천문학적 확률: 우주 충돌이 과학자들을 도박꾼처럼 생각하게 만드는 방식

천문학자들이 인근 안드로메다 은하와의 충돌 가능성을 거의 반반으로 낮추면서 우리 은하 주민들은 이번 주 행운을 얻었습니다. 이전 연구에서는 우리 은하와 이웃 은하가 합병할 가능성이 거의 확실하다고 결론지었습니다.

새로운 예측은 월요일 핀란드가 이끄는 과학자 팀을 통해 발표되었습니다. 그들은 네이처 천문학(Nature Astronomy)에 결과를 발표했고, 이후 AP 통신은 과학계 외부의 독자들에게도 이 희소식을 전했습니다.

"현재 상황에서 우리 은하계의 임박한 종말에 대한 선언은 크게 과장된 것으로 보입니다."

틸 사왈라 등, 자연 천문학.

우리 은하의 운명을 가를 동전 던지기는 일부 독자들에게는 여전히 우려스러울 수 있습니다. 그러나 새로운 연구는 충돌이 실제로 발생한다 하더라도 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 먼 미래에 일어날 것임을 시사합니다. 50/50 확률로 충돌이 발생할 수 있는 시간은 100억 년인데, 이전에는 그 절반의 시간 안에 충돌이 발생할 것으로 예상되었습니다.

어느 쪽이든, 이는 우리 태양의 수명을 초과하는 시간 척도이므로 아직은 생존 준비를 시작할 필요가 없습니다.

하지만 은하계 크기의 두 물체가 서로 충돌할지 예측하는 것이 왜 그렇게 어려울까요? 놀랍게도, 그 답은 크랩스 게임에서 주사위가 어떻게 나올지 추측하기 어려운 이유와 크게 다르지 않습니다.

주사위와 은하계
저처럼 공룡을 좋아하시는 분이라면 어렸을 때 쥬라기 공원을 보셨을 거예요 . 제프 골드블럼이 이언 말콤 박사 역을 맡아 혼돈 이론에 대해 청중에게 강의하던 모습이 기억나실 거예요.

간단히 말해, 혼돈 시스템이란 무언가의 시작 방식에 작은 변화가 생겨나면서 그 진행 방식에 엄청난 변화를 가져올 수 있는 시스템을 말합니다. 측정 오류도 마찬가지입니다. 안드로메다의 상황을 바꾸거나 주사위를 굴리는 도중에 크랩스 주사위를 조작하는 사람은 아무도 없지만, 주사위의 속도와 크기 등을 무한한 정밀도로 측정하는 것은 불가능합니다. 0.01%의 정확도를 유지할 수 있다 하더라도, 그 작은 불확실성이 크랩스와 스네이크아이, 또는 은하계 재앙과 아차 사고를 가르는 차이가 될 수 있습니다.

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주사위의 경우, 혼돈은 날카로운 모서리와 가장자리에서 튕겨 나가는 과정에서 발생합니다. 은하와 같은 중력계의 경우, 세 개 이상의 천체를 가진 것은 모두 혼돈입니다. 우리 은하와 안드로메다에 세 개 이상의 별이 있다는 사실은 천문학자가 아니어도 알 수 있습니다. (공룡에 관심이 없다면 넷플릭스의 삼체 문제(The Three-Body Problem)가 쥬라기 공원 보다 더 친숙한 참고 자료가 될 수 있습니다 .)

혼돈을 다스리는 몇 가지 방법이 있습니다. 더 나은 측정을 할 수도 있지만, 한계가 있습니다. 더 먼 미래를 예측할 수는 있지만, 수십억 년 후의 잠재적 충돌에 대해 이야기할 때는 도움이 되지 않습니다. 아니면, 불확실성을 받아들이고 통계적 예측을 할 수도 있습니다.

