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우주 별들의 형성 : 우아한 이론들이 틀렸을 때
(Cosmic Star Formation : When Elegant Theories Wrong)
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     한 천문학자는 최근 Science (29 June, 2007) 지에 ”우주 기차의 조난(cosmic train wrecks)”에 관한 글을 게재하였다 [1]. 파올로 코피(Paolo Coppi, 예일 대학)는 은하들의 합병(galactic mergers)들에 관해서 이야기하면서, 현재 우주론 모델(cosmological models)들에 관한 충격적인 이야기를 말하고 있었다. 강력한 망원경들이 베일에 쌓여있었던 은하의 중심부를 깊이 들여다 볼 수 있게 됨으로서, 한때 이해되었다고 생각했던 것들에 대한 상세한 조사가 실시되었다. 최근 합병의 결과로 생각되던 NGC 6240 라는 한 특별한 은하에 대한 전례 없는 상세한 지도가 작성되었다.    
        
은하들이 충돌할 때 무엇이 발생하고, 어떻게 별들이 형성되고, 어떻게 블랙홀이 행동하는지에 관한 오늘날의 생각들에 대해서 직설적으로 써내려가던 글 중간에, 그는 한 단락을 놀라운 말로 끝맺고 있었다. 거기에서 그는 젊은이들이 사용하는 속어(slang)와 같은 용어를 사용하여 ”천문학자들이 별들의 형성을 이해했다는 것은, 뻥이다!”라고 표현하고 있었다.  

최근까지 수행되어온 근처 은하들의 상세한 관측에 의하면, 별(star, 항성)들은 두 가지 주요한 방식으로 형성되는 것으로 확립되었다 : 하나는 NGC 6240과 같이 충돌에 의한 강력하고 빠르게 일어난 ”별들의 갑작스런 형성(starbursts)”이고, 또 하나는 우리 은하의 원반(disk)에서 보여지는 것과 같은 훨씬 덜 극적인, 그러나 ”꾸준한 형성(quasi-steady formation)’이 그것이다. NGC 6240과 같은 천체들은 오늘날 극히 드물기 때문에, 대부분의 별들은 원반 안에서 ‘조용히(quietly)’ 형성되는 것으로 추정되었다. 많은 가스들을 함유하지 않은 더 커다란 소위 타원은하(elliptical galaxies)들은, 후에 가스들이 별들로 변하게 된 작은 원반우세 은하(disk-dominated galaxies)들의 합병으로부터 생겨났다. 합병은 작은 역할로서, 주로 이미 만들어진 별들을 중력적으로 긁어모으는 것이었다. 그러나 이 이야기는 우아하고 멋지게 들렸지만, 틀린 것처럼 보인다.

문제는 오늘날 관측에 의하면, 대부분의 별들의 형성은 우주역사의 초기부터 나타나고 있다는 것이다. 중심부를 선회하는 두 블랙홀을 가지고 있는, 그리고 오늘날 어떠한 별들의 형성도 일어나고 있지 않는 NGC 6240은 하나의 ”흔한 괴짜(common oddball)”가 될 수도 있다 (즉, 극히 드물어야만 하는 어떤 것이 초기 우주상태에서 흔하게 나타나서 오히려 대표가 되고 있다). 코피는 이것을 ”매우 놀라운(very surprising)” 것이며, 새로운 문제들을 야기시키는 것이라고 말하고 있었다.

오늘날의 타원은하들은 ”적색의 죽은(red and dead)” 은하들이다. 왜냐하면 그 은하에는 오래된 (적색) 별들이 우세하고, 새로운 별들은 형성되지 않는다. 매우 놀랍게도 타원은하의 조상들(progenitors) 일부도 또한 ”적색의 죽은” 것으로 나타난다. 그러나 빠르게 그리고 영구적으로 별들의 형성을 멈추게 하는 새로운 메커니즘에 호소하지 않는다면, 시뮬레이션에서 대부분의 대규모 천체들은 너무도 거대해서 결코 적색의 죽은 천체들이 될 수 없는 것으로 나타났다.  

