우주의 종말

[Jaybe]

우주의 종말(Ultimate fate of the universe)은 우주물리학에 있어서 우주의 진화의 최종단계라고 하는 것입니다. 다양한 과학 이론에 의해 다양한 종언이 그려지고 있고, 존속기간도 유한, 무한의 양방향이 제시되고 있습니다.

우주는 빅뱅으로부터 시작되었다고 하는 가설은 많은 과학자들에 의해 합의를 얻어 왔습니다. 우주의 종언은 우주의 질량/에너지, 우주의 평균 밀도, 우주의 팽창률이라고 하는 물리적 성질에 의존하고 있습니다. 우주의 종언은 SF에서도 중요한 과제입니다.

20세기 초까지, 우주에 관한 과학적인 묘사의 주류는 ‘우주는 영원히 변하지 않은 채로 존재를 계속할 것이다’라고 하는 것이었습니다. 이와 같은 우주 모델은 현재는 정상우주론으로서 알려져 있습니다. 하지만 1920년대 허블이 우주의 팽창을 발견한 것으로 우주의 시작과 끝이 과학적 연구의 중요한 대상이 되었습니다.

우주의 시작은 빅뱅으로 널리 알려져 있습니다. 우주의 종언에 관한 이론은 크게 3개의 그룹으로 나뉩니다.

① 종언은 없다. 현재 관측결과에도 불구하고, 우주는 이제까지 믿어지는 것과 같이 영원한 것입니다.

② 일시적으로 종언을 맞이한다. 빅뱅 전에는 빅크런치(Big Crunch)가 있었습니다. 우주는 장래 다시 빅크런치를 맞이하고, 다시 빅뱅으로 돌아가 팽창할 것입니다. 이와 같은 일이 영원히 계속됩니다.

③ 영구적으로 종언을 맞이한다. 우주 자체에 종언은 없으나 우주 내부의 존재 모두가 일정한 평균상태에 달하게 됩니다. 어느 시점에서 중력이 우주팽창을 상회하여 우주는 수축으로 전환되어 한 점으로 모일 것입니다.

현대의 이론은 모두 우주론적 추측을 하기 위해 공통의 배경을 가지고 있는 일반 상대성 이론을 받아들여야 합니다. 이와 같은 이론의 대부분은 일반 상대성의 방정식의 해로서, 우주의 평균밀도나 우주정수의 값이라고 하는 패러미터만 다를 뿐입니다.

무한의 시간, 유한의 수명

2006년까지 얻어진 다양한 관측결과에서, 우리들의 우주는 시공의 왜곡이 0인 평탄한 우주라는 것이 가장 유력합니다. 일반 상대성 이론에 의하면 평탄한 우주 모델은 체적이 무한대로 열린 우주로서, 영원히 팽창하면서 존재를 계속하게 됩니다. 우주내부의 환경은 우리들이 알고 있듯 생명이 존재할 수 없는 상태로 있는 시점으로 안정되어 있습니다. 이와 같은 우주 모델 하에서 먼 장래에 일어날 현상을 정확히 추측하는 것은 아주 어려우나, 다음과 같은 현상이 일어날 것으로 생각됩니다.

별 형성의 정지

현재의 우주에서는 통상의 물질의 대부분은 천체, 특히 항성과 성간 가스의 모양으로 존재하고 있습니다. 항성은 시간과 함께 진화하고 가벼운 별은 백색왜성으로서 일생을 마칩니다. 무거운 별은 진화도중에 질량방출이나 초신성 폭발에 의해 물질의 대부분을 성간 가스로 되돌리고, 질량의 일부가 중성자성이나 블랙홀이 됩니다, 성간 가스의 고밀도 부분이 수축되면 다시 항성이 됩니다. 이와 같이 바리온(우주 통상 물질)은 순환하고 있으나 항성의 진화 사이클마다 일부의 질량이 백색왜성이나 중성자성, 블랙홀이라고 하는 컴팩트한 천체로서 고정되므로, 오랜 시간이 지나 새로운 별 형성은 일어나지 않게 될 것이라고 생각됩니다. 일설에 의하면, 이와 같은 상태가 되기까지의 시간은 약 1014년(100조년) 정도로 보고 있습니다.

