한 해가 지나면 누구나 자연스럽게 한 살씩 나이가 들어갑니다. 그런데 우주의 나이는 과연 몇 살일까 궁금하지 않나요? 우주의 나이를 알기 위해서는 먼저 우주가 언제 태어났는지부터 찾아봐야 하겠습니다. 고대 신화부터 현대 과학 발견에 이르기까지 인류는 오랫동안 오래된 질문인 우주의 나이는 몇 살인지 이해하려고 노력해 왔습니다. 그리고 우주이론에서 가장 흥미로운 개념 중 하나인 우주 팽창 이론에 대해 알아보겠습니다. 20세기 초부터 천문학자와 물리학자들은 우리 우주가 정지된 상태가 아니라 지속적인 팽창을 겪고 있다는 생각에 매료되었습니다. 태초의 우주는 먼지만큼 작았을까요? 우주도 언젠가는 사라질까요?
우주의 탄생 빅뱅이론
현재 알려진 우주의 나이는 약 138억 년입니다. 나이가 얼마나 많은지 체감하기 어려울 정도로 어마어마한 숫자입니다. 인간이 태어난 순간부터 지금까지 흐른 시간을 나이로 계산하듯 우주도 탄생한 순간을 1월 1일 0시로 정한 것입니다. 그렇다면 우주는 언제 탄생하였을까요? '빅뱅(Big Bang)'은 우주에서 일어난 대폭발을 말합니다. 빅뱅 이론에 따르면 태초의 우주는 먼지만큼 아주 작은 입자만 존재했습니다. 그러다 온도와 밀도가 급격하게 높아지면서 대폭발(빅뱅)을 일으키는 바람에 지금과 같이 엄청나게 팽창하게 된 것입니다. 태초에 오로지 빛만 있었던 우주가 어마어마한 폭발을 일으키면서 수소와 헬륨으로 이뤄진 원자가 만들어지고, 이들이 서로 뭉쳐 은하가 만들어졌다는 것입니다. 빅뱅이라는 용어는 1949년 BBC 라디오 방송 중 천문학자 프레드 호일(Fred Hoyle)에 의해 만들어졌지만, 이 개념은 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 기초하여 조르주 르메트르(Georges Lemaître)와 알렉산더 프리드만(Alexander Friedmann)과 같은 과학자들이 이전에 제안하고 개발한 개념이었습니다. 빅뱅 이론은 우주가 믿을 수 없을 정도로 뜨겁고 밀도가 높은 특이점, 즉 밀도와 온도가 무한한 지점에서 시작되어 전체 우주가 팽창하고 진화했다고 가정합니다. 이러한 팽창으로 인해 물질과 에너지가 급속히 냉각되고 팽창하여 기본 입자, 원자, 그리고 결국에는 은하, 별, 행성이 형성되었습니다. 빅뱅 이론을 뒷받침하는 증거는 초기 우주의 유물 방사선인 우주 마이크로파 배경(CMB) 관찰을 포함하여 다양한 출처에서 나옵니다. CMB는 하늘 전체에 걸쳐 약간의 온도 변동을 보여주며, 불과 수십만 년 전의 우주 상태에 대한 스냅샷을 제공합니다. 또한 우주에서 관찰되는 수소, 헬륨과 같은 가벼운 원소의 풍부함은 빅뱅 당시 초기 우주의 상태에 기초한 예측과 일치합니다. 더욱이, 은하의 분포와 우주 그물 같은 우주의 대규모 구조에 대한 관찰도 뜨겁고 밀도가 높은 상태에서 시작된 팽창하는 우주의 개념을 뒷받침합니다.
요약하면, 풍부한 관측 증거를 바탕으로 뒷받침되는 일반적인 과학적 합의는 우주가 약 138억년 전에 빅뱅으로 알려진 사건으로 탄생했다는 것입니다. 이 중추적인 순간은 우주 진화의 시작과 우리가 알고 있는 우주의 형성을 의미했습니다. 우주의 나이를 알기 위한 또 다른 방법으로는 천문학자들은 허블과 같은 우주 망원경을 통해 은하계를 샅샅이 뒤져 가장 오래된 별을 찾고 있습니다. 대부분의 별은 처음 생겼을 때 붉은색을 띠다가 이후 시간이 지날수록 푸른색이 되고, 결국엔 흰색으로 변합니다. 이를 '백색 왜성'이라고 합니다. 에너지가 없는 백색 왜성은 상대적으로 무게가 가볍고 온도가 낮습니다. 아마 지구도 언젠가는 백색 왜성이 될 것입니다. 천문학자들은 우주의 나이를 밝히기 위해 최초의 별을 찾으려 노력하고 있습니다. 현재까지 우리 은하에서 발견된 가장 오래된 별은 '2MASS J18082002-5104378 B'라고 알려져 있습니다.(2018년 기준) 이 별은 135억 년 전에 생긴 것으로 추정 됩니다.
우주 팽창이론
수많은 과학자들은 빅뱅 이후 지금까지도 우주가 팽창하는 중이라고 말합니다. 우주는 빅뱅이 일어난 순간부터 계속 팽창하고 있으니 우주의 팽창 속도만 정확히 알아내면 우주의 나이도 알 수 있는 것입니다. 천문학자들은 우주의 나이를 더욱 정확하게 알아내기 위해 우주의 팽창 속도를 정밀하게 계산하는 법을 연구하고 있습니다. 빅뱅 이론의 기초 위에 세워진 우주 팽창 이론은 끊임없이 팽창하는 우주에서 은하계가 계속 바깥쪽으로 움직이는 현상을 설명합니다. 1920년대 에드윈 허블과 같은 천문학자들이 처음 제안한 이 개념은 우주 진화에 대한 우리의 이해에 혁명을 일으켰습니다. 은하들이 서로 멀어지고 있다는 허블의 발견은 우주 팽창에 대한 강력한 증거를 제공했습니다. 더욱이 20세기 후반 먼 곳의 초신성을 관측한 결과 예상치 못한 현상이 드러났습니다. 바로 우주의 팽창이 가속되고 있다는 것입니다. 그렇다면 사람이 어느 순간 생명을 다하는 것처럼 우주도 언젠가 사라질까요? 우주의 별들은 지금 이 순간에도 새롭게 만들어지기도 하고 사라지기도 합니다. 별들도 죽음을 맞이하는 것입니다. 언젠가 지구나 태양도 다른 별처럼 사라질 거라고 예측하는 천문학자들도 있습니다. 우주를 형성하는 행성이 사라지면 우주가 끝난다고 말하는 과학자도 있고, 태초의 우주처럼 아주 작은 입자만 남을 거라는 과학자도 있습니다. 반대로 또다시 빅뱅이 일어나 새로운 우주가 태어날 가능성이 있다고 주장하는 과학자도 있습니다.
앞으로 우주가 어떻게 변화할지는 알 수 없지만, 분명한 건 우주에는 우리가 모르는 비밀이 아직 많다는 사실입니다. 우리가 우주의 신비를 계속해서 풀어나가는 동안, 우주의 나이와 우주의 팽창 사이의 관계는 여전히 과학적 탐구의 중심 초점으로 남아 있으며, 우주에 대한 우리의 이해가 계속 발전함에 따라, 우리는 우주의 탄생에 대한 오래된 질문에 더 깊은 통찰력을 얻고 인류를 사로잡은 시간과 공간의 신비를 풀어냅니다.