하나의 해결책은 모델 내에 초거대한 블랙홀의 부착(accretion of a supermassive black hole)에 의한 피드백을 포함시키는 것이었다. 별 형성이 활발히 진행되는 부분들을 가지고 있는 NGC 6240과 같은 시스템에서, 활발한 부착성 블랙홀들은 관측에 의한 지지를 받는 것처럼 보인다. ”모든 근처의 타원은하들이 은하의 질량에 비례하여 하나의 블랙홀을 가지고 있다는 것은, 빠른 별들의 형성과 빠른 블랙홀의 흡수와 성장이 필연적이며, 가스가 중력적으로 매우 작은 부피로 압착되어야하는 NGC 6240과 같은 곳에서 우주 기차의 조난(cosmic train wreck)이라는 중대한 결과와 밀접하게 연결되어있음을 암시하고 있는 것이다. 이것은 놀라운 발견이다.” 그러나 이러한 말에서 관측이라는 말은 이론과 구별될 수 있는가?

이 점에 대해서, 코피는 개선될 관측들에 대한 전망에 초점을 맞추고 있었다. 2015년에 가동될 것으로 예상되는 레이저 간섭 우주안테나(Laser Interferometry Space Antenna, LISA)는 블랙홀이 분출하는 중력파(gravitational waves)들을 통해서 블랙홀의 합병에 관한 서명을 탐지할 수 있을 지도 모른다. 그러나 블랙홀이 그들 자신의 별들을 삼키면서 천천히 부착되는지, 또는 은하들의 합병을 통하여 격변적으로 형성되는지에 관해서는 상당한 추정(considerable speculation)이 존재한다고 그는 말했다. 그러나 그는 LISA가 그것을 말해줄 수 있을 것이라고 확신하고 있지는 않다.

토의 부분에서, 코피는 블랙홀이 실재한다고 가정하고 있었다. 심지어 블랙홀의 존재를 부정하고 있는 다른 천문학자들의 말은 그에게 전하지 않는 것이 좋을 것이다. 최근 ScienceNOW Daily News의 한 기사(No More Black Holes? 21 June 2007 )는 다음과 같이 시작하고 있었다 :

만약 새로운 계산이 정확하다면, 전 우주는 매우 낯설게 된다. 오하이오주 클리브랜드의 케이스웨스턴 리저브 대학의 과학자들은 블랙홀이 존재할 수 없다고 결론내리는 한 수학적 공식을 만들었다. 만약 그것이 맞다면, 그 발견은 천체물리학에서 혁명을 일으킬 수 있고, 40여년 동안 물리학자들을 난처하게 했던 한 패러독스를 해결할 수 있을 것이다.

많은 은하들의 중심부에 엄청난 무게의 치밀한 물체(블랙홀)가 존재한다는 것에 대해서는 어떠한 의심도 받고 있지 않았다. 그러한 생각은 대부분의 천문학자들에게 우주는 블랙홀로 가득하다고 믿도록 이끌었다. 크라우스(Lawrence Krauss)는 대답한다. ”거기에 블랙홀이 있다는 것을 당신은 어떻게 알게 되었는가? 실제로 아무도 블랙홀을 보지 못했다. 그리고 가령 초거대한 별들의 잔해들과 같은 엄청난 중력을 가진 어떤 것들은 블랙홀에서와 같은 비슷한 영향력을 발휘할 수 있다.” 그가 말했다.
 
크라우스와 동료들은 시간의 상대성을 고려한 상세한 계산을 수행했다. 그들은 하나의 특이점(singularity)이 형성되기 이전에는 시간(time)이 멈추는 것을 보여주었다. 이것은 블랙홀이 전혀 형성될 수 없음을 의미한다. 만약 그렇다면, 본질적으로 물리학자들은 40여년 동안 속임수 질문(trick question)에 대해 논쟁해왔었던 것이 된다. 그들의 주장은 오늘날 논쟁 중에 있다. 비평가들은 전통적 블랙홀을 지지하는 다른 관측들을 지적하고 있다. 그러나 모두가 동의할 수 있는 것은 새로운 관측들과 이론들에 의하면 정말로 우주는 이상한 모습들을 보여주고 있다는 것이다.


