사람의 일생에는 반드시 마지막이 있다. 그러면 사람과는 비교가 되지 않을 만큼 큰 지구나 우주에도 종말이 있을까? 우주는 영원히 계속 존재할까? 우주의 미래나 종말에 대해서는 여러 가지 시나리오가 알져져 있지만 현재로서는 예측 가능할 수 있는 정설은 없고, 몇 가지 가설을 알아본다.
1.우주의 역사 138억 년
현생 인류 호모 사피엔스는 약 20만 년 전에 아프리카의 에디오피아 지방에서 탄생했다고 한다. 지구나 태양계는 약 46억 년 전에 탄생했으며, 우주는 약 138억 년 전에 시간과 공간이 극도로 압축한 상태에서 극한 상태를 이기지 못하여 ‘빅뱅’이라는 현상을 통하여 탄생을 시작하여 인플이레션 등의 급격한 팽창을 경험하였다가 인플레이션이 끝나자 그 에너지가 시간과 물질과 빛으로 변하고, 빅뱅에 비하면 완만한 팽창을 하면서 현재와 같은 큰 은하로 성장해갔다. 현재는 빛보다 빠른 속도로 우주는 확장을 거듭 진행하고 있으므로 약 10조 년 뒤 우주에는 별이 사라지면서 ‘종말’을 맞이한다는 가설을 설정하고 있으나 그 시간은 너무나 까마득해서 실감을 하지 못한다. 우주의 종말에 관한 시나리오 중 개념부터 정하자면 ‘우주 공간은 거의 텅 비게 되고 아무 변화도 일어나지 않는 적막한 상태’로 정해야 한다는 것이다.
2.은하의 충돌
45억 년 뒤, 우리은하와 약 250만 광년 떨어져 있는 안드로메다은하가 대충돌하고 밤하늘은 밝아진다. 현재의 가설로는 우주에는 약 2000억 개의 은하가 있으며, 각 은하에는 평균 약 2000억 개의 별이 있다고 한다. 그러나 은하끼리 충돌해도, 은하 속의 별끼리는 밀집한 곳이라도 3000억 km(지구 ~ 태양 거리의 약 2000배) 정도 떨어져 있어, 은하가 충돌해도 별끼리 충돌할 가능성은 극히 낮다고 한다.
3.지구의 죽음
태양의 중심부에 있는 핵융합의 연료인 수소가 앞으로 약 60억 년 정도 뒤에는 모두 소모가 되면서, 태양은 급속도로 부풀기 시작하여 약 20억 년이 걸쳐 현재의 지름보다 170배로 팽창해 ‘적색 거성‘이 된다. 중심부의 수소가 모두 타버린 단계에서 다음 연료가 되는 헬륨이 핵융합을 일으킬 만한 온도(약 1.5억 °C)까지 이르지 못하면서, 핵융합의 에너지 방출이 진정된 중심부는 수축하게 된다. 그러면 중심부의 온도가 급격하게 상승하고, 이번에는 중심부 주위에 남아 있던 수소가 핵융합을 일으키며 바깥쪽에 있는 가스를 확대시켜 대팽창이 일어난다. 이런 과정을 되풀이 하면서 이전의 대팽창을 뛰어 넘는 크기로 거듭 순환하면서 마침내 80억 년 뒤, 200배 이상으로 부풀어 오른 대팽창의 상태에서 지구를 삼킨다. 이때의 대팽창은 지구뿐 아니라 화성까지 삼킬 가능성이 있다고 한다.
4.태양의 죽음
지구를 삼킬 만큼 팽창과 수축을 거듭하던 태양은 그 과정에서 태양을 이루던 가스가 우주 공간으로 달아나고 태양은 차츰 작아지면서 지구 정도 크기의 작은 중심부만 남는다. 남은 중심부는 ‘백성 왜성’이라는 천체가 된다. 행성상 성운이 빛나는 기간은 우주의 역사에서 보면 정말 한순간이다. 중심에 있는 백색 왜성은 핵융합 반응을 일으킬 수소가 없으므로 여열의 상태로 빛나고 있으나 그 시기는 1만 년 정도가 지나면 빛을 잃고 식으면서 아무런 활동을 할 수 없게 되어 더 이상 두드러진 변화조차 없게 되며, 실질적인 죽음을 맞이한다.
