우주 관측 오류 (허블상수, 확증편향, 반복검증)
우주를 연구한다는 건 결국 숫자와 싸우는 일이라는 걸, 천문학 관련 글을 쓰면서 실감했습니다. 장비가 아무리 좋아져도, 데이터를 어떻게 읽느냐에 따라 결론이 완전히 달라질 수 있다는 사실이 솔직히 예상 밖이었습니다. 작은 오차 하나가 우주 전체의 이해를 바꿀 수도 있다는 것, 생각보다 훨씬 무거운 이야기입니다.
허블상수 논쟁, 숫자 하나가 우주를 흔들다
천문학을 공부하다 보면 허블상수(Hubble constant)라는 개념을 반드시 마주치게 됩니다. 허블상수란 우주가 얼마나 빠르게 팽창하고 있는지를 나타내는 수치로, 단위는 Mpc(메가파섹) 당 km/s로 표현됩니다. 쉽게 말해, 우주가 1메가파섹 거리마다 초당 몇 킬로미터씩 더 빠르게 멀어지는지를 나타내는 값입니다.
그런데 이 값이 측정 방법에 따라 다르게 나온다는 사실이 현재 천문학계에서 가장 뜨거운 논쟁 중 하나입니다. 세페이드 변광성(Cepheid variable star)과 제1a형 초신성을 이용한 거리 사다리 방법으로 측정하면 약 73 km/s/Mpc가 나오고, 우주배경복사(CMB, Cosmic Microwave Background)를 분석하는 방법으로는 약 67 km/s/Mpc가 나옵니다. 여기서 세페이드 변광성이란 밝기가 주기적으로 변하는 별로, 그 주기를 이용해 별까지의 거리를 정밀하게 계산할 수 있는 천문학의 핵심 도구입니다. 이 두 값의 차이는 통계적 오차 범위를 훌쩍 넘어섰고, 과학자들은 이를 '허블 긴장(Hubble tension)'이라고 부르며 진지하게 다루고 있습니다.
제가 이 논쟁을 처음 접했을 때, 솔직히 "그냥 더 정밀한 장비로 다시 재면 되는 거 아닌가?" 싶었습니다. 그런데 알고 보니 양쪽 방법 모두 각자의 방식으로 최선을 다한 결과라는 겁니다. 장비의 문제가 아니라 관측 방식 자체가 서로 다른 우주를 보고 있을 가능성도 있다는 것, 그때부터 이 주제가 단순한 수치 논쟁이 아니라는 걸 느꼈습니다.
현재 유럽우주국(ESA)의 플랑크 위성(Planck satellite) 관측 데이터와 미국항공우주국(NASA)의 허블 우주 망원경 관측 결과가 각각 다른 값을 지지하고 있는 상황입니다(출처: ESA Planck Mission).
확증편향, 과학자도 피해가지 못한다
허블상수 논쟁보다 제게 더 깊이 남은 건, 사실 확증편향(confirmation bias) 문제였습니다. 확증편향이란 자신이 이미 믿고 있는 이론에 유리한 데이터는 받아들이고, 불리한 데이터는 무시하거나 덜 중요하게 처리하는 심리적 경향을 말합니다. 이건 과학자들도 예외가 아닙니다.
역사 속에는 이런 사례가 실제로 존재했습니다. 19세기 천문학자들은 수성의 근일점 이동(perihelion precession)을 설명하기 위해 '불카누스(Vulcan)'라는 가상의 행성이 존재한다고 믿었고, 일부 관측자들은 실제로 그 행성을 봤다고 주장하기도 했습니다. 여기서 근일점 이동이란 행성이 태양에 가장 가까워지는 지점이 서서히 회전하는 현상으로, 당시 뉴턴 역학으로는 완전히 설명이 되지 않았습니다. 결국 불카누스는 존재하지 않았고, 수성의 이상한 움직임은 아인슈타인의 일반상대성이론이 등장하고 나서야 비로소 정확히 설명되었습니다.
