우주

우주(宇宙)는 모든 천체를 포함하는 공간을 말한다. 코스모스(Cosmos), 유니버스(Universe), 스페이스(Space), 인터스텔라(Interstellar), 갤럭시(Galaxy)라고도 불리며 각각의 의미는 약간씩 다르다. 먼저 사전적인 의미는 코스모스는 질서 있는 시스템으로서의 우주를 말하는 것이고, 유니버스는 물질/현상의 총칭으로서의 우주, 스페이스는 물질이 존재하고 현상이 일어나는 무한한 공간으로서의 우주, 인터스텔라는 항성 간의, 성간 이라는 의미이고, 갤럭시는 우주의 은하계 공간을 말한다. 정리하면 스페이스는 인간이 갈 수 있는 공간을 의미하고 유니버스는 별과 은하로 채워진 거대한 우주를 포괄하는 개념이고 코스모스는 유니버스에 추가로 주관적 개념이 첨가되는 것으로 종교적으로 접근하는 우주개념이 코스모스이다. 인터스텔라는 별과 별 사이의 공간을 의미하고 갤럭시는 단어 뜻 자체로 은하계를 의미한다. 개념의 범주로 따지면 스페이스<갤럭시<유니버스<코스모스의 순서이다. 영어로 우주를 말할 때 보통 유니버스(Universe)라고 한다.

개요

현재 과학계에서는 우주가 빅뱅을 통해 탄생했다고 설명하는 빅뱅이론이 가장 유력하다. 현재 우주의 나이는 우주배경복사, 중력렌즈 등의 관측을 종합하여 계산하여 약 137억 8,700만 년 정도이다. 최근 조사에 의하면 우주의 나이가 120억 년대 일 수도 있다. 세상에서 가장 빠른 속도인 빛의 속도는 초속 299,792,458m/s로 정해져 있어서 전체 우주의 크기에 비해 관측 가능한 우주의 범위는 너무나 좁다. 빅뱅의 여파와 암흑에너지로 인해 우주 공간은 현재도 계속해서 팽창하고 있으리라 추정한다. 팽창 속도는 거리에 비례해서 늘어나기 때문에 특정 거리 이상의 은하들은 빛보다 빠른 속도로 멀어지고 있다. 그렇기 때문에 현재까지의 이론에 따르면 우리는 이 너머에 있는 우주는 영원히 관측할 수도, 인류와 상호작용도 할 수 없다. 관측 가능하다는 말은 특정한 물체가 내는 각종 파장 등의 신호가 '원리상' 현재 지구에 닿을 수 있다는 뜻이다. 즉 관측 가능한 우주의 범위는 관측지인 지구를 중심으로 구 모양을 이루게 된다. 우리가 현재의 관측 가능한 우주의 경계면에 사는 외계인의 입장에서도 역시 똑같은 크기로 관측 가능한 우주가 펼쳐져 있을 뿐이다. 사실 관측 가능한 우주 외부의 '전체 우주'의 크기에 대해서는 추정할 방법조차 없다. 우주의 크기가 유한한지, 무한한지조차 알 수 없으며 그저 '전체 우주'가 무한하거나, 구의 형태처럼 유한하고 끝이 없거나, 유한하고 끝이 있다면 우리가 상상할 수 없을 정도로 크다는 것이다.

다중우주와 평행우주

다중우주론

우주가 여러 가지 일어나는 일들과 조건에 의해 갈래가 나누어져 서로 다른 일이 일어나는 우주가 사람들이 알지 못하는 곳에서 동시에 진행되고 있다는 것이다. 이 이론은 현행 우주와 별개의 우주가 동시에 존재할 수 있게 되는 것이다. 다중 우주에 따르면 과거로 돌아가 어떠한 영향을 주어도 영향받은 우주와 영향받지 않은 우주가 평행으로 진행되기에 시간 여행에 대한 역설이 발생하지 않아 타임머신이 가능할 수 있다는 견해도 있다. 이 다중 우주에 대해서는 부정적인 견해도 존재한다. 대부분 우리 우주에 영향을 주지 않는, 평행하게 진행하고 있는 다른 우주를 관측하는 것이 불가능한 이상, '관측할 수 없는 것이 존재하고 있다'라는 것은 합당하지 않다는 주장이다.

