3C 273, 별인 줄 알았던 최초의 퀘이사는 어떻게 발견됐나

1.별인 줄 알았던 한 점

1950년대 말, 천문학자들은 하늘 전체를 전파로 훑기 시작했다. 눈에는 보이지 않는 전파를 내뿜는 자리들이 하나둘 목록에 오르던 때다. 케임브리지 대학이 정리한 제3전파원목록에도 그런 자리가 촘촘히 적혔다. 그 목록의 273번째 항목에 붙은 이름이 바로 3C 273이다. 이름 자체에 별다른 뜻은 없다. 세 번째 목록의 273번, 딱 그만큼의 무미건조한 부호였다.

문제는 그다음이었다. 전파가 나오는 자리를 광학망원경으로 다시 겨눠 보면, 거기 별처럼 생긴 밝은 점 하나가 놓여 있었다. 겉보기로는 우리 은하 안의 흔한 별과 다를 바 없어 보였다. 그런데 그 빛을 무지개처럼 펼쳐 스펙트럼을 들여다보면 이야기가 달라졌다. 어떤 별에서도 본 적 없는 낯선 무늬가 찍혀 있었던 것이다. 별이라면 마땅히 있어야 할 익숙한 선들은 온데간데없고, 정체를 알 수 없는 선 몇 개만 엉뚱한 자리에 걸려 있었다.

천문학자들은 이 점을 별이라 부르지도, 은하라 부르지도 못했다. 그저 별을 닮았다는 뜻에서 준항성체라는 애매한 이름을 붙여 두었다. 오늘 우리가 쓰는 퀘이사라는 말도 여기서 왔다. 준항성 전파원, 그 긴 이름의 앞 글자를 딴 것이다. 헷갈리게도 3C 273만 이랬던 것은 아니다. 3C 48이라는 또 다른 전파원이 사실 먼저 별 같은 점으로 확인됐지만, 그 정체 역시 도무지 종잡을 수 없기는 마찬가지였다. 하늘 곳곳에서 별을 흉내 낸 이 수상한 점들이 잇달아 나타났고, 그 낯선 스펙트럼은 몇 해가 지나도록 천문학자들을 조용히 약 올렸다. 익숙한 잣대로는 도무지 풀리지 않는 무늬였던 것이다. 이 점의 진짜 정체, 곧 은하의 심장에서 타오르는 퀘이사가 무엇인지는 퀘이사란 무엇일까 편에 자세하다.

2.달 그림자로 위치를 집어내다

수수께끼를 풀려면 먼저 이 점이 하늘 어디에 정확히 박혀 있는지부터 알아야 했다. 그런데 당시 전파망원경은 눈이 흐렸다. 전파가 대충 이 근방에서 온다는 것까진 알아도, 딱 짚어 어느 점이라고 말하기는 어려웠다. 넓은 하늘에서 좁쌀만 한 점 하나를 콕 집어내는 일, 그것이 첫 관문이었다.

여기서 뜻밖의 조력자가 등장한다. 바로 달이다. 3C 273은 하늘에서 달이 지나다니는 길목 가까이에 있었다. 그래서 달이 그 앞을 스쳐 지나가는 순간, 달의 가장자리가 이 전파원을 잠깐 가렸다. 천문학자 시릴 해저드와 두 동료는 이 찰나를 노렸다. 오스트레일리아의 거대한 파크스 전파망원경으로, 달이 전파원을 가리기 시작하는 순간과 다시 놓아주는 순간을 정밀하게 쟀다. 달의 가장자리가 어디를 지날 때 전파가 뚝 끊기는지를 알면, 전파원의 위치를 놀랍도록 정확히 되짚을 수 있다. 마치 커튼이 드리워지는 순간의 그림자로 창밖 물체의 자리를 가늠하는 셈이다. 이 영리한 방법으로 3C 273의 자리가 처음으로 또렷이 찍혔다. 그 자리에는 예의 그 별 같은 점과, 거기서 비스듬히 뻗어 나온 희미한 빛줄기 하나가 함께 있었다. 훗날 이 줄기는 블랙홀이 뿜어낸 길이 수십만 광년의 제트로 밝혀진다. 위치를 손에 넣은 천문학자들은 이제 이 점의 빛을 마음껏 뜯어볼 수 있게 되었다.