[1] Paolo Coppi, 'Inside a Cosmic Train Wreck,” Science, 29 June 2007: Vol. 316. no. 5833, pp. 1852-1854, DOI: 10.1126/science.1139057.

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이 글에서 말하고자 하는 요점은, 별들의 형성, 블랙홀, 은하들의 합병에 관한 논쟁에서 한 입장을 취하려는 것이 아니라, 실재적 물체(real objects)와 과학적 물체(scientific objects) 사이의 차이를 설명하려는 것이다. 과학적 물체는 우리가 경험을 통하여 직접적으로 알 수 없는 어떤 것이다. 즉, 블랙홀, 쿼크(quark), 지구의 핵, 태양의 내부, 생물체들의 공통조상, 원시스프.... 등과 같은 것들이다. 누구도 자동차가 존재한다는 것을 부정하지 않는다. 그리고 만약 자동차가 전화박스를 향해 돌진한다면, 안 좋은 일이 발생할 것이다. 그러나 과학적 물체는 오직 간접적으로 추론되는 것이다. 과학자는 그들 물체를 방정식에 유용한 존재로, 그리고 이론 모델들의 요소로서 상상하고 있다. 그들은 정말로 존재하는가? 라는 질문은 전적으로 다른 질문인 것이다.

여기에서 우리는 천문학자들과 우주론자들이 어떤 과학적 물체에 대해서 싸우고 논쟁하고 있는 지를 보았다. 그들은 이 물체들이 실재한다고 느끼고 있는지, 그리고 객관적 현실성이 있는지에 관한 질문은 없다. 그러나 어떻게 그들은 그들의 믿음을 정당화할 수 있을까? 진화론처럼, 새롭고 더 좋은 관측은 자주 새로운 수수께끼를 야기시키고, 간혹 이전에 잘 이해했다고 믿었던 생각을 완전히 폐기하도록 위협하고 있다. 몇몇 생각들은 우아한 것처럼 보이지만, 그들이 실제로 존재한다는 것은 입증되지 않았다. 우주는 인간의 우아한 측정에 복종할 의무가 없다.
 
은하들이 수십억 년에 걸쳐 느긋한 속도로 별들을 형성하며 천천히 나이를 먹어간다고 상상하는 것은 우아할 수도 있었다. 합병의 유물로서 그들의 가스들이 벗겨져 나가고 이미 형성된 별들의 유물로서 남겨진 타원은하를 상상하는 것은 우아할 수도 있었다. 그러면 지금은 어떠한가? 새로운 관측은 ”우아했지만, 이 이야기는 틀린 것처럼 보인다” 라고 코피를 인정하도록 만들고 있는 것이다. 이제 그는 그의 과학적 물체를 비틀어야만 한다. 이제 그는 ”별들을 빠르게 형성했다가 영구히 형성을 멈추게 하는” 새로운 메커니즘을 상상해야만 한다. 또는 중력 붕괴로부터 피드백을 포함하도록, 또는 블랙홀이 충돌하지 않도록 모델들을 변형시켜야만 한다. 크라우스 등은 블랙홀이 존재하지 않는다고 주장했다. 그들이 과학적 물체가 실재적 물체라고 주장할 수 있는 점은 무엇 때문인가?
 
골드만(Steven Goldman, Lehigh University) 박사는 이 문제에 대해서 흥미로운 12 시간짜리 시리즈물 ”과학 전쟁 : 과학자들이 알고 있는 것과 그것을 어떻게 알았는지에 관하여(Science Wars: What Scientists Know and How They Know It)”를 만들었다(Teaching Company). 이 시리즈물 강의는 여기에서 자주 논의되는 질문들에 대하여 적절한 언급을 하고 있다. 골드만은 매우 상세하게 지난 2000여 년 동안 과학의 모든 영역에서 논쟁되던 사항들을 하나씩 제시하였다. 과학자들은 진실(truth)과 실재(reality)에 대해서 말하고 있었는가? 아니면 친목회의 멤버들처럼 단순히 게임(games)을 즐기고 있었는가? 그들이 말하고 있는 과학적 물체들은 실재하는 것인가, 아니면 실재하지 않는 것인가? 