• 누벼 이은 다중우주(Quilted Multiverse) : 무한히 큰 우주 공간에 걸쳐 평행우주가 반복되고 있는 것이다. 우리가 있는 우주의 크기가 공간적으로 무한하다면 '우리가 관측 가능한 우주'의 모습과 비슷하거나 같은 모습을 가진 또 다른 우주가 그 너머에 존재한다는 이론이다. 우주가 무한하더라도 우리가 인식할 수 있는 우주는 빅뱅 이후 빛이 진행한 거리만큼만 가능하다. 관측 가능한 우주를 이루는 양자적 상태의 개수는 매우 크지만 유한한 값이다. 그렇기 때문에 관측 가능한 우주 너머의 거대한 공간상 어딘가에는 우리의 관측 가능한 우주와 같은 양자 상태를 가진 복제 우주가 존재할 가능성이 있다. 이러한 다중우주들은 모두 같은 공간상에 있기 때문에 같은 물리법칙을 받는다. 실제로 확률이 0에 가까워도 우주의 규모가 무한하면 복제 우주의 수도 무한할 수밖에 없다.
• 인플레이션 다중우주(Inflation Multiverse) : '영원한 인플레이션(eternal inflation)' 이론에서 유도된 것으로, 영원히 지속하는 인플레이션 도중 어떤 곳에서만 인플레이션이 종료되고 빅뱅이 일어나는 과정이 영원히 지속되는 우주적 인플레이션으로 무수히 많은 거품 우주를 낳는다는 이론이다. 이 이론은 지금, 이 순간에도 어디선가 인플레이션이 일어나 우주가 탄생한다는 것이다. 인플레이션 다중우주가 존재하면 우리 우주를 넘었을 때 다른 우주로 갈 수도 있겠지만 우리의 우주를 넘어서 다른 우주로 간다는 것은 불가능할 것이라고 보는 견해가 많다. 서로 다른 우주들은 중력을 통해 영향을 줄 수 있고 팽창을 하다가 만나면 흔적을 남기게 된다. 현재 이러한 흔적을 찾기 위해 플랑크 위성으로 조사하고 데이터를 분석하고 있으나 다중우주의 증거는 찾을 수 없었다.
• 양자적 다중우주 : 현실세계는 수학적으로 계속해서 수많은 평행 우주로 분기되고 있으며, 우리가 단 하나의 지점만이 실현되는 이유는 단순히 그 지점에 우리가 살고 있기 때문이라는 것이다. 일부 학자들은 다중우주의 개념에 대해 회의적인 의견을 보이지만 다중우주는 유일 우주에서는 설명할 수 없는 역설적인 상황을 해결한 실마리를 제공한다.
• 시뮬레이션 다중우주 : 기술이 발전하면 컴퓨터 시뮬레이션으로 실제로 똑같은 우주를 만들어낼 수 있다는 이론이다. 우주를 시뮬레이션하는 컴퓨터가 만들어낸 가상현실 속의 다중우주로 어느 문명이 우주와 비슷한 시뮬레이션을 만들 수 있는 수준에 이르게 되어 시뮬레이션을 구동시킨 것이다. 논리 구조 자체는 타당하지만 '지금 우리가 사는 방대한 우주가 시뮬레이션으로 만들어질 수 있는가?'가 주요 논제가 될 만큼 논란의 여지가 많다. 이 이론은 일론 머스크를 비롯한 몇몇 사람들에게 지지받고 있다. 이 이론의 타당성 확보를 위해 우리가 사는 우주가 얼마나 '최적화된 프로그램'과 유사한지 다루는 서적도 존재한다.
• 주기적 다중우주 : 브레인 세계들의 충돌이 반복되어 공간이 아닌 시간을 따라 다중우주가 존재하게 되는 이론이다. 힌두교 등 일부 종교에서의 우주 멸망 후 새로운 우주 탄생과 비슷한 개념이다. 빅뱅 우주론에서 빅뱅과 빅 크런치를 반복하는 진동하는 우주모형이 있고 끈이론에서는 3차원 브레인의 주기적 충돌로 인해 빅뱅이 주기적으로 일어난다는 이론이 있다. 그리고 두 막이 충돌할 때 벌어지는 현상이 바로 빅뱅이라는 것이다. 따라서 우리의 우주가 만들어지게 된 빅뱅이 최초의 빅뱅이 아닐 수 있다는 것이다.
• 경관 다중우주(Landscape) : 인플레이션 우주론과 끈이론을 결합하면 여분 차원들이 다양한 거품 우주를 양산한다는 이론이다. 경관 다중우주의 강점은 다양한 우주상수를 지닌 우주를 찾을 가능성이 있다는 점이다. 하지만 현재까지 초끈이론의 범주에서 수학적으로 얻은 우주상수 중 값이 양수인 우주상수는 거의 없다.

