[YS과학] 우주 종말, 세 가지 시나리오

우주는 137억 년 전 빅뱅으로 팽창을 시작한 이후 지금까지 계속 팽창하고 있다. 그러나 이 팽창이 무한히 지속될지, 아니면 언젠가 멈추거나 되돌아갈지는 아직 결정되지 않았다. 우주의 기원에 관한 이론은 비교적 잘 정립되어 있지만, 종말을 둘러싼 논의는 여전히 복수의 시나리오 속에 머물러 있다.

이는 단순한 가설이 아니라, 암흑 에너지의 정체와 중력의 작용, 시공간의 거동을 규명하는 물리학의 핵심 질문이기도 하다. 과학 뉴스 전문지 ScienceNews Explores는 최근 천체 물리학자들이 제시한 대표적 우주 종말 예측 세 가지를 소개했다. 이들 시나리오는 각기 다른 가정을 바탕으로, 우주의 미래가 어떤 형태로 수렴될 수 있는지를 그려낸다.

대수축 (Big Crunch)

하늘의 별들을 보면 언제나 같은 모습이고 조용하다. 그러나 우주의 모든 것은 항상 움직이고 있다. 어떤 은하들은 서로 충돌하고 있고, 어떤 은하는 가공할 속도로 멀어지고 있다.

우주의 모든 천체들이 서로 끌어당기는 힘은 400년 전에 뉴턴(Isaac Newton 1643-1727)이 설명한 중력이다. 중력은 질량이 클수록, 그리고 서로 거리가 가까울수록 강하게 작용한다. 과학자들은 우주를 움직이게 하는 힘이 중력이라고 생각한다. 그러면 중력은 왜 생기는가? 이에 대한 대답은 영원한 의문일 것이다.

가장 오래된 우주 종말 이론인 대수축은, 팽창하는 우주가 어느 시점에서 중력에 의해 되돌려져 결국 모든 물질이 한 점으로 붕괴할 수 있다는 가설이다. 이 시나리오는 우주 전체의 평균 질량 밀도가 특정 임계값을 초과할 경우에 가능하다. 은하와 암흑물질, 가스 등 전체 물질의 중력이 팽창을 멈추고 반대로 작용해야 하기 때문이다.

하지만 허블 우주망원경과 제임스 웹 우주망원경이 관측한 결과에 따르면, 현재 우주는 오히려 팽창 속도가 점점 빨라지고 있다. 이러한 가속 팽창은 암흑 에너지의 영향으로 해석되며, 이로 인해 대수축은 현재로서는 가능성이 낮은 시나리오로 간주된다.

대냉각 (Big Chill)

컵에 담긴 뜨거운 물의 온도는 차츰 식는다. 그것은 물의 높은 열 에너지가 낮은 쪽으로 이동한 결과이다. 열은 언제나 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 이동한다. 낮은 쪽의 열이 높은 쪽으로는 절대 이동하지 않는다.

우주의 별들은 수천만 수억℃로 뜨겁지만, 그들의 고열은 차츰 낮은 온도 쪽으로 이동한다. 열의 이동이 수천억 년 계속되면 우주 전체의 온도는 결국 더 이상 내려갈 수 없는 절대0도(–273.15℃)가 될 것이다. 절대 0도는 원자의 움직임마저 정지하고, 운동에너지가 최소가 되는 조건이다. Big chill은 우주의 마지막이 절대 0도 상황이 된다는 것이다.

이는 암흑 에너지가 일정한 밀도로 작용하면서 우주의 가속 팽창이 계속될 경우 은하들은 점차 서로 멀어져 관측 불가능한 영역으로 사라지고, 별들은 수명을 다해 꺼지며, 블랙홀조차 증발해 사라지게 된다는 것이다.
수십에서 수백조 년 후, 우주는 에너지가 극도로 희박하게 분산된 상태, 즉 엔트로피가 극대화된 정적 상태에 이르게 된다. 이때는 더 이상 별이 만들어지지도, 붕괴되지도 않는 ‘종말 이후의 우주’가 된다. 현재의 관측 결과는 이 시나리오와 가장 잘 부합하며, 물리학자들 사이에서 가장 유력한 예측으로 받아들여지고 있다.

