달 탐사 아르테미스 2호 우주비행사는 왜 더 늙어서 돌아올까? (상대성 이론과 우주 시간의 비밀)

영화 '인터스텔라'를 비롯한 수많은 SF 매체를 접하다 보면, 우주여행을 떠난 사람이 지구에 남은 사람보다 훨씬 젊은 상태를 유지한다는 설정이 공식처럼 등장합니다.

많은 분들이 이를 당연한 과학적 상식으로 알고 있지만, 달 탐사를 목적으로 발사되는 '아르테미스 2호'의 우주비행사들에게는 이 상식이 전혀 통용되지 않습니다.

오히려 지구로 귀환한 우주인들은 지구에 계속 머물렀던 사람들보다 아주 미세하게나마 나이를 더 먹게 됩니다.

직관에 위배되는 이 현상의 원인을 아인슈타인의 두 가지 상대성 이론을 통해 과학적으로 분석해 보겠습니다.

출처 : NASA

우주선에 작용하는 두 가지 상반된 시간의 흐름

우주 공간으로 나간 비행사들의 시간이 지구와 다르게 흐르는 이유는 아인슈타인이 규명한 두 가지 상대성 이론이 동시에, 그러나 완전히 반대 방향의 효과로 작용하기 때문입니다. 시간의 흐름을 결정짓는 핵심 변수는 바로 '속도'와 '중력'입니다.

1. 특수 상대성 이론: 속도가 만드는 시간 지연 (Time Dilation)특수 상대성 이론에 따르면, 관찰자보다 빠르게 이동하는 물체일수록 그 내부의 시간은 더 느리게 흐릅니다.
아르테미스 2호의 오리온 우주선은 지구의 궤도를 벗어나고 재진입하는 과정에서 시속 약 40,000km(초속 약 11km)라는 맹렬한 속도로 비행하게 됩니다. 이 압도적인 비행 속도는 우주비행사들의 신체적 시간을 지구인들보다 느리게 가게 만드는 '시간 지연' 효과를 발생시킵니다. 여기까지만 보면 우주인이 더 젊어져야 하는 것이 맞습니다.

2. 일반 상대성 이론: 약한 중력이 만드는 시간 가속
하지만 속도보다 더 큰 변수가 존재합니다. 일반 상대성 이론에 따르면 중력이 강한 곳일수록 시간은 느리게 흐르고, 반대로 중력이 약한 곳일수록 시간은 빠르게 흐릅니다.

지구 표면은 질량이 거대한 지구의 강한 중력장 안에 포함되어 있습니다. 반면, 지구에서 약 384,400km 떨어진 심우주(달 궤도 근처)는 지구의 중력 영향권에서 크게 벗어나 중력이 매우 약한 상태입니다. 이 '약한 중력' 환경은 우주비행사들의 시간을 지구 표면에 있는 사람들보다 더 빠르게 흐르게 하는 '시간 가속' 효과를 만들어냅니다.

국제우주정거장(ISS)과 아르테미스 2호의 결정적 차이

그렇다면 왜 지구 궤도를 도는 국제우주정거장(ISS)의 우주인들과 달 탐사 우주인들의 결과가 다르게 나타날까요? 이는 앞서 언급한 속도와 중력, 두 가지 효과 중 어느 것이 더 지배적으로 작용하느냐에 따라 결정됩니다.

• 국제우주정거장(ISS): 고도 약 400km의 지구 저궤도를 돕니다. 고도가 비교적 낮아 지구 표면과의 중력 차이가 크지 않은 반면, 지구를 공전하는 속도가 워낙 빠르기 때문에 '특수 상대성 이론(속도)'의 시간 지연 효과가 훨씬 큽니다. 따라서 ISS에 머물다 돌아온 우주인은 지구인보다 미세하게 젊어집니다.
• 아르테미스 2호(달 탐사): 지구의 중력장에서 완전히 멀어지는 심우주 비행입니다. 중력이 획기적으로 약해지기 때문에 '일반 상대성 이론(약한 중력)'에 의한 시간 가속 효과가, 속도에 의한 시간 지연 효과를 완전히 압도해 버립니다.

결론: 아르테미스 우주비행사들은 나이를 더 먹는다

결과적으로 과거 아폴로 임무 당시의 궤도 역학 데이터를 기준으로 계산해 보았을 때, 달 탐사 임무를 수행하는 우주비행사들은 해당 임무 기간 동안 지구에 머무는 사람들보다 대략 수 마이크로초(100만 분의 1초) 정도 시간이 더 빠르게 흐르는 것으로 확인되었습니다.

즉, 지구로 귀환했을 때 아주 미세하지만 지구인들보다 생물학적 나이를 더 먹은 상태로 돌아오게 됩니다. 무조건 젊어질 것이라는 우리의 얄팍한 직관을 깨부수고, 우주의 고도와 궤도, 중력에 따라 시간의 흐름이 역전된다는 사실은 경이로운 우주의 물리 법칙을 다시금 깨닫게 해 줍니다.