아인슈타인 십자가, 하나의 퀘이사가 네 개로 보이는 이유

1.아인슈타인 십자가란 무엇인가

아인슈타인 십자가(Q2237+0305)는 팔십억 광년 밖 퀘이사 하나가 앞 은하의 중력에 휘어 네 상으로 갈라져 십자로 맺힌 현상으로, 1985년 존 후크라 연구진이 발견했다. (Huchra 외 1985, AJ 90:691)

이 십자가가 처음 세상에 알려진 건 1985년이다. 미국의 천문학자 존 후크라가 이끄는 연구진은 은하 수천 개의 거리를 차례로 재는 대규모 관측을 벌이고 있었다. 그러다 페가수스자리 방향의 한 은하에서, 도무지 한 천체의 것일 수 없는 스펙트럼이 잡혔다. 가까운 은하에서 나올 법한 신호 위에, 아주 멀리 있는 퀘이사의 신호가 포개져 있었던 것이다. 앞뒤로 까마득히 떨어진 두 천체가 하늘에서는 같은 자리에 겹쳐 보인다는 뜻이었다.

이런 겹침은 우연이라기엔 지나치게 정교했다. 뒤의 퀘이사가 앞 은하 바로 뒤에 거의 일직선으로 숨어, 그 은하의 중력이 퀘이사의 빛을 렌즈처럼 휘어 놓은 것이다. 그래서 이 천체에는 발견자의 이름을 딴 후크라의 렌즈라는 별명도 나란히 붙었다. 우주에서 이렇게 정식 이름과 애칭을 함께 얻는 천체는 흔치 않다. 렌즈가 된 앞 은하는 가운데에 밝은 핵을 품은 막대나선은하였다. 하필 그 핵 바로 뒤에 퀘이사가 겹친 덕에, 네 상이 은하의 얼굴 위에 또렷이 새겨졌다.

정작 발견 당시에는 네 개의 상이 또렷이 갈라져 보이지 않았다. 그저 은하 뒤에 퀘이사가 숨어 있다는 사실만 스펙트럼으로 확인했을 뿐이다. 네 점이 온전히 넷으로 나뉘어 눈에 담긴 건 몇 해 뒤의 일이다. 하나의 빛이 넷으로 갈라져 십자를 이룬다는 게 사진으로 확인되고서야, 이 조용한 이름 하나가 비로소 제자리를 찾았다.

3.왜 하필 넷일까

렌즈가 된 앞 은하가 살짝 타원으로 눌린 모양이라 퀘이사의 빛이 네 갈래로 갈라지며, 네 점이 은하 중심에서 벌어진 각도는 고작 1초 남짓이다. (Huchra 외 1985, AJ 90:691)

거울이 깨지면 한 얼굴이 여러 조각에 나뉘어 비치듯, 휘어진 공간도 뒤에 있는 하나의 빛을 여러 갈래로 나눠 우리에게 보낸다. 렌즈 노릇을 하는 은하가 완전한 공을 이루지 못하고 살짝 타원으로 눌린 모양이면, 뒤 퀘이사의 빛이 은하를 에돌아 오는 길이 네 갈래로 갈린다. 그래서 우리 눈에는 같은 퀘이사가 은하를 가운데 두고 위아래좌우 네 점으로 맺힌다. 사실은 한복판에 다섯 번째 상까지 맺히지만, 앞 은하의 밝은 빛에 파묻혀 좀처럼 드러나지 않는다. 말 그대로 하나가 넷으로 늘어난 착시다.

이 십자가가 특히 놀라운 건 그 크기다. 네 점이 은하 중심에서 벌어진 각도는 고작 1초 남짓이다. 팔을 쭉 뻗어 든 바늘 끝을 몇 킬로미터 밖에서 겨우 알아보는 정도의, 믿기 힘들 만큼 좁은 틈이다. 네 상이 죄다 앞 은하의 환한 몸통 안쪽에 옹기종기 들어앉아 있을 만큼 촘촘하다. 그 좁은 자리에서 넷을 또렷이 갈라내려면 아주 예리한 눈이 필요했고, 그래서 발견 당시에는 하나로 뭉개져 보였다. 이렇게 네 상이 촘촘하면서 거의 완벽한 대칭까지 갖춘 십자가는 온 하늘을 통틀어도 손에 꼽을 만큼 드물다. 그래서 아인슈타인 십자가는 숱한 중력렌즈 가운데서도 유독 교과서에 빠지지 않고 실린다.

거리의 대비는 더 아득하다. 렌즈 노릇을 하는 앞 은하는 사억 광년쯤 떨어진 이웃뻘이고, 그 뒤로 십자를 그리는 퀘이사는 팔십억 광년 너머에 있다. 우리는 지금, 지구가 생기기도 한참 전에 그 퀘이사를 떠난 빛을 보고 있다. 그 까마득한 빛이 중간의 은하를 만나 네 갈래로 갈라진 뒤, 하나의 십자가가 되어 우리 망원경에 닿는다. 우리가 올려다보는 이 한 장의 십자가 안에, 억겁의 시간과 억겁의 거리가 통째로 접혀 들어가 있다.

