우주는 어떻게 종말을 맞이할까? (2) "Big Freeze or Heat Death?"
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2025-11-18 09:19:22
3분 읽기
- 우리 은하계에 인접한 안드로메다은하가 수십억 년에 걸쳐 천천히 우리 은하에 접근,충돌
- 은하단들이 충돌해 거대한 타원형 별들의 섬 형성.밝게 타오르다가 수십억 년 후 사라져
- 우주의 팽창을 주도하는 가상의 힘 "암흑 에너지"의 밀도를 아는 것이 중요
- 2024년 암흑 에너지 탐사(DES) 결과에 따르면 ω가 정확히 -1이 아닐 수도 있다.
만물의 종말
하지만 이 불꽃은 오래가지 않는다. 시간이 흐르면서 별들은 연료를 소모하고, 초신성 폭발을 일으키거나, 백색 왜성이 되어 천천히 식는다. 이러한 광경은 우주 전체에서 반복된다. 은하단들이 충돌하여 거대한 타원형 별들의 섬을 형성한다. 이들은 마지막으로 밝게 타오르다가 수십억 년 후 서서히 사라진다.
또한 우주의 팽창으로 인해 은하와 은하단은 점점 더 멀어지고 있다. 이 은하 섬들 중 가장 오래된 섬들은 관측 가능한 우주의 경계 너머로 이동하고 있다. 너무 멀리 떨어져 있어서 그 빛이 더 우리에게 도달하지 못한다.
어둡고 차가운 공허
별과 은하 사이의 광활한 공간에는 새로운 별을 만들어낼 가스가 더 존재하지 않는다. 대신 초신성 폭발로 형성된 블랙홀이 성장하기 시작한다. 블랙홀은 남은 물질의 잔해를 집어삼키고 중력 거인이 되어 성단 전체의 잔해를 흡수한다.
그러나 다른 블랙홀들은 새로운 물질이 도달할 수 없기 때문에 더 성장하지 않고 휴면 상태에 머물러 있다. 이러한 비활성 블랙홀은 점차 텅 빈 우주의 어둠을 지배하다가, 상상할 수 없을 만큼 먼 미래에는 블랙홀마저 증발하기 시작한다. 남은 것은 열과 빛의 원천인 별이 없는, 거의 텅 빈 우주뿐이다. 이제 우주는 완전히 차가워져 새로운 어떤 것도 형성될 가능성이 없다. 연구자들은 이러한 우주의 끝을 "대빙결(Big Freeze)" 또는 우주의 "열사(Heat Death)"라고 부른다.
우주의 운명을 결정하는 것은 무엇인가?
우주의 팽창을 주도하는 가상의 힘을 "암흑 에너지"라고 한다. 이 에너지에 대해 알려진 바가 거의 없기 때문에 "암흑"이라는 이름이 붙었다. 팽창하는 우주에서 물질과 복사는 점점 희소해지지만, 암흑 에너지의 밀도는 일반적으로 일정하게 유지된다고 가정된다. 따라서 우주에서 차지하는 암흑 에너지의 비중은 꾸준히 증가하여 먼 미래에는 거의 모든 것을 채우게 될 것이다. 따라서 암흑 에너지의 행동은 전체 우주의 운명에 매우 중요하다.
여기서 상태 매개변수 "ω"는 특히 중요하다. 이는 암흑 에너지의 에너지 밀도에 대한 압력의 비율을 나타내며, 우주가 팽창할지, 자멸할지, 심지어 분열할지를 결정한다. 정확한 값은 알려져 있지 않지만, 측정 결과 약 ω ≈ -1인 것으로 나타났다. 만약 이것이 확인된다면, 위에서 설명한 바와 같은 빅 프리즈(Big Freeze) 시나리오로 이어질 것이다. 따라서 많은 우주론자는 이것이 우주의 종말일 가능성이 가장 높다고 생각한다.
연구를 통한 새로운 징후
그러나 이 상태 매개변수는 현재 집중적인 연구 대상이다. 2024년 암흑 에너지 탐사(DES) 결과에 따르면 ω가 정확히 -1이 아닐 수도 있다. 약 1,500개의 Ia형 초신성을 분석한 결과, 약 ω ≈ -0.8의 값이 도출되었는데, 불확실성은 여전히 -1과 일치한다.
반면에 -0.8의 값이 확인된다면, 이는 우주의 추가 발전에 중대한 영향을 미칠 것이다. 이는 암흑 에너지가 시간이 지남에 따라 변화하여 우주가 ω=-1일 때만큼 빠르게 팽창하지 않게 됨을 의미한다.
그러나 ω가 완전히 다른 값을 가질 수 있다는 이론도 있다. 이러한 이론들은 각각 우주의 완전히 다른 종말로 이어질 것이다. 그렇다면 이는 구체적으로 무엇을 의미할까? (계속)
- 우리 은하계에 인접한 안드로메다은하가 수십억 년에 걸쳐 천천히 우리 은하에 접근,충돌
- 은하단들이 충돌해 거대한 타원형 별들의 섬 형성.밝게 타오르다가 수십억 년 후 사라져
- 우주의 팽창을 주도하는 가상의 힘 "암흑 에너지"의 밀도를 아는 것이 중요
- 2024년 암흑 에너지 탐사(DES) 결과에 따르면 ω가 정확히 -1이 아닐 수도 있다.
