우주
우주는 코스모스(Cosmos), 유니버스(Universe), 스페이스(Space), 인터스텔라(Interstellar), 갤럭시(Galaxy)라고도 불리며 각각의 의미는 약간씩 다르다. 먼저 사전적인 의미는 코스모스는 질서있는 시스템으로서의 우주를 말하는 것이고 유니버스는 물질/현상의 총칭으로서의 우주, 스페이스는 물질이 존재하고 현상이 일어나는 무한한 공간으로서의 우주, 인터스텔라는 항성 간의, 성간 이라는 의미이고 갤럭시는 우주의 은하계 공간을 말한다. 정리하면 스페이스는 인간이 갈 수 있는 공간을 의미하고 유니버스는 별과 은하로 채워진 거대한 우주를 포괄하는 개념이고 코스모스는 유니버스에 추가적으로 주관적 개념이 첨가되는것으로 종교적으로 접근하는 우주개념이 코스모스이다. 인터스텔라는 별과 별 사이의 공간을 의미하고 갤럭시는 단어 뜻 자체로 은하계를 의미한다. 개념의 범주로 따지면 스페이스<갤럭시<유니버스<코스모스 의 순서이다. 영어로 우주를 말할 때 보통 유니버스(Universe)라고 한다.
개요
현재 과학계에서는 우주가 빅뱅을 통해 탄생했다고 설명하는 빅뱅이론이 가장 유력하다. 현재 우주의 나이는 우주배경복사, 중력렌즈 등의 관측을 종합하여 계산하여 약 137억 8700만 년 정도라고 한다. 최근 조사에 의하면 우주의 나이가 120억 년대 일 수도 있다고 한다. 세상에서 가장 빠른 속도의 빛의 속도는 초속 299,792,458m/s로 정해져 있기 때문에, 전체 우주의 크기에 비해 관측 가능한 우주의 범위는 너무나 좁다. 빅뱅의 여파와 암흑에너지로 인해 우주 공간은 현재도 계속해서 팽창하고 있을 것이라고 추정한다. 팽창 속도는 거리에 비례해서 늘어나기 때문에 특정 거리 이상의 은하들은 빛보다 빠른 속도로 멀어지고 있다. 그렇기 때문에 현재까지의 이론에 따르면 우리는 이 너머에 있는 우주는 영원히 관측할 수도, 인류과 상호작용도 할 수 없다. 관측 가능하다는 말은 특정한 물체가 내는 각종 파장 등의 신호가 '원리상'현재 지구에 닿을 수 있다는 뜻이다. 즉 관측 가능한 우주의 범위는 관측지인 지구를 중심으로 구 모양을 이루게 된다. 우리가 현재의 관측 가능한 우주의 경계면에 사는 외계인의 입장에서도 역시 똑같은 크기로 관측 가능한 우주가 펼쳐져 있을 뿐이다. 사실 관측 가능한 우주 외부의 '전체 우주'의 크기에 대해서는 추정할 방법조차 없다. 우주의 크기가 유한한지, 무한한지조차 알 수 없으며 그저 '전체 우주'가 무한하거나, 구의 형태처럼 유한하고 끝이 없거나, 유한하고 끝이 있다면 우리가 상상할 수 없을 정도로 크다는 것이다.
