우주는 언제까지 팽창 할까? (인플레이션 우주)

지금까지 우리는 우주가 139억년 전 우주대폭발(빅뱅)에 의해 현재의 우주가 생겨났고, 그의 여파로 인해 현재까지도 팽창을 계속 하고 있다는 사실은 이제 상식적인 수준이 되었다. 하지만 궁금증이 생겼다. 그렇다면, 이러한 팽창이 언제까지 지속 될 것이며 팽창이 멈추었을 때의 우주는 어떤 모습일지 천문학자들 사이에서도 서로 의견이 많이 다르다. 과연 우주에 끝이란게 존재 할까? 모든 생명체와 같이 우주도 나이를 먹으면 언젠간 소멸하지 않을까? 이런 호기심과 궁금증에 기반하여 여러 가지의 우주론이 등장하고는 있지만 아직까지도 우주는 커다란 미스테리로 남아있다.

무한한 우주의 시초

우리가 지구 밖에서 지구를 바라 볼 수 있듯이 우주의 끝이 있다면 그 넘어에서 우주를 바라 보면 어떤 모습일까?  오늘날 우주론의 근본적이 한계가 바로 우주 밖이란게 존재 하는지, 존재하더라도 볼 수 있는지도 모르는 실정이다. 우주가 팽창을 하고 있다는 건 사실상, 풍성 처럼 팽창하는 느낌이 아니라 우주내 두 지점 사이가 점점 멀어져 가는 것을 말하는 것이다. 이렇게 정의를 한 우주팽창은 일반상대론의 이론과 아주 잘 들어 맞는다. 하지만 우리가 관측 하고 보는 것을 넘어선 우주 경계 밖에 지점이 존재 한다면 지금까지 우리가 알고 있는 우주 관련 이론들과 부딪히게 된다. 

그래서 과학자들은 우주의 무한성에 기초하여 이론을 성립하고 있다. 무한한 우주의 시초는 빅뱅에서 시작되었다. 이 후 쿼크가 생기고 이들이 모여 양성자와 중성자를 형성하게 되었다. 여기서 나아가 별을 만들고 더 나아가 은하와 은하 성단을 이루게 된다. 이런식으로 우주의 팽창이 지속 되면 우주는 어떻게 변화가 될까? 태양이 모두 타서 거성이 되기 까지는 약 50억년 정도 된다고 한다. 별들 마다 차이는 있겠지만 작은 별들 또한 1백조년 이 지나면 모드 타버려 빛을 잃게 되어 버린다. 이런 식으로 서서히 은하의 증발이 시작이 되고, 은하의 바깥쪽에서 시작하여 안쪽으로 증발이 이뤄진다. 양성자가 파괴되어 전자와 양전자로 분리 되는데, 모두 소멸하고 광자만 남는다. 즉, 우주가 팽창을 지속하게 될 수록 모든 것은 붕괴되고 광자만 남게 되는 것이다. 그럼 결국엔 우리 우주는 빛으로 가득찬 세상이 된다고 얘기할 수 있다.

3가지 시나리오 의 우주팽창

그렇다면 과연 우주는 팽창을 무한히 지속할까? 여기에 관련하여 과학자들은 3가지 관측을 내놓았다. 첫번째, 팽창과 수축을 반복하는 '닫힌우주' 와 영원히 팽창 한다는 '열린우주' 마지막으로 영구히 팽창하지만 팽창률은 0에 근접한다는 '평탄우주' 가 있다. 닫힌 우주와 열린 우주를 가름하는 것이 우주의 밀도 차 인데, 예를 들어 지구만한 공간에 10mg의 물질이 있으면 닫힌 우주가 되고 그 이하면 열린 우주가 되는 것이다.  닫힌 우주 이론대로 라면 우주는 언젠가 팽창을 멈추고 수축하게 될 것이다. 은하는 서로 접근하여 온도가 올라가고, 그에 따라 별이 녹게 된다. 이런식으로 팽창이 진행 되면 원자핵이 녹아내리고 마침내 빅뱅의 길을 거슬러 올라가게 될 것이다. 이런 우주론을 믿는 사람은 아직 많지 않은 듯 하다. 왜냐하면 영원히 팽창과 수축을 되 풀이 한다고 가정할 때 지금 말고 팽창 할 때의 우주를 설명할 수 없기 때문이다. 

최근엔 대통일 이론을 기초로 한 '인플레이션 이론(평탄 이론)' 에 좀더 무게감을 두고 있는 것 같다. 이 이론이 주목을 받게 된 이유는 우주론의 수수께기 였던 '지평선 문제' 를 해결 했기 때문이다. 우주의 지평선이란, 우주가 탄생 할 때 발생한 빛이 지금 도달한 한정적인 장소를 말한다. 하지만 우주배경복사 가 발견 되면서 문제가 불거 졌다. 우주배경복사 가 우주의 어느 방향에서건 균일하게 오는 전자파로 빅뱅의 흔적이라고 판단하고 있기 때문이다. 

인플레이션 우주론에 따르면 우주의 모든 것은 초기의 우주에 발생한 작은 거품에서 유래한다고 한다. 이 거품안에는 높은 양자장이 포함되어 있고, 이것이 팽창을 일으키게 된다. 그런데 이상한 것은 그런 급속한 팽창에서도 우주 물질은 매우 작은 밀도로 엷어지게 되었다는 것이다. 인플레이션이 시작 되기 전의 입자는 현재 어디에서도 남아 있지 않는다. 인플레이션 우주에서 팽창하는 거품 저편의 시공은 거품 내부의 시공과는 다르다. 거품 저편의 상황에 대해서는 아직 아무런 단서가 없다. 왜냐하면 그곳에서 보내진 빛이 아직 도착하기 않았기 때문이다. 우리 우주가 영구히 존재 한다면 언젠간 거품 저편의 또 다른 우주의 소식이 전달 되지 않을까?