우리가 살고 있는 지구, 그리고 지구를 포함한 이 드넓은 우주는 과연 언제 어떻게 탄생했을까요. 정말 성경의 창세기처럼 신이 창조하신 걸까요. 현재까지 밝혀진 우주탄생의 이야기를 알아보도록 하겠습니다.
우주의 탄생, 빅뱅 이론
우주의 탄생에 대한 현재 가장 유력한 학설은 빅뱅(Big Bang)입니다. 빅뱅은 약 138억 년 전, 우주가 하나의 극도로 뜨겁고 빽빽한 상태에서 갑자기 폭발하면서 시작되었다는 이론입니다. 빅뱅 이론은 벨기에의 천문학자 조지스 르메트르가 1927년에 처음으로 주장하였습니다. 르메트르는 우주가 팽창하고 있다는 사실을 발견하고, 우주가 과거에는 하나의 극도로 뜨겁고 빽빽한 상태에서 갑자기 폭발하면서 시작되었다고 주장하였습니다. 르메트르의 주장은 1929년, 미국의 천문학자 에드윈 허블이 우주에서 멀리 떨어진 천체는 우리에게서 멀어지고 있으며, 그 속도는 멀어지는 거리에 비례한다는 허블의 법칙을 발견하면서 더욱 힘을 얻게 되었습니다. 허블의 법칙은 우주가 팽창하고 있다는 것을 직접적으로 보여주는 증거였습니다. 르메트르의 주장과 허블의 법칙은 결합하여, 우주는 약 138억 년 전, 하나의 극도로 뜨겁고 빽빽한 상태에서 갑자기 폭발하면서 시작되었다는 빅뱅 이론으로 발전하게 되었습니다. 빅뱅 이론은 우주 탄생에 대한 가장 유력한 학설로 자리 잡았지만, 아직까지는 완벽하게 이해되지는 못하고 있습니다. 특히, 우주의 탄생의 원인과 우주의 종말에 대해서는 아직까지도 논란이 되고 있습니다.
빅뱅이론의 주요 주장
빅뱅 이론의 주요 주장은 다음과 같습니다.
- 우주는 과거에는 극도로 뜨겁고 빽빽한 상태였으며, 시간이 지남에 따라 팽창하고 있다.
우주의 팽창은 적색편이와 허블의 법칙을 통해 증명할 수 있습니다. 적색편이는 우주에서 멀리 떨어진 천체에서 오는 빛의 파장이 길어져 적색으로 보이는 현상입니다. 이는 우주가 팽창하면서 빛의 파장이 늘어나기 때문에, 우주 팽장의 중요한 근거로 논의되고 있습니다. 허블의 법칙은 우주에서 멀리 떨어진 천체는 우리에게서 멀어지고 있으며, 그 속도는 멀어지는 거리에 비례한다는 법칙입니다.
- 우주의 팽창 속도는 점점 빨라지고 있다.
우주의 팽창 속도는 우주 마이크로파 배경 복사를 통해 측정할 수 있습니다. 우주 마이크로파 배경 복사는 우주 전체를 가득 채우고 있는 매우 약한 전자기파입니다. 이 복사의 온도는 우주가 팽창하면서 점점 식어가고 있는데, 그 식는 속도가 우주의 팽창 속도와 비례한다는 것이 밝혀졌습니다. 현재 우주의 팽창속도는 약 73km/s/Mpc로 알려져 있으며, 시간이 갈 수록 더 빨라지고 있다고 합니다.
- 우주의 모든 물질과 에너지는 빅뱅 당시 한 점에 모여 있었으며, 빅뱅 이후 팽창하면서 다양화되었다.
우주의 원소 조성은 빅뱅 이론과 일치합니다. 빅뱅 직후 우주는 매우 뜨거웠으며, 시간이 지남에 따라 식으면서 수소와 헬륨이 생성되었습니다. 우주의 원소 조성은 수소가 74%, 헬륨이 24%, 나머지가 2%로 이루어져 있습니다. 빅뱅초기에는 수소와 헬륨으로 구성되었으나, 빅뱅 이후 팽창과 함께 나머지 원소가 생성되었습니다. 이러한 원소의 구조는 빅뱅이론을 설명하는 근거로 활용되고 있습니다.
우주의 구성 물질과 암흑에너지
우주의 구성 물질은, 직접 관찰 가능한 물질인 별, 은하, 가스, 먼지로 5%를 차지하며, 암흑물질은 26%, 나머지는 암흑에너지가 70%로 구성되어 있습니다. 특히 암흑에너지는 빅뱅 이론과 함께, 우주를 팽창시키는 주요 근거로 알려져 있습니다. 암흑에너지는 우주 마이크로파 배경 복사를 관측하는 방법, 은하의 회전 곡선을 관측하는 방법으로 탐구 되고 있으나, 정확한 실체를 규명하지는 못했습니다. 현재까지는 이 암흑에너지의 존재로 인해 우주의 팽창이 점점 더 빨라지고 있다고 알려져 있습니다. 빅뱅 이론에 의하면 원래 우주의 팽창은 시간이 지남에 따라 점점 느려져야 하지만, 암흑에너지로 인해 팽창 속도가 더 빨라지고 있습니다. 지속적인 우주 팽창은 결국 우주 종말에 대한 근거로 이어지게 되었습니다.