우주의 크기
현 시점에서 우리가 관측할 수 있는 가장 멀리서 온 빛은 138억 년 전에 출발한 빛이다. 그 빛이 우리에게 오기까지 138억 년 동안 공간은 계속해서 팽창하는 중이었으므로 현재 그 빛이 출발한 지점에서 지구까지의 거리는 138억 광년보다 훨씬 큰 465억 광년으로 계산된다. 이 때문에 "관측 가능한 우주"의 반경은 138억 광년으로 표기하기도 하고 465억 광년으로 표기하기도 하는데 138억 광년으로 표기하는 방식을 빛이 실제로 여행한 거리라 하여 '광행거리(light travel distance)라 하고, 465억 광년으로 표기하는 것은 '동행거리(comoving distance)라 한다. 우주배경복사는 빅뱅 이후 약 38만 년이 지나서 광자가 분리되며 시작되었으며 배경복사 빛의 위치가 465억 광년의 위치에 있을때, 빛 방출 시점 우주의 크기가 약 4,200만 광년으로 추산된다. 현재 관측된 우주의 나이가 138억 년 이기 때문에 광행거리 기준 138억 광년보다 먼 거리에 있었던 광자는 아직 지구에 도달하지 못했으므로 우리가 관측할 수 없다. 우주가 나이를 먹어감에 따라 이보다 더 먼 거리에서 출발한 광자들도 관측할 수 있게 되어 관측 가능한 우주의 넓이는 어느 정도 넓어질 수 있다. 그러나 우주의 팽창 속도 때문에 지구에서 너무 먼 거리에 떨어진 우주의 지점은 멀어지는 속도가 빛의 속도보다 빠른 경우가 있을 것이다. 이 경우에는 해당 지점에서 출발한 광자가 우주의 팽창 속도가 느려지지 않는 이상 아무리 오랜 시간이 지나도 지구에 도달할 수 없으므로 영원히 관측할 수 없다. 반대로도 지구에서 출발한 광자또한 영원히 그 지점에 도달할 수 없을 것이다. 게다가 암흑에너지로 인해 우주의 팽창 속도가 빨리지고 있는 것으로 관측되어 점점 더 많은 우주의 영역이 관측 불가능한 영역으로 사라지고 있다. 이 거리는(약 160억 광년)는 먼 미래에 인류가 도달할 수 있는 한계 거리로 여겨지고 있고 우주의 사건의 지평선(cosmic event horizon)이라고 부른다. 매우 넓어 보이지만 관측 가능한 우주 전체의 6%에 불과하고 나머지 94%는 우리에게 과거의 모습만 보여줄 뿐 절대 갈 수 없을 것이다. 한편 과거에 출발했던 빛까지 포함하여 먼 미래에 어느 시점에 지구에 도달할 가능성이 있는 사건의 최대 동행거리는 약 620억 광년이다. 즉 관측 가능한 우주의 최대 영역은 현재 관측 가능한 우주 크기의 약 1.3배까지 확장될 것으로 예상된다. 이 거리를 '미래 가시성 한계(future visibillity limit)'라고 한다. 즉 이 너머에 있는 우주의 영역은 인류가 영원히 관측이 불가능할 것이라는 것이다. 다만 우주의 팽창 때문에 실제 먼 미래 시기의 관측 가능한 우주의 물리적 크기는 훨씬 더 넓어질 것이다. 현재 관측 가능한 우주에 존재하는 물질의 총량은 약 5 × 10^23 (5000해) 태양질량으로 10^54 킬로그램 정도 되는 것으로 추산된다. 은하의 개수는 약 1.7 * 10^11개 이상이여, 우리 은하 정도 되는 은하는 500억 개 존재할 것으로 추정되고 있다. 이 중 15%만 일반 물질이고 나머지는 관측되지 않는 암흑물질로 이루어져 있다. 우주 전체의 질량에서 우리가 흔히 생각하는 천체 중 항성, 블랙홀, 갈색 왜성, 성운 등이 차지하는 부분은 약 1% 에 불과하고 나머지 14%는 희박하고 뜨거운 가스의 형태로 은하가 없는 빈 공간에 넓게 퍼져있다.[1]
빅뱅 우주론
빅뱅 우주론은 약 137억 9900만 년 전의 대폭발을 시작으로 우주가 팽창했다는 이론이다. 이 이론은 현재 우주가 팽창하고 있다는 점에서 착안하여 '최초'에 모든 것이 한 점에 모여 있다가 폭발에 가까운 팽창을 하며 현재 우주가 된 것이란 이론이다. 1927년 벨기에의 가톨릭교회 사제이자 천문학자인 '조르주 르메트르'가 최초로 주장한 이래 많은 증거들과 발견들로 정상우주론을 제치고 정설로서 자리잡았다. 현재 시점에서는 137억 년 전 우주에서 대폭발이 있었다는 것은 거의 확실시 되었으나 빅뱅 이외에 우주의 기원에 대한 가설들이나 빅뱅 이전 시대에 대한 추측들도 계속해서 논의되고 있다. 빅뱅이 우주의 시작이라면, 빅뱅 이전에는 도대체 무엇이 있었느냐? 라는 질문이 이 빅뱅이론의 가장 핵심적인 논의 거리 중 하나다.
