관측 가능한 우주 밖에는 어떤 것들이 있나요?

관측 가능한 우주 밖: 무한한 공간인가?

광활한 관측 가능한 우주 밖에는 어떤 것들이 있나요? 궁금증을 해결하는 것은 현대 우주론의 핵심 주제입니다. 단순히 빈 공간이 존재하는지, 아니면 우리가 알지 못하는 새로운 물리적 우주가 펼쳐져 있는지에 대해 현대 과학이 도출한 가설과 우주 팽창의 물리적 한계를 자세히 살펴봅니다.

관측 가능한 우주라는 거대한 구체의 정체

관측 가능한 우주 밖에는 어떤 것들이 있나요? 결론부터 말하자면, 그 너머에는 우리와 똑같이 별과 은하가 가득한 공간이 끝없이 펼쳐져 있거나, 혹은 물리 법칙 자체가 다른 완전히 새로운 우주가 존재할 가능성이 높습니다. 우리가 볼 수 있는 영역은 지름 약 930억 광년의 거대한 구체 안에 한정되어 있으며, 그 경계는 빛이 우리에게 도달할 수 있는 물리적 한계를 의미합니다. ^[1]

저도 처음 이 개념을 접했을 때 우주 끝에 거대한 벽이라도 서 있는 건 아닐까 상상하곤 했습니다. 하지만 과학적으로 볼 때 관측 가능한 우주의 경계는 공간의 끝이 아니라 단지 시야의 끝에 가깝습니다. 우리가 안개 낀 날 길을 걸을 때 시야가 닿는 곳까지만 볼 수 있는 것과 비슷하죠. 안개 너머에 분명 길이 계속 이어져 있듯이, 우리 우주도 그 너머로 계속되고 있을 겁니다. 보이지 않는다고 해서 존재하지 않는 것은 아니니까요.

우주 너머에 무엇이 있는지 설명하는 세 가지 시나리오

현대 우주론은 우주 너머 무엇이 있나에 대한 해답으로 크게 세 가지 가설을 설명합니다. 이 가설들은 수학적 모델과 현재 우리가 관측한 데이터를 바탕으로 추론된 결과입니다.

끝없이 펼쳐진 무한한 확장

가장 지배적인 가설은 관측 가능한 우주 밖에도 지금 우리가 보는 것과 똑같은 우주가 무한히 계속된다는 것입니다. 현재 관측 데이터에 따르면 우주의 곡률은 거의 0에 가까운 평평한 상태입니다. 이는 우주가 구 형태가 아니라 평면처럼 끝없이 펼쳐져 있을 가능성을 시사합니다. 통계적으로 계산했을 때 전체 우주의 크기는 우리가 보는 영역보다 최소 250배 이상 더 클 것으로 추정됩니다. ^[2]

이 시나리오가 흥미로운 이유는 확률 때문입니다. 공간이 무한하다면 입자가 배열될 수 있는 경우의 수도 결국 반복될 수밖에 없습니다. 즉, 어마어마하게 먼 곳에는 우리 은하와 똑같이 생긴 은하가 있고, 심지어 당신과 똑같은 모습을 한 사람이 존재할 수도 있다는 뜻입니다. 소름 돋는 이야기죠? 물론 그 거리는 너무 멀어서 우리가 절대로 소통할 수는 없겠지만 말입니다.

물리 법칙이 다른 거품 우주, 다중우주

영원한 급팽창 이론에 따르면 우리 우주는 더 큰 다중우주의 아주 작은 일부분일 뿐입니다. 빅뱅 직후 우주가 지수함수적으로 팽창하던 시기에 어떤 영역은 팽창을 멈추고 우리 같은 우주를 형성했지만, 다른 영역은 계속해서 팽창하며 새로운 거품 우주들을 만들어냈을 것이라는 설명입니다. 이 거품들은 서로 완전히 격리되어 있습니다.

여기서 중요한 점은 각 거품 우주마다 중력의 세기나 빛의 속도 같은 물리 상수가 다를 수 있다는 것입니다. 어떤 우주는 별이 만들어지지 못할 만큼 중력이 약할 수도 있고, 어떤 우주는 생명체가 살기에 훨씬 적합한 환경일 수도 있습니다. 저는 이 가설이 인류의 상상력을 가장 자극한다고 생각합니다. 우리가 아는 상식이 전혀 통하지 않는 세계가 존재할 수 있다는 사실은 경이롭기까지 합니다.

유한하지만 경계가 없는 닫힌 구조

마지막은 우주가 3차원 구의 표면처럼 휘어져 있다는 가설입니다. 지구 표면을 걷다 보면 끝이 없지만 결국 제자리로 돌아오듯이, 우주 공간도 한 방향으로 계속 나아가면 다시 원래 위치로 돌아오게 된다는 논리입니다. 이 경우 우주는 유한하지만 경계는 존재하지 않습니다.

만약 우주가 이런 구조라면 관측 가능한 우주 밖은 곧 우리가 이미 본 우주의 뒷모습일 수도 있습니다. 하지만 지금까지의 정밀 관측 결과로는 우주가 휘어져 있다는 증거를 찾지 못했습니다. 우주는 우리가 측정할 수 있는 범위 내에서 0.4퍼센트 미만의 오차로 평평함을 유지하고 있습니다. ^[3] 그래서 이 가설은 현재로서는 가능성이 다소 낮게 평가받고 있습니다.

