제임스 웹 우주망원경을 넘어 차세대 거대 망원경, 중력파 천문학, 외계 생명 탐사까지. 앞으로 수십 년간 천문학은 어떻게 발전할까요? 인류의 우주 진출과 함께 펼쳐질 천문학의 미래를 전망합니다. 오늘은 천문학의 미래와 인류의 도전, 다음 세대가 볼 우주에 대해서 살펴보겠습니다.
새로운 눈으로 보는 우주
천문학이 급속히 발전하면서 매년 새로운 발견이 나오고 있는데, 2021년 발사된 제임스 웹 우주망원경은 2022년부터 놀라운 관측 결과를 내놓고 있습니다. 빅뱅 후 불과 3억 년 된 은하를 발견했는데 적색편이가 z=14에 달하며 기록을 갈아치웠고, 외계 행성 대기를 정밀하게 분석하여 물, 이산화탄소, 메탄 같은 분자를 찾으면서 생명 징후를 탐색하고 있습니다. 아직 확실한 생명 징후는 발견하지 못했지만 수백 개의 행성을 분석하면 시간 문제일 것입니다. 제임스 웹만이 아니라 지상 망원경도 급격히 발전하고 있는데, 극대형 망원경 시대가 도래하고 있습니다. 30미터 이상의 주경을 가진 세 개의 극대형 망원경이 건설 중인데, GMT는 Giant Magellan Telescope로 칠레에 건설 중이며 주경이 25.4미터로 7개의 8.4미터 거울을 합친 구조이고 2029년 완공 예정으로 허블보다 10배 선명한 영상을 제공할 것입니다. TMT는 Thirty Meter Telescope로 원래 하와이에 지을 예정이었으나 원주민 성지 문제로 논란이 있어 스페인 카나리아 제도가 대안지로 유력한데, 주경 30미터에 492개의 육각 거울로 구성되어 제임스 웹과 협력 관측할 계획입니다. ELT는 Extremely Large Telescope로 이름 그대로 극대형이며 유럽남방천문대가 칠레 아타카마 사막에 건설 중인데, 주경 39미터에 798개의 육각 거울로 구성되어 2027년 완공되면 세계 최대 망원경이 됩니다. 이 망원경들은 외계 행성을 직접 촬영하고 코로나그래프로 별빛을 가려서 행성의 대기 스펙트럼을 분석하여 산소 같은 생명 징후를 찾을 것이며, 초기 우주의 첫 별과 첫 은하를 관측하고 재이온화 시기를 연구하며, 암흑물질의 분포를 정밀 측정하여 정체를 밝히려 할 것입니다.
중력파와 다중 메신저 천문학
2015년 LIGO가 블랙홀 충돌에서 나온 중력파를 최초로 검출하여 노벨상을 수상하면서 새로운 시대가 열렸는데, 2017년에는 중성자별 충돌인 GW170817을 관측하면서 중력파와 감마선, X선, 가시광선, 전파를 동시에 관측하는 다중 메신저 천문학이 시작되었습니다. 중력파는 빛으로 볼 수 없는 블랙홀 내부의 정보를 전달하는 시공간 자체의 파동이라서 막을 수 없는데, 미래에는 더 많은 검출기가 작동할 것입니다. 현재 미국의 LIGO 2개, 이탈리아의 Virgo, 일본의 지하 KAGRA가 운영 중이고, 인도에도 LIGO-India가 2030년 완공 예정인데, 여러 검출기가 네트워크를 이루면 중력파 발생 위치를 정확히 측정하여 망원경이 즉시 관측할 수 있습니다. 우주에도 중력파 검출기를 보낼 예정인데, LISA는 2037년 발사 예정으로 ESA가 주도하며 250만 킬로미터 떨어진 세 개의 위성이 삼각형을 이루어 레이저로 연결되어 저주파 중력파를 관측합니다. 지상 검출기와 달리 초거대 블랙홀 충돌을 관측할 수 있는데, 은하 중심의 수백만에서 수십억 태양 질량 블랙홀이 충돌하는 것을 관측하여 은하 합병과 연결할 것입니다. 빅뱅 직후의 원시 중력파도 찾고 있는데, 우주 마이크로파 배경의 편광 패턴인 B모드에 흔적이 남아 있을 것으로 예상되며, BICEP과 SPT 같은 실험이 진행 중이고 10년 내 발견하여 인플레이션을 증명할 가능성이 있습니다. 중력파 천문학은 이제 시작 단계인데 매년 수십 건을 검출하고 곧 수백 건으로 늘어나면서 블랙홀 개체군을 연구하고 형성 과정을 밝히며, 극한 환경에서 일반상대성을 검증하고 새로운 물리를 찾을 것입니다.
인류의 우주 진출과 천문학
인류가 우주로 나가면서 천문학도 새로운 국면을 맞이하고 있는데, 아르테미스 프로그램으로 2026년 달에 다시 착륙하여 남극에 기지를 건설할 예정이며, 얼음에서 물과 연료와 산소를 얻어 영구 거주하면서 천문 관측도 할 것입니다. 달 뒷면은 지구 전파가 도달하지 않아 조용하므로 크레이터에 수 킬로미터 지름의 전파 망원경을 건설하여 암흑 시대의 수소 21cm 선을 관측할 계획입니다. 2030년대에는 SpaceX의 스타십과 NASA의 계획으로 화성 유인 탐사가 시작되어 기지를 건설하고 과학 연구를 하는데, 화성의 얇은 대기는 천문 관측에 유리하여 허블급 망원경을 설치할 수 있습니다. 소행성 탐사와 자원 채굴도 시작될 것인데, 중력이 약한 소행성에서는 큰 망원경을 지구 궤도보다 저렴하게 건설할 수 있습니다. 인공지능이 천문학을 혁신하고 있는데, 2025년 시작하는 LSST는 칠레 베라 루빈 천문대의 8.4미터 망원경으로 매일 밤 하늘 전체를 촬영하여 10년간 페타바이트급 데이터를 생성하는데, AI가 자동으로 변광성, 초신성, 소행성을 찾아낼 것입니다. 시민 과학도 중요한데 갤럭시 주 프로젝트에서 시민들이 수백만 개 은하를 분류하며 녹색 콩 은하나 Hanny's Voorwerp 같은 퀘이사 흔적을 발견했습니다. 인류가 여러 행성에 살게 되면 태양계 곳곳의 관측소가 협력하여 천문 단위 베이스라인의 간섭계를 만들어 외계 행성 표면의 대륙과 바다를 구분하고 생명을 찾을 것입니다. SETI는 계속해서 외계 문명을 탐색하는데, 브레이크스루 리슨은 천억 달러를 투자하여 백만 개 별의 전파와 광학 신호를 들으며 다이슨 구체 같은 테크노시그니처를 찾고 있습니다. 아직 발견하지 못했지만 50년, 100년간 계속 탐색할 것인데, 천문학의 미래는 더 멀리, 더 선명하게 보면서 우주를 이해하고 인류의 기원을 밝혀 우주로 나아가는 미래를 만들어갈 것입니다.