‘우주의 끝’ 인류가 도달할 수 없는 곳

첨단 과학 기술을 이용해도 인류가 결코 도달할 수 없는 영역이 우주에는 존재한다. 인류가 우주에 도달할 수 있는 위치에 한계가 있다면 우주는 규모가 얼마나 되고 위치는 어디까지일까.

밤하늘을 보면 우주는 무한대 별이 존재하는 것처럼 보이지만 실제로는 별의 수는 한정되어 있고 별이라도 죽음을 맞이한다. 지구가 존재하는 은하계 직경은 최대 20만 광년으로 이 가운데 1,000∼4,000억 개에 달하는 항성이 존재한다. 그냥 광대한 은하계지만 1년에 얼마나 많은 별이 태어나나 싶겠지만 달랑 3개 뿐이라고 한다. 다시 우주에 존재하는 별 가운데 95%가 이미 존재하는 것이며 인류는 우주에서 종막 시기에 살고 있다고 말할 수 있다. 따라서 앞으로도 밤하늘에 빛나는 별은 계속 줄어든다.

그 뿐 아니라 우주가 인류로부터 급속하게 떨어져 있음도 밝혀지고 있다. 우주에는 은하계 뿐 아니라 안드로메다은하 등 50여 개에 이르는 크고 작은 은하가 존재하며 1,000만 광년 범위에 존재하는 여러 은하로 구성되는 게 은하군이다. 또 은하수가 소속하는 건 국부 은하군이다.

또 여러 은하를 정리한 초은하단으로 초은하단도 우주에는 무수히 존재한다. 지구가 존재하는 은하계가 속한 국부 은하군은 라니아케아 초은하단 안에 있다. 현재 관측 가능한 은하는 2조 개 정도 존재한다고 한다. 다만 불행하게도 인류가 빛의 속도로 이동해도 도달할 수 있는 은하는 2조 개 가운데 6% 뿐이다. 관측 가능한 은하 중 94%가 이미 도달할 수 없는 영역에 존재하고 있다는 얘기다. 인류가 도달할 수 없는 은하가 다수 존재한다는 것.

원래 왜 은하가 존재하는지는 빅뱅과 관련이 있다. 빅뱅이 발생한지 10^-36초 시점에서 우주는 아주 작은 에너지 거품이 존재한다. 이 에너지 거품은 완전히 균일하지 않고 일부는 높은 밀도를 갖고 있다. 우주 인플레 과정에서 대리석 크기 에너지에서 수조km 크기 에너지까지 다양한 크기 에너지가 불과 1조분의 1초라는 찰나에 급속하게 확대된다.

급속도로 확대하는 가운데 에너지 밀도 작은 차이가 그대로 은하 사이 거리에 반영되게 된다. 우주는 밀도가 낮은 영역으로 이뤄져 있기 때문에 중력이 뿔뿔이 흩어져 은하를 끌어 같이 이동하고 이로 인해 여러 은하를 정리한 은하군이 형성되어 간다.

한편 우주는 팽창을 계속하고 있으며 이는 멈출 수 없다. 우주에 존재하는 은하는 중력에 의해 구속되는 건 아니기 때문에 우주 팽창에 따라 은하군 사이 거리도 떨어져 버린다. 설상가상으로 우주 팽창이 가속화하고 있다. 이유는 알 수 없으며 암혹 에너지라는 개념이 만들어진다. 우주가 팽창하고 있다는 건 우주에 끝이 존재한다는 걸 의미한다. 하지만 우주 팽창 속도는 빛보다 빠르기 때문에 인류가 우주 끝을 관측할 수는 없다. 따라서 인류가 관측할 수 있는 우주 중 94%는 도달할 수 없는 영역이 되는 것이다.

왜 인간은 도달할 수 없는 영역에 존재하는 별을 관측할 수 있을까. 이유는 인간이 빛을 통해 물건을 보기 때문이다. 빛은 우주 공간을 최고 속도로 이동할 수 있지만 여전히 이동 시간이 걸린다. 지구에 닿는 빛은 우주 곳곳에서 나온다. 은하수 근처에서 빛이 발생해도 빛이 지구에 도달할 무렵에는 빛 발생원이 지구에서 도달할 수 없는 영역까지 이동하는 경우도 있다. 빛이 지구에 도달하는 시간을 가미하면 인류가 관측하는 빛은 먼 옛날에 나온 것으로 빛을 발한 별과 은하가 현재도 같은 위치에 있다고는 할 수 없다.

다시 말해 관측 가능한 우주와 인류가 도달 가능한 우주는 전혀 별개의 문제이며 관측 가능한 우주는 훨씬 넓다. 따라서 어떤 의미에서 우주는 우리 인류에게 손에 닿지 않는 좋은 걸 보여주는 셈이다.

인류는 우주의 먼 옛날 모습을 관찰하고 있기 때문에 우주의 현재 모습을 전혀 모른다. 또 국부 은하군 밖에 있는 우주의 모든 건 언젠가 인류가 관측 가능한 영역을 넘어 떨어져 버린다. 실제로 초당 6만 개에 달하는 별이 인류 관측 가능 권외로 사라지고 있다. 그래도 관측 가능한 우주 공간은 여전히 전체 중 60%가 존재하고 있다. 이런 관측 가능한 지역은 반경 180억 광년 범위를 말한다.

하지만 이 지역에 존재하는 은하군은 아직도 이동을 계속하고 시간이 지나면서 국부 은하군에서 떨어져 나가는 것으로 간주한다. 각 은하군은 초당 500만 광년이라는 속도로 멀어진다. 국부 은하군에서 가장 가까이에 있는 마페이 은하군(Maffei Group)도 극부 은하군에서 빛의 속도로 이동해 1,100만 년이 걸릴 위치에 존재하고 있다. 따라서 국부 은하군이라는 큰 묶음이 인류가 도달할 수 있는 최대 범위라고 과언이 아니다. 이는 전체 우주 중 달랑 0.00000000001% 영역에 해당할 뿐이다.

암흑 에너지 등 알 수 없는 힘이 우주 팽창을 계속해 은하 사이 거리는 멀어져 가지만 동시에 인류가 관측 가능한 영역에 존재하는 별 개수가 증가하는 경우도 있다고 한다. 이는 수십억 년 뒤에는 우리 은하가 안드로메다 은하가 충돌할 것으로 예상되고 있기 때문이다. 이 충돌이 일어나면 잠시 동안 별 형성 과정이 재연될 가능성도 있다고 한다.

또 우주가 팽창을 계속하면 결국 관측 가능한 영역에서 모든 은하가 사라지고 우주에 존재하는 건 우리 은하와 안드로메다 은하가 합체한 새로운 은하 뿐인 것으로 생각하게 될 가능성조차 있다.

인류가 도달 가능한 우주는 전체 중 0.00000000001%로 매주 작은 공간이지만 그럼에도 너무나도 충분히 광대하며 원래 인류는 이 지역을 불편 없이 이동할 수 있는 기술을 만들어낼 수조차 없다.