역사
빅뱅 우주론이 정설로 자리잡은 현재와 달리 당시 르메트르가 처음 이 이론을 주장할 당시에는 빅뱅은 마치 그리스도교에서 말하는 저랟자의 천지창조, 곧 창세기의 "빛이 있으라"를 연상케 하는 부분이 있어서 과학계로부터 저항을 상당히 받았다. 하필이면 르메트르가 가톨릭 사제였던 것 역시 과학계에서 편견을 가지기에 좋은 조건이였다. 그러가보니 당연히 처음부터 수용된 것은 아니며, 빅뱅 이론과 반대되는 정상우주론, 곧 우주가 예전부터 그 상태 그대로 유지되고 있다는 이론과 팽팽하게 대립했었다. 르메르트는 이러한 자신의 상황을 잘 알고 있었기 때문에 교황청과 과학계 사이에서 설득하며, 본인도 물리학자로서 빅뱅 우주론에 관해 말할 때는 성직자로서의 자신을 최대한 드러내지 않으려고 하였다. '빅뱅(Big Bang)이론'은 대폭발이란 뜻이며 초기엔 태초의 화명구라고 불렸다. '빅뱅'이라는 단어는 정상우주론 지지자였던 프레드 호일이 1949년 라디오 토크쇼에 출연해 '팽창 우주론은 거대한 생일 케이크 속에 들어 있던 스트리퍼가 '빵'하고 튀어나오는 것과 같은 식이군요'라고 조롱하던 말에서 시초가 되었다.
불완전성
양자 역학과 상대성 이론의 통합 등 빅뱅의 원인과 빅뱅 시작 후 초기를 설명하는 이론들이 아직 완성되지 않았기 때문에 완전하게 설명할 수가 없다. 현재까지도 관측할 수 있는 우주배경복사가 가시영역 내의 우주(Universe)이기 때문에 그 바깥쪽 영역에서 벌어지는 사건과 현상은 밝혀 낼 수 없다. 설명 불가능한 부분은 플랑크 시간이라고 불리는 시간의 단위로 매우 짧은 시간의 찰나의 순간이다. 이 이하의 시간은 관측 불가능하다는 양자역학의 이론에 따라 현재로는 규명이 불가능하다. 빅뱅 이전에 무엇이 있었는지 무슨일이 일어났었는지는 이론적으로 공간이 없는 것이기 때문에 과학자들도 설명할 수 없다. 사실 이 질문은 빅뱅 순간부터 시간이라는 개념이 생겼기 때문에 질문 자체가 틀렸다고 할 수 있다. 일부 과학자들은 허수시간 단위의 도입으로 이 특이점을 회피하려고 노력하고 있다. 플랑크 시간 이전에는 허수 기낭이 흘러 시간이 없는 시점이 아예 존재하지 않는다는 가설인데 이 해석으로는 무에서 우주가 탄생한 직후 어째서 사라지지 않고 확장을 시작했는지에 대해 해석이 가능해지지만 허수 시간이 흐르다가 갑자기 실수 시간으로 넘어가는 이유를 설명할 수 없기 때문에 해석이 분분하다.
근거
- 우주배경복사 : 빅뱅 이론의 최대 증거이다. 우주배경복사는 과거 우주의 온도가 수천 도에 달할 정도로 뜨거웠고, 물질의 분포 또한 은하나 별이 형성되지 않은 매우 균일한 상대였다는 것이다. 특히 우주배경 복사의 패턴을 분석하면 현재의 표준 우주론과 놀라울 정도록 정확하게 맞는다. 이로써 우주 거대 구조와 바리온 음향진동 등의 부가적인 현상들은 현재의 우주와도 무수히 많은 교차검증이 이루어졌다.
