충격적인 제목, 고대부터 내려온 질문, 그리고 약간의 물리학을 섞어보자. 잘 흔들면 이제 남은 건 그 맛을 음미하는 것뿐이다. 하지만 우주의 운명이 무엇인지 아는 것이 기분 좋은 일일까? 고대부터 많은 사람들이 해왔던 이 질문을 우리는 이어받는다. 그러나 우리는 이점을 가지고 있다. 최첨단 과학을 사용해 답을 찾을 수 있게 되었고, 그 예측에 따르면 우리는 폭력적인 종말, 즉 빅 립(Big Rip) 또는 대붕괴를 향하고 있을지도 모른다.

실험 데이터를 보면 빅 립 이론과 잘 맞아떨어지며, 그 가능성이 매우 높다는 것을 시사한다. 그 이론의 근거는 우주에 충분한 암흑 에너지가 있어 우주를 계속해서 "늘리며" 가속적으로 확장시키고 있다는 점이다. 은하들은 점점 더 멀어지고, 중력의 끌림은 점차 미미해져 결국 그 효과가 사라질 것이다. 행성과 위성들은 궤도를 잃고, 별들은 은하에서 떨어져 나가게 된다. 그때가 바로 우주의 대붕괴가 도래한 순간이 될 것이다.

암흑 에너지는 우주를 가속해서 확장

확실히 우주는 대규모로 점점 더 커지고 있다. 구체적으로 말하면, 그 확장 속도는 가속하고 있다. 아인슈타인의 방정식에 따르면 그 원인은 대부분이 암흑 에너지로 구성되어 있으며, 이 에너지가 반중력을 일으키기 때문이다. 하지만 더 정확히 알 수 있을까?

더 나아가기 전에 솔직히 인정해야 할 것이 있다. 우리의 모델은 우리의 무지를 지혜로 가장하고 있다. 이 모델들에서는 암흑 에너지를 매우 기본적인 방식으로 설명된 유체로 상상하고 있다. 이를 위해 열역학에서 물려받은 변수들을 사용하게 될 것이다.

한편으로는 그 유체의 압력과, 다른 한편으로는 그 밀도, 즉 단위 부피당 에너지 양을 생각할 수 있다. 만약 느린 속도로 움직이는 입자들만 있다면, 그 에너지는 기본적으로 그들의 질량 에너지일 것이다. 그런 경우에는 아인슈타인이 아닌 뉴턴 방식으로 중력을 생각해도 충분할 것이다. 하지만 우리 우주에는 광자나 중성미자와 같은 매우 빠른 입자들도 존재하므로 이는 불가능하다.

이를 고려하여 우리는 우주를 서로 다른 특성을 가진 여러 유체로 이루어진 수프처럼 상상한다. 이렇게 하면 아인슈타인의 방정식은 다양한 유체가 가속 팽창을 일으키기 위해 가져야 할 특성들을 설명해준다. 그뿐만 아니라, 그러한 성분들이 어떤 비율로 존재해야 하는지도 알려준다. 광자(중성미자 및 기타 무수한 입자들)를 제외하고도, 중력을 끌어당기는 물질로 구성된 암흑 물질이 있으며, 이것들이 암흑 에너지와 대립하게 된다.

국제 프로젝트 SDSS-III의 과학자들은 암흑 에너지의 신비한 특성과 그것이 우주 팽창 가속에 미치는 영향을 이해하기 위해 120만 개의 은하를 대상으로 한 3차원 지도를 작성했다. / 다니엘 아이젠슈타인(Daniel Eisenstein) 및 SDSS-III.

팽창 속도가 무한대로 증가할 수도 있다

가장 흥미로운 암흑 에너지의 유형은 우주 상수로, 이는 매우 독특한 경계선을 나타낸다. 언급된 어떤 유체를 설명하기 위해 가장 일반적으로 사용되는 가설은 압력과 에너지 밀도가 서로 비례한다는 것이다.

하지만 주의해야 한다! 에너지 밀도는 항상 양수이지만, 암흑 에너지는 음의 압력을 가진다. 실제로, 그 압력은 충분히 음수여야만 한다. 압력과 에너지 밀도 간의 비율을 결정하는 값은 아인슈타인의 방정식 해에서 중요한 역할을 한다. 이 매개변수는 우주가 가속 팽창하는지 여부를 첫 번째로 알려준다. 다시 말해, 그 값은 압력이 충분히 음수여서 필요한 반발력을 만들어내는지 여부를 결정한다.

