0. 목차
- 우주여행의 위험 요소들
- 인공생태계 구축은 가능한가?
- 가사상태
- 살만한 곳 찾기
- 빛의 속도로는 '우리 은하'를 탈출할 수 없다.
- 빛의 속도를 넘어서
1. 우주여행의 위험 요소들
'성간(Interstellar)'은 별과 별 사이의 공간을 이르는 말로, '성간 여행'은 이러한 공간을 여행하는 것을 말한다. 그렇다면 우리는 미래의 어느날 '성간 여행(Interstellar Travel)'을 할 수 있을까? '태양계(Solar System)', '은하계(Galaxy)' 밖으로 인간을 보내는 일은 중요하지만, 그보다 더 중요한 것은 인간을 안전하게 지켜줄 수 있는가이다. 성간 여행에는 엄청나게 많은 위험요소가 도사리고 있다. 그래서 이러한 문제를 해결하기 위해 여러 연구가 진행되고 있다. 물리학 법칙에 따라 우리가 예측해 볼 수 있는 몇 가지 방안을 살펴보자.
1-1. 방사선
사실 지구는 생명체를 위한 온갖 안전장치가 갖춰진 천국같은 행성이다. '오존층(ozone layer)'은 태양의 자외선을 차단해주고, '지구 자기장'은 태양의 표면에서 일어나는 일시적인 폭발인 '태양 플레어(Solar Flare)'와 '우주선(Cosmic Ray)'를 막아준다. 뿐만 아니라 두꺼운 대기층은 지구로 떨어지는 온갖 종류의 운석들을 마찰열로 소진시켜서, 충돌로 인한 피해를 방지해준다.
하지만 우주로 나가면 살인적인 방사선이 사방에 널려 있다. 우주공간에 퍼져 있는 방사능 수치는 과거에 예상했던 것보다 훨씬 높은 것으로 밝혀졌다. 태양에서 플레어가 일어나면 엄청난 양의 치명적인 '플라즈마(Plasma)'가 지구를 향해 날아온다. 우주정거장에 체류 중인 우주인들이 여기에 피해를 입지 않으려면, 고에너지 입자의 침투를 막아주는 강력한 차단막으로 우주정거장 전체를 에워싸야 한다. '태양 플레어'가 발생했을 때 우주유영을 하는 것도 치명적일 수 있다. 사실 민간용 비행기만 해도 시간당 1'밀리렘(mrem)'의 방사능이 쏟아지고 있다. ['렘(rem)'은 방사선량의 단위로 'roentgen equivalent to man'의 약자이며, 'm(밀리)'는 1000분의 1이라는 뜻] 그러므로 LA에서 뉴욕으로 비행기를 타고 가는 사람은 병원에서 X-선을 촬영할 때 쪼이는 양만큼의 방사능에 노출되는 셈이다. 우주 공간에는 '대기(Atmosphere)'나 '자기장(Magnetic field)'과 같은 보호막이 없으므로 방사능이 심각한 문제를 초래할 수 있다.
1-2. 미소 운석
지구의 두꺼운 대기층은 지구로 떨어지는 온갖 종류의 운석들을 마찰열로 소진시켜서, 충돌로 인한 피해를 방지해준다. 그러나 우주로 나가면, 시속 수만 km 의 가공할 속도로 날아다니는 운석 등 목숨을 위협하는 요소들이 사방에 널려 있다. 여기에 피해를 입지 않으려면 우주선 외부에 보호막을 설치해야 한다. 임무를 마치고 돌아온 우주왕복선의 외피에는 미소운석과 충돌한 흔적이 곳곳에 발견되곤 하는데, 크기는 작지만 운이 없었다면 대형사고를 일으킬 소지가 충분한 것들이다. 미래의 우주선은 승무원의 안전을 위해 훨씬 튼튼한 재질로 만들어야 할 것이다. (지구로 귀환하다가 대기 중에서 폭발한 컬럼비아호도 결국은 부실한 외피에서 비롯된 참사였다.)