골드만은 논쟁을 공개적으로 오픈해 놓고 있다. 마지막 강의에서 하나의 개인적 의견으로서 제시되고 있는 그의 유일한 제안은, 우리는 과학적 물체를 ‘실재하는 것(realities)’들로서 말하지 말고, 과학자들이 자연을 이해하려는 시도에 진보를 할 수 있게 하는 유용한 실체(entities)로서의 ‘존재하는 상황(actualities)’으로서 말해야한다는 것이다. 그리고 그것은 단지 정의를 벗어난 억지스런 변명인지에 대한 약간의 분석을 통해 명백해 져야만 한다는 것이다. 존재하는 상황이 실재와 부합하지 않는다면, 그러면 그것은 무엇인가? 만약 그것이 실재(진실)가 아니라면, 또는 실재하는지 입증될 수 없다면, 과학자들은 어떤 종류의 작업을 해야만 하는 것일까? 그것은 대중들은 그들의 이야기를 왜 들어야만 하는가? 라는 심각하고 곤란한 질문들을 불러일으키는 것이다. 만약 그들이 하고 있는 일들이 모두 알 수 없는 것들에 대해 추정하는 것이라면, 그것에 지적 권위를 부여하고, 수백만 달러의 연구자금을 지원하는 것은 정말 가치 있는 일인가?
 
과학자들이 20세기 초에 알았다고 생각했던 거의 모든 것들이 오늘날에는 틀린 지식으로 간주되고 있다는 점을 골드만은 지적하고 있다. 지구, 원자, 우주, 질량, 시간, 공간, 마음, 의식, 또는 물리학에서 경제학까지 어떠한 과학적 물체도 오늘날 그때와 똑같이 여겨지지 않고 있다. 같은 논리적 결론으로, 2007년에 이해하고 있다고 생각하는 과학적 물체들이 1백년 후에는 모두 뒤집혀지지 않을 것이라고 장담할 수 없다는 것이다.

이와 같은 질문들은 과학자들이 마치 우주에 대한 '진실(the truth)”에 도착한 것처럼 그들의 연구결과를 발표할 때마다 고려될 필요가 있다. 더 좋은 데이터, 더 좋은 장비, 더 좋은 관측은 본질적인 것이다. 너무 좋은 데이터라서 더 이상의 조사가 필요 없다는 경직된 생각으로 어떤 과학적 물체를 판단해서는 안 된다. 과학적 혁명의 역사는 우리들에게 심지어 뉴턴의 물리학이나 바위처럼 견고했던 과학 이론들도 약점을 가지고 있었음을 경고하고 있다. 이것은 우리가 모든 것을 의심해야 한다고 말하고 있는 것은 아니다. 로켓 과학자들은 결국 정확한 장소와 정확한 시간에 우주선을 토성에 도착시켰다. 과학자들은 어떤 것들은 올바르게 하고 있음에 틀림없다. 그러나 수십 년간 이뤄져온 관측들이 어떤 이론과 모순 되기를 계속할 때, 그리고 대상이 되는 과학적 물체들이 극도로 멀리 떨어져 있어서 경험할 수 없는 특별한 것일 때, 실제로 신뢰를 얻을 수 있는 하나의 법칙이 있다 : 그것은 머피의 법칙이다.

출처 : Creation-Evolution Headlines, 2007. 6. 30.
URL : http://www.creationsafaris.com/crev200706.htm
번역자 : IT 사역위원회

