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향후 100조 년 동안 거의 모든 별이 핵융합 연료를 사용하고 퇴화하는 백색 왜성이 될 것.
다른 가능성; '검은 왜성'에서 핵융합은 대부분 소멸, 양자 터널링 현상으로 원자는 때때로 반발력과 융합을 극복 할 수 있다. 아니면 ‘큰 바운스(Bounce)’가 오고 있을까?

우주 종말에 대한 물리학적 예측
물리학자들은 ‘검은 초신성’을 우주의 마지막 생명의 모습으로 추정한다.

어둡고 공허함 :  

SF영화는 종종 지구 미래의 마지막 장면들로 메트로폴리탄이 모래로 뒤덮혀 있기도 하고 자유의 여신상이 곤두박질 쳐진 지구 황폐화의 모습을 보여준다. 우주의 끝 날은 어떨까?

먼 미래에 우리 우주는 블랙홀과 별들의 죽은 잔해로만 구성될 것이다.
물리학자들이 그때 무슨 일이 일어나는지 조사했다. 백색 왜성은 먼저 차갑고 어두운 ‘검은 왜성’으로 냉각된다. 이들 중 약 1%는 최종 폭발에서 마지막으로 타버릴 만큼 충분한 질량을 가지고 있다. 그러나 그것은 10^1100(=10을 1100번 곱하는 크기)년 이후에나 일어날 것이다. 

▲ 먼 미래에 별의 유해는 검은 색 왜성으로 냉각 될 수 있으며 일부는 폭발한다. 이 이국적인 초신성은 우주의 마지막 삶의 모습이 될 것이다. © NASA / JPL-Caltech

우리 우주는 약 138억 년 전에 빅뱅에서 만들어졌고 그 이후로 계속 확장되고 있다.
은하의 움직임과 우주 배경 복사가 이를 증명한다. 대중적으로 잘 알려진 이론에 따르면 신비한 암흑 에너지에 의해 우주 확장은 계속되고 가속화될 것이다.
결과적으로 물질의 밀도와 온도는 계속해서 감소할 것이며 우주는 비어 있고 차가워질 것이다.

일리노이 주립대학의 이론 물리학자인 매트 카플란(Matt Caplan)은 “향후 100조 년 동안 거의 모든 별이 핵융합 연료를 사용하고 퇴화하는 백색 왜성이 될 것이다. 그러면 우주는 주로 블랙홀과 소각된 별들로 구성될 것이다. 슬프고 외롭고 추운 곳이 될 것이다"고 설명한다.

은밀한 변환

현재의 이론에 따르면 백색 왜성은 결정화될 때까지 계속 냉각되고 마침내 배경 온도까지 식는다. 그러나 Caplan이 설명했듯이 또 다른 가능성이 있다.
이 “검은 왜성”에서 핵융합은 대부분 소멸되었지만 양자 터널링 현상으로 인해 원자는 때때로 반발력과 융합을 극복 할 수 있다.

이 소위 핵융합 반응은 별 잔해의 구성을 시간이 지남에 따라 변화시킨다.
은밀한 핵융합은 실리콘, 탄소 및 산소를 융합하여 더 무거운 원소를 형성한다.
마침내 약 10^1100년 이라는 엄청난 시간이 지난 후 동위 원소 철 -56이 왜성의 핵에 축적된다. 그것이 형성되면 Caplan이 설명하는 것처럼 별의 나머지 핵심을 불안정하게 만드는 양전자를 방출한다.

검은 왜성이 폭발할 때

그 결과 검은 왜성의 핵이 무너지고 폭발이 일어난다.
Caplan은 “오늘날 1조 개의 별 중 약 1%가 언젠가 붕괴되어 초신성이 될 것으로 추정한다”고 말했다. 그가 보고한대로, 그 검은 왜성 만이 태양 질량 보다 1.2~1.4 배 정도 무거운 ‘검은 초신성’에 필요한 요건을 충족하기 때문이다. 그들과 함께 철(Fe)-56은 치명적인 불안정화로 이어진다.

대조적으로, 더 밝은 별은 모두 검은 왜성으로 남아있으며 우주에서 죽은 차가운 잔해로 계속 궤도를 돌고 있다. “우리 태양은 먼 미래에도 초신성으로 폭발하기에 충분한 질량을 가지고 있지 않다”고 연구원은 말했다. "전체 태양이 철로 바뀔 수 있지만 여전히 아무 일도 일어나지 않을 것이다."

▲ 1054년 초신성의 잔재. 색상은 적외선에서 X 선에 이르는 전자기 스펙트럼의 다른 영역에 해당한다. http://gallery.spitzer.caltech.edu/Imagegallery/image.php?image_name=sig06-028

우주의 마지막 "흔들림"

그리고 이후에는?
Caplan은 검은 초신성 단계가 약 100조 년 후에 시작돼 상상할 수 없는 10^32000 년의 기간에 걸쳐 지속될 것이라고 추정한다. 가장 거대한 흑인 왜성이 먼저 폭발하고 그다음에 더 가벼운 흑인 왜성이 폭발할 것이다. 마침내 에너지 나 열을 방출할 수 있는 것은 아무것도 남지 않을 때까지. 그러면 우주는 죽고 영원히 침묵할 것이다.

“그 이후에 어떤 것이 든 올 수 있다고 상상하기 어렵다”고 물리학자는 말한다. “검은 왜성 초신성은 정말로 우주에서 일어나는 마지막 일이 될 수 있다.”
이 시점에서 우주는 오늘날의 우주와 공통점이 거의 없을 것이다.
"은하가 녹아 내렸고, 블랙홀이 소멸되었으며, 우주의 팽창은 모두 멀리 떨어져 있어 폭발의 빛조차 다른 물체에 닿지 ​​않을 정도로 멀리 떨어져 있는 물체들을 갖게 된다."

아니면 ‘큰 바운스(Bounce)’가 오고 있을까?

이 시나리오는 현재 물리학자와 우주 학자 사이에서 논의되는 시나리오 중 하나일 뿐이다. ‘큰 바운스’가설에 따르면, 우주 팽창은 모든 과정이 끝나기 훨씬 전에 갑자기 역전될 수 있다. 그런 다음 우주는 붕괴되어 빅뱅 상태로 돌아간다. 그런 다음 새로운 확장이 뒤따를 수 있다. 우리 우주가 다시 기지개를 켜는 것이다.

▲ 지름이 약 1광년 인 행성들의 성운 메시에(Messier)-57 (링 성운) NASA,ESA

대신 다른 가설은 아원자 과정이 양성자와 같은 핵심 구성 요소를 시간이 지남에 따라 붕괴 시킨다고 가정한다. 그러면 물질조차 더 이상 우주의 끝에서 존재하지 않을 것이며 검은 왜성은 폭발하기 오래전에 녹아 버릴 것이다. 그러므로 우리 우주가 실제로 어떻게 끝날 것인가는 무엇보다도 중요한 것이다.
(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2020; doi: 10.1093/mnras/staa2262)
출처 : Illinois State University

[더사이언스플러스]

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