4.이 십자가로 무엇을 잴 수 있나

미세중력렌즈를 이용하면 팔십억 광년 밖 퀘이사 한복판 강착원반의 크기와, 안쪽이 뜨겁고 바깥이 식는 온도의 결까지 잴 수 있다. (Huchra 외 1985, AJ 90:691 · Refsdal 1964, MNRAS 128:307)

이 십자가는 그저 보기 좋은 우주의 장식에 그치지 않는다. 천문학자들에게는 더없이 쓸모 있는 도구다. 네 갈래로 갈라진 빛은 저마다 길이가 다른 길을 돌아오느라, 지구에 닿는 시각이 조금씩 어긋난다. 그 시차를 정밀하게 재면 우주가 지금 얼마나 빠르게 부풀고 있는지, 곧 우주의 팽창 속도를 가늠할 수 있다. 하나의 십자가가 우주의 크기를 재는 자가 된다.

더 놀라운 쓰임도 있다. 앞 은하 속을 떠도는 별 하나가 우연히 네 상 가운데 하나의 앞을 스쳐 지날 때가 있다. 그러면 그 작은 별의 중력이 돋보기처럼 끼어들어, 그 상 하나만 몇 달에 걸쳐 밝아졌다 다시 어두워진다. 이 미세한 밝기의 출렁임을 며칠씩 끈질기게 지켜보면, 놀랍게도 저 먼 퀘이사의 속살을 들여다볼 수 있다. 별이 상 앞을 훑고 지나가는 동안, 마치 퀘이사의 중심을 한 줄 한 줄 스캔하듯 그 안쪽 구조가 밝기 변화로 드러나기 때문이다.

이 방법으로 천문학자들은, 팔십억 광년 밖 퀘이사 한복판에서 물질이 소용돌이치는 강착원반의 크기를 실제로 재냈다. 지구에서 아무리 큰 망원경을 들이대도 한낱 점으로밖에 안 보이는 그 작은 심장을, 앞 은하의 별 한 개가 대신 확대해 준 셈이다. 그래서 천문학자들은 수십 년째 이 십자가의 네 상을 밤마다 지켜보며, 별이 상 앞을 가로지르는 순간을 놓치지 않고 기록해 왔다. 심지어 원반 안쪽이 더 파랗고 바깥이 더 붉다는 것, 그러니까 가운데가 뜨겁고 가장자리로 갈수록 식는다는 온도의 결까지 읽혔다. 점으로만 보이던 대상의 내부 지도가 이 우연한 십자가 덕분에 그려졌다. 그 심장이 어떻게 그토록 밝게 타오르는지 궁금하다면 퀘이사와 블랙홀의 차이를 함께 읽어도 좋다.

5.아인슈타인은 이것을 예상했을까

실제로 보이리라고는 믿지 않았다. 계산으로는 옳지만 하늘에서 확인할 길은 없는, 아름답지만 쓸모없는 예언쯤으로 여겼다. 그러나 1985년 후크라 연구진이 하늘에서 그 십자가를 찾아냈다. (Einstein 1936, Science 84:506 · Huchra 외 1985, AJ 90:691)

돌이켜 보면 아인슈타인은 이 현상이 실제로 눈에 담기리라 믿지 않았다. 계산으로는 옳지만 하늘에서 확인할 길은 없는, 아름답지만 쓸모없는 예언쯤으로 여겼던 것이다. 그런데 우주는 그의 겸손을 슬쩍 넘어서서, 그가 못 볼 거라던 바로 그 장면에 그의 이름을 새겨 넣었다. 세상에 이보다 근사한 반전이 또 있을까.

밤하늘의 어떤 점은 정말 그 자리에 그렇게 놓여 있는 걸까. 아인슈타인 십자가는 꼭 그렇지만은 않다고 말한다. 하나로 보이는 것이 실은 넷일 수도 있고, 곧게 온 줄만 알았던 빛이 실은 크게 에돌아 온 것일 수도 있다. 우리가 하늘에서 읽는 것은 늘 있는 그대로만은 아니다. 그 사이 아득한 공간이 빛에게 해 놓은 일까지 함께 겹쳐 있다.

하나로 보이던 빛이 실은 넷이었다. 우주는 종종 그렇게 우리의 눈을 가만히 넘어선다.

그러니 언젠가 당신이 아인슈타인 십자가의 사진을 다시 만난다면, 네 점을 따로따로 세지 말고 가만히 하나로 겹쳐 보면 좋겠다. 서로 다른 네 갈래 길을 돌아온 같은 빛이, 억겁의 우회 끝에 마침내 한자리에서 만나는 장면이니 말이다. 그 겹침을 알아보는 눈이 곧, 보이는 것 너머를 읽어 내는 천문학의 눈이다.

§참고한 자료

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