우주는 얼마나 크고 별은 몇 개일까? — 관측 가능한 우주의 크기부터 우리은하까지

밤하늘을 올려다보면 문득 이런 생각이 듭니다.
“저 별은 도대체 몇 개나 될까? 그리고 저 별들이 가득한 우주는 끝이 어디일까?”
우리가 실제로 눈으로 볼 수 있는 별은 생각보다 적지만, 관측 장비를 사용하면 숫자는 급격히 커지고, 직접 셀 수 없는 별까지 계산에 넣으면 상상을 초월하는 숫자가 됩니다.

이번 글에서는 우주의 크기 → 별의 개수와 계산법 → 우리가 사는 은하수(우리은하)의 특징 순서로 차근차근 살펴보겠습니다.

1. 우주는 도대체 얼마나 클까?

현재 과학으로 확인할 수 있는 것은 어디까지나 관측 가능한 우주(observable universe)입니다.
‘우주 전체의 크기’와 ‘우리가 관측할 수 있는 우주의 크기’는 같은 말이 아닙니다.
우주 전체가 어디까지 이어지는지는 아직 알 수 없습니다.

우주의 나이는 현재 약 138억 년으로 추정됩니다.
우주배경복사(CMB)를 비롯한 관측 자료와 우주의 팽창률 등을 이용해 계산한 결과입니다.
ESA(유럽우주국)의 플랑크(Planck) 관측 역시 약 138억 년이라는 우주 나이를 제시했습니다.

그렇다면 단순하게 생각하면 이런 의문이 생깁니다.
“우주가 138억 년 됐다면 우리가 볼 수 있는 가장 먼 곳도 138억 광년 아닌가?”
그렇지 않습니다.

우주가 팽창하기 때문입니다

빛이 지구까지 오는 동안 우주 공간 자체가 계속 팽창했기 때문입니다.
예를 들어 아주 먼 은하에서 130억 년 전에 출발한 빛이 지금 지구에 도착했다고 생각해 보겠습니다.
빛이 출발했을 당시 그 은하와 지구 사이의 공간과 현재의 공간은 같은 크기가 아닙니다.
빛이 오는 동안 공간 자체가 늘어났습니다.
따라서 우리가 지금 보는 먼 은하는 빛이 출발했을 때보다 현재 훨씬 더 멀리 떨어져 있을 수 있습니다.

NASA는 관측 가능한 우주의 지름을 약 920억 광년, 일반적으로 약 930억 광년 규모로 설명합니다.
즉 반지름으로 약 460억 광년 정도입니다.

여기서 아주 중요한 점이 하나 있습니다.
930억 광년이 ‘우주의 전체 크기’라는 뜻은 아닙니다.
우리가 볼 수 있는 영역이 그 정도라는 뜻입니다.
그 바깥에 무엇이 있는지, 우주 전체가 유한한지 무한한지는 현재 확정할 수 없습니다.

2. 그렇다면 우주의 나이는 어떻게 알까?

우주의 나이를 알아내는 대표적인 방법은 크게 두 가지로 생각할 수 있습니다.

① 우주의 팽창을 거꾸로 계산하기
멀리 있는 은하들을 관측하면 대부분 서로 멀어지고 있습니다.
우주가 지금 팽창하고 있다면 시간을 거꾸로 돌렸을 때 은하 사이의 거리는 점점 가까워집니다.
이 팽창 속도와 우주의 물질·에너지 구성 등을 우주론적 모형에 넣으면 과거로 거슬러 올라가 우주의 나이를 계산할 수 있습니다.

② 우주에서 가장 오래된 흔적을 관측하기
또 하나가 바로 우주배경복사입니다.
우주가 탄생한 직후에는 너무 뜨겁고 밀도가 높아 빛이 자유롭게 이동할 수 없었습니다.
약 38만 년이 지나면서 우주가 충분히 식자 빛이 자유롭게 이동하기 시작했습니다.
우리가 오늘날 관측하는 우주배경복사는 바로 그 시기의 흔적입니다.
쉽게 말하면 우주배경복사는 우주가 아기였을 때 남긴 사진과 비슷합니다.
이 자료를 정밀하게 분석하면 우주의 나이와 물질 구성, 우주의 팽창 역사 등을 추정할 수 있습니다.

3. 밤하늘에는 실제로 별이 몇 개나 있을까?

