우리는 어디까지, 어떻게 알고 있는가?
쉽고 간결하고 명료한 프린스턴대학 천체물리학 강의

★★★ “인류가 알아가는 우주에 대한 수준 높은 개관. 천체물리학이 낯선 이들에게도 훌륭한 입문서.”_〈스페이스 리뷰〉
★★★ BBC 〈밤하늘Sky at Night〉 선정 올해 최고의 천문학 책

이 복작복작한 삶에서, 볼 수 있는 가장 먼 곳을 바라본다는 것은?
천문학자의 가이드를 통해 이해하는 우리의 위치와 천체의 움직임

우리는 우주에 대해 어디까지, 어떻게 알고 있을까? 물리학 지식은 우주에 대해 무엇을 알려줄까? 오늘날의 천문학은 무엇을 연구할까? 망원경과 컴퓨터는 어떤 역할을 할까? 왜 천문학을 ‘천체물리학’이라고도 할까? 천문학에 관심 있는 사람이라면 한 번쯤 궁금해해봤을 만한 질문들이다. 이 책에선 미국 프린스턴대학의 물리학·천체물리학 교수 조 던클리가 담백하고 친절한 설명을 통해 독자들이 이런 문제에 답할 수 있도록 이끌어간다. 그는 권위 있는 물리학 상을 여러 차례 수상한 연구자이기도 하지만, 복잡한 천체물리 현상을 어떻게 하면 수강생에게 잘 설명해낼지 열심히 고심하는 교육자이기도 하다. 책의 맨 뒤에 이 책에서 사용한 교육법들의 출처를 기록해놓기도 한 것에서도 알 수 있듯이, 이 책에는 그가 천문학을 가르치면서 가장 효과적으로 우주적인 현상을 이해하게 만든 설명들을 신경 써서 모아놓았다.
그는 사실을 과장하거나 어떤 느낌을 강요하지 않고, 군더더기 없이 핵심을 파고드는 설명을 통해 청중을 감탄하게 만드는 강연을 하는 것으로 유명하다. 화려한 시청각 자료보다 일상에서 볼 수 있는 사물을 들어 보이면서 우주가 움직이는 원리를 이해하게 만들기 때문에, 독자들은 마치 한 분야에 정통한 대가가 분필 하나를 잡고 넓디넓은 우주를 상상하게 만드는 수업에 참여하는 듯한 기분을 느낄 것이다. 즉 이것은 권위와 품위를 잃지 않으면서 과학적 발견의 두근거림과 공감을 불러일으키는 책이라 하겠다.
한마디로 말하면 이 책은 ‘우리 우주’에 대한 책이다. 우주는 우리가 알고 있는 공간 전체에 붙이는 이름이다. 그곳은 우리가 망원경으로 볼 수 있는 공간이거나, 우리가 볼 수 있는 부분과 물리적으로 연결되어 있다고 생각하는 공간이다. 이 책은 지구에 있는 우리가 어떻게 더 큰 공간 안에 자리 잡고 있는지, 지구는 어떻게 여기에 있게 되었는지, 그리고 더 큰 우리 우주의 미래가 어떻게 될 것인지에 대한 개괄적인 이야기도 해준다. 또 이 책에서는 우주의 팽창이 가속화하는 것 같은 복잡한 현상이나 우리 우주가 많은 우주들 중 하나일 뿐일 수도 있다는 가능성 등에 관한 학계 최전선의 논의도 함께 다룬다.

