헨리에타 리빗 — 별의 밝기에서 거리의 열쇠를 찾다

밤하늘의 밝은 별이 더 가까운 별일까. 꼭 그렇지는 않다. 가까이 있는 작은 불빛보다 멀리 있는 강한 조명이 더 밝게 보일 수 있다. 별의 밝기만으로 거리를 알려고 하면 같은 어려움이 생긴다. 헨리에타 리빗은 밝기가 변하는 별에서 그 문제를 풀 실마리를 찾았다.

그녀의 발견은 거대한 망원경 앞의 극적인 한순간보다 여러 시점의 사진을 비교하는 꾸준한 일과 연결되어 있다. 오픈스택스 천문학 교재의 변광성 설명을 바탕으로, 별의 리듬이 어떻게 거리의 정보가 되는지 차근차근 따라가 본다.

01. 별이 늘 같은 밝기로 있는 것은 아니다

어떤 별은 시간이 지나면 밝아졌다가 어두워진다. 이런 별을 변광성이라고 부른다. 이유는 여러 가지다. 다른 별이 앞을 지나 가릴 수도 있고, 별 자체가 팽창하고 수축하면서 빛이 달라질 수도 있다. 겉으로 비슷하게 반짝여 보여도 같은 현상으로 단정할 수 없다.

리빗의 연구와 연결되는 세페이드 변광성은 규칙적으로 맥동하는 별의 부류다. 한 번 밝아지고 다시 같은 상태로 돌아오는 데 걸리는 시간을 주기라고 한다. 별의 한순간 사진만으로는 그 리듬을 알 수 없다. 같은 별을 다른 때에도 다시 살펴야 한다.

02. 사진판은 밤하늘을 다시 볼 수 있게 했다

리빗은 하버드대학 천문대에서 사진 자료를 연구했다. 유리 사진판에는 하늘의 한순간이 남아 있고, 다른 날의 판과 비교하면 무엇이 달라졌는지 찾을 수 있다. 관측의 순간에 직접 망원경을 들여다보는 일만 천문학이었던 것은 아니다. 기록을 읽고 비교하는 일도 발견의 중심에 있었다.

사진 속 작은 점을 별로 알아보고 같은 대상을 여러 장에서 추적하려면 세심한 노동이 필요하다. 눈에 잘 띄는 장면 하나만 고르는 일과는 다르다. 밝기가 언제 올라가고 언제 내려가는지 확인하면서 시간이 사진들 사이에 다시 들어온다. 정지된 점들에서 움직임의 규칙을 꺼내는 작업이다.

03. 멀리 모여 있는 별들이 준 기회

리빗은 마젤란운의 별들을 연구했다. 지금 우리는 그곳이 은하수 주변의 다른 은하들이라는 것을 안다. 당시 그 별들의 정확한 거리를 모두 알고 있던 것은 아니다. 그런데 바로 그 멀고 모여 있다는 조건이 비교에 유리했다.

지구에서 보면 한 무리의 별들이 대략 비슷한 거리에 있다고 간주할 수 있다. 이 무리 안에서 한 별이 다른 별보다 밝다면 거리 차이보다는 별 자체의 빛 차이를 살필 수 있게 된다. 저 멀리 나란히 놓인 전등들을 비교하는 것과 비슷하다. 같은 조건을 골라 비교하는 일이 문제를 단순하게 만든다.

04. 천천히 변하는 별이 더 밝았다

그녀가 찾아낸 핵심은 세페이드 변광성의 주기와 밝기가 연결된다는 사실이다. 밝아졌다 어두워지는 데 더 오랜 시간이 걸리는 별일수록 별 자체의 밝기가 더 컸다. 아무렇게나 변하는 것 같던 점들 사이에 일정한 관계가 나타난 것이다.

이를 주기와 광도의 관계라고 부른다. 광도는 별이 실제로 내는 빛의 양을 가리킨다. 우리 눈이나 사진에서 보이는 밝기와 구별하기 위해 필요한 말이다. 중요한 발견은 단순히 오래 반짝이면 멀다는 결론이 아니다. 먼저 리듬에서 별 자체의 빛을 추정할 수 있는 길이 열린 것이다.