몬테카를로 시뮬레이션: 과학을 위한 도박
그것과 도박 사이의 연관성은 저만의 관찰에서 비롯된 것이 아닙니다. 이와 같은 연구를 수행하는 표준적인 방법은 모나코의 유명한 몬테카를로 카지노에서 이름을 따온 몬테카를로 방법 이라고 합니다.

주사위에 숫자가 적혀 있다고 생각되면, 가장 쉬운 방법 중 하나는 주사위를 여러 번 굴려 결과를 세어 보는 것입니다. 마찬가지로, 게임의 확률을 수학적으로 계산할 수도 있지만, 그렇게 확률을 알아낼 때까지 계속해서 게임을 반복할 수도 있습니다.

동일한 원리가 측정값이 부정확하고 시스템이 혼돈스러운 물리 모델에도 적용됩니다. 측정된 일반적인 범위 내에서 입력값을 무작위로 변경하면서 시뮬레이션을 반복해서 실행해 보세요. 결국 확률은 드러나기 시작할 것입니다.

소행성: 더 시급한 문제
만약 우리 은하가 안드로메다와 합쳐진다면, 천문학자들은 그 결과 탄생하는 은하에 "밀코메다"라는 이름을 붙일 것을 제안했습니다. 하지만 아마도 그 이름을 붙일 사람은 아무도 없을 것입니다.

그렇게 먼 미래에 은하계 충돌 가능성은 상당히 추상적으로 느껴집니다. 하지만 천문학자들은 몬테카를로 방법을 더 구체적인 문제, 즉 큰 소행성이 지구에 충돌할 가능성 에 적용하기도 합니다 .

이러한 충돌은 정기적으로 발생하지만, 대부분은 매우 작습니다. 충돌 크기와 빈도 사이에는 직접적인 연관성이 있습니다. 우리가 공룡을 멸종시켰다고 생각하는 소행성은 다행히도 약 1억 년에 한 번 정도만 발생합니다 . 반면에 축구장만 한 소행성은 1천 년에 한 번 정도 발생할 수 있으며, 그조차도 예상치 못하게 우리 주변에 충돌한다면 매우 위험할 것입니다.

소행성 충돌을 예측하고 피할 수 있을까?
과학자들은 은하계보다 소행성을 더 잘 모델링할 수 있습니다. 몇 년 앞만 내다보고 있기 때문입니다. 하지만 다른 문제들도 있습니다. 예를 들어, 약 10억 개 정도의 소행성이 있는데, 대부분은 우주의 어둠 속에서 멀리서 발견하기 어렵다는 것입니다. 소행성 발견 능력은 점점 향상되고 있지만 , 아직 약 3만 6천 개 정도만 파악했습니다. 작년 9월 기준으로, 충돌이 발생하기 전에 감지된 것은 단 9건뿐입니다.

소행성에 망원경을 설치하더라도, 그 궤적을 파악하는 데는 상당한 혼란이 따릅니다. 행성, 위성, 그리고 다른 더 큰 소행성들처럼 태양계의 다른 물체들에 비해 소행성의 무게가 그다지 가볍지 않기 때문입니다. 이러한 물체들에 가까이 접근하면 소행성의 궤도가 상당히 바뀔 수 있습니다. 다시 말해, 접근 거리의 작은 차이도 소행성의 최종 경로를 근본적으로 바꿀 수 있습니다.

몬테카를로 시뮬레이션의 새로운 발전은 언젠가 위험한 소행성 충돌을 사전에 예측할 수 있기를 바라는 마음으로 지속적으로 이루어지고 있습니다. 한편, 소행성을 발견했을 때 방향을 바꾸는 방법에 대한 실험도 진행 중입니다. 그러는 동안, 매일매일은 우주를 향한 도박과 같습니다.

그러니 다음에 룰렛 테이블에서 어떤 베팅을 할지 고민될 때, 이 점을 생각해 보세요. 적어도 천 톤짜리 우주 암석이 아니라 아주 작은 은색 공만 예측하는 거잖아요. 게다가, 이 게임에 걸린 건 돈뿐이에요.