우주의 종말 상황을 예측하는 3가지 이론

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과학자들은 우주가 빅뱅으로부터 시작되었다는 이론을 대부분 지지하고 있다. 팽창을 계속하고 있는 우주는 언제 어떤 모습으로 종말을 맞을 것인가? 이 엄청난 의문에 대한 결정적 설명은 없다. 그러나 태초의 빅뱅 못지 않게 종말의 우주 또한 흥미로운 의문이 아닐 수 없다.

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과학 뉴스 전문지 <ScienceNews Explores>는 2025년 4월 17일 우주의 종말을 예측하는 ‘거대한 응축’(Big Crunch)이라는 제목의 기사를 실었다. 우주의 미래를 3가지 이론으로 설명하는 그 내용 중에는 우주가 서서히 냉각되고, 최후에는 극한으로 응축(凝縮)되어 완전한 어둠이 될 것이라는 설명도 있다.

 

 

우주는 언제 어떻게 시작되었는가? 지구의 생명체는 언제 어떻게 나타났을까? 인류의 문명은 언제 어떻게 탄생하게 되었을까? 인류가 수백 년 동안 가져온 ‘시작’에 대한 대표적 의문의 일부이다. 우주의 미래에 대한 공통된 이론은 아직 없다. 아득히 먼 별과 은하들을 관찰해온 일부 천체물리학자들은 우주의 미래를 아래 그림처럼 3가지로 예상한다.

 

 

 

우주의 과거(Past), 현재(Present), 미래(Future)를 예측하는 3가지 중요 이론을 간단히 나타낸다.

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Big crunch : 빅뱅으로 시작되어 최후에는 대 응축으로 마감할 것이다.

Big chill : 우주는 팽창을 계속하다가 원자의 운동까지 완전히 멈추는 절대온도 0도 상태로 대냉각될 것이다.

Big rip : 팽창하던 우주는 최후에 산산히 부서지는 대분산이 될 것이다.

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Big crunch 이론

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.

 

 

 

 

제임스웹 우주망원경과 허블 우주망원경에 포착된 두 은하의 모습이다. 은하들은 쉬지 않고 이동한다. 영상의 두 은하는 서로 멀어지고 있을까 아니면 충돌하려 할까? 그 답은 확실하게 알지 못한다. 왜냐하면 지금 관측되는 두 은하의 영상은 이미 수천수만 광년 전에 그곳을 떠나온 빛이기 때문이다.

 

 

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.

 

 

 

 

지구를 비롯한 모든 행성들이 일정한 궤도를 따라 일정한 속도로 운행하도록 지배하는 것은 균형을 이룬 중력이다. 만일 태양계 천체들 사이의 중력 균형이 깨진다면 행성들은 태양계 밖으로 탈출하거나 다른 행성과 충돌하거나 태양에 끌려갈 것이다. 뉴턴은 이런 신비스런 중력을 신성한 힘(divine power)이라고 기록했다.

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Big chill 이론

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.

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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. 절대0도는 원자의 움직임마저 정지하고, 운동에너지가 최소가 되는 조건이다. Big chill은 우주의 마지막이 절대0도 상황이 된다는 것이다.

 

 

Big rip 이론

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.

 

 

 

 

고무풍선 겉면에 검은 점을 여러 개 찍어놓고 그 풍선을 더 크게 분다면, 검은 점들의 사이는 거리가 점점 멀어진다. 이것은 우주의 팽창을 설명하는 간단한 비유의 하나이다. 이 그림은 우주의 팽창 모습을 나타낸다. 이러한 팽창이 일어나려면 최초의 대폭발(빅뱅)이 있어야 할 것이다.

 

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태초애 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 것이다.

 

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공중으로 공을 높이 던지면 차츰 속도가 줄다가 정지 이후에는 다시 지상으로 떨어진다. 이와 마찬가지로 계속 팽창하던 우주도 언젠가는 팽창이 느려지고 드디어 팽창이 멈추게 될 것이며, 그 이후에는 다시 역방향으로 수축하게 될 것이라는 이론이 있다.

 

 

 

 

대응축 이론에 의하면, 응축 과정에 은하들이 서로 충돌하게 될 것이다. 그때는 마치 불꽃놀이 같은 현상이 우주 곳곳에서 나타날 것이라는 시나리오도 전개된다. 이 그림은 우주가 수축하는 과정에 은하끼리, 별끼리, 행성끼리 충돌하는 모습을 상상한 것이다.

 

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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.

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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.

 

 

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빅립 이론에 의하면, 빅뱅(Big Bang)에서 대분산(Big Rip)까지 220억 년이 걸릴 것이라 추정한다. 이 그림에 의하면 빅뱅은 137억 년 전에 일어났다. 그리고 우주의 모든 것이 산산히 부서지는 빅립의 시기는 220억 년 후에 올 것이다. 우주의 팽창속도는 현재 느려지고 있을까 아니면 더 빨라지고 있을까? 과학자들은 현재는 빨라지고 있다고 설명한다. 그러나 우주가 어느 한계까지 팽창하면 서로 간의 중력이 약해져 결국 팽창 속도가 느려질 것이고 드디어는 산산이 조각나면서 멈추게 될 것이라고 설명한다.

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inflation: 우주의 팽창, accelerating expantion: 팽창 가속, formation of atoms: 원자들의 탄생, galaxy formation: 은하의 탄생, star formation peak: 별 형성 절정기, solar system forms: 태양계의 형성, you are hear: 현재, galaxy destroy: 은하의 파괴, atoms ripped apart: 원자들이 산산이 분해, earth explode: 지구의 폭발, solar system breaks apart: 태양계 파괴

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우주의 최후가 언제일지 아무도 모른다. 일부 과학자는 공간과 시간이 전부 없어지는 우주 최후의 날은 10에 0을 40개 붙인 후년이 될 것이라고 말한다. 그렇다면 인류의 파라다이스인 지구와 태양의 최후는 언제일까? 이 의문에 대해 약 50억 년이 더 지나면 늙은 태양은 거대한 적색거성으로 변하면서 부풀게 되어 수성과 금성과 지구를 차례로 삼킬 것이라고 설명한다. 우주의 탄생과 진화와 미래는 과학도만 아니라 전문 과학자들의 상상을 자극하는 너무나 흥미로운 큰 의문이다.

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