우주의 탄생과 종말 (빅뱅이론, 암흑물질, 우주종말가설)

 

138억 년 전 대폭발로 시작된 우주는 지금 이 순간에도 끝없이 팽창하고 있습니다. 7조 곱하기 100억 개 이상의 별들이 수놓은 광활한 공간 속에서 인류는 끊임없이 질문해왔습니다. 우주는 언제 어디서 어떻게 생겨났으며, 결국 어떤 방식으로 종말을 맞이할 것인가. 과학적 관측과 이론적 추론이 교차하는 지점에서, 우리는 존재의 근원과 미래를 동시에 마주하게 됩니다.

빅뱅이론과 우주 배경 복사의 증거

우주의 탄생을 설명하는 가장 강력한 이론은 빅뱅 이론입니다. 약 138억 년 전 발생한 빅뱅이라는 대폭발 현상으로 인해 현재의 우주가 탄생했으며, 지금도 우주는 지속적으로 팽창하고 있습니다. 이 이론을 뒷받침하는 결정적 증거가 바로 우주 배경 복사입니다. 1960년대 과학자들은 우주 배경 복사 연구를 통해 빅뱅의 흔적을 탐지해냈습니다. 과거 뜨거웠던 우주에서 생성된 에너지가 전파 형태로 남아 현재 우주 전역에 고르게 관측되면서, 빅뱅으로 인한 우주 팽창을 명확히 증명하고 있습니다.

스티븐 호킹 박사는 레오나르드 믈로디노프 박사와 함께 쓴 저서 <위대한 설계>에서 빅뱅의 탄생 과정을 설명하며 학계의 주목을 받았습니다. 그는 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 바탕으로 우주 탄생 순간 크기가 0인 상태가 존재했으며, 이후 급팽창이 일어나면서 우주가 순간적으로 부풀어 올랐다고 주장했습니다. 극초기 우주에 관한 개념은 인간이 직접 경험하거나 관측할 수 없었기에 학자들의 추론과 주장으로 이루어져 있습니다. 플랑크 시대 이후 우주 팽창과 냉각이 시작되면서 대통일 시대와 약전자기 시대를 거쳐 급팽창이 본격적으로 시작됩니다. 이 급팽창으로 인해 우주는 순식간에 기존 크기의 약 10의 50승배나 팽창하게 됩니다.

급팽창 이후 초기 우주는 쿼크 시대로 접어들며, 이 시기에 중력, 전자기력, 강력, 약력 등 우주를 이루는 기본적인 네 가지 힘이 형성됩니다. 이 네 가지 힘은 우주의 모든 현상에 영향을 미치며, 쿼크 시대는 우주가 생성된 지 약 10의 마이너스 6승 초 만에 끝난 것으로 추정됩니다. 대폭발 이후 1초에서 약 10초 사이를 렙톤 시대라고 부르며, 이후 약 38만 년간 광자 시대가 지속됩니다. 광자 분리 시대를 거치면서 남은 전자기파의 흔적이 바로 우주 배경 복사입니다. 대폭발 이후 약 3억 년이 지난 시점에는 우주 최초의 항성이 생겨난 것으로 추정됩니다. 2015년 유럽 남방 천문대는 이 시기에 생성된 것으로 추정되는 원시 항성의 흔적을 관측했다고 발표했습니다.

이처럼 빅뱅 이론은 단순한 가설을 넘어 관측 가능한 증거들로 뒷받침되는 과학적 설명입니다. 우주를 이루는 가장 많은 원소는 수소로 전체의 75%를 차지하며, 그 다음으로 헬륨이 11%를 차지합니다. 이는 빅뱅 당시 가장 단순한 형태의 원소인 수소가 가장 먼저 형성되었고, 수소가 별 속에서 핵융합을 하면서 헬륨이 만들어졌기 때문입니다. 인류가 목격하는 별들의 빛, 그 찰나의 순간들이 모두 138억 년 전 한 점에서 시작된 대폭발의 역사를 품고 있다는 사실은 경외감을 불러일으킵니다.

암흑물질과 빅뱅 이전의 우주

빅뱅 이론이 대두되면서 과학자들은 빠뱅 이전의 우주는 어떤 형태였는지에 대한 질문을 던지기 시작했습니다. 스티븐 호킹 박사는 이에 대해 "빅뱅 이전에는 아무것도 없었다"는 간단한 답변을 제시했습니다. 

하지만 토미 텐카 박사는 암흑 물질을 근거로 전혀 다른 주장을 펼쳤습니다. 암흑 물질은 현재 우주 질량의 약 80%를 차지하지만, 그 형태나 모습이 전혀 보이지 않아 연구가 매우 까다로운 미스터리한 물질입니다.

텐카 박사는 이러한 암흑 물질이 빅뱅 이후의 잔해가 아니라 빅뱅 이전에, 즉 빅뱅보다 먼저 존재했으며, 이 때문에 현재까지 관측되지 않는다고 주장합니다. 그의 주장은 스티븐 호킹 박사와 달리 빅뱅 이론에 상반되는 견해로 발표 당시 큰 관심을 끌었습니다. 