평행 우주

평행우주는 다중 우주의 하위 개념으로 현 우주와 동시에 동일한 조건으로 존재하고 있는 또 다른 세계를 평행 우주라 하는데 다중 우주의 한 모델이다. 평행우주는 동시에 존재하는 두 개의 동일한 우주라고 할 수 있다. 우주를 무한 평면으로 가정하면 4차원 이상의 공간에서 다른 평행우주들을 차곡차곡 쌓은 것과 같다. 평행우주에 대해 자세히 보기

거리 단위

• 천문단위 : 천문단위는 천문학에서 사용되는 길이의 단위로 지구와 태양과의 평균 거리이다. 2013년을 기준으로 149,597,870,700미터로 약 149,597,870.7킬로미터로 지구를 약 3,561바퀴를 돈 거리와 비슷하다. 천문단위는 주로 태양계의 천체 간 거리에 사용되며 우주적 관점에서 태양 질량 단위만큼이나 길이의 단위로서 중요하다. 단위 표기는 '천문단위'로 표시되며 'AU'라는 기호가 사용되지만, 국가별로 다르다. 프랑스는 천문단위를 프랑스어로 천문단위인 'unité astronomique'를 줄인 단위기호 'UA'를 쓰고 있지만, 한국이나 영어권에서 사용은 적다. 독일에서는 'AE'를 사용하고 있지만 향후 'AU'로 수렴할 것으로 보인다. 천문단위는 단지 길이의 단위일 뿐만 아니라 천문학에서 중요한 상수이다. 태양계 내의 행성이나 혜성 등의 천체 사이의 거리는 천문단위를 이용하여 취급하기 쉬운 크기의 값으로 나타낼 수 있다.
• 광년 : 광년(光年, light-year)은 천문학에서 사용하는 거리의 단위로 기호로는 ly(light year)이다. 1광년은 진공 상태에서 1 율리우스 년(365.25일) 동안 빛이 이동한 거리를 뜻한다. 광년은 항성까지의 거리나 은하 규모의 거리를 측정하기 위해 사용된다. 1광년은 9,460,730,472,580.8킬로미터이고, 63,241.1077084266AU이다.
• 파섹 : 파섹(영어: parsec, 기호: pc)은 천문학에서 사용하는 거리 단위로 가까운 별까지의 거리를 계산할 때 사용하는 삼각 시차 방법에 기초를 두고 있다. 지구에서 6개월의 시차를 두고 관측했을 때 여주 시차가 각거리로 1"인 곳까지의 거리를 의미한다. 2015년에 1파섹은 정확히 648000/π AU로 재정의되었다. 1파섹은 약 3.26156광년이다.