1-3. 온도, 기압, 물, 음식, 공기, 배설물 문제
지구는 '온도'와 '기압'도 생명체에게 알맞도록 적당한 수치를 유지하고 있다. 인간은 극한 기온과 진공 상태에서 잘 적응하지 못하고, 무언가를 끊임없이 필요로 한다. 인간이 살려면 공기도 필요하고, 물도 마셔야 하고, 음식도 먹어야 하고, 배설물도 남기며 뭐 하나 우주 환경에서 살아가기에 좋은 부분이 별로 없다.
1-4. 무중력 문제
무중력상태에 오래 노출되었을 때 나타나는 부작용은 생각보다 훨씬 심각하다. 인간의 몸이 무중력상태에 장기간 노출되면 무기물과 화학물질을 잃게 되는데, 그 속도가 예상했던 것보다 훨씬 빠르다고 한다. 몇 개월 동안 무중력 상태에 있다 보면, 몸에서 칼슘과 광물질이 빠져나가기 때문에 허약해질 수밖에 없다. 실제로 우주정거장에서 1년 동안 근무했던 미국과 러시아의 우주인들은 사전에 엄격한 훈련을 받았음에도 불구하고, 지구에 돌아왔을 때 근육과 뼈가 퇴화되고 심장 혈관이 수축되는 등 몸에 심각한 변화가 나타났다. 우주인들은 매일 규칙적으로 운동하도록 되어 있지만, 저중력으로 인한 신체기능 저하를 막기에는 역부족이다. 몇 개월만 우주에서 보내다가 지구에 와도 한동안 걷기 어려워진다고 한다. 일부 증세는 영구적으로 회복되지 않아서, 여생 동안 자신이 무중력 상태에 있는 것처럼 느끼며 살아간 사람도 있었다고 한다. 근육과 골격이 퇴화되는 것뿐만 아니라, 혈액 중 적혈구의 양이 감소하여 면역력이 약해지고 심장혈관계의 기능도 저하된다고 한다. 우리의 몸은 지구의 중력 하에서 오랫동안 진화해왔기 때문에 중력이 약한 곳에 가면, 모든 생물학적 과정에 혼란이 초래된다. 물론 무중력에 대한 해법이 있기는 있다. 인공 중력을 만들면 된다.
편도여행시간만 수개월에서 1년 가까이 걸리는 유인화성탐사선의 승무원은 목적지에 도착했을 때 신체 기능이 극도로 약해져 있을 것이다. 화성만 해도 이 정도이니, 현재로써는 별에 사람을 보내는 일은 엄두도 못 낼 일이다. 그러므로 미래의 우주선은 스스로 회전하여 원심력에 의한 인공중력을 만들어내도록 설계되어야 한다. 물론 설계상의 복잡함과 이에 따른 추가비용도 감수해야 한다.
1-5. 심리적인 요소
게다가 인간은 심리적인 영향을 받는 존재이다. 그래서 밀폐된 공간에서 오랜 기간 지내거나 홀로 혹은 적은 인원이 오랫동안 지내는 데에 큰 어려움을 겪는다.
2. 인공생태계 구축은 가능한가?
2016년에 나온 '패신저스(Passengers)'라는 영화에서는 사람을 먼 곳으로 보내기 위해 인간들을 오랫동안 동면 상태로 만든다. 우주선의 조종은 인공지능에게 맡기고 여행이 끝날 쯤에 동면에서 깨어날 수 있도록 설정되어 있다. 그러면 세대를 이어가면서 살아가는 우주선을 어떨까? 충분히 가능할 것 같지만 골치 아플 것 같다. 왜냐하면 우주선 내에 완벽한 생태계를 만들어야 하기 때문이다.
'바이오스피어2(Biosphere2)'는 1991년부터 약 2년 동안 미국 애리조나주 오라클(Oracle)에서 진행된 인공생태계 프로젝트이다. '바이오스피어2'에서는 지구의 생태계와 완전히 격리된 인공 생태계를 실험했다. 8명의 실험자들이 2년 동안 거주했는데, 이 실험은 완벽하게 실패로 끝나고 말았다. 실험이 시작된 지 얼마 안 돼서 내부의 산소 수치가 계속 줄어들기 시작했기 때문이다. 식물이 광합성을 하고 동물이 호흡을 하면 균형이 맞을 거라고 생각했는데, 예상치 못한 다른 문제가 생겼다. 생태계가 망가지자 곤충들은 멸종하기 시작했고, 식물도 죽기 시작했으며, 식량 부족으로 척추동물들도 집단 폐사했다. 어떤 문제가 있었던 것일까? 바이오스피어 2 내부에는 콘크리트로 만들어진 산이 있었는데, 이 콘크리트 속의 석회가 산소를 계속 흡수했던 것이 문제였다. 실험자들은 콘크리트 산을 페인트로 칠해 산소 흡수를 막으려고 했지만, 이미 늦어 생태계를 정상화 시킬 수 없었다.
