우주의 나이는 약 138억 년이고, 현재 관측 가능한 가장 유력한 종말 시나리오는 '열적 죽음'입니다. 처음 이 사실을 접했을 때, 솔직히 "우주도 결국 죽는구나"라는 생각이 들면서 묘하게 먹먹해졌습니다. 거대하고 영원할 것만 같은 우주에도 끝이 있다는 것, 그리고 그 끝을 과학이 조금씩 구체화하고 있다는 것이 신기하기도 하고 무섭기도 했습니다.
열적 죽음, 정말 가장 유력한 결말일까
우주의 운명을 이야기할 때 가장 자주 등장하는 시나리오가 세 가지입니다. 열적 죽음, 빅 립, 빅 크런치. 이 중에서 현재 관측 데이터를 바탕으로 가장 유력하게 꼽히는 것은 열적 죽음입니다.
열적 죽음이란 우주가 팽창을 계속하면서 은하들이 서로 멀어지고, 별들이 하나씩 꺼지고, 결국 에너지를 사용할 수 있는 구조 자체가 사라지는 상태를 말합니다. 지금으로부터 약 1,000억 년 뒤면 우리 로컬 그룹 밖의 은하들은 사실상 연락도, 도달도 불가능한 거리로 밀려납니다. 그 이후에도 별은 계속 생겨나고 꺼지겠지만, 최장 수명을 자랑하는 적색왜성조차 10의 14승 년을 넘기지 못합니다.
제가 이 부분을 읽으면서 가장 소름이 돋았던 건 지금 우리가 보는 밤하늘이 사실상 '가장 별이 많이 보이는 시기'에 해당할 수 있다는 점이었습니다. 수백억 년 뒤의 관측자에게는 지금 우리가 당연하게 여기는 별 가득한 하늘이 존재하지 않을 수도 있다는 이야기니까요.
열적 죽음이 유력하다고 보는 이유는 현재 우주의 약 68%를 차지하는 암흑에너지가 우주 팽창을 가속시키고 있고, 이것이 이른바 '우주 상수'처럼 일정하게 작동하고 있다는 관측 결과 때문입니다. 팽창이 멈추지 않는 한 빅 크런치는 일어나지 않고, 암흑에너지가 일정하게 유지되는 한 빅 립도 발생하지 않습니다. 그래서 기본값처럼 남는 결론이 열적 죽음인 셈입니다.
암흑에너지가 흔들리면 운명도 바뀐다
그런데 최근 DESI라는 대규모 우주 구조 관측 프로젝트의 데이터가 흥미로운 가능성을 제시했습니다. 암흑에너지가 시간에 따라 변하고 있을 수 있다는 것입니다.
암흑에너지의 상태를 나타내는 핵심 지표는 w라는 값인데, 이것이 -1이면 완벽한 우주 상수, 즉 열적 죽음으로 가는 궤도입니다. 그런데 DESI 데이터를 CMB(우주배경복사)나 초신성 관측 데이터와 함께 분석하면, w가 최근 들어 -0.8 수준으로 올라오는 경향이 보인다는 겁니다. 수치만 보면 작은 변화 같지만, 이게 지속된다면 우주의 미래는 완전히 달라질 수 있습니다.
w가 -1보다 더 음수 쪽으로 떨어지면 암흑에너지가 강해져서 약 220억 년 안에 빅 립이 일어날 수 있습니다. 반대로 w가 계속 올라가서 0보다 커지면 팽창이 멈추고 우주가 수축하는 빅 크런치로 가게 됩니다. 그리고 더 극단적인 가능성으로, 현재 우주가 '가짜 진공' 상태에 있고 언젠가 '참 진공'으로 전이되면서 빛의 속도로 퍼지는 붕괴 거품이 모든 것을 순식간에 파괴한다는 시나리오도 수학적으로 배제되지 않습니다.
솔직히 이 부분은 읽으면서 좀 어지러웠습니다. w 값 하나가 어떻게 이렇게까지 극단적인 결과 차이를 만들어내는지, 직관적으로 이해하기까지 시간이 꽤 걸렸습니다. "현재 가장 유력하다"라고 말해놓고 바로 뒤에서 "하지만 이럴 수도 있고 저럴 수도 있다"는 전개가 반복되다 보니, 읽는 입장에서는 중심을 잡기가 애매했던 것도 사실입니다. 과학적으로는 당연한 태도지만, 독자로서는 조금 더 무게중심을 잡아줬으면 좋겠다는 생각이 들었습니다.
관측이 답을 바꿀 수 있다는 것, 그게 핵심이다
결국 우주의 운명을 결정짓는 건 w 값이고, 그 값을 정밀하게 측정하는 것이 앞으로 가장 중요한 과제입니다. 현재 그 임무를 위해 여러 관측 프로젝트가 가동 중이거나 준비 중입니다. ESA의 유클리드 미션, NASA와 Caltech이 함께하는 SPHEREx, 그리고 베라 C. 루빈 천문대가 대표적입니다. 이 관측들이 목표로 하는 것은 바리온 음향진동이라는 우주 초기의 흔적을 은하 분포 속에서 정밀하게 읽어내는 것인데, 이를 통해 w의 변화를 1% 오차 이내로 측정할 수 있다면 우주의 운명도 훨씬 명확해질 것으로 보입니다.
제가 이 부분에서 가장 인상 깊게 느낀 건, 과학이 "모른다"고 말하는 방식이었습니다. 어떤 분들은 "우주의 운명도 못 밝히냐"며 답답해할 수 있는데, 저는 오히려 "지금 데이터로는 이 정도까지 알 수 있고, 이런 관측을 하면 더 좁혀질 것"이라는 태도가 더 신뢰감을 줬습니다. 확정된 답을 주는 척하지 않는다는 것, 그게 진짜 과학다운 모습이라고 생각합니다.
다만 한 가지 아쉬운 점을 꼽자면, 10의 100승 년 같은 숫자들이 쏟아질 때 현재 우리가 보고 있는 하늘과 어떻게 이어지는지를 좀 더 구체적으로 연결해 줬다면 몰입감이 더 높았을 것 같습니다. 너무 먼 미래 이야기라는 느낌이 들수록 현실감이 흐려지거든요. 제 경험상 이런 거대 스케일의 글은 현재와의 접점을 얼마나 잘 잡아주느냐에 따라 독자의 체감 온도가 크게 달라집니다.
결국 우주가 어떻게 끝날지는 아직 아무도 모릅니다. 열적 죽음이 가장 유력하지만, 암흑에너지가 조금만 다르게 움직여도 그 결론은 완전히 뒤집힐 수 있습니다. 저는 그 불확실성 자체가 이 주제를 계속 들여다보게 만드는 이유라고 봅니다. 앞으로 유클리드나 루빈 천문대의 데이터가 쌓이면 지금과는 다른 결론이 나올 수도 있습니다. 그때 다시 이 글을 꺼내보고 싶다는 생각이 들었습니다.
참고: https://bigthink.com/starts-with-a-bang/how-when-universe-die/