우주의 크기

현시점에서 우리가 관측할 수 있는 가장 멀리서 온 빛은 138억 년 전에 출발한 빛이다. 그 빛이 우리에게 오기까지 138억 년 동안 공간은 계속해서 팽창하는 중이었으므로 현재 그 빛이 출발한 지점에서 지구까지의 거리는 138억 광년보다 훨씬 큰 465억 광년으로 계산된다. 이 때문에 "관측 가능한 우주"의 반경은 138억 광년으로 표기하기도 하고 465억 광년으로 표기하기도 하는데 138억 광년으로 표기하는 방식을 빛이 실제로 여행한 거리라 하여 '광행거리(light travel distance)라 하고, 465억 광년으로 표기하는 것은 '동행 거리(comoving distance)라 한다. 우주배경 복사는 빅뱅 이후 약 38만 년이 지나서 광자가 분리되며 시작되었으며 배경복사 빛의 위치가 465억 광년의 위치에 있을 때, 빛 방출 시점 우주의 크기가 약 4,200만 광년으로 추산된다. 현재 관측된 우주의 나이가 138억 년 ㄱ이기 때문에 광행거리 기준 138억 광년보다 먼 거리에 있었던 광자는 아직 지구에 도달하지 못했으므로 우리가 관측할 수 없다. 우주가 나이를 먹어감에 따라 이보다 더 먼 거리에서 출발한 광자들도 관측할 수 있게 되어 관측 가능한 우주의 넓이는 어느 정도 넓어질 수 있다. 그러나 우주의 팽창 속도 때문에 지구에서 너무 먼 거리에 떨어진 우주의 지점은 멀어지는 속도가 빛의 속도보다 빠른 경우가 있을 것이다. 이 경우에는 해당 지점에서 출발한 광자가 우주의 팽창 속도가 느려지지 않은 이상 아무리 오랜 시간이 지나도 지구에 도달할 수 없음으로 영원히 관측할 수 없다. 반대로도 지구에서 출발한 광자또한 영원히 그 지점에 도달할 수 없을 것이다. 게다가 암흑에너지로 인해 우주의 팽창 속도가 빨라지고 있는 것으로 관측되어 점점 더 많은 우주의 영역이 관측 불가능한 영역으로 사라지고 있다. 이 거리는(약 160억 광년) 먼 미래에 인류가 도달할 수 있는 한계 거리로 여겨지고 있고 우주의 사건의 지평선(cosmic event horizon)이라고 부른다. 매우 넓어 보이지만 관측 가능한 우주 전체의 6%에 불과하고 나머지 94%는 우리에게 과거의 모습만 보여줄 뿐 절대 갈 수 없을 것이다. 한편 과거에 출발했던 빛까지 포함하여 먼 미래에 어느 시점에 지구에 도달할 가능성이 있는 사건의 최대 동행 거리는 약 620억 광년이다. 즉 관측 가능한 우주의 최대 영역은 현재 관측 가능한 우주 크기의 약 1.3배까지 확장될 것으로 예상된다. 이 거리를 '미래 가시성 한계(future visibility limit)'라고 한다. 즉 이 너머에 있는 우주의 영역은 인류가 영원히 관측이 불가능하리라는 것이다. 다만 우주의 팽창 때문에 실제 먼 미래 시기의 관측 가능한 우주의 물리적 크기는 훨씬 더 넓어질 것이다. 현재 관측 가능한 우주에 존재하는 물질의 총량은 약 5 × 10^23 (5,000해) 태양질량으로 10^54킬로그램 정도 되는 것으로 추산된다. 은하의 개수는 약 1.7 * 10^11개 이상이여, 우리 은하 정도 되는 은하는 500억 개 존재할 것으로 추정되고 있다. 이 중 15%만 일반 물질이고 나머지는 관측되지 않는 암흑물질로 이루어져 있다. 우주 전체의 질량에서 우리가 흔히 생각하는 천체 중 항성, 블랙홀, 갈색 왜성, 성운 등이 차지하는 부분은 약 1%에 불과하고 나머지 14%는 희박하고 뜨거운 가스의 형태로 은하가 없는 빈 공간에 넓게 퍼져있다.

빅뱅 우주론

빅뱅 우주론은 약 137억 9,900만 년 전의 대폭발을 시작으로 우주가 팽창했다는 이론이다. 이 이론은 현재 우주가 팽창하고 있다는 점에서 착안하여 '최초'에 모든 것이 한 점에 모여 있다가 폭발에 가까운 팽창을 하며 현재 우주가 된 것이란 이론이다. 1927년 벨기에의 가톨릭교회 사제이자 천문학자인 '조르주 르메트르'가 최초로 주장한 이래 많은 증거와 발견들로 정상우주론을 제치고 정설로서 자리 잡았다. 현재 시점에서는 137억 년 전 우주에서 대폭발이 있었다는 것은 거의 확실시 되었으나 빅뱅 이외에 우주의 기원에 대한 가설들이나 빅뱅 이전 시대에 대한 추측들도 계속해서 논의되고 있다. 빅뱅이 우주의 시작이라면, 빅뱅 이전에는 도대체 무엇이 있었느냐? 라는 질문이 이 빅뱅 이론의 가장 핵심적인 논의 거리 중 하나다.