3. 가사상태
항성 간 항해를 할 수 있는 우주선이 실제로 만들어졌다고 하자. 하지만 외계의 별까지 가려면 수백 년 이상이라는 시간이 소요되는 경우도 있다. 그런데 수명연장을 생각하지 않는다면, 사람의 수명은 이보다 짧기 때문에 여행 중에 승무원들이 후손을 낳아 임무를 물려줘야 한다. 그러나 여기에는 도덕적인 문제가 있다. 초기에 탑승한 승무원은 지원자들 중에서 뽑을 수 있지만, 여행 중에 태어난 후손들은 선택의 여지없이 부모의 임무를 물려받아야 한다. 즉, 이들은 지구에서 안락한 삶을 영위할 권리를 박탈당하는 셈이다. 이 문제를 해결할 방법은 없을까?
3-1. 가사상태에서도 생명을 유지할 수 있다.
영화 '에일리언(Alien)'과 '혹성 탈출(Planet of the Apes)'에서 한 가지 해결책을 찾을 수 있다. 두 영화의 공통점은 승무원들이 '가사상태(죽음과 비슷한 상태로 호흡 같은 생명 활동이 일시적으로 멈춘 상태)'에 빠진 채 장기간 우주여행을 한다는 것이다. 체온을 서서히 내려서 어느 임계온도에 이르면, 신체의 모든 기능이 정지하여 마치 잠든 것 같은 상태가 된다. 겨울잠을 자는 동물들은 매년 겨울을 이와 같은 상태로 보낸다. 어떤 물고기와 개구리는 얼음 속에서 꽁꽁 얼렸다가 녹이면 다시 살아나기도 한다.
물론 몸속과 체액과 혈액이 얼어붙었는데도 살아남을 생명체는 없다. 그래서 생물학자들은 얼었다가 되살아나는 동물들이 물의 빙점을 낮추는 천연의 '부동액(Antifreeze)'를 몸속에서 생산한다고 믿고 있다. 물고기의 경우에는 단백질이, 개루리는 포도당이 부동액 역할을 하는 것으로 알려졌다. 혈액 속에 이런 단백질을 흘려보내는 물고기는 영하 2도의 차가운 바다에서도 살아남을 수 있다. 개구리는 오랜 진화를 겪으면서 몸속의 포도당 수치를 항상 높게 유지하여 얼음 속에서도 생존하는 비법을 터득했다. 혹독한 환경에서 개구리의 외피는 얼어붙을 수 있지만, 몸속의 생체 기관은 천천히 꾸준하게 작동하고 있다.
3-2. 포유류도 가사상태에서 소생시킬 수 있다?
하지만 '포유류'에게는 이와 같은 생존법이 어울리지 않는다. 에컨대 사람의 피부가 얼어붙으면 세포의 내부에서 '얼음 결정(Ice Crystal)'이 형성되고, 이것이 자라면 '세포벽'을 뚫고 나온다. 그런데 쥐나 개처럼 동면을 하지 않은 '포유류'를 가사상태에 빠뜨리는 실험에서 약간의 진전이 있던 실험이 있다. 2005년에 피츠버그대학의 과학자들은 개의 피를 모두 적출하고 특별히 제작된 차가운 용액을 혈관에 흐르게 한 채 한동안 방치했다가 소생시키는 데 성공했다. 이 개는 약 세 시간 동안 의학적 사망 상태에 있다가 혈액을 주입하자 심장이 다시 뛰기 시작했다. 대부분의 개들은 실험 후에도 건강한 상태를 유지했다. 다만 일부는 두뇌에 손상을 입은 것으로 알려졌다.