- 우주 초기에 관측되는 퀘이사를 비롯한 생성 중인 은하들 : 퀘이사는 우주의 크기가 현재의 1/3 수준이었을 때 가장 많이 활동했고 최근으로 올수록 점진적으로 발견되는 수가 줄어든다. 이는 과거 빅뱅 이후의 우주의 환경이 비교적 시간이 많이 흐른 뒤인 현재와 달랐다는 것을 알게 해준다.
- 우주에 존재하는 수소와 헬륨의 질량비 : 현재 우주에 존재하는 대부분의 별들과 가스에서 발견되는 수소와 헬륨의 질량 비율은 3:1인데 이것은 빅뱅 당시 식어가던 우주에서 핵융합에 의해 탄생한 원소의 비율과 일치한다. 현재 우주에 존재하는 양성자의 개수는 중성자의 약 7배 이며 이는 우주가 식어갈 때 결함 에너지가 낮은 쪽인 양성자로의 베타 붕괴가 역베타 붕괴에 대해 우세를 점했기 때문이다. 항성 핵융합에 의해 생성되는 중성자와 헬륨의 양은 빅뱅 핵융합에 비하면 매우 미미하다.
- 적색편이 및 허블-르메트르법칙 : 우주가 균일하게 팽창한다는 관측적 증거를 통해 과거에 은하들이 한 곳에 있었다는 것을 쉽게 유추할 수 있다.
- 엔트로피의 법칙 : 엔트로피의 법칙을 부정하지 않는다면 우주의 수명에는 반드시 한계가 존재할 수밖에 없다. 우주ㅔ 끝이 존재한다는 것은 시작점도 존재해야 한다는 의미가 된다. 과거 어느 시점에 최소 엔트로피를 가졌던 우주의 시점점이 있었기 때문에 우주는 현재의 모습을 유지하고 있는 것이다.
우주 멸망 가설
- 빅 크런치(Big Crunch) : 빅뱅이 한 점에서 무한히 팽창했다는 우주의 기원 이론이라면, 빅크런치는 자체적으로 우주 전체의 질량에 의해 발생하는 중력 위치 에너지가 우주가 팽창하는 에너지보다 클 경우, 우주는 그 자신이 가진 중력에 의해 일정수준까지 팽창한 뒤 한 점으로 모일 때까지 수축한다는 세계멸망 이론이다. 빅뱅이론을 세운 초창기 연구자 중 하나인 프리드만이 먼제 제안했다. 빅 크런치가 일어날 우주의 팽창 속도는 특정 지점에서 0에 도달하고 그 이후부터는 팽창이 진행된 기간과 동일한 시간 동안 수축이 진행된다. 우주가 수죽하기 시작하면서 우주배경복사의 온도가 점차 증가하고 결국 우주는 빅뱅 당시의 불덩어리와 같은 모습으로 돌아가게 되는 것이다. 최근 연구에 의하면 우주 팽창은 느려지지 않고 오히려 엄청난 속도로 빨라지고 있어 빅 크런치의 가능성은 거의 없다고 한다. 위에 언급된 암흑에너지가 우주를 밀어내고 있다. 암흑에너지에 이변이 없다면 우주는 빅 프리즈로 끝나게 될 것으로 보인다. 진동우주 가설에 의하면 빅 크런치 이후 다시 빅뱅이 발생하여 과정이 계속해서 반복된다.
