우주의 미래, 시작과 종말의 고리

우주의 미래

먼 미래에 우주는 어떻게 될까?

미래를 예측하는 것은 매우 어렵습니다. 오랜 옛날부터 사람들은 미래를 예측하고자 했지만, 대부분의 예측은 거의 모두 크게 틀렸습니다. 그러나 이러한 실패에도 불구하고 과학자들은 여전히 미래를 예측할 수 있다고 생각합니다. 예를 들어 우리는 지구가 오랫동안 금성과 충돌하지 않을 것이라고 확신할 수 있는 것처럼요. 그러나 우리는 자그마한 교란이 수십억 년 동안 축적되어 충돌을 일으킬 것인지 확신할 수 없습니다. 우리은하 주변의 태양과 다른 별들의 움직임과 그 지역의 은하단 주변의 은하수의 움직임 또한 혼란스럽습니다. 과학자들은 다른 은하들이 우리에게서 멀어지는 것을 관찰했으며, 그것들이 우리에게서 멀어질수록 더 빨리 떠날 것입니다. 이것은 우리 주변의 우주가 팽창하고 있음을 의미합니다. 다른 은하 사이의 거리는 시간이 지남에 따라 증가합니다.

우주의 팽창은 빅뱅의 흔적으로 받아들여지고 있습니다. 가장 인상적인 점은 어느 방향에서나 나오는 방사선의 양이 거의 똑같다는 것입니다. 넓은 지역에서 평균 밀도 또는 팽창률의 변화는 마이크로파 배경이 다른 방향으로 달라지게 합니다. 이것은 우주의 행동이 혼란스러운 것이 아니라 매우 큰 규모에서 단순하다는 것을 보여줍니다. 그래서 우리는 우주의 먼 미래를 예측할 수 있습니다. 우주의 팽창은 매우 균일하기 때문에 두 은하 사이의 거리인 단일 숫자로 설명할 수 있습니다. 두 은하 간의 거리는 증가하고 있지만, 서로 다른 은하 사이의 중력 인력이 이 팽창률을 감소시킬 것으로 예상됩니다. 우주의 밀도가 특정 임계값보다 크면 중력에 의해 결국 팽창이 멈추고 우주가 다시 수축하기 시작할 것입니다. 그러면 우주는 매우 큰 압박을 받으며 무너질 것입니다. 이것은 초기 우주의 빅뱅과 매우 유사합니다.

우주의 크기가 변하지 않은 상태로 유지된다면, 은하들 사이의 상호 중력에 의해 결국 은하들이 모두 합쳐지게 될 것입니다. 그러나 천문학자 에드윈 허블(Edwin Hubble)의 1929년 발견 이후 우리가 알고 있듯이, 우주는 팽창하고 있으며 평균적으로 은하들은 더 멀리 떨어져 있습니다. 20세기 전반에 걸쳐 우주론계의 큰 질문이 있었습니다. 중력이 우주의 팽창을 멈출 수 있을 만큼 충분한 질량이 우주에 있는가? 아니면 멀리 떨어져 있는 은하들이 계속 멀어져 속도가 느려지지만 결코 멈추지 않을 것인가? 그리고 1998년에 세 번째 예상치 못한 옵션을 제시한 발견이 나타났습니다. 즉, 우주의 팽창은 느려지는 것이 아니라 가속화되고 있다는 것입니다. 우주의 밀도가 임계값보다 작으면 붕괴되지 않고 계속 팽창할 것입니다. 일정 시간이 지나면 밀도가 너무 낮아져 중력이 팽창 속도를 늦추는 데 큰 영향을 미치지 않습니다. 은하들은 계속해서 일정한 속도로 서로 멀어질 것입니다.

현재 우주 에너지의 약 70%가 빈 공간이지만, 그 이유에 대해서는 조금도 이해하지 못하고 있습니다. 이해할 수 없는 이 에너지를 '암흑 에너지'라고 합니다. 암흑 에너지는 일종의 우주 반중력으로 작용합니다. 즉, 우주의 빈 공간에는 인력의 반대인 척력이 작용하는 것처럼 보입니다. 이 두 경쟁 세력은 빅뱅 이후 우주의 팽창에 영향을 미쳤습니다. 그러나 우주가 팽창함에 따라 물질의 밀도는 감소한 반면, 암흑 에너지의 양은 일정하게 유지되었습니다. 그리고 중력의 제동 효과가 줄어들면서 팽창이 가속화되었습니다. 암흑 에너지가 계속해서 지배한다면, 가장 가능성 있는 결과는 이전에 예상했던 어떤 시나리오보다 더 암울합니다. 현재의 팽창은 영원히 계속될 것이며 속도를 높여 우리가 현재 관찰하고 있는 1000억 개 정도의 모든 은하는 언젠가는 우리가 감지할 수 없는 범위에서 사라질 것입니다. 우리은하는 보이는 우주에서 혼자가 될 것입니다. 그리고 별이 다 타버리면 우주는 차갑고 어둡고 공허할 것입니다. 

약 100억 년 후, 우주의 대부분의 별은 연료가 고갈되어 빛을 잃을 것입니다. 태양 정도의 질량을 가진 별은 백색 왜성 또는 중성자별이 됩니다. 중성자별은 백색 왜성보다 더 작고 더 작습니다. 질량이 더 큰 별은 블랙홀이 될 것입니다. 블랙홀은 훨씬 더 작으며 중력장이 너무 강하여 빛이 빠져나갈 수 없습니다. 그러나 이 잔해는 계속해서 1억년에 한 번씩 우리은하의 중심을 돌고 있습니다. 이 잔해의 충돌로 인해 일부는 은하계 밖으로 쫓겨날 것입니다. 나머지는 중심 근처의 가까운 궤도에서 점차 안정화되고 결국 모여 은하 중심에 거대한 블랙홀을 형성합니다. 은하계나 은하단의 암흑물질이 무엇이든 간에, 그것들도 이 매우 거대한 블랙홀에 떨어질 것이라고 예상할 수 있습니다. 따라서 은하나 은하단에 있는 대부분의 물체는 결국 블랙홀로 귀결된다고 가정할 수 있습니다. 빅뱅 이전의 태초 우주의 모습처럼 돌아가는 것입니다. 우주의 탄생이 종말과 맞닿아 있다는 점은 아주 경이롭습니다. 물론 조금 우울하다고 생각할 수도 있겠지만요. 하지만 이 결과는 단지 추측일 뿐입니다. 암흑 에너지의 본질을 이해할 때까지 우주의 운명은 수수께끼로 남을 것입니다. 우주에는 아직 놀라운 결말이 있을지도 모릅니다.