5.천체 시대의 종말
먼 장래에는 빛나는 항성과 은하가 사라자고 우주는 어둠에 싸인 세계가 된다고 한다. 어둠에 싸인 우주의 주역은 항성이나 은하가 아닌 블랙홀이다. 그러나 블랙홀도 영원한 존재는 아니다. 블랙홀도 먼 장래에는 죽음을 맞이하리라고 본다.
1)초거대 타원 은하
1000억 년 뒤 은하의 합체가 진행되어 초거대 타원 은하가 탄생
거대한 별 헤일로를 가지는 거대타원은하의 하위유형.
은하의 형태분류에 따라 나눈 은하의 한 종류로, cD에서 c는 은하가 매우 크다는 것을 의미하고, D는 은하가 확산되어 보인다는 것을 의미한다. 이 cD 은하는 흔히 가장 거대한 은하로 간주된다. 이 은하는 렌즈상은하(S0)나 타원은하(E#)과 유사해 보이지만, 이들보다 몇 배는 거대하고, 낮은 표면밝기의 거대한 외포층을 가진 타원처럼 보이는 것이 특징이다. 또한 cD 은하는 은하단을 정의하는데 이용되기도 하는데 중심에 cD 은하를 포함하는 은하단을 cD 은하단이라 부른다.
현재 cD은하는 둘 또는 그 이상의 은하가 충돌할 때 발생하는 은하병합의 결과로 생각되고 있다. cD 은하는 은하단의 중심으로 나선을 그리며 떨어지는 은하와의 병합을 통해 성장하는 것으로 생각되는데, 이렇게 잡아먹히는 은하는 보통 은하단에서 두 번째로 밝은 은하로 cD 은하에게 먹히고 있기 때문에 상대적으로 덜 밝게 관측된다. 따라서 cD 은하는 은하단 내에서 가장 밝은 은하인 가장 밝은 은하단 은하(BrightestClusterGalaxy,BCG)로 자주 발견되고, 전체 cD 은하의 약 20%를 차지한다. 또한 이 은하는 은하단에 포함되지 않고 중력적으로 혼자인 낱은하(Fieldgalaxy)로 발견되지 않는다.
2)고립되는 은하
다른 은하는 ‘시야’에서 사라지고 각각의 은하는 우주 속에서 고립된다. 은하군이나 은하단으로 성장한 1000억 년이 지날 무렵 그것들의 밖은 매우 적막한 세계가 된다. 다른 은하가 소멸하는 것이 아니라, 우주가 팽창하기 때문에 다른 은하가 보이는 범위(관측 가능한 범위) 밖으로 밀려나가는 것이다.
3)별의 세대교체
별의 세대교체는 영원히 계속되지 않고 새로운 별은 태어나지 않는다. 태양과 같은 항성의 죽음에는 크게 나누어 ‘행성상 성운’을 형성하는 유형과 ‘초신성폭발’을 일으키는 유형이 있다. 어느 쪽이든 항성을 형성하던 가스의 대부분은 우주로 방출되고 그 가스는 새로 탄생하는 다음 세대 항성의 재료가 된다. 즉 별은 세대교체를 거듭하게 된다. 우리의 태양도 우주 탄생 이후에 여러 세대를 거친 항성이라고 생각한다.
그러나 항성의 연료는 서서히 사라짐으로서 새로운 별은 태어나지 않는다. 그 결과로 은하는 서서히 빛이 약해져 간다.
4)칠흑 같은 은하
10조 년 뒤, 수명이 긴 별도 모두 타버리고 우주는 빛을 잃는다. 어둠은 멸망을 의미하는 비유어다.
5)어둠 속의 섬광
빛을 잃은 우주가 언제 어디서나 완전히 어두운 것은 아니다. 때때로 블랙홀이 천체를 삼키거나 천체끼리 충돌할 때 빛을 내는 경우가 있지만, 천체가 없어지면 블랙홀도 소멸한다고 볼 수 있다.
6)은하의 증발
1020년 뒤 은하로부터 천체가 날아가고 거대한 블랙홀만 남는다. 은하 역시 영원한 존재가 아니므로 은하를 구성하는 천체들이 오랜 세월 동안 광대한 우주 공간으로 날아가는 등의 이유로 은하가 ‘증발’하기 때문이다. 그러나 먹이가 없어진 블랙홀도 언젠가는 소멸한다.