또 같은 해에 과학자들은 '황화수소(H2S)'를 채워 넣은 상자에 쥐를 가둬놓고 체온이 13℃까지 내려간 상태에서 6시간 동안 방치했다가 성공적으로 소생시켰다. 이때 쥐의 신진대사율은 10분의 1까지 떨어졌다고 한다. 2006년에는 '보스턴 메사추세츠 종합병원(Boston Massachusetts General Hospital)'의 의사들도 쥐와 돼지를 황화수소 용액 속에서 가사상태에 빠뜨렸다가 소생시키는 데 성공하였다.
'가사상태에서 생명을 유지하는 기술'은 큰 사고를 당한 사람이나 심장마비를 일으킨 환자를 치료할 때 매우 유용하다. 의사는 환자를 냉동시킴으로써 치료에 필요한 시간을 벌 수 있다. 그러나 수백 년 동안 우주를 항해하는 승무원들에게 이 기술을 적용하려면, 적어도 수십 년은 기다려야 할 것으로 보인다.
4. 살만한 곳 찾기
태양계에서 가장 가까운 별은 약 4.3광년 떨어진 '알파 센타우리(α Centauri)'다. 하지만 알파 센타우리에는 지금 알려진 바로는 사람이 살만한 곳이 없다. 우리가 찾지 못한 것일 수도 있지만 아직까지는 그렇다. 알파 센타우리 말고 다른 곳은 없을까? 11광년 이상 떨어진 곳에 '타우 세티(τ Ceti)'의 주변을 돌고 있는 행성 중에는 생명체가 존재할 가능성이 있는 곳이 있다고 한다. 물론 실제로 인간이 그곳에 가서 살아남을 수 있을지는 잘 모르겠지만 말이다. 아니면 행성을 '테라포밍(Terraforming)'하거나 행성 자체를 '골디락스 존(habitable zone, 생명체 거주 가능 영역)'으로 옮겨버리는 것은 어떨까? 아니면 골디락스 존에 '우주 거주지(Space Colony)'를 만드는 방법도 있겠다.
5. 빛의 속도로는 '우리 은하'를 탈출할 수 없다.
빛의 속도는 299,792,458 m/s다. 1초에 약 30만 킬로미터를 이동하지만 이 속도로는 가장 가까운 별인 알파 센타우리까지 가는 데에도 4년이 넘게 걸린다. 은하의 크기는 어떤가? '우리 은하(Milky way Galaxy)'에는 약 수천 억 개의 별이 있는 것으로 추정되고 우리 은하의 지름은 약 10만 광년 정도라고 한다. 그런데 더 충격적인 것은 우주는 계속 팽창하고 있고 은하 간의 거리는 계속 멀어지고 있다고 한다. 이 말은 빛의 속도를 극복하지 못한다면 우리는 우리은하를 영원히 탈출할 수 없다는 말이다.
20세기 최고의 물리학자 중 한 명으로 꼽히는 아인슈타인은 빛의 속도는 뛰어넘을 수 없다고 단언했다. 그러면 인류가 은하를 넘나드는 여행은 영영 불가능하다는 말일까? 2014년에 개봉된 영화 '인터스텔라(Interstellar)'에서는 '웜홀(Wormhole)'이라는 아이디어로 기존의 물리법칙을 무시하지 않으면서 시공간을 여행했고, '스타트렉(Satr Trek)'과 '스타워즈(Star Wars)'에서는 시공간을 왜곡하여 우주를 여행했다.
6. 빛의 속도를 넘어서
아인슈타인은 특수 상대성 이론에서 빛보다 빠른 우주여행은 불가능하다고 주장했다. 상대성 이론에 따르면, 운동하는 물체의 속도가 빨라질수록 관측자가 보기에 질량이 증가하고 운동하는 길이가 수축하고 시간은 팽창한다고 한다. 만약 우주선이 빛의 속도의 90%로 이동한다면, 질량은 2배가 되고, 우주선의 길이는 절반이 되며, 우주선에 탄 사람의 시간은 지구에 사는 사람의 시간에 비해 약 2.2배 느리게 흘러간다. 완전히 빛의 속도로 가면 우주선의 질량은 무한대에 가깝게 증가하고 시간도 팽창한다. 물론 우주선에 탄 사람은 질량과 시간의 변화를 느끼지 못하고 관측자의 입장에서만 달라지지만 말이다.