그러나 더 부정적인 압력은 극적인 결과를 초래할 수 있다. 팽창 속도가 갑자기 무한대로 증가할 수도 있는 것이다. 실제로 우주의 크기 자체(그리고 그 크기 변화율)도 같은 운명을 맞이할 것이다. 이는 치명적인 결과를 가져와, 우리가 알고 있는 모든 구조를 파괴하게 된다. 사실, 이러한 조건에서는 모든 것이 무의미해진다. 또한 변화의 변화율 역시 갑자기 무한대로 치닫게 될 것이다.

증거가 있다

이런 상황이 발생할 가능성은 이론적인 관점에서 오랫동안 알려져 왔다. 놀라운 점은 실험 데이터가 이러한 상황을 지지하는 것처럼 보인다는 것이다. 즉, 우주가 빅 립(Big Rip)으로 끝날 수 있다는 증거가 있다는 말이다.

물론, 일부 동료들의 반발을 피하려면 약간의 수정이 필요하다. 출처에 따라 이 시나리오가 통계적으로 가장 강력하게 지지받는 것은 아니라고 할 수 있다. 하지만 흥미롭게도 현재의 불확실성 범위 안에 빅 립이 매우 유력한 종말 시나리오 중 하나로 포함된다는 것에 대한 합의는 존재한다.

유령 암흑 에너지가 원인

이 폭력적인 종말을 초래하는 암흑 에너지를 유령 암흑 에너지라고 부른다. 조금 더 자세히 설명하자면, 이를 위해 특수하게 선택된 단위 체계를 사용해야 한다. 이 단위 체계로 보면, 빅 립(Big Rip)이 일어나려면 절대적으로 압력이 에너지 밀도를 초과해야 한다. 압력과 에너지 밀도가 같으면, 우리는 바로 그 유명한 우주 상수라는 경계 상황에 도달하게 된다. 이 잘 알려진 유체의 유형은 아인슈타인이 처음 도입했다. 역설적이게도 그의 목표는 팽창하지 않는 정적인 우주를 만드는 것이었다. 하지만 허블이 우주의 팽창을 증명하자, 아인슈타인은 이를 자신의 생애 최대의 실수라고 인정하며 포기했다.

빅 립(Big Rip)까지는 1,300억 년 남았다

하지만 중요한 것으로 다시 돌아가자. 만약 우주가 산산조각 난다면, 우리가 무엇에 대해 더 이상 걱정할 필요가 없을까? 20년 더 남은 주택 대출금을 갚을 필요가 없어질까? 안타깝게도 좋은 소식은 아니다. 빅 립(Big Rip)이 일어나려면 약 1,300억 년이 걸릴 수 있다. 이는 현재 우주의 나이의 10배에 해당하는 시간이다.

이 추정은 통계적으로 유효한 범위 내에서 몇 가지 값을 선택한 것이다. 첫째, 암흑 에너지가 우주 구성의 약 70%를 차지한다고 가정한다. 둘째, 압력과 에너지 밀도의 비율을 우주 상수에 비해 단지 10% 정도 더 크게 설정한다. 이렇게 하면, 빅 립이 예측되지만 그 도래까지는 아주 오랜 시간이 걸릴 것이다.

2027년에 발사 예정인 낸시 그레이스 로먼(Nancy Grace Roman) 우주망원경은 우주가 빅 립(Big Rip)으로 끝날지 여부를 이해하는 데 도움을 줄 수 있을 것이다. @NASA.

이 모든 전망을 더 정밀하게 파악하려면, 대규모 우주에 대한 더 많은 양과 질의 관측 데이터가 필요하다. 제임스 웹 우주망원경(운용 중)이나 낸시 그레이스 로먼 우주망원경(계획 중)의 데이터는 다른 국제적 연구와 결합하여 그 기여를 할 것이다. 하지만 가장 흥미로운 점은 우주의 최종 운명을 풀어내는 것이 아닐 수도 있다. 우리가 아직 논의하지 않은 다른 수수께끼를 해결하는 것 또한 주요 목표가 아니다. 진정으로 매혹적인 것은 아직 발견되지 않은 새로운 수수께끼가 등장할 가능성일 것이다. 노벨 물리학상 수상자 킵 손(Kip Thorne)이 말했듯이, “정답은 드물게 올바른 질문만큼 중요한 법이다.”

[출처] Los datos sugieren que nos dirigimos a un final violento del universo (theconversation.com)

[번역] 하주영

덧붙이는 말

루스 라즈코즈(Ruth Lazkoz)는 에우스칼 헤리코 대학/바스크 대학 물리학 교수로 암흑 에너지와 변형 중력 모델에서 팽창하는 우주의 이론적 측면을 연구한다. 『수정 중력과 우주론: CANTATA 네트워크의 업데이트』 책의 공동 편집자다. 참세상은 이 글을 공동 게재한다.