7)양성자 붕괴
1034년 이후, ‘양성자’ 붕괴에 의해 블랙홀 이외의 천체는 소멸한다. 양성자는 매우 안정된 입자이며, 일반적으로 중성자처럼 부서지는 경우가 없다. 그러나 소립자 물리학의 ‘대통일 이론’에 의하면 양성자도 매우 오랜 세월이 지나면 붕괴될 것으로 예상된다. 일반적으로 중성자는 원자핵 안에서는 안정적으로 존재할 수 있지만 단독의 중성자는 15분을 버티지 못한다. 양전기를 띤 양성자가 붕괴하면 음전기를 전자도 버티지 못하므로 원자가 소멸한 모든 물질은 붕괴한다. 이때 블랙홀을 제외한 모든 것은 소멸한다.
8)블랙홀의 증발 ①
블랙홀은 천천히 ‘증발’해서 작아진다.
블랙홀도 입자를 방출하며 이로 인해 질량과 에너지를 잃어버리기 때문에 결국에는 증발해 없어질 수 있다는 이론. 영국의 이론물리학자 스티븐 호킹이 75년 발표한 이론으로, 호킹 박사는 2004년 자신의 이 이론을 수정 발표했다.
블랙홀은 중력이 너무 커서 심지어 빛조차도 빠져나갈 수 없는 천체를 말한다. 블랙홀의 경계면에는 '사건 지평선'(event horizon)이란 영역이 존재하며 한 번 들어간 물질은 이곳에 갖혀 영원히 빠져 나오지 못한다.
블랙홀은 1789년 영국의 존 미첼, 프랑스의 수학자 라플라스 등이 처음으로 생각해 낸 것으로 오랫동안 이론상으로만 존재해 왔다. 그러다가 아인슈타인의 일반상대성이론에 의해 이론적으로 입증되었으며, 1980년대 이후 천체물리학자들이 블랙홀 주변의 별이 빨려 들어갈 때 생기는 회전가스 원반 형태의 X선이나 감마선 빛을 관측해 블랙홀의 존재를 간접적으로 증명했다.
우주가 빅뱅(Big Bang)에 의해 창조될 때 생긴 원시블랙홀과 질량이 매우 큰 별의 진화 마지막 단계에서 만들어진 블랙홀이 있다.
9)블랙홀의 증발 ②
100100년 뒤 블랙홀조차 소멸된다.
호킹 복사(Hawking radiation)/블랙홀의 증발이론
영국의 이론물리학자 스티븐 호킹은 1975년 논문에서 블랙홀이 만들어지면 에너지를 방출하기 시작하며 '호킹 복사'(Hawking radiation)를 통해 질량을 상실한다고 주장했다.
호킹은 블랙홀도 빛이나 입자를 복사할 수 있다는 것을 수학적으로 보여주었다.
하이젠베르크의 불확정성 원리에 따라 아주 작은 양자요동이 끊임없이 생겨났나 사라진다. 쉽게 말해 진공에서 입자와 반입자가 끊임없이 같이 생겨났다 같이 없어지는 것으로 블랙홀과 그 주변에서도 이런 현상이 일어난다고 호킹은 생각했다.
그런데 반입자가 강력한 중력의 영향 아래 블랙홀로 빨려 들어가고 입자가 상호 소멸에 영향을 받지 않고 남아있다면, 블랙홀이 반입자를 끌어당기고 입자를 방출하는 것처럼 보인다. 이런 경우 블랙홀에서는 빛이 나올 수 있으며, '호킹복사'라고 한다.
이 이론에 따르면 호킹 복사는 비가역적인 현상이기 때문에 빨려 들어간 정보는 다시 방출되지 않으며 블랙홀이 에너지를 모두 방출해 소멸하면 함께 사라지게 된다. 블랙홀은 질량과 운동량, 전하 등의 극히 제한적인 정보를 갖고 있지만 안으로 빨려 들어간 물질에 대해서는 정보를 방출하지 않기 때문에 블랙홀이 에너지 방출을 다해 사라지게 되면 이런 정보도 함께 사라진다는 것.
