[하정열 우주화가의 시·그림 우주여행](76) 관측 가능한 우주

인터뷰365 하정열 칼럼니스트 = 우리는 매일 하늘을 바라본다. 특히 찬란하게 빛나는 별이나 두둥실 뜬 보름달은 아름답다 못해 신비스럽다. 우리는 우주 그 중에서 우리 은하의 1%도 안되는 극히 일부분만을 맨 눈으로 볼 수 있다. 또 다른 일부분은 망원경으로 관측이 가능하다. 지구나 우주에 기반한 망원경과 탐사선에서 관측할 수 있는 모든 물질로 구성된 우주 영역을 ‘관측가능한 우주’라고 한다. 관측가능한 우주영역은 얼마나 될까?

우리는 우리가 바라보는 하늘이 우주의 전부인 것처럼 생각한다. 우주의 정의에 대해 정확이 알 필요가 있다. 우주란 행성, 별, 은하계 그리고 모든 형태의 물질과 에너지를 포함한 모든 시공간과 그 내용물 모두를 포함한다. 이러한 우주는 암흑에너지와 암흑물질 및 일반물질로 구성되어 있다. 이것은 다양한 형태들의 에너지로 구성된다. 즉 별, 행성과 위성, 은하 및 ‘은하간 공간(intergalactic space)’의 내용물을 포함한다.

우주는 계속 팽창하면서 진화되고 있음으로 우주의 전체의 크기는 정확하게 알 수 없다. 물리적 우주는 모든 공간과 시간과 그 내용으로 정의된다. 우주는 또한 보존법칙, 고전역학, 상대성이론과 같이 에너지와 물질에 영향을 미치는 물리법칙들을 포함한다. 우주는 종종 ‘존재의 총체’ 또는 ‘존재하는 전부’ 및 ‘존재할 모든 것’으로 정의된다.

뉴턴의 고전역학에 의한 우주론이 확립된 이후 과학계에서는 정상우주론을 정설로 여겼었다. 정상우주론은 시공간이 태초부터 현재까지 언제나 같은 형태를 유지하고 있다는 것이다. 그러나 에드윈 허블이 적색편이를 발견하면서 ‘허블의 법칙’을 수립했고, 1964년에는 우주배경복사가 관측되어 허블의 법칙이 입증되었다.

현대의 우주론은 대폭발 이론으로 허블의 법칙을 바탕으로 하고 있다. 우주가 아주 작은 공간에서 급속히 확산되어 오늘날과 같은 모습이 되었다고 보는 것이다. 대폭발 모형은 우주는 처음에는 극도로 뜨겁고 고밀도인 상태였으며, 우주가 급속히 팽창하면서 냉각되었다고 진술한다. 이 모형은 일반상대성이론과 공간의 균질성 및 등방성과 같은 단순화한 가정에 기반을 두고 있다.

현재 관측 가능한 우주의 크기는 지름이 약 930억 광년으로 추정된다. 대형 망원경이 설치되기 이전에 인류는 하늘에는 우리은하만이 있는 것으로 알고 있었다. 즉 우리은하가 우주의 전부라고 생각했다. 그러나 안드로메다 성운이 별이 아니라 또 다른 은하라고 알려지면서, 은하의 숫자가 급격하게 늘어나기 시작했다. 지금은 관측 가능한 우주에서는 약 1조개 이상의 은하들이 있을 수 있다고 추정하고 있다.

우주가 등방성이라고 가정하면, 관측 가능한 우주의 가장자리까지의 거리는 모든 방향에서 개략적으로 동일하다고 볼 수 있다. 즉, 관측 가능한 우주는 관찰자를 중심으로 하는 구형의 영역이다. 우주의 모든 위치에는 그 자체의 관측 가능한 우주가 있다. 이것은 지구를 중심으로 하는 우주와 겹칠 수도 있고 겹치지 않을 수도 있다.

현재 관측 가능한 모든 천체들은 암흑에너지로 인해 시간이 지나면서 우리 지역의 초은하단 외부에서 점차적으로 더 붉고 희미한 빛을 방출하면서 팽창속도가 가속화되고 있는 것으로 보인다.

관측수단의 발달로 미래에는 더 많은 은하들이 관측될 것이다; 그러나 계속되는 팽창으로 인해 점점 더 많은 은하가 적색편이가 되면서 시야에서 사라지고 또한 보이지 않게 될 것이다. 암흑에너지가 일정하게 유지되어 우주의 팽창속도가 계속 가속된다고 가정하면, 그 한계를 벗어난 천체들에서 방출되는 빛은 결코 지구에 도달할 수 없다. 그 너머에는 천체들이 미래의 어느 시점에서는 관측 가능한 우주에 절대 들어가지 않을 ‘미래 가시성 한계’가 있다.

우주론에서는 대부분 우주라는 용어를 관측 가능한 우주를 의미하기 위해 사용한다. 이것은 많은 이론들이 관측 가능한 우주보다 훨씬 더 큰 한 전체 우주를 요구하지만, 지구와 인과적으로 단절된 우주의 어떤 부분에 대한 직접적인 실험으로는 아무것도 알 수 없다는 근거에서 정당화될 수 있다.

인간은 관측 가능한 우주의 가장자리 너머의 공간은 관찰할 수 없기 때문에 전체 우주의 크기가 유한한지 또는 무한한지는 알 수 없다. 그러나 우리가 관측할 수 있는 은하들이 우주에 있는 은하들의 극히 일부에 불과하다는 것은 분명하다.

이러한 의미를 담아 그림 ‘관측 가능한 우주245001S’를 그리고, 시 ‘미지의 우주 세계’를 썼다.

/우주화가 하정열(Cosmos Painter Ha, Jung-Yul)