맑고 어두운 곳에서 밤하늘을 바라보면 수많은 별이 보입니다.

하지만 우리가 실제로 맨눈으로 볼 수 있는 별의 수는 생각보다 많지 않습니다.
ESA는 이상적인 어두운 하늘에서 맨눈으로 수천 개의 별을 볼 수 있다고 설명합니다.
지구 전체에서 관측 가능한 맨눈 별을 모두 합치면 대략 5,000~6,000개 수준으로 이해할 수 있습니다.
하지만 지구가 둥글기 때문에 한 장소에서 한순간에 볼 수 있는 것은 그 절반 정도입니다.

망원경을 사용하면 별이 얼마나 늘어날까?

그런데 망원경을 사용하면 이야기가 완전히 달라집니다.
망원경의 역할은 단순히 별을 ‘확대’하는 것만이 아닙니다.
더 희미한 빛을 모을 수 있기 때문에 사람의 눈으로 볼 수 없는 훨씬 어두운 천체까지 관측할 수 있습니다.

ESA는 비교적 작은 아마추어 망원경만 사용해도 수백만 개의 별이 더 보일 수 있다고 설명합니다.
그리고 허블 우주망원경이나 제임스웹 우주망원경처럼 거대한 관측 장비를 사용하면 개별 별뿐 아니라 수십억 광년 떨어진 은하 자체를 관측할 수 있습니다.

사실 천문학자들이 우주에 있는 별을 하나씩 세고 있는 것은 아닙니다.
‘전체의 특성을 측정하고 통계적으로 추정’합니다.

별의 개수를 추정하는 기본 원리
대표적인 방법은 다음과 같습니다.

① 은하 전체의 질량을 추정합니다.
별의 움직임, 은하의 회전 속도, 중력 효과 등을 이용하면 은하 전체의 질량을 추정할 수 있습니다.

② 별의 평균적인 질량을 추정합니다.
별은 모두 같은 크기와 질량이 아닙니다.
태양보다 훨씬 무거운 별도 있고 태양보다 훨씬 작은 적색왜성도 있습니다.
따라서 별들의 분포를 고려해 평균적인 별의 질량을 추정합니다.

③ 전체 질량을 평균 별 질량으로 나눕니다.
아주 단순화하면,
별의 개수 ≈ 은하의 별 질량 ÷ 평균적인 별의 질량
이라는 방식으로 생각할 수 있습니다.
실제 연구에서는 훨씬 복잡한 항성 질량 함수, 광도, 별의 색, 적외선 관측, 중력 효과 등을 함께 사용합니다.
이것이 바로 ‘직접 세지 않고 계산해서 알아내는 것’입니다.

그렇다면 우주 전체에는 별이 몇 개나 있을까?

이 질문에는 훨씬 더 큰 오차가 생깁니다.
우선 은하 하나의 별 개수도 정확히 알기 어렵습니다.
그런데 은하의 크기와 종류는 제각각입니다.
어떤 은하는 별이 수천 개 정도밖에 없는 작은 왜소은하이고, 어떤 은하는 수천억 개 이상의 별을 가진 거대한 은하입니다.

따라서 '은하의 평균 별 개수 × 은하의 개수'라고 단순하게 계산하면 상당히 거친 추정치가 됩니다.

ESA는 우리은하처럼 약 10¹¹~10¹²개의 별을 가진 은하와 비슷한 규모의 은하가 매우 많이 존재한다고 가정해 우주의 별 개수를 대략 10²²~10²⁴개 수준으로 추정할 수 있다고 설명합니다.
10²²는 1 뒤에 0이 22개 붙는 숫자(100해)입니다.
즉, 10,000,000,000,000,000,000,000 정도입니다.
10²⁴라면 1 뒤에 0이 24개 붙는 숫자(1자)입니다.

정말 상상하기 어려운 숫자입니다.
다만 이것은 정확하게 세어 얻은 숫자가 아니라 관측 자료와 통계 모델을 이용한 추정치라는 점을 반드시 기억해야 합니다.

4. 우리가 사는 은하, ‘우리은하’는 어떤 곳일까?

우리가 살고 있는 은하는 흔히 ‘은하수’라고 부르지만 천문학적으로는 우리은하(Milky Way Galaxy)라고 합니다.

