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- 은하들은 수십억 년 동안 그래왔듯이 서로 멀어지고 있다. 하지만 무언가가 변하고 있다
- 빅립: 은하계가 분리될 것이다. 그다음 별들은 궤도를 잃고 행성계는 산산이 조각날 것
- 빅크런치: 우주 전체가 물질과 시공간이 하나로 합쳐지는 밀도 높은 단일 상태로 붕괴

빅립(Big Rip)인가, 빅크런치(Big Crunch)인가
대단열인가, 아니면 우주의 붕괴인가?

이 사건은 거의 감지할 수 없을 정도로 빠르게 시작된다. 은하들은 수십억 년 동안 그래왔듯이 서로 멀어지고 있다. 하지만 무언가가 변하고 있다. 우주의 팽창이 가속화되고 있다. 중력을 상쇄하는 불가사의한 힘인 암흑 에너지의 영향력이 점점 커지고 있다. 만약 그 힘이 현재 측정치보다 더 강해진다면, 언젠가 우주를 완전히 갈라놓을 수도 있다. 

▲ 은하계가 분열되고 있다(상징적 이미지). © KI generiert mit Co-Pilot

"빅립"

이 시나리오는 "빅립", 즉 대단열(大斷裂)로 알려져 있다. 이는 암흑 에너지의 압력 대 에너지 밀도에 대한 상태 매개변수 ω가 이전에 가정했던 것처럼 -1 근처가 아닐 때 발생한다. 그러나 만약 그 값이 조금이라도 작다면 우주의 운명은 극적으로 변할 것이다. 그러면 암흑 에너지의 에너지 밀도는 시간이 지남에 따라 일정하게 유지되지 않고 꾸준히 증가할 것이다. 우주가 더 많이 팽창할수록, 이 팽창을 주도하는 에너지는 더욱 강력해진다. 이는 자기 강화 과정이다.

그 결과는 파국적일 것이다. 첫째, 은하계가 분리될 것이다. 그다음 별들은 궤도를 잃고 행성계는 산산이 조각날 것이다. 마지막으로, 원자와 분자를 유지하는 힘조차 극복될 것이다. 물질은 붕괴되고 공간 자체가 산산이 조각날 것이다.

우리는 완전한 붕괴의 위협에 직면해 있을까?

이러한 운명이 우리를 기다리고 있을까? 확실히 말할 수는 없을 것이다. 문제는 열적 죽음으로 끝나는 우주와 빅립으로 파괴된 우주 사이의 차이가 우리에게는 헤아릴 수 없을지도 모른다는 것이다. 왜냐하면 ω가 정확히 -1인지 아니면 그보다 아주 작은 값인지 절대적인 정밀도로 판단할 수 없는 한, 적어도 이론적으로는 위험은 여전히 ​​남아 있기 때문이다.

2003년, 다트머스 대학교의 로버트 콜드웰(Robert Caldwell)이 이끄는 물리학자들은 빅립 시나리오를 처음으로 계산했다. 그들은 이렇게 썼다. "우주론자들 사이에서 흔히 쓰이는 속담, '어떤 사람은 세상이 불로, 어떤 사람은 얼음으로 끝날 것이라고 말한다'는 말을 바꿔야 할 것이다. 어쩌면 우리 세상은 새로운 운명을 기다리고 있을지도 모르기 때문이다.“

"빅 크런치"

우리 우주가 정반대 상황, 즉 "빅 크런치"를 경험하는 시나리오도 있다. 이 시나리오에서는 언젠가 중력이 우세해져 우주의 팽창을 역전시킬 수 있다. 오랜 기간의 팽창 후, 우주는 다시 수축할 것이다.

▲ 우주의 붕괴를 묘사한 그림. © Rogilbert / 퍼블릭 도메인

처음에는 이를 알아차리지 못했을 것이다. 은하에서 나오는 빛은 이미 상당히 가까워졌을 때만 우리에게 도달할 것이기 때문이다. 그러나 천문학자들은 멀리 떨어진 천체의 빛 스펙트럼에서 이를 감지할 수 있을 것이다.

은하나 별이 우리에게서 멀어질 때 발생하는 적색편이 대신 청색편이가 발생할 것이다. 천체가 우리에게 다가오기 때문에, 그들이 방출하는 복사는 압축되어 더 짧은 파장 영역으로 이동한다. 수십억 년에 걸쳐 은하 사이의 공간은 줄어들고, 온도는 상승하며, 별과 행성계는 서로 더 가까워질 것이다. 결국, 우주 전체가 물질과 시공간이 하나로 합쳐지는 믿을 수 없을 정도로 밀도가 높은 단일 상태로 붕괴될 수 있다.

이러한 종말은 얼마나 가능성이 있을까? 오랫동안 빅 크런치는 사실상 불가능하다고 여겨졌다. 빅 크런치는 ω 매개변수가 -1/3을 초과해야 하는데, 아직 측정된 바가 없기 때문이다. 그러나 2024년 4월, 텍사스 대학교 댈러스 캠퍼스의 무스타파 이샤크-부샤키(Mustapha Ishak-Boushaki)가 이끄는 연구팀은 약 1천500만 개의 은하와 퀘이사의 운동에 대한 새로운 분석 결과를 발표했다. 분석 결과, 우주는 계속 팽창하지만 팽창 가속도는 약간 감소하고 있는 것으로 나타났다.

이샤크-부샤키는 "어느 시점에 가속도가 0으로 떨어질 수 있다"고 설명했다. 그의 가설에 따르면, 그 후 중력은 점차 통제력을 되찾아 암흑 에너지에 대한 우위를 점하게 될 것이다.
그러나 모든 우주론자가 이러한 평가에 동의하는 것은 아니다. 많은 우주론자는 이 결과를 예비적인 것으로 간주하며, 관찰된 편차는 기존 표준 모형 내에서도 설명될 수 있다고 지적한다. 그러므로 우주는 반드시 스스로 붕괴될 필요는 없다. (계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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