변하는 우주의 크기와 우주의 나이

발터 바데는 독일 출신이라 미국 정부로부터 공산당으로 의심받아 밤에는 외출하지 못하는 상황이었다. 당시 과학자들은 모두 원자폭탄 제조 계획인 맨해튼 프로젝트에 동원되었고 윌슨산의 후커 망원경을 사용하는 이가 없었다. 전쟁 때문에 등화관제를 하는 바람에 밤하늘은 깜깜했고, 관측하기에 아주 좋은 환경이었다. 바데는 정부를 끈질기게 설득해 윌슨산에서 관측할 수 있게 되었다. 바데는 안드로메다은하를 면밀히 관찰했다. 안드로메다는 우리은하와 가장 가까운 은하로 온전한 나선은하의 모습을 하고 있으며 맨눈으로 볼 수 있는 밝은 은하다. 바데는 은하 중심부에 모여 있는 별들과 은하 가장자리 나선팔 부근에 있는 별들은 서로 다른 특징이 있다는 사실을 알아냈다. 안드로메다의 나선팔 부근에 있는 별들은 밝고 푸른 것이 많고 막 태어난 별부터 100억 년까지 나이 역시 다양했다. 태양처럼 나선팔에 있고, 화학 조성도 비슷했다. 이런 별들을 종족Ⅰ이라고 불렀다. 그리고 안드로메다은하 중심부에는 팽대부, 즉 밝게 빛나는 둥근 공 모양으로 부푼 곳이 있는데 여기 있는 별들은 태어난 지 130억 년쯤 된 별로 종족Ⅰ별보다 중금속을 적게 가지고 있다는 사실을 알아냈다. 이런 별들을 종족Ⅱ라고 불렀다. 중금속에 따른 별을 구분한 것인데, 이는 아주 대단한 발견이었다. 별이 중금속을 얼마나 가지고 있냐에 따라 별의 인생이 달라졌다. 바데는 죽기 직전 사력을 다해 빛을 내는 별인 안드로메다은하와 우리은하에 있는 '거문고자리 RR형 변광성'에 관심을 가졌다. 
별은 늙어서 더 태울 것이 없으면 스스로 수축시켜 열을 올린다. 그 열을 이기지 못하여 다시 팽창하고 열을 올리기 위해 다시 수축하며 또다시 팽창하기를 반복하는 별이 세페이드변광성이다. 밝은 별은 변광주기가 길고 어둡게 태어난 별은 변광주기가 짧다. 이 관계를 이용해 별까지의 상대적인 거리를 알아낸 것이 레빗의 업적이었다. 변광성을 연구하던 천문학자들은 거문고자리에 있는 RR별도 변광성이라는 사실을 알아냈다. 그러나 이 변광성은 너무 어둡고 변광주기도 짧아서 세페이드변광성으로 분류할 수가 없었다. 그래서 세페이드변광성보다 어둡고 변광주기가 짧은 이 변광성을 '거문고자리 RR형 변광성'이라 불렀다. 하지만 거문고자리 RR형 변광성은 너무 어두워서 우리은하에 있는 것은 관측할 수 있어도 안드로메다은하에 있는 것은 관측할 수가 없다. 바데가 깜깜한 하늘에서 변광성이 변덕을 부리는 시간을 재면서 기다린 것은 후커 망원경보다 2배가 큰 지름이 5m짜리 팔로마산의 망원경이었다.

1948년 6월 3일, 지구상에서 가장 큰 망원경이 있는 팔로마산천문대가 완성되었다. 그것을 손꼽아 기다리던 바데는 누구보다 먼저 망원경을 쓸 수 있었다. 바데는 한 달 넘게 사진을 찍었지만, 안드로메다은하의 거문고자리 RR형 변광성을 발견하지 못했다. 이유를 찾던 바데는 두 가지 가능성을 제시했다. 첫 번째는 안드로메다은하에는 거문고자리 RR형 변광성이 없다는 것, 그러나 이것은 불가능하다. 이런 유형의 변광성이 될 별은 우주에 널리고 널렸다. 그런 평범한 별이 없을 리 없다. 그렇다면 두 번째, 허블이 계산한 것보다 훨씬 더 먼 곳에 있다고 보는 것이다. 안드로메다은하까지의 거리가 90만 광년이라는 결과는 허블의 관측 결과였다. 허블은 가장 정확하게 관측하기로 이름나 있었고, 그의 관측 결과에 토를 다는 사람은 없었다. 하지만 바데는 허블이 잘못 계산한 것이라 결론짓고 관측을 했다. 앞서 바데는 별을 두 종족으로 분류했는데, 중금속이 적고 나이가 많은 종족Ⅱ 별과 중금속이 많고 비교적 젊은 종족Ⅰ별은 나이가 들어 죽기 직전에는 다른 양상을 보인다. 이 별들은 늙으면 모두 변광성이 되는데, 종족Ⅰ별은 종족Ⅱ보다 훨씬 밝고 변광주기가 길다. 바데는 정밀한 관측을 통해 종족Ⅰ 세페이드변광성이 평균 4배 밝은 것을 알아냈다. 바데가 이를 발견하기 전까지 천문학자들이 알고 있던 것은 모두 종족Ⅱ 세페이드변광성의 주기와 밝기 관계였다. 그래서 허블이 발견한 세페이드변광성이 종족Ⅱ별이라 여겼다. 그러나 허블이 발견했던 세페이드변광성은 은하 중심의 팽대부가 아니라 나선팔에서 발견된 종족Ⅰ별이었고, 이는 당시 천문학자들이 생각한 것 보다 4배나 밝은 별이었다. 별빛은 2배 멀어지면 그 제곱은 4배만큼 어두워진다. 만약 외부은하가 안드로메다은하보다 4배 어둡다면 2배 먼 곳에 있다는 것이고, 9배 어둡다면 3배 먼 곳에 있다는 것이다. 따라서 안드로메다은하는 허블이 측정한 것보다 2배나 멀리 있었다. 안드로메다은하의 거리가 2배 늘어났다는 것은 다른 외부은하들도 모두 2배씩 멀어졌다는 것이다. 이로써 우주는 알려진 것보다 2배로 커졌다. 우주의 나이가 18억 년에서 36억 년으로 늘어났다. 1952년 로마에서 열린 국제천문학회에서 바데는 우주의 거리가 허블이 측정한 것보다 2배가 커졌고, 우주의 나이도 2배 늘어났다는 사실을 발표했다. 바데의 발표를 기록한 사람은 아이러니하게도 호일이다. 호일은 바데의 관측이 빅뱅우주론에 유리한 증거라는 것을 알았다. 허블 역시 충격을 받았다.
우주의 크기와 우주의 나이는 새로운 관측 결과가 나오면 언제든지 바뀔 수 있다. 여러 가지 이론과 그것을 뒷받침하는 증거들이 쌓이면 새로운 사실이 진실이 되기도 한다. 그런 진실 또다시 바뀔 수 있다. 바데가 1952년에 발표한 우주의 크기와 나이는 3년 후 또 바뀌었다. 크기도 더 커지고 나이도 늘었다. 우주의 나이는 55억 년으로 늘어났다. 이제 천문학자들은 우주의 크기가 얼마나 커질지 기대하게 되었다. 관측 장비가 정밀해지고 망원경이 커질수록 우주의 나이와 크기는 늘어나고 커질 것이다.