별 형성이 일어나지 않게 되면 우주에는 가시광선을 발하는 천체는 점점 줄어들게 되고, 머잖아 냉각되어 컴팩트 천체의 미열이 적외선이나 전파로 보여지게 될 것이라고 합니다.

블랙홀의 성장

질량이 태양의 8배 정도보다 무거운 항성은 초신성 폭발을 일으킵니다. 태양의 20배 정도보다 무거운 항성에서는 초신성 폭발 후 블랙홀이 만들어질 것으로 생각됩니다. 하나의 은하에서 일어나는 초신성 폭발은 약 100년에 1번 정도라고 하는데, 간단하게 계산해도 하나의 은하에는 현재 약 1억개 정도 항성질량 클래스의 블랙홀이 존재하게 됩니다. 또, 1990년대 이후의 관측에 의해 많은 은하의 중심에는 100만에서 1억이라고 하는 대질량 블랙홀도 존재하는 것이 확인되고 있습니다.

블랙홀은 주변의 물질을 삼켜가면서 성장합니다. 또, 은화와 같이 자기중력다체계 중에서는 동력학적 마찰이라 불리는 과정에서 질량이 큰 천체가 계의 중심으로 빠져가는 경향이 있습니다. 이와 같이 블랙홀은 성장하면서 은하 중심을 향해 모이고, 서로 합체하여 더 크게 성장하는 과정이 생각됩니다. 이와 같이 하여 머잖아 은하중심의 대질량 블랙홀이 은하 전체의 질량을 모두 삼키게 됩니다. 이와 같은 상태에 이르기까지의 시간은 10^30년 정도로 보고 있습니다.

물질을 삼킴으로 성장하고 있는 블랙홀은 주변에 응축원반을 형성합니다. 응축원반은 X선이나 Y선을 방사시키므로, 이 시대의 우주에는 이와 같은 X선, Y선만이 보여 지는 것입니다.

우주 전체에는 은하끼리 모여 있는 은하단이나 은하단끼리 더욱 중력적으로 이끌려 필라멘트 모양으로 연결된 대규모 구조라 불리는 구조도 존재합니다. 이 계층적 구조 중 우주팽창에서 떨어져 역학적 평균상태에 도달하는 것은 은하단까지입니다. 따라서 은하 질량 클래스의 초거대 블랙홀끼리 자기중력으로 더욱 집합한다고 해도 1개로 합체할 수 있는 것은 은하단 질량까지로서 그보다 큰 구조에 관해서는 블랙홀이 합체하는 것 보다 우주팽창에 의해 멀어지는 속도가 빠르다고 생각됩니다. 따라서 이와 같은 블랙홀의 성장과정은 블랙홀이 은하~은하단 정도의 질량이 된 시점에서 멈추고 이후에는 이와 같은 초거대 블랙홀이 우주에 산재한 상태가 되며 서로 우주팽창으로 멀어져 가게 될 것입니다.

블랙홀의 증발

블랙홀은 물질이나 빛을 빨아들임과 함께 그 질량에 응한 온도로 열방사를 하여 증발합니다. 이것을 호킹방사라고 합니다. 블랙홀의 온도가 외계보다 낮은 경우에는 외계의 방사를 흡수하여 성장하고, 블랙홀의 온도가 외계보다 높은 경우에는 방사를 빼서 증발합니다. 현재의 우주의 온도(우주 마이크로파 배경방사의 온도)는 약 2.7K로서, 이 온도로 증발하는 블랙홀은 달의 질량 정도보다 가벼운 블랙홀에 한정되지만, 우주가 팽창하여 우주배경방사의 온도가 60nK까지 내려가면 항성질량 정도의 블랙홀도 증발하게 될 것입니다. 게다가 10^-19K정도까지 온도가 내려가면, 은하질량 클래스의 대질량 블랙홀도 증발을 시작합니다. 우주배경방사의 절대온도는 우주의 스케일 인자에 반비례하므로, 우주가 이 온도에 달하는 것은 우주가 현재의 10^19배의 크기까지 팽창한 시점입니다. 이 시점이 되는 것은 약 7300억년 후라고 보고 있습니다. 따라서 은하 질량 클래스의 거대 블랙홀이 형성될 무렵에는 우주는 이와 같은 거대 블랙홀이라고 증발할 정도로 저온이 됩니다.