왜 우리는 그 너머를 볼 수 없을까

우리가 우주 너머를 볼 수 없는 근본적인 이유는 빛의 속도와 시간의 한계 때문입니다. 빅뱅이 발생한 지 약 138억 년이 지났으므로, 빛이 아무리 빨리 달려도 그 시간 동안 이동할 수 있는 거리는 정해져 있습니다. 관측 가능한 우주 크기를 결정하는 반지름은 약 465억 광년인데, 이는 우주가 팽창하는 효과를 계산에 넣었을 때의 수치입니다. ^[4]

사실 더 큰 문제는 우주가 그냥 팽창하는 게 아니라 가속 팽창을 하고 있다는 점입니다. 멀리 있는 은하들은 빛보다 더 빠른 속도로 우리에게서 멀어지고 있습니다. 빛 자체가 빛의 속도로 우리에게 오려고 해도, 그 사이의 공간이 더 빨리 늘어나기 때문에 영원히 우리에게 닿지 못하는 것입니다. 결과적으로 우리는 매 초마다 관측할 수 있는 은하들을 영원히 잃어버리고 있는 셈입니다.

솔직히 말씀드리면 이 사실을 처음 깨달았을 때 약간의 상실감을 느꼈습니다. 인류가 아무리 기술을 발전시켜도 영영 도달할 수 없는 영역이 매 순간 늘어나고 있다는 뜻이니까요. 우주의 94퍼센트에 달하는 은하들은 이미 우리가 빛의 속도로 여행하더라도 절대 도달할 수 없는 영역으로 넘어가 버렸습니다.^[5] 우주는 생각보다 훨씬 더 폐쇄적인 공간일지도 모릅니다.

우주의 끝에 대한 오해와 진실

많은 분이 우주 밖의 공간에는 암흑이나 공허, 혹은 무(Nothingness)가 있을 것이라고 생각합니다. 하지만 이는 공간을 담는 그릇이 따로 있다고 믿는 고전적인 오해입니다. 우주 밖에는 공간이나 시간 자체가 존재하지 않거나, 혹은 우리 우주와 동일한 시공간이 이어져 있는 것이지 텅 빈 암흑이 기다리고 있는 것은 아닙니다.

기억하시나요? 제가 서두에서 언급했던 우주 끝의 벽 이야기 말입니다. 실제로는 그런 물리적 장벽은 존재하지 않습니다. 만약 당신이 관측 가능한 우주의 끝에 도달한다면, 그곳에서 당신을 기다리는 것은 또 다른 수천억 개의 은하와 별들일 것입니다. 그 지점에서 다시 주위를 둘러보면 당신은 다시 당신만의 새로운 관측 가능한 우주 중앙에 서 있게 됩니다. 공간의 주인은 어디에나 있고 동시에 어디에도 없습니다.

관측 가능한 우주와 전체 우주의 주요 차이점

관측 가능한 우주 (Observable Universe)

• 지름 약 930억 광년 (반지름 약 465억 광년)

• 가속 팽창으로 인해 시간이 지날수록 실제 도달 가능한 영역은 감소

• 빅뱅 이후 빛이 도달할 수 있었던 시간적, 물리적 한계 범위

• 약 2조 개의 은하와 수많은 별, 암흑 물질, 암흑 에너지

전체 우주 (Entire Universe - 가설적)

• 최소 관측 가능한 우주의 250배 이상, 혹은 무한함

• 공간 자체가 생성되고 팽창하며 그 구조가 계속 확장됨

• 인간의 시각적 관측 범위를 완전히 벗어난 이론적 실체

• 우리 우주와 동일하거나 물리 법칙이 다른 다중우주의 집합

과학교사 김민준 씨의 우주 상상 수업

경기도의 한 고등학교에서 과학을 가르치는 김민준 씨는 아이들에게 우주의 크기를 설명할 때마다 벽에 부딪혔습니다. 학생들은 우주 밖이 그냥 검은 색 도화지 같은 공간이라고 믿었고, 930억 광년이라는 숫자를 전혀 체감하지 못했습니다.

민준 씨는 학교 운동장 한복판에 아주 작은 모래알 하나를 두고 이를 지구라고 가정했습니다. 하지만 우주의 끝을 설명하려고 시도할 때마다 운동장 너머 아파트 단지까지 가도 거리가 턱없이 부족하다는 사실에 본인 스스로도 당혹감을 느꼈습니다.

결국 그는 거리의 수치보다 빛의 도달 가능성에 집중하기로 했습니다. 학생들에게 깜깜한 밤에 손전등을 비췄을 때 불빛이 닿는 곳까지만 보이지만 그 너머에도 길은 계속된다는 비유를 들었고, 비로소 학생들은 관측 가능한 우주의 개념을 이해하기 시작했습니다.

수업 후 학생들의 질문 수준이 30퍼센트 이상 깊어졌으며, 민준 씨 본인도 우주론을 다시 공부하며 우리가 보는 것이 전부가 아니라는 사실에서 겸손함을 배우는 계기가 되었다고 회상합니다.