그러나 호킹의 이 이론은 입자와 입자가 상호작용을 통해 흡수, 붕괴된다고 하더라고 정보손실은 있을 수 없다는 양자역학의 기본원리에 반한다는 지적을 받아 왔다. 양자역학에서는 입자가 다른 입자와 상호작용 시 진로가 변경되거나 흡수 또는 붕괴된다고 하더라도 가역적이어야 하며 정보손실이 있을 수 없다. 이에 대해 호킹은 극도로 강한 중력장이 양자역학을 따르지 않는 '특별한 자연 현상'을 만들어냈을 수 있다고 반박해 왔다.
그러나 호킹은 2004년 7월 21일 아일랜드 더블린에서 열린 제17차 일반 상대성과 중력에 관한 국제회의에서 '블랙홀의 정보 패러독스'라는 주제의 연설을 통해 그는 "블랙홀이 일방통행이 아니라 빠져 들어간 정보가 방출될 수도 있다고 믿는다"고 밝혀 그동안의 자신의 이론을 뒤집었다.
이는 1997년 2월 호킹이 미 캘리포니아공대의 프레스킬(Preskill) 교수와 블랙홀의 정보가 복구되는지 여부에 대해 백과사전 내기에 따른 것으로, 더블린에서의 연설 후 호킹 박사는 프레스킬 교수에게 크리켓 백과사전을 선물했다고 한다.
10)철의 별
원자로 된 천체는 모두 ‘철의 별’이 될 가능성도.
‘터널 효과’에 의해 핵융합이 일어난다. 핵융합이 일어나는 항성 중심부는 매우 고온이기 때문에 원자핵과 전자가 뿔뿔이 흩어진 ‘플라즈마’ 상태로 되어 있다. 그리고 원자핵기리 맹렬한 속도로 충돌해 핵융합을 일으킨다. ‘터널 효과’라는 현상에 의해 핵융합하는 일이 매우 드물게 일어나므로 일반적으로 무시할 수 있다. 그러나 저명한 이론 물리학자 프리먼 다이슨(1923~ ) 박사의 계산에 의하면 101500년 후에는 모든 원자가 이러한 터널 효과에 의해 철 원자가 된다고 한다. 그 무렵에 우주에 남아 있는 원자로 된 천체는 모두 ‘철의 별’이 된다고 한다. 나아가 다이슨 박사는 10〈10〈76년 뒤에는 철의 별은 더 안정된 중성자별 또는 블랙홀로 변할 것으로 예상했다.
별의 중심에 수소가 고갈되고 헬륨이 축적되면 일단 수소의 융합이 중단된다. 중심을 벗어나면 수소가 있지만, 에너지 장벽을 넘기에는 온도가 충분히 높지 않기 때문이다. 결과적으로 바깥쪽을 향한 압력은 떨어지고 중력에 의한 별의 수축이 일어나면서 중심 온도가 천만도 이상으로 올라간다. 그런데 핵융합의 다음 단계인 헬륨의 융합에는 1억도 정도의 온도가 필요하다. 그러나 중력 수축에 의한 온도 상승은 상당히 느리다. 다행히 중심 온도가 어느 정도 올라가면 중심을 약간 벗어난 부위에 수소가 융합할 수 있는 온도와 수소가 공존하는 상황이 만들어진다. 그래서 중심 바깥쪽에서 수소 융합이 일어나면 핵융합에 의한 압력이 양쪽으로 작용해서 한편으로는 별을 부풀어 오르게 하고, 다른 한편으로는 중심 온도를 상승시킨다. 중심 온도는 올라가지만, 별이 커지면서 표면 온도는 낮아지기 때문에 주계열성은 적색거성(red giant)으로 바뀐다.
초기의 적색거성 중심에서는 헬륨, 즉 알파입자 3개가 동시 충돌하여(triple alpha process) 탄소의 핵으로 바뀌는 헬륨 연소(helium burning)가 일어난다. 언뜻 생각하면 알파 입자 2개가 충돌해서 원자 번호가 4이고 질량수가 8인 베릴륨을 만들 것 같지만, 베릴륨의 원자량을 보아 알 수 있듯이 안정한 베릴륨의 질량수는 9이다. 즉 안정한 베릴륨 핵이 되려면 중성자가 하나 더 필요한 것이다. 다행히 베릴륨-8이 붕괴하기 직전에 알파 입자가 하나 더 충돌하면 안정한 탄소-12가 만들어진다. 드디어 주기율표에 화학의 핵심 원소인 탄소가 등장한 것이다. 하나의 알파 입자에 들어있는 쿼크와 다른 알파 입자에 들어있는 쿼크 사이에 강한 핵력이 작용한 결과이다.