블랙홀의 증발이 시작되면서 모든 증발이 끝나기까지는 오랜 시간이 걸립니다. 태양 질량 정도 블랙홀의 증발 시간은 약 10^67년입니다. 증발시간은 블랙홀의 질량의 3승에 비례하므로, 은하 질량 클래스의 블랙홀이 증발을 다하기까지는 10^100년이 걸립니다.

빅칠(Big Chill)

블랙홀이 모두 증발한 후에는 우주배경방사의 광자와 블랙홀의 증발로 만들어진 광자만이 우주를 채우는 상태가 됩니다. 이 시대의 우주는 절대0도로 한없이 가까워지며 광자 에너지는 아주 낮습니다. 따라서 이런 광자에서 다시 물질입자가 생성되는 것은 있을 수 없으며, 방사(Radiation)만이 존재하는 우주가 지수관수적으로 팽창해가고, 절대0도를 향해 영원히 냉각을 계속할 것입니다. 이 극저온의 상태는 빅프리즈 (Big Freeze) 또는 빅칠(Big Chill)이라고 합니다. 이것은 19세기에 생각된 엔트로피의 증대의 과정과는 다른 물리과정의 결과 생기는 것으로서, 온갖 열적 죽음과는 다른 상태입니다.

빅립(Big Rip)

2003년 우주는 모든 물리적 구조가 엉망진창이 되는 빅립에 의해 종언이 될 것이라고 하는 논문이 발표되었습니다. 이 가설에는 우주정수가 시간의 증가관수가 되어 있으므로 우주의 팽창은 통상의 드 지터 우주적 가속팽창 이상의 페이스로 가속됩니다. 이 강력한 가속팽창에 의해 우주팽창과 떨어져 현재 안정적으로 존재하고 있는 모든 물리적 구조가 머잖아 소립자까지 흩어져 버립니다. 우주는 영원히 가속하면서 서로 멀어지는 소립자만 남게 될 것이라는 주장입니다.

빅크런치(Big Crunch)

빅크런치(Big Crunch) 이론은 시간대칭적인 우주의 일생을 제시합니다. 빅뱅에 의해 우주의 팽창은 개시되었으나, 이 이론에서는 팽창을 정지시키고 수축으로 전환되는데 충분한 질량이 우주에 존재한다고 가정하고 있습니다. 이 수축에 의한 결과, 무엇이 일어날지는 명확하지 않습니다. 우주에 있는 모든 물질과 시공은 무차원의 특이점으로 수습된다고 하는 단순한 추측도 있으나, 이와 같은 스케일에서는 일반 상대성 이론으로 무시되고 있는 양자력학적 효과를 이론으로 취할 필요가 있습니다. ‘진동우주’로서 다시 우주가 팽창으로 전환될지도 모른다고 하는 과학자도 있습니다.

유한의 우주로 문명을 영속시키는 방법

충분히 진보한 우주문명이라면 유한의 에너지를 이용하는 것으로 무한의 시간에 걸쳐 존속하는 방법을 도출할 것이라 생각하는 물리학자도 있습니다. 저온사를 맞이하게 되는 우주라도, 활동이나 사고의 속도를 서서히 떨어트려 반 동면상태가 되는 것으로 문명이 영원히 존속할 것이라 합니다. 예를 들면, 1억년에 1클럭의 정보 처리밖에 하지 않아도 영원히 우주가 존재하는 것이라면, 무한의 주관시간을 취할 수 있습니다.

빅크런치 와중에 있는 문명에 있어서는 역의 방법이 있습니다. 빅크런치에서 방대한 에너지를 취하여 종말이 가까워지는 이상 생명활동의 클럭을 올려 유한의 남은 시간에서 무한의 주관시간을 취하는 것입니다. 이와 같은 방법은 이론적으로는 가능할지 모르나, 충분히 발달된 문명이 이런 가능성을 실현할 방법을 개발할지는 모릅니다.