'암흑 에너지' [Λ, 70%]와 '차가운 암흑 물질' [CDM, 25%], 그리고 '보통 물질' [5%].

이것이 바로 오늘날 우주를 설명하는 표준 우주 모형입니다. 이 모형의 거의 모든 이론적 토대를 50년에 걸쳐 쌓아 올린 이가 바로 제임스 피블스였습니다.

 

🪐 [절반의 공로] 마요르 & 켈로: '최초의 외계행성' 사냥 [1995]

 

피블스가 '우주 전체'의 지도를 그리는 동안, 스위스 제네바 대학의 미셸 마요르와 그의 대학원생 디디에 켈로는 '우리 은하' 속의 작은 점 하나, '태양계'의 기원을 쫓고 있었습니다.

"태양계는 우주에서 유일한 존재일까?" 2000년간 이어진 이 질문에 답하기 위해, 그들은 '다른 태양' 주위를 도는 '행성'을 찾아 나섰습니다.

행성을 '보는' 것은 불가능하다

행성을 '직접' 보는 것은 불가능합니다. 수천 광년 떨어진 '전구' [별] 옆을 맴도는 '먼지' [행성]를 보는 것과 같기 때문입니다.

마요르와 켈로는 '간접'적인 방법을 택했습니다. 바로 '도플러 효과' [시선 속도법]입니다.

• 거대한 '목성' 같은 행성이 '별' 주위를 돌 때, 행성만 도는 것이 아니라, 별 역시 두 천체의 '공통 질량 중심'을 축으로 '미세하게' 덤블링을 합니다.
• 이 '덤블링' [혹은 'wobble', 흔들림] 때문에, 별은 우리에게 '가까워졌다' [청색 편이] '멀어졌다' [적색 편이]를 주기적으로 반복합니다.
• 만약 별빛의 스펙트럼에서 이 '미세한 도플러 편이'를 잡아낼 수 있다면, 우리는 '보이지 않는' 행성의 '존재'와 '질량'을 알 수 있습니다.

1995년 10월 6일: '51 페가시 b'

1994년, 마요르와 켈로는 프랑스 남부의 '오트프로방스 천문대'에서, 당시 세계 최고 정밀도의 '분광기' [ELODIE]를 이용해 142개의 별을 추적하기 시작했습니다.

1995년 7월 9일 밤, 대학원생 켈로가 '51 페가시' [51 Pegasi]라는 별의 데이터를 분석하던 중, 그는 자신의 눈을 의심했습니다.

데이터는 별이 '엄청나게' 흔들리고 있음을 보여주었습니다. 흔들리는 주기는 불과 4.2일이었습니다.

이것은 '목성'만 한 거대한 행성이, '수성'보다 7배나 더 가까운 궤도에서, 불과 4일 만에 별을 한 바퀴씩 돌고 있다는 '미친' 결과였습니다. [뜨거운 목성, Hot Jupiter] 당시 이론으로는 이런 행성이 존재할 수 없었습니다.

그들은 이 '미친' 데이터를 3개월간 비밀리에 재검증했습니다. 1995년 10월 6일, 그들은 마침내 이 발견을 공식 발표했습니다.

이것은 인류가 태양계 밖, '태양과 같은 별' 주위에서 발견한 '최초의 외계 행성' [Exoplanet]이었습니다.

 

🧐 TMI와 그의 유산

 

'외계행성'의 홍수

마요르와 켈로의 1995년 발견은 '댐의 붕괴'였습니다. 그들의 발견 이후, 2024년 현재까지 인류가 발견한 외계 행성의 수는 5,000개를 넘어섰습니다. '뜨거운 목성'처럼, 우리가 상상하지 못했던 기묘한 행성계가 우주에 가득하다는 것이 밝혀졌습니다.

피블스의 겸손

제임스 피블스는 '빅뱅 이론'의 아버지로 불리지만, 정작 자신은 '빅뱅'이라는 용어를 싫어했습니다. [이 용어는 정상 우주론자인 프레드 호일이 이 이론을 'Big Bang'이라며 조롱한 데서 유래했습니다.] 피블스는 "그 용어는 '시작'의 순간만을 너무 강조한다. 나의 진짜 업적은 '시작'이 아니라, 그 이후의 진화를 밝힌 것이다"라고 말했습니다.

스승과 제자

1969년의 겔만/1990년의 프리드먼, 1992년의 샤르파크, 1997년의 코앵타누지, 2010년의 노보셀로프, 2018년의 스트릭런드처럼, 2019년의 디디에 켈로 역시 '대학원생' 시절의 박사학위 논문 연구로 노벨상을 수상한 위대한 '제자'였습니다.

 

✍️ 나가며: 우주 속 '우리'를 이해하다

 

2019년 노벨 물리학상은 21세기 인류가 우주를 바라보는 '관점'을 정립한 두 개의 발견에 수여되었습니다.

제임스 피블스는 우리가 아는 '보통 물질'이 우주의 5%에 불과하며, 95%는 미지의 암흑 물질과 암흑 에너지로 이루어진 '거대한 우주'의 설계도를 그렸습니다.

미셸 마요르와 디디에 켈로는 그 거대한 우주 속에서 '우리' 태양계가 결코 유일하지 않으며, '행성'을 거느린 별들이 보편적으로 존재함을 증명했습니다.

한쪽은 '전체'를, 다른 한쪽은 '개별'을 밝혀냄으로써, 우리는 비로소 '우주 속 우리의 자리' [Our place in the cosmos]가 어디인지에 대해 과학적인 대답을 시작할 수 있게 되었습니다.