- 빅 프리즈(Big Freeze) : 빅 크런치와 반대되는 개념의 우주 종말로 우주가 끝없이 팽창하며 엔트로피가 극도로 높아져 결국 모든 입자가 붕괴되고 아원자 입자만 남게 되는 종말이다. 빅 칠(Big Chill)또는 열죽음(Heat Death)라고도 한다. 열이 죽는다는 것이다. 우주가 팽창하는 만큼 평균 온도와 밀도가 계속해서 내려가면서 절대영도에 근접할 것이다. 현재까지 가장 지지받는 종말 시나리오다. 이 시나리오는 열역학에서 말하는 열적사멸(Heat Death)와도 비슷하다. 열적사멸은 우주의 물질이 점차 흩어지고 섞여서 어디나 다 같은 균일한 우주가 되는것으로 별도 없고 은하도 없고 블랙홀도 없고 우주의 어디나 똑같은 성비 비와 밀도로 균일하게 되는 최대의 엔트로피 상태가 되는 것이다. 우주가 진정으로 랜덤한 운동을 한다면 아주 긴 세월이 흐르면 우주는 모든 가능한 상태를 다 거칠 것이고 그 중에는 모든 물질과 에너지가 중력에 의해서가 아니라도 푸앵카레의 재귀정리에 의해 우연히 원래의 상태인 한 점에 다시 모이는 상태로 언젠가는 거치게 되며 이를 통해 제 2의 빅뱅이 일어날 수 있다. 현재의 관측 결과로는 우주가 빅 프리즈로 끝날 가능성이 높다. 실제로 먼 거리에 있는 초신성을 관측한 결과 암흑에너지에 의해 우주가 팽창하는 속도가 점점 빨라지고 있는 것으로 관측되기 때문이다. 빅 프리즈를 막을 방법에 대한 이야기가 상당히 자주 거론되지만, 우리 우주 내부의 존재가 빅 프리즈를 막는다는 것은 열역학 제2법칙을 뒤집는 것과 같다. 하지만 빅 프리즈를 막는 방법은 사실상 유사과학의 영역에 있다는 것이 학계의 정설이다. 빅프리즈는 매우 암울한 미래인 것처럼 보이지만 다른 멸망 예상 시나리오에 비해 압도적으로 오랜 시간동안 문명을 지속할 수 있을 것으로 보인다.
- 빅 립(Big Rip) : 빅 프리즈 이론과 비슷한데 암흑에너지의 양이 과도하게 높아져 일어나는 종말 시나리오다. 빅 립은 현재 밝혀진 것이 거의 없는 암흑에너지의 성질에 좌우된다. 함흑에너지가 우주의 크기에 상관없이 밀도가 변하지 않는 우주상수의 형태로 존재한다면 우주는 빅 프리즈로 끝나게 된다. 현재까지는 암흑에너지의 밀도가 불변한다는 가정 하에 세워졌다. 만일 암흑에너지의 성질이 우주가 팽창할수록 밀도가 증가하는 것이라면 빅 립은 시간이 흐를수록 입자 간의 척력이 점점 강해져서 결국 우주안의 은하와 별 등 모든 것들이 찢겨나가는 종말이다. 현재 우주으 ㅣ암흑에너지는 엄청나게 멀리 떨어진 초은하단 사이를 갈라놓는 수준인데 빅 립은 원자핵과 핵자까지 분해시켜 버릴 것이다.[2]
우주여행
잘 알려진 인류 최초의 우주인 유리 가가린이나 인류 최초로 달에 발은 딛은 인간 닐 암스트롱의 경우는 업무를 수행하러 간 것이 때문에 엄밀히 말하면 '여행'이라고 부를 수 없다. 최초의 민간 우주여행은 2001년 우주여행을 한 캘리포니아의 부호 데니스 티토로 보고 있다. 티토는 우주 여행비로 최소 2000만 달러를 낸 것으로 알려졌다. 원래 우주여행의 기술 자체는 있었으나 천문학적인 재정적 문제 때문에 우주여행은 먼 미래의 일로 여겨졌지만 최근 오히려 우주산업이 돈이 된다는 인식이 생기면서 우주여행을 연구하는 민간기업들이 생겨나고 있다. 현재 운행중인 우주여행 상품은 모두 국가에서 제작한 우주선이다. 현재 민간업체의 기술상황은 무인우주선으로 국제우주정거장에 화물을 보낼 수 있는 수준이다. 스페이스 X의 크루 드래곤이 상업 승무원 수송 프로그램에 의해 개발 중에 있고 스페이스 X는 2020년 유인 발사를 성공시켰다.[3]
각주
같이 보기
