'시작은 빅뱅... 끝은?' 우주가 종말하는 3가지 시나리오
어둡고 차갑고, 어쩌면 다소 지루한 종말일까. 혹은 격렬하고 파괴적인 결말일까. 혹은 또 다른 시작으로 이어지는 끝일지도 모른다. 이는 아주 먼 미래에 정말로 우주가 종말한다면, 그 모습이 어떨지에 대한 가장 유력한 이론들이다.
우주의 운명은 과학계에서도 가장 신비한 주제 중 하나로, 전문가들조차 이와 관련해서는 답보다 질문이 더 많다고 말한다.
우주가 어떻게 종말을 맞을지 추측하기 전, 먼저 우주가 어떻게 시작됐는지 이해해야 한다.
모든 것의 시작
우주란 모든 것이다. 미국 항공우주국(NASA)에 따르면 우주는 모든 공간, 모든 물질(공간을 차지하며 질량을 가진 모든 것), 모든 에너지, 심지어 시간 자체까지 모든 것을 포함한다.
그렇다면 우주는 어떻게 생겨났을까. 이는 천문학자들이 '빅뱅 이론'이라고 명명한 이야기로 설명할 수 있다.
이 이론에 따르면 약 138억 년 전, 우주가 극도로 뜨겁고 밀도가 높은 상태였으며 그 이후로 계속 팽창해 왔다.
그리고 우주가 계속 팽창하며 아주 오랜 시간에 걸쳐 은하, 별, 행성과 같은 구조들이 형성됐다. 우주는 오늘날에도 계속 팽창하고 있다.
그러나 근본적으로, 우리는 이에 대해 아는 바가 거의 없다.
브라질 산타카타리나 연방대학교의 알렉산드레 자보트 물리학 교수는 "(우주와 관련한) 우리의 연구는 마치 강의 전반적인 흐름을 관찰하는 것과 같다"면서 "강을 지나는 모든 물 분자를 일일이 분석하지 못하는 상황"이라고 비유했다.
빅 프리즈(대동결)
영국 그리니치 왕립 천문대의 설명에 따르면, 우주가 계속 팽창하면 결국 에너지 밀도가 낮아지게 되고, 은하들은 서로 점점 더 멀어지게 될 수 있다. 결국 새로운 별은 태어나지 않고, 기존 별들은 하나둘 소멸할 것이다.
그렇게 수조 년에 걸쳐 우주는 점점 어두워지게 끝내 차갑고 어두운 거의 텅 빈 상태에 가까워진다고 한다.
바로 '빅 프리즈(대동결)' 또는 '열적 사멸'로 불리는 우주 종말 가설이다.
영국 왕립 연구소에 따르면 이 이론은 결국 우주에 존재하는 모든 원자가 열적 평형 상태, 즉 모든 곳의 온도가 동일한 상태에 이르면서 모든 것이 멈추게 된다는 주장이다.
브라질 상파울루대학교 물리학 연구소의 라울 아브라모 부교수는 "여러 정황을 종합해보면 우주는 점점 더 텅 비고, 차갑고, 모든 것의 거리가 멀어질 것임을 짐작할 수 있다"고 설명했다.
이어 그는 "은하 간 거리는 점점 더 멀어지고, 별들은 늙어가며 결국 소멸할 것"이라면서 "우주가 본질적으로 무덤이 되는 최종 단계"라고 표현했다.
빅 립(대파열)
만약 빅프리즈 이론이 탐탁지 않다면, 보다 극적인 가설도 있다.
암흑 에너지로 인해 우주가 계속 가속 팽창하고 있다는 생각에 기반한 주장이다. 그리니치 왕립 박물관에 따르면, 가속 팽창이 이어지다 결국에는 너무 빠르게 팽창해 중력이 더 이상 아무것도 붙잡아 둘 수 없는 상황에 이른다는 내용이다.
이른바 '빅 립(대파열)' 혹은 '대열구' 우주 종말 가설이다.
NASA에 따르면, 중력은 행성이나 다른 천체가 주변 물체를 자기 중심으로 끌어당기는 힘을 말한다. 이 중력 덕에 행성들은 태양 주위를 공전하고, 지구는 하나의 덩어리로 유지되며 인간도 우주 공간으로 떠다니지 않고 지표면에 붙어 머물 수 있다. 중력은 별과 태양계, 은하, 은하단과 같은 우주의 거대한 구조를 서로 결속시키는 힘이다.