우리은하는 단순한 나선은하가 아니라 중앙에 막대 구조를 가진 막대나선은하(barred spiral galaxy)입니다.
지름은 10만 광년을 훌쩍 넘는 규모이며, 태양은 은하 중심에서 약 2만 6천 광년 떨어진 곳에 있습니다.
우리은하의 중심에는 궁수자리 A*라는 거대질량 블랙홀이 있습니다.
그 질량은 태양의 약 400만 배에 이르는 것으로 관측되어 있습니다.
천문학자들은 중심부 주변의 별들이 매우 빠르게 움직이는 모습을 수십 년 동안 추적하면서 이 거대한 질량의 존재를 확인했습니다.

우리은하는 언제 만들어졌을까?

현재 연구에 따르면 우리은하는 우주가 탄생한 지 수억 년이 지난 매우 이른 시기부터 형성되기 시작해 오랜 시간 동안 성장해 온 것으로 이해됩니다.
국립천문대 연구에서도 약 138억 년 전 우주가 탄생한 뒤 수억 년 후부터 우리은하가 형성되기 시작했을 가능성을 제시합니다.

특히 흥미로운 것은 우리은하가 처음부터 지금과 같은 모습이 아니었다는 사실입니다.
작은 은하들이 서로 합쳐지고 별과 가스가 모이면서 점차 거대한 은하로 성장했습니다.
우리은하의 바깥쪽 헤일로(halo)에는 약 120억 년 전후에 만들어진 오래된 별들이 존재하며, 연구에 따르면 일부 별은 과거 우리은하 주변에 있던 작은 은하에서 만들어진 뒤 우리은하에 편입된 것으로 보입니다.

우리은하의 별은 모두 같은 시대에 태어난 것이 아니다

우리은하에는 아주 오래된 별도 있고 지금도 새롭게 태어나는 별이 있습니다.

별은 주로 거대한 가스와 먼지가 모여 있는 분자운에서 태어납니다.
중력이 가스를 끌어당기면서 밀도가 높은 부분이 만들어지고, 이것이 수축하면서 새로운 별이 탄생합니다.
따라서 우리은하는 죽은 별들의 공동묘지이면서 동시에 새로운 별이 태어나는 거대한 산실이기도 합니다.

더 놀라운 것은 우리가 별을 바라본다는 것이 곧 과거를 바라보는 일이라는 사실입니다.
태양에서 지구까지 빛이 오는 데 약 8분이 걸립니다.
4광년 떨어진 별을 바라본다면 우리는 그 별의 약 4년 전 모습을 보고 있습니다.
100만 광년 떨어진 은하를 관측한다면 100만 년 전 그 은하에서 출발한 빛을 보는 것입니다.

그래서 천문학은 흔히 ‘시간을 보는 과학’이라고 표현됩니다.

5. 결국 우리는 무엇을 알고 있고, 무엇을 모를까?

정리하면 현재 과학은 놀라울 정도로 많은 것을 알아냈지만 동시에 분명한 한계도 가지고 있습니다.

자료를 보면 참 묘합니다.
우리는 우주의 나이를 약 138억 년이라고 말할 수 있지만, 우주 전체의 크기는 모릅니다.
우리은하에 별이 수천억 개 있다고 추정하지만 정확하게 하나씩 세지는 못합니다.
우주에 별이 10²²~10²⁴개 정도 있을 것으로 계산하면서도 그 숫자 역시 확정된 ‘개수’가 아니라 관측과 통계에 기반한 추정입니다.

저는 이 점이 오히려 천문학의 매력이라고 생각합니다.
우리가 모르는 것이 있기 때문에 계속 관측하고, 계산하고, 새로운 질문을 던질 수 있기 때문입니다.

오늘 밤 하늘을 한번 올려다보시기 바랍니다.
눈에 보이는 별은 수천 개에 불과할지 모릅니다.
하지만 그 별 하나하나가 속한 은하를 생각하면 이야기가 완전히 달라집니다.

우리은하에만 수천억 개의 별이 있고, 우리은하와 같은 은하가 다시 엄청나게 많이 존재합니다.
그리고 우리가 바라볼 수 있는 우주의 끝에는 약 138억 년 동안 날아온 빛이 있습니다.

어쩌면 밤하늘을 바라보는 일은 단순히 별을 보는 일이 아닙니다.
우리가 어디에서 왔고, 얼마나 거대한 세계 속에 살고 있는지를 확인하는 일인지도 모르겠습니다.