직접 이 사례를 찾아보면서 느낀 건, 당시 관측자들이 거짓말을 한 게 아니라는 점이었습니다. 그들은 '있어야 한다'는 전제 아래서 데이터를 읽었고, 그 전제가 관측 결과를 왜곡했을 가능성이 높습니다. 제 경험상 이건 과학에만 해당하는 이야기가 아닙니다. 어떤 분야든 기존의 믿음이 강할수록, 그걸 흔드는 신호는 더 쉽게 노이즈(noise)로 처리됩니다.
관측 오류가 이론을 왜곡할 수 있는 대표적인 경로를 정리하면 다음과 같습니다.
- 계통 오차(systematic error): 측정 장비나 방법 자체에 내재된 일관된 오차로, 반복 측정으로도 상쇄되지 않는 문제입니다.
- 선택 편향(selection bias): 관측 가능한 대상만 데이터로 쓰다 보니, 관측이 어려운 천체가 분석에서 빠지는 현상입니다.
- 확증편향(confirmation bias): 기존 이론과 맞는 결과를 더 신뢰하는 경향으로, 해석 단계에서 주로 발생합니다.
이 세 가지는 장비가 아무리 좋아져도 완전히 없애기 어렵다는 점에서, 천문학자들이 항상 경계해야 하는 문제입니다.
반복검증, 과학이 스스로를 고치는 방식
그렇다면 과학은 이런 오류를 어떻게 다룰까요. 제가 이 주제를 계속 따라가면서 가장 인상 깊었던 건, 결국 반복검증(replication)이라는 원칙이었습니다. 반복검증이란 같은 현상을 서로 다른 방법, 서로 다른 팀이 독립적으로 관측하고 분석해서 결과를 비교하는 과정을 말합니다. 한 번의 측정은 언제나 틀릴 수 있다는 전제 위에서 과학이 작동하는 방식입니다.
실제로 미국항공우주국(NASA)은 제임스 웹 우주 망원경(JWST, James Webb Space Telescope)을 통해 허블 우주 망원경이 측정했던 세페이드 변광성 거리를 다시 독립적으로 관측했습니다. 초기 결과는 허블 망원경의 수치를 대체로 지지하는 것으로 나타났지만, 이 역시 추가 검증이 계속 진행 중입니다(출처: NASA JWST). 한 번의 결과로 논쟁이 끝나지 않는다는 것, 그게 과학의 방식입니다.
제 경험상 이건 좀 다릅니다. 많은 사람들이 과학을 '이미 검증된 사실의 집합'으로 보는 경향이 있는데, 실제로는 '지금 이 순간도 검증이 진행 중인 과정'에 가깝습니다. 허블상수 논쟁 하나만 봐도, 수십 년간 쌓아온 관측 데이터와 분석 기법이 여전히 서로를 반박하고 있습니다. 그 긴장이 오히려 과학을 앞으로 밀어가는 힘이라고 생각합니다.
우주 관측 데이터를 다룰 때 과학자들이 신뢰도를 높이기 위해 쓰는 방법들을 간단히 정리하면 이렇습니다.
- 독립된 연구팀이 동일 대상을 별도 장비로 재관측한다.
- 서로 다른 관측 방식(직접 거리 측정 vs 우주배경복사 분석)으로 결과를 교차 확인한다.
- 데이터 분석 전 분석 기준을 사전에 등록하여 사후 조작 가능성을 줄인다.
이 과정이 느리고 답답해 보일 수 있지만, 제가 직접 관련 자료들을 찾아보니 이 반복과 검증의 축적이 결국 가장 믿을 수 있는 지식을 만들어왔다는 사실이 명확하게 보였습니다.
우주는 여전히 모르는 게 훨씬 많은 공간입니다. 그 모름을 인정하면서도 틀릴 가능성을 줄여가는 과정, 그게 천문학이 지금 하고 있는 일입니다. 관측 오류 하나가 이론 전체를 뒤흔들 수 있다는 사실은 무섭기도 하지만, 동시에 과학이 얼마나 정직한 학문인지를 보여주기도 합니다. 우주에 관심이 있다면, 숫자 너머에 있는 이 검증의 이야기를 한 번쯤 따라가 보시길 권합니다.