우주는 어떻게 종말을 맞이하는가?

빅 립, 빅 크런치, 빅 프리즈라고 하면 헐리우드 B급 영화 제목 같이 들린다. 이름은 우스울지 몰라도 이 이론들은 우주의 시작과 끝에 대한 가장 근본적인 이론들이다.

천체물리학이 수십억 년 후의 미래에 우주가 어떻게 종말을 맞을지 밝혀내는데 끈끈함을 나타내는 점도가 실마리가 될지도 모른다.

예를 들어 빅 프리즈 이론은 우주에서 새 별을 만드는데 사용되는 모든 물질이 다 사용될 거라고 본다. 존재하는 별들은 모두 다 타 없어질 것으로 예측한다. 열 에너지를 주로 만들어내는 생산자이던 별들이 사라지면 우주는 어마어마하게 큰 차갑고 빈 공간이 될 것이다. 만나는 것은 무엇이든 집어삼키는 불가사의한 블랙홀도 우주가 차가운 곳이 되면서 결국 호킹 복사라는 과정을 거쳐 증발할 것이다(그 스티븐 호킹 맞다).

현대 물리학에서는 폐기한 이론인 빅 크런치는 우주에 존재하는 질량들의 중력이 다시 모든 것을 한 군데로 모을 것이라고 생각한다. 폭파하며 안쪽으로 붕괴하고 새로운 빅 뱅이 일어나며, 그래서 새 우주가 생긴다(표 1). 지금은 이런 일이 일어날 수 있을 정도의 중력이 우리 우주에 존재하지 않는다는 걸 우린 알고 있다.

표 1. 빅 크런치 [Credit: howstuffworks.com]

1990년대 이후, 천문학자들은 우주는 무한히 팽창하고 있으며 그 속도는 점점 빨라진다는 걸 발견했다(표 2). 그래서 원자까지도 모든 것이 결국 다 '뜯어 발겨질 것이다 rip apart'는 이유로 빅 립이라는 이름이 붙었다. 부정할 수 없는 가속화되는 팽창은 우주를 구성하는 물질 중 68% 이상이 '암흑 에너지'라는 낯선 물질이어야 가능하다. 우리는 암흑 에너지가 공간에 침투할 수 있다는 것을 알며, 관찰되는 가속이 가능하려면 저 정도 비율로 존재해야 한다. 무엇으로 된 물질인지는 아직 토론이 진행 중이며 현대 우주론의 핵심중 하나다. 공간을 채우고 있는 근본적이며 지속적인 에너지일 수도 있고, 시공간에 따라 달라지는 에너지일 수도 있다.

표 2. 빅 뱅 이후 지구의 팽창 [Credit: NASA/WISE]

밴더빌트 대학의 글에서 디스콘지는 암흑 에너지 때문으로 생각되어왔던 가속화가 점도 때문일 가능성도 높지는 않지만 있다고 말했다. "가속의 상당 부분이 덜 재미있는 이 점도 때문일 가능성이 있다. 그 결과, 점도는 암흑 에너지를 제한하는 중요한 역할을 할 수도 있다."

예전의 등식과 이론들은 우주가 '뜯어 발겨지는' 것을 점도가 막을 수도 있을 거라 추측했다. 디스콘지-케퍼트-쉐러의 새 공식은 일정 한계점을 넘으면 점도로 인해 구조가 그냥 해체될 가능성을 열었다.

"점도가 있는 예전 모델들에선 빅 립이 불가능했다. 새 모델에서는 점도가 우주를 극단적인 종말로 몰고 간다." 쉐러의 말이다.

표 3. 광속에 가까운 속도로 우주론적 수준으로 작동하면 점도는 우주의 해체를 부르는 아주 흥미로운 특성을 가진다 [Credit: Rachel in Flickr]

그들의 모델은 상대성을 사용해, 점도가 광속으로 작용하며 아주 높은 수준의 압축과 팽창이 이루어진다. 더 자세한 분석과 증거를 위해서는 컴퓨터 시뮬레이션이 필요하고, 실험(숫자를 사용한 시뮬레이션)과 관찰 결과가 일치하는지 알아내기 위해 개선과 연구, 발표가 이뤄져야 한다.