우주는 얼마나 크고, 과연 끝은 있을까[김정욱의 별별 이야기](3)

[서울경제]

마지막 남은 블루오션 우주. 미국과 러시아, 중국, 인도 등은 일찌감치 우주의 가치에 눈을 뜨고 그 공간을 개척하고 있습니다. 우리나라도 자체 기술로 만든 위성발사용 로켓 누리호를 쏘아올리고 ‘우주항공청’을 설립하면서 본격적으로 우주 개발에 뛰어들고 있죠. 미지의 우주 그 광활하고 거대한 세계에 대한 이야기를 어린이부터 성인까지 누구나 쉽게 이해할 수 있도록 재미있게 풀어내려 합니다. <편집자주>

지구로부터 2400광년 떨어진 ‘베일성운’의 모습. 지구에서 빛의 속도로 2400년을 가야하는 엄청난 거리지만 우주적 관점에서 보면 매우 짧은 거리에 불과하다. 나사 공개사진

우주에 대해 조금이라도 관심이 있는 사람이라면 우주의 크기가 어느 정도인지 궁금증을 가져봤을 것입니다. “과연 우주의 크기는 어느 정도이며, 우주는 끝이 있을까? 없을까?”, “우주의 끝이 있다면 과연 어디이고, 끝에는 뭐가 있을까?, “우리가 우주 끝까지 가볼 수 있을까?” 이 같은 궁금증은 우주에 대한 공상과 상상을 할 때 자연스럽게 드는 생각입니다.

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계속 커지는 우주, 어디까지 관측할 수 있을까

이 궁금증과 관련해 우주의 끝을 가보거나 관측할 수 있는 기술은 안타깝게도 현재로서는 존재하지 않아요. 앞으로 과학기술은 계속 발달하겠지만 아무리 과학기술이 진보한다고 해도 현재의 예측으로는 우주의 끝을 가보거나 관측할 수 없어요.

그 이유는 빅뱅에서 찾을 수 있습니다. 빅뱅 직후 우주의 팽창 속도는 우리의 상상을 초월할 만큼 빨랐고 현재도 우주는 팽창하고 있죠. (‘빅뱅’이 무엇인지는 2023년 3월 13일자 서울경제 기사 ‘무에서 유가 생겨나다···우주, 그 위대한 탄생’을 참조하시면 됩니다)

빛의 속도보다 더 빠른 게 우주의 팽창 속도입니다. 아인슈타인의 상대성 이론에 따르면 빛보다 빠른 물질은 없는데 어떻게 우주의 팽창 속도가 빛의 속도보다 빠를 수 있다는 걸까요? 아인슈타인의 상태성 이론이 틀린 것일까요? 아니면 빅뱅이론이 틀린 것일까요? 이런 의문도 들 것입니다.

이에 대한 해답은 간단해요. 팽창하는 우주는 물질이 아니라 공간이기 때문이죠. 공간의 팽창 속도가 빛보다 빠르다는 것은 상대성 이론에 어긋나지 않는 답니다.

놀라운 점은 우주의 팽창속도는 시간이 지날수록 빨라지고 있다는 거죠. 우주가 팽창할수록 지구와 별들 또 별과 별 사이는 멀어져 천문학자들은 앞으로 1500년 정도 지나면 밤하늘에서 우리가 볼 수 있는 별들이 지금보다 훨씬 줄어들게 될 것으로 예상합니다.

현존하는 최고의 우주망원경 ‘제임스웹’. 이 망원경은 우주의 끝을 볼 수 있을 것 이라고 할 만큼 그 성능은 기대 이상이다. 나사 공개사진

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빛보다 빠른 우주의 팽창 속도···갈수록 빨라져

우주의 팽창 속도는 이처럼 너무 빨라 아무리 과학이 발달해 빛의 속도로 날 수 있는 우주선이 개발돼도 우주가 팽창하는 부분, 즉 우주의 끝에는 도달할 수는 없어요. 빛 보다 빠른 물질(물체)은 없다는 게 우주의 물리법칙이고, 우주 공간은 빛보다 빠른 속도로 커지고 있기 때문이에요.

이에 천문학자들은 우주의 끝에 대한 정확한 정의를 내리지 못하고 있지만 이를 ‘관측 가능한 우주’로 설명을 합니다. 현재 인류가 알아낸 우주는 반지름이 460억 광년이므로 우주의 크기를 920억 광년 정도라고 보고 있어요. 물론 이 920광년이라는 크기는 잠정적인 것이고, 현재 관측과 계산을 종합하면 우주는 이 보다 더 크다는 게 과학자들의 중론입니다.

그렇다면 관측 가능 한 우주의 끝에는 뭐가 있을까요. 천문학자들과 물리학자들은 관측 가능한 우주 밖은 어떤지, 뭐가 있을지 연구하고 있지만 이는 인류가 절대 알아낼 수 없는 영역으로 상상에 맡길 수 밖에 없다고 보고 있습니다.

이에 과학자들은 “관측 가능한 우주가 바로 우주의 끝이다”, “관측 가능한 우주보다 우주는 더 넓게 뻗어 있을 것이다” 등이라고 추론하고 있지만 정답은 없죠. 이 부분은 인류가 절대 알아낼 수 없는 영역이지만 그 대신 재미있고 흥미로운 추론과 상상, 이론을 펼쳐낼 수 있게 합니다.

그래서 현재 과학자들이 우주의 크기와 끝에 대한 결론은 잠정적으로 이렇게 내렸어요. “우주는 끝이 있으면서도 끝이 없다”라고. 우주가 팽창하는 부분이 우주의 끝이고 또 그 팽창은 계속 되고 있으니 우주의 끝은 없는 셈이라는 과학자들의 의견에 무게가 더 실려 있습니다.

김정욱 기자 mykj@sedaily.com