중심에 탄소의 핵이 생기고 헬륨이 고갈되면 핵융합의 중단과 중력 수축에 의한 온도 상승이 반복된다. 이때 중심 탄소 핵의 질량이 태양 질량의 1.4배에 미치지 못하면 온도 상승이 충분하지 못해서 적색거성은 더 이상 핵융합을 하지 못하고, 백색왜성(white dwarf)이 된다. 탄소 핵의 질량이 태양 질량의 1.4배를 넘으면 핵융합의 중단과 중력 수축이 반복되면서 산소-네온-마그네슘-실리콘 식으로 알파 입자가 추가되어 무거운 원소들이 만들어진다. 주계열성에서와 달리 적색거성에서는 이미 알파 입자에 들어있는 중성자를 사용해서 원자 번호를 늘여가기 때문에 핵반응이 주계열성보다 상대적으로 빠르다. 질량이 아주 큰 적색거성에서는 핵 합성이 철까지 진행한다. 철의 핵이 가장 안정하기 때문이다.
무거운 별의 중심에 철의 핵이 만들어지면 더 이상 종전의 방식으로 핵반응이 일어나지 못한다. 그래서 이번에는 대규모의 중력 수축이 일어나고 중심 온도는 엄청나게 올라간다. 결과적으로 고온과 압력을 견디지 못하는 별은 대폭발하게 된다. 초신성 폭발이라 불리는 이 폭발은 우주 자체의 폭발적 탄생인 빅뱅에 이어 두 번째의 중요한 폭발이다.
6.우주의 죽음과 재탄생
1)암흑에너지①
우주의 미래를 결정하는 것은 우주 공간에 가득 찬 암흑에너지이며 공간을 팽창시키는 역할을 한다. 우주팽창설에 대해 최근 새로운 이론이 대두되었다. 우주가 팽창하는 것이 아니라 우리가 작아지고 있다는 학설이다. 우주가 팽창하면서 채워야 하는 공간에 대한 해답이 없기 때문이다. 그러므로 ‘암흑에너지’는 없다는 것이다.
2)암흑에너지②
암흑에너지는 공간이 팽창해도 옅어지지 않고 암흑에너지가 끓어 나온다고 한다는 주장에 대한 과학적·합리적 주장은 막연하다. 우주상수를 들어 밀도는 변하지 않는다고 하나 일반적 물리법칙에 벗어난다.
3)빅 프리즈
우주는 거의 텅 비고 시간은 의미를 잃는다. 암흑에너지의 밀도가 일정(우주 상수)한 경우 팽창을 거듭한 우주는 1)절대온도 –275.13도가 되어 모든 것의 활동이 멈춘다. 2)우주의 가속팽창이 계속되면 우주 상수도 변하여 소립자의 밀도는 0에 가까워지고 소립자기리 가까워지는 일조차 일어나지 않는다. 블랙홀이 다 소멸될 무렵(10100년 뒤 무렵)에는 우주는 거의 텅 빈 상태가 되는 것이다. 요코야마 교수는 “이와 같은 우주에서는 아무런 변화도 일어나지 않고, 시간이 지나도 아무런 변화도 없으므로 시간의 의미가 사라진다. 사실상 시간과 물, 곧 차원의 종말이라고 말할 수 있다.” 여기서 암흑에너지의 정체가 궁금하다. 유력한 주장은 발견하지 못한 소립자라고 하지만 지구조차 가볍게 통과하는 중성미자는 아직 유력한 후보이다.
4)우주의 재탄생-빅 바운스
빅 프리즈에 이른 우주가 더 먼 장래에 ‘터널 효과’에 의해 작은 우주로 태어나 빅뱅과 같은 작용으로 팽창과 수축을 하면서 우주는 이러한 현상을 반복한다. 이것을 우주의 재탄생-‘빅바운스(공처럼 튀어 오르는 작용)’라 한다.