반면 암흑 에너지는 더 신비로운 존재로, 이와는 정반대의 효과를 내는 것으로 보인다.
자보트 교수는 "암흑 에너지가 무엇으로 구성됐는지 거의 알려진 바가 없지만, 마치 '반중력'처럼 반발력을 일으킨다는 점은 알려져 있다"고 설명했다.
NASA에 따르면, 암흑 에너지는 우주를 가속 팽창시키고 있으며, 우주의 약 68.3~70%를 차지한다.
그런데 이 존재가 발견된 시기는 1990년대 후반에 불과하다.
인간, 행성, 심지어 은하계 규모에서는 중력이 암흑 에너지를 압도하기에 오랫동안 발견되지 못한 것이다. 암흑 에너지는 그보다 더 큰 규모인, 은하간 거리 정도가 돼야 알아챌 수 있다.
자보트 교수는 "우주가 팽창하고 부피가 커질수록 암흑 에너지와 관련된 반발력은 더욱 커진다"면서 "우주의 크기가 더욱 커지면 더 작은 규모에서도 암흑 에너지가 더욱 중요해질 수 있다"고 덧붙였다.
NASA에 따르면 불안정한 암흑 에너지는 우주가 격렬하게 팽창해 별, 행성, 원자들이 "찢겨 나가는" 일이 발생할 수도 있다.
자보트 교수는 "그래서 이 이론의 영문명인 'Big Rip'은 중의적인 의미가 담겨있다"면서 "우선 말 그대로 '대 파열'이라는 의미가 있고, 2번째는 'RIP' 즉, '명복을 빕니다(rest in peace)'로 읽을 수도 있다"고 덧붙였다.
빅 크런치(대함몰)
더욱 암울한 가설들도 있다.
만약 암흑 에너지가 약해지다가 결국 그 힘의 방향이 뒤바뀌면, 중력은 우주를 다시 하나의 점으로 끌어모을 것이다. NASA에 따르면 이는 우주가 안으로 붕괴하는 '빅 크런치', 이른바 '대함몰'로 이어질 수 있다.
또 다른 이론으로는 '빅 바운스'가 있다. 우주가 다시 한 점으로 수축한 뒤 또 다른 빅뱅이 일어나 새로운 우주가 탄생한다는 내용이다. 이는 우주가 수축과 팽창을 끝없이 반복한다는 의미다.
그러나 아브라모 교수는 "이는 현재까지 어떤 데이터나 증거도 없는, 완전히 이례적인 가설"이라고 설명했다.
그렇다면 우주의 종말 시기를 예측할 수 있을까.
아브라모 교수는 "불가능하다. 미래에 큰 균열이나 붕괴가 일어날 것이라는 징후는 없다"고 답했다.
자보트 교수 또한 "일부 추정치에서는 수조 년 후로 예상하지만, 훨씬 더 길게 보는 이론도 있다"고 덧붙였다.
우주의 현재 나이가 최소 138억 년이라면, 1조 년이 되기까지는 아직 9862억 년이 남았다.
최근 네덜란드 랏바우트 대학 연구진은 우주가 기존 예상보다 더 빠른 속도로 쇠퇴하고 있을 수도 있다고 시사했다. 연구진은 마지막 별의 잔해가 사라지는 데 약 10의 78제곱 년이 걸릴 것으로 추정했다.
그러나 우리 인류가 이러한 과정을 직접 목격할 가능성은 거의 없다.
지구는 그보다 훨씬 이전인, 지금으로부터 약 60억 년 후, 태양이 적색거성으로 팽창하면서 이미 사라졌을 가능성이 크다.
아브라모 교수는 "우주론에서는 여전히 아는 것이 거의 없다"면서, 현재의 관측 기술만으로는 우주를 정밀하게 측정하기 어렵다고 설명했다.
그리고 이는 더욱 다양한 가설적 이론을 탐구할 가능성을 열어준다. 예를 들어, 우주가 하나 이상 존재한다는 다중우주론 등이 있다.
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