우주가 얼어붙을 때
우주의 대빙결(Big Freeze) 또는 열적 죽음
빛의 섬광으로 시작된다. 우리 은하계에 인접한 안드로메다은하가 수십억 년에 걸쳐 천천히 우리 은하에 접근하다가 마침내 충돌한다. 별들은 찢기고, 충돌의 눈부신 불꽃 속에서 새로운 별들이 탄생한다. 수십억 개의 태양이 하늘에서 그 어느 때보다 밝게 빛난다.
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| ▲ 허블 우주 망원경이 촬영한 백색 왜성 시리우스 B(왼쪽 아래 작은 점). © NASA, ESA, H. Bond(STScI), M. Barstow(레스터 대학교) |
만물의 종말
하지만 이 불꽃은 오래가지 않는다. 시간이 흐르면서 별들은 연료를 소모하고, 초신성 폭발을 일으키거나, 백색 왜성이 되어 천천히 식는다. 이러한 광경은 우주 전체에서 반복된다. 은하단들이 충돌하여 거대한 타원형 별들의 섬을 형성한다. 이들은 마지막으로 밝게 타오르다가 수십억 년 후 서서히 사라진다.
또한 우주의 팽창으로 인해 은하와 은하단은 점점 더 멀어지고 있다. 이 은하 섬들 중 가장 오래된 섬들은 관측 가능한 우주의 경계 너머로 이동하고 있다. 너무 멀리 떨어져 있어서 그 빛이 더 우리에게 도달하지 못한다.
어둡고 차가운 공허
별과 은하 사이의 광활한 공간에는 새로운 별을 만들어낼 가스가 더 존재하지 않는다. 대신 초신성 폭발로 형성된 블랙홀이 성장하기 시작한다. 블랙홀은 남은 물질의 잔해를 집어삼키고 중력 거인이 되어 성단 전체의 잔해를 흡수한다.
그러나 다른 블랙홀들은 새로운 물질이 도달할 수 없기 때문에 더 성장하지 않고 휴면 상태에 머물러 있다. 이러한 비활성 블랙홀은 점차 텅 빈 우주의 어둠을 지배하다가, 상상할 수 없을 만큼 먼 미래에는 블랙홀마저 증발하기 시작한다. 남은 것은 열과 빛의 원천인 별이 없는, 거의 텅 빈 우주뿐이다. 이제 우주는 완전히 차가워져 새로운 어떤 것도 형성될 가능성이 없다. 연구자들은 이러한 우주의 끝을 "대빙결(Big Freeze)" 또는 우주의 "열사(Heat Death)"라고 부른다.
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| ▲ 상상도 할 수 없을 만큼 먼 미래에는 블랙홀조차 증발할 것이다. © keanu2/GettyImages |
우주의 운명을 결정하는 것은 무엇인가?
우주의 팽창을 주도하는 가상의 힘을 "암흑 에너지"라고 한다. 이 에너지에 대해 알려진 바가 거의 없기 때문에 "암흑"이라는 이름이 붙었다. 팽창하는 우주에서 물질과 복사는 점점 희소해지지만, 암흑 에너지의 밀도는 일반적으로 일정하게 유지된다고 가정된다. 따라서 우주에서 차지하는 암흑 에너지의 비중은 꾸준히 증가하여 먼 미래에는 거의 모든 것을 채우게 될 것이다. 따라서 암흑 에너지의 행동은 전체 우주의 운명에 매우 중요하다.
여기서 상태 매개변수 "ω"는 특히 중요하다. 이는 암흑 에너지의 에너지 밀도에 대한 압력의 비율을 나타내며, 우주가 팽창할지, 자멸할지, 심지어 분열할지를 결정한다. 정확한 값은 알려져 있지 않지만, 측정 결과 약 ω ≈ -1인 것으로 나타났다. 만약 이것이 확인된다면, 위에서 설명한 바와 같은 빅 프리즈(Big Freeze) 시나리오로 이어질 것이다. 따라서 많은 우주론자는 이것이 우주의 종말일 가능성이 가장 높다고 생각한다.
연구를 통한 새로운 징후
그러나 이 상태 매개변수는 현재 집중적인 연구 대상이다. 2024년 암흑 에너지 탐사(DES) 결과에 따르면 ω가 정확히 -1이 아닐 수도 있다. 약 1,500개의 Ia형 초신성을 분석한 결과, 약 ω ≈ -0.8의 값이 도출되었는데, 불확실성은 여전히 -1과 일치한다.
반면에 -0.8의 값이 확인된다면, 이는 우주의 추가 발전에 중대한 영향을 미칠 것이다. 이는 암흑 에너지가 시간이 지남에 따라 변화하여 우주가 ω=-1일 때만큼 빠르게 팽창하지 않게 됨을 의미한다.
그러나 ω가 완전히 다른 값을 가질 수 있다는 이론도 있다. 이러한 이론들은 각각 우주의 완전히 다른 종말로 이어질 것이다. 그렇다면 이는 구체적으로 무엇을 의미할까? (계속)
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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