역사

빅뱅 우주론이 정설로 자리 잡은 현재와 달리 당시 르메트르가 처음 이 이론을 주장할 당시에는 빅뱅은 마치 그리스도교에서 말하는 절대자의 천지창조, 곧 창세기의 "빛이 있으라"를 연상케 하는 부분이 있어서 과학계로부터 저항을 상당히 받았다. 하필이면 르메트르가 가톨릭 사제였던 것 역시 과학계에서 편견을 가지기에 좋은 조건이었다. 그러다 보니 당연히 처음부터 수용된 것은 아니며, 빅뱅 이론과 반대되는 정상우주론, 곧 우주가 예전부터 그 상태 그대로 유지되고 있다는 이론과 팽팽하게 대립했었다. 르메르트는 이러한 자신의 상황을 잘 알고 있었기 때문에 교황청과 과학계 사이에서 설득하며, 본인도 물리학자로서 빅뱅 우주론에 관해 말할 때는 성직자로서의 자신을 최대한 드러내지 않으려고 하였다. '빅뱅(Big Bang) 이론'은 대폭발이란 뜻이며 초기엔 태초의 화염구라고 불렸다. '빅뱅'이라는 단어는 정상우주론 지지자였던 프레드 호일이 1949년 라디오 토크쇼에 출연해 '팽창 우주론은 거대한 생일 케이크 속에 들어 있던 스트리퍼가 '빵'하고 튀어나오는 것과 같은 식이군요'라고 조롱하던 말에서 시초가 되었다.

불완전성

양자 역학과 상대성 이론의 통합 등 빅뱅의 원인과 빅뱅 시작 후 초기를 설명하는 이론들이 아직 완성되지 않았기 때문에 완전하게 설명할 수가 없다. 현재까지도 관측할 수 있는 우주배경복사가 가시 영역 내의 우주(Universe)이기 때문에 그 바깥쪽 영역에서 벌어지는 사건과 현상은 밝혀낼 수 없다. 설명 불가능한 부분은 플랑크 시간이라고 불리는 시간의 단위로 매우 짧은 시간의 찰나의 순간이다. 이 이하의 시간은 관측 불가능하다는 양자역학의 이론에 따라 현재로는 규명이 불가능하다. 빅뱅 이전에 무엇이 있었는지 무슨 일이 일어났었는지는 이론적으로 공간이 없는 것이기 때문에 과학자들도 설명할 수 없다. 사실 이 질문은 빅뱅 순간부터 시간이라는 개념이 생겼기 때문에 질문 자체가 틀렸다고 할 수 있다. 일부 과학자들은 허수 시간 단위의 도입으로 이 특이점을 회피하려고 노력하고 있다. 플랑크 시간 이전에는 허수 시간이 흘러 시간이 없는 시점이 아예 존재하지 않는다는 가설인데 이 해석으로는 무에서 우주가 탄생한 직후 어째서 사라지지 않고 확장을 시작했는지에 대해 해석이 가능해지지만, 허수 시간이 흐르다가 갑자기 실수 시간으로 넘어가는 이유를 설명할 수 없어서 해석이 분분하다.

근거

• 우주배경복사 : 빅뱅 이론의 최대 증거이다. 우주배경복사는 과거 우주의 온도가 수천 도에 달할 정도로 뜨거웠고, 물질의 분포 또한 은하나 별이 형성되지 않은 매우 균일한 상대였다는 것이다. 특히 우주배경복사의 패턴을 분석하면 현재의 표준 우주론과 놀라울 정도로 정확하게 맞는다. 이로써 우주 거대 구조와 바리온 음향 진동 등의 부가적인 현상들은 현재의 우주와도 무수히 많은 교차검증이 이루어졌다.
• 우주 초기에 관측되는 퀘이사를 비롯한 생성 중인 은하들 : 퀘이사는 우주의 크기가 현재의 1/3 수준이었을 때 가장 많이 활동했고 최근으로 올수록 점진적으로 발견되는 수가 줄어든다. 이는 과거 빅뱅 이후의 우주의 환경이 비교적 시간이 많이 흐른 뒤인 현재와 달랐다는 것을 알게 해준다.
• 우주에 존재하는 수소와 헬륨의 질량비 : 현재 우주에 존재하는 대부분의 별과 가스에서 발견되는 수소와 헬륨의 질량 비율은 3:1인데 이것은 빅뱅 당시 식어가던 우주에서 핵융합에 의해 탄생한 원소의 비율과 일치한다. 현재 우주에 존재하는 양성자의 개수는 중성자의 약 7배 이며 이는 우주가 식어갈 때 결함 에너지가 낮은 쪽인 양성자로의 베타 붕괴가 역 베타 붕괴에 대해 우세를 점했기 때문이다. 항성 핵융합에 의해 생성되는 중성자와 헬륨의 양은 빅뱅 핵융합에 비하면 매우 미미하다.
• 적색편이 및 허블-르메트르 법칙 : 우주가 균일하게 팽창한다는 관측적 증거를 통해 과거에 은하들이 한 곳에 있었다는 것을 쉽게 유추할 수 있다.
• 엔트로피의 법칙 : 엔트로피의 법칙을 부정하지 않는다면 우주의 수명에는 반드시 한계가 존재할 수밖에 없다. 우주의 끝이 존재한다는 것은 시작점도 존재해야 한다는 의미가 된다. 과거 어느 시점에 최소 엔트로피를 가졌던 우주의 시점이 있었기 때문에 우주는 현재의 모습을 유지하고 있는 것이다.