대분열 (Big Rip)

우주가 차츰 팽창하고 있다는 사실은 1920년대에 미국의 천문학자 허블(Edwin Hubble 1889-1953)에 의해 증명되었다. 당시 허블은 우주의 모든 은하들이 서로 멀어지고 있다는 사실을 발견했고, 그 원인은 우주 전체가 팽창하고 있기 때문이라고 설명했다.

태초에 우주는 대폭발로 시작되었고, 지금은 우주가 계속 팽창하고 있다. 이런 이론에 대해서는 특별히 다른 주장이 없다. 현재의 우주가 수천억 수조억 년을 두고 계속 팽창한다면, 최후에는 별만 아니라 블랙홀조차 증발하여 사라지게 될 것이다. 그런 날이 오면 우주는 극단적으로 냉각되어 원자 하나도 움직임이 없는 영원한 상태가 될 것이라는 설명이다.

이처럼 대분열은 세 가지 시나리오 중 가장 극단적이다. 이 이론은 암흑 에너지가 일정하지 않고 시간이 지날수록 더욱 강력해지는 경우를 상정한다. 이런 조건에서는 은하 간 거리뿐 아니라, 은하 내부의 별, 행성, 심지어 원자까지도 중력을 이기지 못하고 분해된다. 팽창 속도가 무한대로 증가하며 결국 시공간 자체가 파열되는, 말 그대로 ‘우주의 구조가 찢어지는’ 현상이 일어난다는 것이다.
현재까지의 데이터로는 암흑 에너지가 이런 식으로 증가하고 있다는 증거는 없지만, 이론적으로는 완전히 배제할 수 없는 가능성으로 남아 있다.

우주는 영속한다는 이론

어떤 과학자들은 우주의 거대한 응축이 이루어진 다음에는 다시 새로운 빅뱅이 시작될 것이라는 이론을 펼친다. 대 응축 이후 다시 빅뱅이 일어나는 이런 과정이 계속된다면 우주의 미래는 영원이라고 할 것이다.

은하와 천체들이 서로 중력으로 끌어당긴다면 우주의 팽창이 계속될 수 없을 것이다. 지금의 우주가 계속 팽창하려면 중력과 반대되는 어떤 힘(negative gravity)이 작용해야 할 것이다. 중력과 반대되는 힘은 어디에서 오는 것일까? 과학자들은 이 미지의 힘을 암흑 에너지(dark energy)라 말하고 있다. 즉 증력에 반대되는 힘이 암흑 에너지라는 이론이다.

미국 국립과학재단의 천문학자 데이(Arjun Dey)는 암흑 에너지 역시 중력과 마찬가지로 신성한 미지의 힘이라고 설명한다. 데이는 애리조나 사막에 설치된 키트피크 천문대에서 암흑에너지 관측장비(Dark Energy Spectroscopic Instrument, DESI)를 사용하여 원거리의 별과 은하들은 관측해온 과학자이다.

우주의 최후가 언제일지는 아무도 모른다. 일부 천문학자들은 공간과 시간 자체가 소멸하는 우주의 마지막 순간이 10에 0을 40개 붙인 숫자, 즉 상상조차 어려운 시간 이후에 도래할 것이라 추정한다.

그렇다면 인류가 존재하는 지구와 태양의 마지막은 언제일까?

이 질문에 대한 과학적 답변은 비교적 명확하다. 지금으로부터 약 50억 년 후, 수명을 다한 태양은 중심부의 수소 연료를 소진하고 거대한 적색거성으로 팽창하게 되며, 그 과정에서 수성과 금성, 그리고 지구까지도 그 내부에 삼킬 것으로 예측된다.

우주의 탄생과 진화, 그리고 그 종말에 대한 질문은 단지 과학적 호기심에 그치지 않는다. 이것은 현재의 이론으로 다가갈 수 있는 물리적 한계를 시험하고, 동시에 전문 과학자들의 상상력까지 자극하는 가장 크고도 깊은 우주적 의문 중 하나다.