우주를 알려면, 우주만 알아서는 안 된다!
천체를 사물에 비유하며 물리학 원리부터 이해하는 천문학 강의

이 책이 다루는 우주론이라는 분야에서는 천문학과 물리학이 만난다. 그 이유는 첫째로 지구 밖에 존재하는, 우리에게 드문 극한의 물리적 조건이 물리학계에 풀어야 할 질문을 던져주기도 하고, 둘째로 우리가 별빛과 같은 관측 자료를 통해 우주의 기원과 진화를 밝히려면 물리학적이고 수학적인 계산이 필요하기 때문이다. 이를테면 태양 질량의 두 배를 불과 지름 몇 킬로미터의 공 안에 눌러 넣어서 만들어지는 블랙홀을 상상해보라. 또 현대의 우주 연구는 망원경과 컴퓨터, 시뮬레이션 기술의 발전에 힘입어 이루어지고 있는데, 이런 기술을 개발하고 활용하기 위해서도 더 정확한 물리학·수학 지식은 필수적이다.
이처럼 우주를 이해하기 위해선 소위 ‘천문학’이라는 분야 외의 과학에 대한 이해가 꼭 필요하다. 이 책은 그때 필요한 물리·화학·수학 지식을 꼭 필요한 요소만 쏙쏙 뽑아내 먼저 설명한다든가, 천체를 우리가 쉽게 이해할 수 있는 휴먼스케일의 사물에 비유하는 방식으로 우주적 현상을 탁월하게 설명해낸다. 이 책에는 총 42개의 일러스트가 실려 있는데 모두 평면적인 2차원의 흑백 일러스트로, 사진처럼 입체적이거나 컬러풀하지는 않지만 복잡한 현상을 만들어내는 하나의 힘을 설명해내는 데에는 가장 효과적인 이미지다.
또한 이 책을 통해 독자들은 우리가 알고 있던 것보다 더 많은 사람들의 노력과 협력으로 이루어진 천문학을 만날 수 있다. 조 던클리는 과학사와 연구 현장에서 그동안 배제되었던 여성이나 흑인 과학자들이 더 평등한 환경에서 연구하도록 하는 일에 관심이 많은데, 그런 관점이 이 책에도 녹아 있다. 독자들은 이 책에서 헨리에타 스완 레빗이나 베라 루빈과 같은 여성 과학자들의 업적과, 우주를 알기 위해 연구자들이 국제적으로 어떻게 협력했는지 또한 보게 될 것이다.

현대의 천문학은 무엇을 어떻게 연구하는가?
기본적인 빛, 파동, 중력에서 출발해 크고 신비로운 우주 끝까지 가보는 여행

이 책은 우주의 처음에 대한 이야기부터 시작하지는 않는다. 그곳은 조금 생소한 곳이기 때문이다. 대신 지금 여기, 이 지구에서 우주를 보는 관점에서 시작한다. 1장에서는 지구의 위치를 알아보면서 지구-태양계-‘태양 주위’-은하수-국부은하군-초은하단-관측 가능한 우주로 갈수록 규모가 커져가는 천체를 살펴본다. 밤하늘을 깊이 들여다보면 우리는 우주에 있는 천체들이 무작위로 흩어져 있지 않다는 것을 알 수 있다. 가장 작은 것에서부터 가장 큰 것까지 함께 자리 잡는 분명한 규칙성을 가지고 있다. 우리는 우주의 이런 규칙성 속에서 지구가 어디에 자리 잡고 있는지 알아보고 우주의 규모가 얼마나 되는지 감을 잡아본다.
2장에서는 별에 대한 이야기를 다루는데, 별을 알기 위해서 먼저 알아야 할 것이 있다. 바로 빛과 망원경이다. 던클리는 이 장에서 빛이란 무엇이고 거기에는 어떤 종류가 있는지, 각 빛은 어떤 특징을 지니는지, 망원경은 어떻게 우리가 빛을 ‘볼’ 수 있게 해주는지를 먼저 설명한다. 그러고 나서 별의 종류, 구성 성분, 일생을 살펴보고 이것을 우리가 어떻게 밝혀냈는지 알려준다.
3장에서는 우리의 눈이나 망원경, 심지어 다른 종류의 빛을 관측하는 망원경으로도 볼 수 없는 암흑물질을 만난다. 이것은 백 년도 되지 않은 발견인데, 우주가 무엇이며 무엇으로 구성되어 있는지에 대한 우리의 이해를 바꾸어놓았다. 우주의 구조를 파악하기 위해서 생략할 수 없는 그것은 밝게 빛나는 모든 것에 엄청난 영향을 미치기도 하고, 자연의 기본 재료의 일부로 생각되기도 한다. 이런 암흑물질은 어떻게 발견되었고, 확인되었을까? 이를 밝히기 위해 필요했던 ‘중력 렌즈’ 같은 물리적 원리를 소개하고, 암흑물질이 무엇인지에 대해 현재 주장되고 있는 이론들도 소개한다.
4장에서는 우주 공간의 성질을 살펴본다. 우주 공간이 끊임없이 변한다는 사실을 발견하기까지의 역사를 소개하고, 우주가 팽창하거나 수축한다는 것이 무슨 의미인지, 그것을 어떻게 알 수 있는지 알아본다. 더불어 이 장에서는 우리는 공간 그 자체가 모양을 가지고 있다는 아이디어와 우리 우주가 무한히 크다는 사실을 발견할 가능성과도 만난다. 여러 사고 실험을 통해 팽창하는 우주가 어떤 모습일지 상상해보기도 할 것이다.
마지막 장은 우주 역사의 요약본이다. 여기서는 최초의 순간부터 현재까지 우주의 일생을 살펴본다. 이 장에선 우주가 시작되던 순간 새겨진 작은 흔적들이 수십억 년 후 우리 태양계의 집인 우리은하와 같이 별들로 가득 찬 은하들로 바뀌는 모습을 한 편의 드라마처럼 보게 된다. 그리고 우리 근처의 우주와 우주 전체에 앞으로 무슨 일이 일어날지, 지금 건설하고 있는 망원경으로는 무엇을 할 수 있을지 알아본다.
에필로그에서 던클리는 지금이 “호기심과 가능성으로 가득 찬 천문학의 황금기”라고 말한다. 훌륭한 새 망원경들과 계속 발전하고 있는 컴퓨터 성능의 도움을 받아, 우리는 조만간 지금까지의 놀라운 발견에 더해 더 놀랍고 신비로운 것들을 알아낼 수 있을 것이다.