5)빅 크런치
공간의 팽창은 수축으로 바뀌고 우주는 무로 돌아가는가? 암흑에너지의 밀도 비율이 극단적으로 커지면 암흑에너지가 ‘음의 에너지’를 갖게 되면 공간의 팽창을 되돌려 놓으려는 인력의 작용을 갖게 되면서 팽창을 멈추고 본래의 수축의 길로 들어선다. 최종적으로 하나의 점으로 찌부러지는 종말을 맞이한다. 그후에 빅뱅으로 발전할 지는 현재 알 수 없다.
6)순환 우주론
빅크런치에 도달한 우주는 일단 무로 돌아가지만 그것을 0의 상태인 ‘특이점’이라 한다. 거기서는 모든 물리법칙은 붕괴된다. 우리가 속한 우주는 탄생과 죽음을 되풀이하는 우주일까?
7)팬텀 에너지와 빅 립
모든 물질 구조가 팽창하면 그것을 구성하는 원자도 결국 견디지 못하고 찢어진다. 원자의 ‘찢어짐’은 모든 것의 소멸을 의미한다. 찢어져 물리법칙이 소멸한 원자가 재생한다는 가설은 상상하기 어렵다.
8)진공 붕괴
우주를 파멸로 이끄는 진공 붕괴.
우주의 물리 법칙이 교란되어 원자도 붕괴된다.
미래의 어느 날. 은하와 태양을 비롯한 별들, 그리고 원자 하나하나까지 우주의 모든 구조가 붕괴할 수도 있다.' 이런 가설이 소립자 물리학자 사이에서 거론되고 있다. 2012년 세계 최대의 가속기 'LHC'를 이용한 실험에서 질량의 기원에 관계된 소립자 '힉스 입자'가 발견되었다. 힉스 입자의 성질을 꼼꼼히 살펴나간 결과, 진공 상태가 극적으로 변함으로써 물리 법칙이 바뀌는 '진공 붕괴'라는 현상이 일어날 가능성이 제기되었다. 진공 붕괴가 일어나면 우주의 모습은 어떻게 될 것인가? 진공붕괴는 막을 수 없을까? 우주를 파멸로 이끄는 진공 붕괴의 수수께끼를 밝힌다.
일반적으로 '진공'이란 대기압보다 기압이 낮은 상태를 가리킨다. 하지만 본래 의미의 진공이란 '물질이 존재하지 않는 공간'이라고 할 수 있을 곳이다. 그렇다면 밀폐한 용기에서 공기나 미세한 먼지 등의 물질을 모조리 제거하면 그 공간을 '진공'이라고 할 수 있을까?
공간에서 기체 분자와 먼지, 더 나아가 빛과 같은 온갖 물질을 제거한 다음에는 무엇이 남을까? 모든 것을 제거한 텅 빈 공간이라도 어떤 이유에서인지 에너지가 남는다고 한다. 더 이상 제거할 수 없는 가장 낮은 에너지 상태의 것을 '진공 에너지'라고 한다. 제거할 수 없는 이 에너지가 '진공 붕괴'를 일으키는 중요한 열쇠가 된다.
우주는 진공이라는 '토대' 위에 있는 여러 가지 입자에 의해 성립된다. 그러면 진공 붕괴에 의해 '토대'인 진공의 성질이 극적으로 바뀐다면 우주의 모습은 과연 어떻게 될까?
진공붕괴가 발생했을 경우 우주 공간에는 터널 효과에 의해 지금까지의 우주와는 전혀 성질이 서로 다른 공간이 갑자기 나타날 것이다. 그러나 지금까지의 연구 결과, 우주 초기에 발생한 진공의 상전이에서는 조금씩 연속적으로 진공 상태가 변해서 현재의 모습으로 자리 잡았을 가능성이 높다고 생각된다. 실은 이런 평온한 변화를 진공붕괴라고는 하지 않는다.
9)해설 그리고 결말
암흑물질과 암흑에너지는 정체를 모르기 때문에 작용의 일부를 보고 판단할 뿐이다. 두 개의 비중은 95%를 차지한다. 그러므로 우리는 아는 것보다 모르는 것이 훨씬 많다고 한다. 그렇다면 우주의 법칙을 알려면 그것들의 정체부터 알아야 할 일이다.
