태양의 정체를 밝혀낸 여학생

인간은 물론 지구 상에 있는 대부분 생물은 태양에서 오는 에너지가 없다면 존재하지 못할 것이다. 그런데 태양은 도대체 어떤 존재이기에 이렇게 머나먼 지구에까지 끝없이 빛과 열을 보내주는 것일까. 현대 과학이 밝혀낸 바에 의하면 태양은 대부분 수소로 이루어져 있고, 그 수소 원자들이 서로 합쳐지는 핵융합 반응을 일으키면서 엄청난 에너지를 발산한다. 수소폭탄과 같은 이치이다.

그런데 과학자들은 태양의 내부는 물론 그 근처에 가 본 적도 없으면서 어떻게 태양의 본질을 알아냈을까. 여기에 결정적인 공헌을 한 것은 20세기 중반에 미국에서 활동했던 영국 출신 여성과학자 세실리아 페인이었다. 그는 노벨상을 받거나 다른 큰 사회적 인정을 받지는 못했지만, 전문가들 사이에서는 알아주는 학자였는데, 여성이라는 이유로 그 학문의 길이 순탄하지 못했다. 페인의 생애를 잘 들여다 보면 과학 지식의 본질과 과학의 사회적 성격에 대해서 느낄 수 있는 것들이 많이 있다.

태양의 에너지는 수소 핵융합

여성 무시 학계 분위기 속에서

박사논문으로 태양 신비 밝혀

발견의 기쁨으로 차별 이겨내

강의는 허용해도 학위는 주지 않아

어려서부터 과학에 호기심이 많았던 페인은 사립 고등학교를 졸업한 후 1919년에 명문 케임브리지대에 진학했다. 그런데 말이 진학이지 그때까지만 해도 고리타분한 케임브리지 대학은 여학생들에게 강의 듣는 것은 허용했지만, 정식 학위는 주지 않았다. 그래도 마다치 않고 과학을 공부하던 페인은 저명한 천문학자 에딩튼의 강연을 들을 기회가 있었다. 에딩튼이 그 당시 유명했던 것은, 개기일식이 일어났을 때 별들의 위치를 관측하여 태양 근처를 지나가는 별빛이 휘어진다는 것을 보여줌으로써 아인슈타인의 일반상대성이론을 확인하는 성과를 이루었기 때문이었다. 페인은 거기에 대한 에딩튼의 대중 강연을 듣고 충격적인 영감을 얻어 천문학을 하겠다고 결심하였다. 그 후에 우연히 페인을 만나본 에딩튼은 그의 재능을 알아보고 과학 공부를 계속하라고 연구 자료를 제공하면서 북돋워 주었다.

그러나 케임브리지대에서는 여학생이 박사 학위를 받는다는 것은 허용되지 않았고, 페인은 분위기가 약간 더 자유로운 미국으로 유학을 떠났다. 그때 하버드 대학 천문대 소장이었던 섀플리가 페인의 학업을 주선하고 지도하였다. 거기서 페인은 분광학(spectroscopy)에 빠지게 된다. 분광학이란 우리 말로 빛을 나눈다는 의미인데, 프리즘  또는 회절격자를 사용해서 스펙트럼을 만드는 것이다. 예를 들어 태양광에는 온갖 파장을 가진 전자기파들이 섞여 있는데, 분광학적 분석을 하면 무지개 같은 스펙트럼의 모습으로 펼쳐지게 된다. 그런데 태양 빛이나 별빛을 그렇게 분석해보면 그 밝은 스펙트럼 속에 검은 줄들이 많이 보이게 된다. 태양 내부에서 에너지가 발산되면서 모든 파장을 가진 빛이 나오는데 그 빛이 태양의 표면 부분을 통과해 나오면서 특정한 파장들을 가진 빛이 흡수되어 버리고, 스펙트럼에는 그렇게 흡수된 부분이 검게 나오는 것이다. 그런데 어떤 파장의 빛이 흡수되는가는 어떤 화학원소가 흡수하느냐에 따라 달라진다. 우리 개인들의 지문이 다 다른 것처럼, 화학 원소 하나하나마다 각기 특유의 흡수 패턴을 보여준다.

저명 천문학자마저 뛰어넘은 연구

이러한 식으로 별빛과 태양 빛을 분석하면 여러 가지 사실들을 알아낼 수 있다. 별을 이루고 있는 성분이 무엇인지, 또 여러 가지 원소들이 있을 경우 어떤 비율로 있는지를 알 수 있다. 페인은 이러한 최첨단 연구를 박사학위 논문의 주제로 삼고 거기에 몰두하였는데, 놀라운 결과가 나왔다. 그 당시 과학자들은 태양이나 다른 별들의 구성도 지구의 구성과 비슷하며, 탄소나 실리콘, 또는 금속류를 많이 포함하는 것으로 생각했다. 그런데 페인의 분석에 의하면 별은 대부분 수소로 이루어져 있다는 것이었다. 수소 외에는 헬륨만 상당량이 있고, 다른 모든 원소는 미량에 불과했다. 페인의 논문 심사위원으로 임명되었던 프린스턴대의 저명한 천문학자 러셀은 페인에게 말이 되지 않는 주장을 삼가라고 권유했고, 그 충고를 따른 페인은 1925년에 제출한 박사 논문에 자신의 분석 결과이지만 믿을 수는 없는 이야기라고 기재하게 된다. 그런데 아이러니한 것은, 몇 년 후 러셀 자신이 페인과 같은 결과를 얻었고, 저명한 학자가 그런 이야기를 내놓으니 다들 신봉하게 되었다. 러셀은 페인이 먼저 그러한 결과를 얻었었다는 것을 인정했으나 그것이 말도 되지 않는다고 자기가 비판했었다는 말은 하지 않았다.

페인은 엄청난 발견을 뺏기게 된 셈인데, 그래도 마다치 않고 연구를 계속했다. 하지만 여성이라는 이유로 박사 학위를 받았음에도 불구하고 정식 연구원의 직위도 받지 못하고 섀플리 밑에서 조수급으로 박봉을 받으며 일했다. 강의도 했지만, 강사로 임명받지도 못했다. 다년간 그렇게 억울한 사정을 묵묵히 이겨내며 과학 활동을 계속한 페인은, 2차대전 후 사회 조류가 바뀌면서 1956년도에 하버드대 천문학과의 정교수로 부임하게 되었고, 곧 학과장으로 추대되었다. 하버드에서 사상 처음으로 나온 여성 학과장이었다. 그렇게 하여 과학자로서 제대로 인정받게 된 페인은, 아무도 몰랐던 무엇인가를 처음으로 발견하는 기쁨은 재물이나 명성보다 훨씬 더 값진 것이라고 후진들을 독려했다. 그가 추구했던 과학 연구는 그러한 기쁨에서 힘을 얻었던 것이고, 그렇기 때문에 푸대접을 받으면서도 계속해 나갈 수 있었다. 순탄하게 잘 나가는 것이 대수는 아니다.

장하석 케임브리지대 교수