어쨌든 상대성 이론에 의하면, 아무리 우주선을 가속해도 빛의 속도보다 빨리갈 수 없으므로, 은하 밖으로 나가는 것은 불가능하다. 우리 인류는 빛의 속도로 가는 우주선을 만들지도 못했지만, 빛의 속도에 도달한다고 해도 다른 은하로의 여행은 불가능하다. 그럼 어떻게 해야 할까?
6-1. 웜홀(Worm Hole)
1935년에 아인슈타인의 그의 제자 '네이선 로젠(Nathan Rosen, 1909~1995)'은 두 개의 '블랙홀 해(Black-hole soultion)'를 마치 샴쌍둥이처럼 이어붙일 수 있음을 증명했다. 간단히 말해서, 당신이 둘 중 하나의 블랙홀에 빨려 들어간다면, 다른 블랙홀을 통해 밖으로 나올 수 있다는 뜻이다. 이것을 '웜홀' 또는 '아인슈타인-로젠 다리(Einstein-Rosen bridges)'로 불리는 해는 여러 우주 사이를 왕래하는 통로이다.
즉 '웜홀(Worm Hole)' 또는 '아인슈타인-로젠 다리(Einstein-Rosen bridges)'는 2개의 블랙홀을 이어붙여서 공간을 휘어지게 만들어 정상적인 공간의 사이에 생긴 가상의 지름길 터널이다. 우리의 시공간은 항상 정상적이고 평평한 곳으로 보이지만 질량에 의해 시공간은 언제나 왜곡될 수 있다. 그래서 물리학자들은 웜홀을 사용하면, 공간을 가로질러 지름길로 우주 공간을 순식간에 넘나들 수 있을 것이라는 망상(?)을 했다. 그래서 웜홀은 오랫동안 현실적이지 못한 재미있는 아이디어 취급만 받아왔다. 킵 손 박사가 '통과 가능한 블랙홀 현상'을 제시하기 전까지는 말이다. 미국의 천문학자 '칼 세이건(Carl Sagan, 1934~1996)'은 웜홀로 시간 여행을 할 수 없는지 '킵 손(Kip S. Thorne, 1940~)' 박사에게 자문하였다. 그리고 '킵 손' 박사는 이를 계기로 이에 대해 연구했고, '어떤 조건을 충족하면 안정된 웜홀을 만들 수 있고 시간 여행도 할 수 있을 것'이라는 결론을 얻었다.
'킵 손' 박사는 오랜 연구 끝에 '음 에너지(Negative energy)'라는 특수한 물질이 있다면 웜홀이 가능하다고 결론을 내렸다. 이 '음 에너지'가 실제로 실험실에서 만들어진 적이 있긴 하다. 그런데 문제가 있다. 우리가 통과할 수 있을 만큼 즉 90cm 이상의 웜홀을 만들려면 목성의 질량과 맞먹는 '음 에너지'가 필요하다고 한다. 결국 이론적으로 가능하다고 해도, 현재의 과학 수준으로는 웜홀을 통한 우주여행은 불가능하다.
6-2. 알큐비에레 드라이브 (워프 드라이브)
영화 '스타트렉(Star Trek)'의 우주선인 '엔터프라이즈호(Starship Enterprise)'는 기계 장치를 통해 '시공간(Space-time)'을 왜곡시킨다. 시공간을 왜곡시키는 원리는 단순하다. 물질과 반물질을 '쌍소멸(Pair annihilation)'시켜서 '물질(Matter)'과 '반물질(Antimatter)'을 결합해 없애버려 에너지만 남기면 우주선 일대에 시공간이 왜곡된다. 주변에 시공간이 왜곡되면 우주선은 '왜곡 거품(warp-bubble)'에 휩싸이는데, 이 왜곡 거품에 둘러싸이면 상대성 이론에 의한 시간 팽창을 피할 수 있다.
즉, 우주선 뒤쪽에서 공간을 확장하고 앞쪽은 압축시켜 우주선을 '평탄 공간'이 아닌 '왜곡된 공간의 거품'에 우주선을 노출시켜 우주선을 앞으로 나아가게 하는 방식이다. 우리는 이러한 우주 항법을 '알큐비에레 드라이브(Alcubierre drive)' 혹은 '워프 드라이브(Warp Drive)'라고 부른다.
