천문학은 생물학, 물리학과 같은 자연과학의 한 분야다. 하지만 다른 과학 분야와 근본적으로 다른 큰 차이점이 하나 있다. 바로 실험을 할 수 없다는 점이다. 천문학자는 하얀 실험 가운을 입지 않는다. 대신 늦은 밤 천문대에서 컴퓨터와 함께 밤을 지새우거나 연구실에서 커피를 쌓아놓고 데이터를 분석한다.
천문학자들에게 허락된 거의 유일한 방법은 그저 지구라는 고향 행성에 엉덩이 붙이고 앉아서 멀리 하늘에서 펼쳐지는 우주의 공연을 구경하는 것뿐이다. 바로 우주 그 자체를 거의 유일한 실험실로 활용하는 것. 하늘을 관측하는 것이다. 먼 옛날 망원경도 없이 맨눈으로 우주를 바라봤던 고대 시절부터 최첨단 우주 망원경을 띄워서 연구하는 21세기에 이르기까지 천문학은 관측으로 시작해 관측으로 완성되고 있다.
오랜 관측을 통해 밤하늘에서 어떤 패턴이나 규칙을 찾거나 예상치 못한 이상한 현상을 새롭게 발견할 수도 있다. 그러면 그 관측 데이터를 깔끔하게 설명할 수 있는 이론을 고민한다. 이후 그 이론은 아직까지 확인되지 않은 새로운 관측을 예견한다. 뒤이어 다른 천문학자들은 정말 예견된 현상이 관측되는지를 확인하며 이론의 타당성을 검증한다.
그래서 천문학자들에게는 약간 못된 습성이 있다. 보지 않으면 쉽게 믿지 않는다. 1919년 브라질과 서아프리카로 떠난 두 팀의 원정대 역시 직접 보기 전까지는 쉽게 믿지 않는 천문학자들의 습성 때문에 그 머나먼 여행을 떠났다.
원정대가 여행을 떠나기 전, 1910년대 초반 독일 출신의 젊은 물리학자 아인슈타인(Albert Einstein)은 이후 인류의 우주관을 완전히 뒤집어버리는 엄청난 주장을 펼쳤다. 당시 아인슈타인이 소개한 상대성 이론은 더 이상 우주의 시간과 공간이 절대적이지 않다는 이상한 내용을 담고 있었다. 아인슈타인은 우주에서 유일한 것은 시간과 공간이 아니라 빛의 속도뿐이며 그러기 위해서는 우주를 바라보는 관찰자가 어떻게 움직이는지에 따라 시간과 공간이 다르게 관찰되어야 한다는 주장을 폈다. 우리가 어떤 속도로 이동하는지에 따라 시간과 공간이 상대적으로 느껴진다는 것이 바로 상대성 이론의 가장 중요한 부분이다.
아인슈타인의 상대성 이론은 이전까지 인류의 우주관을 지배하던 뉴턴 시대의 종말을 선언하는 것이나 다름없었다. 뉴턴은 중력이 어떻게 작용하는지를 수학적으로 아주 정확하게 묘사했지만 근본적으로 중력이라는 힘이 대체 우주에 왜 존재하는지는 설명하지 못했다. 사실 정확히 말하면 그런 사변적인 문제는 뉴턴의 관심 밖이었다.
하지만 아인슈타인은 질량이 있는 물체 주변의 시공간 자체가 왜곡되고 휘어질 수 있고 그 휘어진 시공간의 곡률을 따라 흘러가는 것이 바로 중력으로 발현된다고 말했다. 마치 트램펄린 위에 무거운 볼링공을 올려놓으면 그 볼링공에 의해 트램펄린이 움푹하게 파이는 것과 비슷하다. 볼링공에 의해 움푹하게 들어간 트램펄린 위에 작은 구슬을 하나 올려놓으면 구슬은 자연스럽게 휘어진 트램펄린의 표면을 따라 볼링공 쪽으로 흘러 굴러간다.
여기서 트램펄린은 질량을 가진 물체에 의해 휘어지고 왜곡되는 시공간 그 자체라고 볼 수 있다. 만약 트램펄린이 아주 투명하다면 우리는 마치 볼링공이 구슬을 끌어당겨 구슬이 볼링공 쪽으로 끌려간다고 생각할 것이다. 아인슈타인은 우리가 느끼는 중력적 이끌림은 단지 휘어지고 왜곡된 시공간의 곡률을 따라 흘러가는 현상일 뿐이라고 해석했다.
아인슈타인의 새로운 패러다임은 굉장히 매력적이었다. 하지만 이 ‘헛소리’가 받아들여지려면 까칠한 천문학자들의 검증을 통과해야만 했다.
당시 영국의 케임브리지천문대에서 근무하던 물리학자 프랭크 다이슨(Frank Watson Dyson)은 아인슈타인의 논문을 접하고 그의 주장에 관심을 가졌다. 아인슈타인의 주장대로라면 태양처럼 꽤 질량이 큰 천체들은 그 주변의 시공간을 왜곡시켰을 것이다. 따라서 아인슈타인의 헛소리를 실제 관측을 통해 입증하려면 정말로 태양 주변 시공간이 휘어져 있는지를 확인해야 했다.[1]
앞에서 예로 든 볼링공이 올라간 트램펄린을 다시 떠올려보면, 볼링공에 의해 움푹하게 파인 트램펄린 표면 위에 구슬을 직선으로 굴러가게 해도 구슬은 중간에 움푹하게 파인 영역 근처를 지나면서 경로가 약간 안쪽으로 휘어진다. 마찬가지로 태양의 육중한 질량에 의해 그 주변 시공간이 왜곡되어 있다면 그 곁으로 날아오는 빛의 경로도 휘어질 수 있다.*
만약 아인슈타인의 주장대로 정말 태양의 육중한 질량으로 주변 시공간이 왜곡되어 그 곁을 날아오던 별빛의 경로가 휘어졌다면 하늘에 태양이 있을 때와 없을 때 보이는 별들의 위치가 약간 달라져야 한다. 그리고 별들의 위치가 달라 보이는 정도는 아인슈타인의 이론이 예상하는 수치와 비슷해야 한다.
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