4.한 점이 그토록 멀고 밝다는 것

이 발견이 왜 그렇게 큰 사건이었을까. 거리를 알고 나자 곧바로 밝기가 따라 나왔기 때문이다. 어떤 천체가 얼마나 멀리 있는지를 알면, 우리 눈에 들어오는 밝기를 되짚어 그것이 실제로 얼마나 밝은지 계산할 수 있다. 3C 273은 수십억 광년 밖에 있으면서도 지구에서 작은 아마추어 망원경으로 볼 수 있을 만큼 밝았다. 그렇게 먼데도 이만큼 밝게 보인다면, 그 자리에서의 실제 밝기는 도무지 가늠이 안 될 지경이어야 했다.

실제로 계산된 값은 천문학자들을 얼어붙게 했다. 3C 273 하나가 뿜어내는 빛이 태양 수조 개를 한데 모은 것에 맞먹었다. 우리 은하 전체가 품은 수천억 개의 별을 모두 합친 것보다도 몇십 배는 더 밝았다. 그런데 이 어마어마한 빛이 나오는 자리는 은하만큼 넓지도 않았다. 태양계보다 크게 넉넉하지 않은 좁은 중심부에서 그 모든 에너지가 쏟아지고 있었다. 별 하나가, 아니 별을 잔뜩 모아 놓은 은하 하나가 낼 수 있는 빛의 한계를 이 점 하나가 태연히 넘어서고 있었다. 대체 무엇이 이토록 좁은 자리에서 이토록 엄청난 빛을 만들어 낼 수 있단 말인가. 이 물음이 이후 수십 년간 천문학을 끌고 갔다. 오늘날 우리는 그 답이 은하 중심에 도사린 초대질량 블랙홀이라는 것을 안다. 블랙홀로 빨려드는 물질이 마지막 순간 마찰로 달아올라 눈부시게 빛나는 것이다. 검은 구멍이 어떻게 우주에서 가장 밝은 등불이 되는지 궁금하다면 퀘이사란 무엇일까 편에서 그 속을 더 들여다볼 수 있다. 3C 273의 뒤를 이어 발견된, 더 밝고 더 무거운 기록들은 우주에서 가장 밝은 천체 편에서 만날 수 있다.

5.점 하나를 다시 읽는 눈

3C 273의 이야기는 결국 점 하나를 오래 들여다본 사람들의 이야기다. 하늘에 박힌 흔한 점처럼 보였지만, 누군가는 그 점의 빛을 끝내 놓지 않고 무늬를 읽어냈다.

우리는 밤하늘을 올려다볼 때 점 하나하나를 대수롭지 않게 흘려보낸다. 대개는 그래도 괜찮다. 하지만 그중 어떤 점은, 겉보기와 전혀 다른 정체를 안쪽에 숨기고 있다. 3C 273이 꼭 그랬다. 별인 줄 알았던 점이 실은 수십억 광년 밖의 괴물 같은 등불이었고, 그 등불의 정체를 캐는 일이 우주의 규모 자체를 새로 그리게 만들었다. 달의 그림자로 자리를 집어내고, 스펙트럼의 밀린 선 하나에서 아득한 거리를 읽어낸 이 과정에는, 보이는 것 너머를 끝까지 묻고 든 사람들의 끈기가 배어 있다. 슈밋은 이 한 점 덕분에 훗날 퀘이사의 아버지라 불렸다.

별인 줄 알았던 한 점이, 온 우주의 크기를 다시 그리게 했다.

사실 3C 273은 지금도 밤하늘에서 볼 수 있다. 처녀자리 방향, 수십억 광년 밖에 있으면서도 6인치 남짓한 아마추어 망원경이면 그 희미한 빛을 겨우 붙잡을 수 있다. 보통 사람이 맨눈에 가까운 장비로 볼 수 있는 가장 먼 천체 축에 든다. 우리가 무심히 바라보는 그 작은 점이, 지구에 공룡조차 없던 시절 그 빛을 출발시켰다는 뜻이다.

그러니 언젠가 당신이 3C 273이라는 이름을 다시 만난다면, 그저 번호 붙은 먼 천체로 지나치지 말고 잠시 멈춰 서 보면 좋겠다. 별인 줄 알았던 점 하나가 온 우주의 크기를 바꿔 놓기까지, 얼마나 많은 밤과 얼마나 끈질긴 물음이 필요했는지를 떠올리면서 말이다. 보이는 점 너머의 정체를 끝내 알아보려는 눈, 그것이 곧 우주를 읽어 내는 눈이다.

§참고한 자료

이 글의 사실은 아래 1차 문헌(원논문)과 기관 자료에 근거합니다. 위키백과·보도자료가 인용하는 원출처까지 함께 밝혀 둡니다.