우주 팽창에 따른 종말 시나리오
빅뱅 이론에 따르면, 우주는 한 점에서 거대한 폭발과 함께 시작하여, 지속적으로 엄청난 속도로 팽창하고 있습니다. 더구나 그 속도도 점점 빨라지고 있습니다. 이를 통해 유력한 우주 종말의 시나리오가 나왔으며 다음과 같습니다.
- 빅 프리즈
빅 프리즈는 우주의 팽창이 계속되어 우주의 온도가 영하 273.15도(절대영도)까지 떨어지는 종말입니다. 우주가 팽창하면서 우주의 밀도가 점점 낮아지게 되고, 결국 우주의 온도는 영하 273.15도까지 떨어지게 됩니다. 이 상태에서는 모든 물질이 움직이지 않게 되고, 우주는 완전히 죽어버리게 됩니다. 빅 프리즈가 일어나기 위해서는 우주에 존재하는 물질과 에너지의 총량이 암흑에너지의 양보다 작아야 합니다. 암흑에너지는 우주의 팽창을 가속화시키는 힘을 가지고 있기 때문에, 암흑에너지의 양이 많을수록 우주의 팽창 속도가 빨라지게 됩니다. 따라서, 우주에 존재하는 물질과 에너지의 총량이 암흑에너지의 양보다 작으면, 우주의 팽창 속도는 점점 느려지다가 결국 멈추게 될 것입니다. 그리고, 우주가 팽창을 멈추면, 우주의 밀도는 점점 높아지게 되고, 결국 우주의 온도는 영하 273.15도까지 떨어지게 될 것입니다.
- 빅 크런치
빅 크런치는 우주의 팽창이 어느 시점에서 멈추고, 다시 수축하여 우주가 한 점에 모이는 종말입니다. 우주의 팽창이 멈추고 수축하기 시작하면, 우주의 밀도가 점점 높아지게 됩니다. 결국, 우주의 밀도는 극도로 높아져 우주는 다시 한 점에 모이게 됩니다. 이 상태에서 우주는 다시 대폭발을 일으키게 됩니다. 빅 크런치가 일어나기 위해서는 우주에 존재하는 물질과 에너지의 총량이 암흑에너지의 양보다 크거나 같아야 합니다. 암흑에너지는 우주의 팽창을 가속화시키는 힘을 가지고 있기 때문에, 암흑에너지의 양이 많을수록 우주의 팽창 속도가 빨라지게 됩니다. 따라서, 우주에 존재하는 물질과 에너지의 총량이 암흑에너지의 양보다 크거나 같으면, 우주의 팽창 속도는 점점 느려지다가 결국 멈추게 될 것입니다. 그리고, 우주가 팽창을 멈추면, 우주의 밀도는 점점 높아지게 되고, 결국 우주는 한 점에 모이게 될 것입니다. 이 상태에서 우주는 다시 대폭발을 일으키게 됩니다.
- 빅 립
빅 립은 우주의 팽창이 계속되어 우주가 무한히 넓어지는 종말입니다. 우주의 팽창이 계속되면, 우주는 무한히 넓어지게 됩니다. 이 상태에서는 우주가 너무나도 넓어져서 우주에 존재하는 모든 물질이 서로 멀어져 소통이 불가능하게 됩니다. 빅 립이 일어나기 위해서는 우주에 존재하는 암흑에너지의 양이 우주에 존재하는 물질과 에너지의 총량보다 커야 합니다. 암흑에너지는 우주의 팽창을 가속화시키는 힘을 가지고 있기 때문에, 암흑에너지의 양이 많을수록 우주의 팽창 속도가 빨라지게 됩니다. 따라서, 우주에 존재하는 암흑에너지의 양이 우주에 존재하는 물질과 에너지의 총량보다 크면, 우주의 팽창 속도는 점점 빨라지게 될 것입니다. 그리고, 우주가 팽창을 계속하면, 우주는 무한히 넓어지게 될 것입니다.
현재까지 우주의 종말에 대한 가장 유력한 이론은 빅 립입니다. 우주에 존재하는 암흑에너지의 양이 우주에 존재하는 물질과 에너지의 총량보다 크다는 연구 결과가 발표되었기 때문입니다. 하지만, 우주의 종말에 대한 이론은 아직까지 완전하게 밝혀지지 않았습니다. 앞으로 우주에 대한 연구가 계속된다면 우주의 탄생, 암흑에너지의 규명, 우주의 종말 부분에 대해 더 자세하게 알고 대처할 수 있을 것 입니다.