“우주를 안내하는 빛나는 안내서. … 조 던클리는 지구에서부터 우리가 관측할 수 있는 한계까지를 빠르게 훑은 뒤 별의 생애, 암흑물질, 우주의 진화를 비롯하여 우주 역사의 모든 것을 샅샅이 탐험한다.”_〈네이처〉

“우주에 대한 무수한 발견을 압축해놓은, 빛나는 책이다. 천체물리학자 조 던클리는 지구부터 관측 가능한 끝까지를 빠르게 훑은 뒤에 별의 생애 주기나 암흑물질, 우주의 진화, 그리고 우주의 모든 것을 완벽하게 탐험한다. 10세기 페르시아의 천문학자 압드 알-라흐만 알-수피나 20세기와 21세기의 열구자인 수브라마니안 찬드라세카르, 조셀린 벨 버넬, 베라 루빈 등에 관한 이야기도 매우 흥미롭다.”_〈네이처〉

“이 책은 관측 연구를 순수한 이론적 틀과 엮어가며 우리를 우주로 데려간다. … 관측 연구자와 이론 연구자 모두가 갖고 싶어 할 저작.”_에단 시겔, 〈포브스〉

“인류가 알아가는 우주에 대한 수준 높은 개관. 천체물리학이 낯선 이들에게도 훌륭한 입문서다.”_제프 푸스트, 〈스페이스 리뷰〉

“우주에 관한 매혹적이고 쉬운 소개. 빅뱅과 ‘우주의 새벽’에서의 첫 별들부터 태양계외 행성이나 암흑물질, 암흑에너지를 향해 이루어지고 있는 연구까지 다루고 있다. … 던클리는 우주와 그 안에서 발견될 신비들을 전망할 수 있는 관점을 제공한다.”_〈퍼블리셔스 위클리〉

“던클리는 독자들을 시간과 공간을 향해 떠나는 그랜드투어로 이끈다. 우리의 가까운 이웃 행성들로부터 관측 가능한 우주의 끝까지. … 만약 당신이 배경지식을 새로 정리하고 싶거나 호기심 많은 조카에게 줄 선물을 찾고 있다면, 이 작은 보석 같은 책은 당신을 결코 실망시키지 않을 것이다.”_고베르트 쉴링, BBC 〈밤하늘Sky at Night〉