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39. 달의 가스 분출은 최근의 지질활동을 가리킨다. : 젊은 달의 또 다른 증거 (Moon Gas Indicates Recent Geologic Activity)
40. 엔셀라두스 : 차갑고 젊은 위성 (Enceladus : A Cold, Youthful Moon)
41. 생각했던 것보다 80%나 젊어진 초신성 (Supernova 80% Younger Than Thought)
42. 달의 후퇴율 : 그것은 젊은 우주를 지지하는가? (Lunar recession: does it support a young universe?)
43. 달은 정말로 오래 되었는가? : 달의 후퇴율로 추정해 본 달의 나이 (Is the moon really old?)
44. 엔셀라두스에서 날아온 토성 E-고리의 산소 기포 (Saturn E-Ring Oxygen Bubble Blown by Enceladus)
45. 물리학은 6일 창조가 가능함을 보여준다. (Physics Show That Six Day Creation is Possible)
46. 부서지고 있는 혜성을 보라. (See Comet Crumble)
47. 토성의 위성 엔셀라두스 : 물의 존재는 생명체의 존재인가? (Saturn’s Moon – does water equal life?)
48. 지구가 젊다는 추가 단서들 (More Clues That the Earth is Young)
49. 나선은하는 우주론적으로 짧은 시간 안에 흐릿해지도록 감겨지고 있다 (Spiral Galaxies Wind Up Into Blurs In Short Cosmological Time)
50. 스타더스트는 혜성 먼지에서 불에 탄 암석을 발견하였다 (Stardust Finds Burnt Rock in Comet Dust)
51. 태양계 밖 행성들은 우리의 태양계가 독특하고 젊음을 암시한다. (Extrasolar planets suggest our solar system is unique and young)
52. 관측된 역사적 초신성들의 메아리 (Echoes of Historic Supernovae Observed)
53. 카메라에 잡힌 엔셀라두스의 분출 : 토성의 작은 얼음 위성이 수십억 년 동안 분출 활동을? (Enceladus Eruptions Caught On Camera)
54. “경이로운 수수께끼” : 엔셀라두스의 남극 표면은 1,000년 보다 더 젊다. (“Marvelous Puzzle: : Enceladus' South Pole Surface Less Than 1,000 Years Old)
55. 목성형 행성들의 나이 (The age of the jovian planets)
56. <리뷰> 갑자기 훨씬 더 젊어진 행성들과 위성들 : 운석 충돌에 의한 크레이터들은 대부분 이차성이었다. (Planets and Moons Suddenly Got Much Younger)
57. 우주의 베이비 붐은 베이비 폭발이 되고 있다. : 성숙한 은하들이 우주의 초기 시점부터 발견되고 있다. (Cosmic Baby Boom Becomes Baby Explosion)
58. 오래된 모습의 ‘초기’ 은하들 (‘Early’ galaxies don't fit! : Seeing the distant past?)
59. <리뷰> 혜성들 : 불길한 징조인가, 젊은 우주의 지표인가? (Comets - portents of doom or indicators of youth?)
60. 화성은 활발한 화산활동을 하고 있다. (Mars Joins Active Volcano Club)
61. 즉석 은하? : 초기 우주에서 발견된 성숙한 은하들 (Instant Galaxies?)
62. 젊은 세계에 대한 증거들 (Evidence for a Young World)
63. 달에 있는 유령 크레이터들 : 달 토끼가 우리에게 말하고 있는 것은? (Ghost Craters in the Sky)
64. 타이탄은 최근에 얼음을 분출했었다. (Titan May Have Erupted Ice Recently)
65. ‘오르트 혜성 구름’의 많은 문제점들
(More problems for the ‘Oort comet cloud’)
66. 무엇이 엔셀라두스의 얼음을 녹이고 있는가? : 토성의 위성들은 진화론의 연대를 거부한다 (What is Melting the Ice on Enceladus?)
67. 비행접시가 타이탄에 착륙하다 (Flying Saucer Lands on Titan)
68. 한결같은 태양 : 수십억 년의 연대에 있어서 하나의 문제 (Our steady sun: a problem for billions of years)
69. 빅뱅설로는 너무 나이가 많은 젊은 은하들 (Young galaxies too old for the big bang)
70. 카시니는 토성의 E 고리에서 폭발을 관측했다 (Cassini Watches Explosion in Saturn's E Ring)
71. 타이탄이 아직도 대기를 가지고 있는 이유는? (Why Does Titan Still Have an Atmosphere?)
72. 이오의 화산들은 오래된 연대에 문제를 제기한다 Io's Volcanoes Spell Trouble for Long Age Estimates
73. 수성의 자기장 (Mecury's Magnetic Field)
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75. 저장소에 충분하지 않은 혜성들 (Not Enough Comets in the Cupboard)
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