05. 전구의 종류를 알면 거리를 짐작할 수 있다

같은 전구가 가까이에 있으면 밝게 보이고 멀어지면 어두워 보인다. 별 자체의 밝기를 알 수 있다면 우리에게 얼마나 약해져 보이는지 비교해 거리를 계산할 수 있다. 문제는 별마다 원래 밝기가 다른데 그 전구의 종류를 어떻게 아느냐는 데 있었다.

세페이드는 변하는 주기가 그 질문에 답할 실마리가 된다. 주기를 재고, 관계에 따라 실제 밝기를 추정한 뒤, 관측한 밝기와 비교한다. 별 하나의 빛을 재는 일이 시계로 시간을 재는 일과 연결된다. 거리에 관한 정보가 위치의 사진에만 들어 있는 것은 아니었던 셈이다.

06. 리빗 혼자 모든 거리를 재지는 않았다

여기에서 한 단계를 더 구분해야 한다. 리빗은 주기와 밝기의 관계를 찾아냈지만, 처음부터 그 관계에 정확한 거리 숫자를 모두 매겨 놓은 것은 아니다. 기준을 정하려면 다른 방법으로 거리가 알려진 별들을 이용해 눈금을 맞추는 작업이 필요했다.

이 보정에는 다른 천문학자들의 연구도 이어졌다. 관계의 발견과 실제 거리를 산출하는 도구의 완성은 연결되어 있지만 같은 사건이 아니다. 리빗이 우주의 크기를 혼자 최종 계산했다는 식으로 소개하면, 정작 그녀가 정확히 무엇을 발견했는지 흐려진다. 공로는 크게 꾸밀수록 더 분명해지는 것이 아니다.

07. 작은 점이 은하 바깥의 문을 열다

세페이드의 주기를 읽는 방법은 훨씬 먼 곳으로 적용되었다. 뒤에 허블을 비롯한 천문학자들이 다른 은하의 별을 연구할 때에도 중요한 거리의 도구가 된다. 별 하나의 리듬을 읽는 일이 은하수 밖의 세계를 이해하는 연구로 이어진 것이다.

이 과정에도 망원경의 성능과 관측, 밝기 측정과 보정이라는 여러 조건이 필요했다. 한 가지 법칙만 손에 넣으면 우주가 자동으로 지도에 그려지는 것은 아니다. 그래도 리빗의 관계가 없었다면 그 사다리의 중요한 발판 하나가 비었을 것이다. 멀리 있는 대상을 비교할 공통 기준이 생겼다는 의미가 크다.

08. 기록을 읽던 여성들의 일

교재는 리빗이 낮은 임금으로 천문대의 연구를 돕던 여성들 가운데 한 사람이었다는 점도 짚는다. 그들의 일을 단순한 잡무로만 생각하면 발견을 가능하게 한 지적 노동이 사라진다. 분류하고 비교하며 신뢰할 수 있는 자료를 만드는 일에도 판단과 기술이 필요하다.

그렇다고 제도 속의 어려움을 감동적인 성공담의 장식으로만 둘 필요는 없다. 누가 관측 기회를 얻고 누가 자료를 분석하며 누구의 이름이 결과에 남는지는 과학이 이루어지는 실제 조건이다. 리빗의 이야기는 발견의 원리와 그 일을 수행한 사람의 자리를 함께 보게 한다.

09. 별의 한순간보다 긴 시간을 보다

사진 한 장에서는 작은 점이지만, 여러 장을 시간순으로 놓으면 별은 자기 리듬을 드러낸다. 리빗은 그 리듬을 다른 별과 비교해 거리의 열쇠로 바꾸었다. 특별한 대상을 찾는 것만큼 같은 대상을 꾸준히 다시 보는 일이 중요하다는 사실을 알려 준다.

오늘 밤 별이 반짝인다고 그 모두를 세페이드라고 생각할 필요는 없다. 이 이야기가 남기는 재미는 더 천천히 온다. 아주 먼 거리를 재는 정보가 별의 밝고 어두워지는 시간에 숨어 있었다는 것. 우리가 밤하늘을 읽는 방법은 빛의 양뿐 아니라 그 빛을 얼마나 오래 살펴보았는지에 따라서도 달라졌다.