보이지 않는 암흑 물질을 통해 빅뱅 이전의 시간을 추론하는 과학적 상상력은 단순한 이론을 넘어 인류의 지적 도전이 얼마나 대담할 수 있는지를 보여줍니다. 두 거장의 대립은 과학이 절대적 진리가 아닌, 끊임없이 수정되고 발전하는 탐구의 과정임을 증명합니다.

현재 가장 많은 지지를 받는 빅뱅 이론조차 미래에는 하나의 가설로 남을 수도 있으며, 우주 탄생에 관한 연구는 계속될 것입니다. 이처럼 빅뱅 이론을 지지하는 연구와 이를 부정하는 연구 결과들이 계속해서 등장하고 있습니다. 우주는 규모별로 항성계, 은하, 은하군과 은하단, 초은하단, 그리고 은하 필라멘트 구조로 나누어집니다. 우리 은하는 여러 은하군 중 국부 은하군에 포함되며, 이는 다시 밀집 은하군, 화석 은하군, 원시 은하군으로 나뉩니다.

은하 필라멘트는 우주에서 가장 거대한 구조로, 평균 직경이 약 50에서 80메가파섹에 달하며, 심지어 10억 광년 이상 펼쳐져 있다고 주장하는 학자들도 있습니다. 인류의 우주 관측 역사는 근현대 시기 훨씬 이전부터 이어져 왔습니다. 

영국의 스톤헨지나 고인돌 같은 유적물들은 오래전 인류가 천체의 위치를 표시하고 관측하기 위해 만들어진 것으로 추정됩니다. 한국의 삼국시대에도 별 관측 역사가 있으며, 신라의 첨성대는 현재 경주에 온전히 보존되어 있습니다. 

갈릴레오 갈릴레이는 망원경을 이용해 목성의 네 위성을 발견했으며, 이 위성들은 '갈릴레이 위성'으로 불립니다. 전파 망원경은 가시광선 영역만 관측할 수 있는 광학 망원경과 달리 훨씬 다양한 대역의 전자파를 관측할 수 있어 천문학 발전에 큰 기여를 했습니다. 

가장 큰 성과를 낸 우주 망원경은 허블 우주 망원경입니다. 1990년에 발사된 허블은 현재까지도 가동 중이며, 근자외선, 가시광선, 근적외선 스펙트럼을 관측하여 지구 대기권의 방해 없이 해상도 높은 영상을 얻을 수 있습니다.

우주종말가설과 열죽음의 시나리오

우주의 종말은 구성 물질의 평균 밀도에 따라 크게 세 가지 형태로 구분됩니다. 열린 우주, 닫힌 우주, 평탄한 우주가 바로 그것입니다. 현재 학계에서 가장 설득력을 얻고 있는 것은 열린 우주론입니다. 이 이론에 따르면 우주의 크기는 끝없이 늘어나며, 시간이 흐르면서 항성들이 더 이상 생겨나지 않게 됩니다.

이 과정을 구체적으로 살펴보면, 질량이 가벼운 항성은 백색 왜성으로 소멸하며 중입자를 방출하지 않습니다. 반면 무거운 항성은 초신성 폭발 후 중성자별이나 항성 질량 블랙홀이 되면서 일정량의 중입자를 잡아두게 됩니다. 결국 우주에 남은 중입자가 없어지면 새로운 항성은 형성되지 않게 되는 것입니다.

항성이 더 이상 형성되지 않는 시기에 도달하면, 우주에는 수많은 중성자별과 항성 질량 블랙홀이 존재하게 됩니다. 이들은 서로 뭉쳐 집단을 형성하고, 블랙홀은 주변 물질을 흡수하며 성장합니다. 하지만 블랙홀의 성장은 무한하지 않습니다. 시간이 지나면서 블랙홀은 열복사를 통해 질량을 잃고 증발하게 됩니다.

우주가 계속 팽창하여 절대 온도 영도에 가까워지면 블랙홀은 모두 증발하고, 우주는 블랙홀이 배출해 낸 광자들로 채워지게 됩니다. 이것이 바로 빅프리즈 또는 빅칠이라 불리는 극저온 상태입니다. 결국 우주는 운동이나 생명을 유지할 수 있는 자유 에너지가 없는 열죽음의 단계를 맞이하여 종말을 맞게 됩니다. 이러한 시나리오는 허무주의적으로 보일 수 있지만, 역설적으로 지금 이 순간 우리가 목격하는 별들의 빛이 얼마나 소중한 가치를 지니는지를 역설합니다.

우주의 종말에 대한 다양한 가설들은 각기 다른 시나리오를 제시하지만, 공통적으로 우주가 영원하지 않다는 점을 시사합니다. 빅프리즈든 빅 립이든, 우주의 종말은 결국 현재의 소중함을 환기시키는 철학적 성찰의 기회를 제공합니다. 인류의 과학적 탐구는 계속될 것이며, 그 과정에서 우리는 우주와 자신에 대한 더 깊은 이해에 도달할 것입니다.

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[출처]

우주의 종말: 다양한 가설들 / LiveWiki: https://livewiki.com/ko/content/universe-birth-end