우주 멸망 가설

빅 크런치(Big Crunch)

• 빅 크런치(Big Crunch) : 빅뱅이 한 점에서 무한히 팽창했다는 우주의 기원 이론이라면, 빅크런치는 자체적으로 우주 전체의 질량에 의해 발생하는 중력 위치 에너지가 우주가 팽창하는 에너지보다 클 경우, 우주는 그 자신이 가진 중력에 의해 일정 수준까지 팽창한 뒤 한 점으로 모일 때까지 수축한다는 세계멸망 이론이다. 빅뱅 이론을 세운 초창기 연구자 중 하나인 프리드만이 먼제 제안했다. 빅 크런치가 일어날 우주의 팽창 속도는 특정 지점에서 0에 도달하고 그 이후부터는 팽창이 진행된 기간과 동일한 시간 동안 수축이 진행된다. 우주가 수축하기 시작하면서 우주배경복사의 온도가 점차 증가하고 결국 우주는 빅뱅 당시의 불덩어리와 같은 모습으로 돌아가게 되는 것이다. 최근 연구에 의하면 우주 팽창은 느려지지 않고 오히려 엄청난 속도로 빨라지고 있어 빅 크런치의 가능성은 거의 없다. 위에 언급된 암흑에너지가 우주를 밀어내고 있다. 암흑에너지에 이변이 없다면 우주는 빅 프리즈로 끝나게 될 것으로 보인다. 진동 우주 가설에 의하면 빅 크런치 이후 다시 빅뱅이 발생하여 과정이 계속해서 반복된다.

빅 프리즈(Big Freeze)

• 빅 프리즈(Big Freeze) : 빅 크런치와 반대되는 개념의 우주 종말로 우주가 끝없이 팽창하며 엔트로피가 극도로 높아져 결국 모든 입자가 붕괴하고 아원자 입자만 남게 되는 종말이다. 빅 칠(Big Chill) 또는 열죽음(Heat Death)라고도 한다. 열이 죽는다는 것이다. 우주가 팽창하는 만큼 평균 온도와 밀도가 계속해서 내려가면서 절대영도에 근접할 것이다. 현재까지 가장 지지받는 종말 시나리오다. 이 시나리오는 열역학에서 말하는 열적 사멸(Heat Death)와도 비슷하다. 열적사멸은 우주의 물질이 점차 흩어지고 섞여서 어디나 다 같은 균일한 우주가 되는 것으로 별도 없고 은하도 없고 블랙홀도 없고 우주의 어디나 똑같은 성비 비와 밀도로 균일하게 되는 최대의 엔트로피 상태가 되는 것이다. 우주가 진정으로 랜덤한 운동을 한다면 아주 긴 세월이 흐르면 우주는 모든 가능한 상태를 다 거칠 것이고 그중에는 모든 물질과 에너지가 중력에 의해서가 아니라도 푸앵카레의 재귀 정리에 의해 우연히 원래의 상태인 한 점에 다시 모이는 상태로 언젠가는 거치게 되며 이를 통해 제2의 빅뱅이 일어날 수 있다. 현재의 관측 결과로는 우주가 빅 프리즈로 끝날 가능성이 높다. 실제로 먼 거리에 있는 초신성을 관측한 결과 암흑에너지에 의해 우주가 팽창하는 속도가 점점 빨라지고 있는 것으로 관측되기 때문이다. 빅 프리즈를 막을 방법에 대한 이야기가 상당히 자주 거론되지만, 우리 우주 내부의 존재가 빅 프리즈를 막는다는 것은 열역학 제2 법칙을 뒤집는 것과 같다. 하지만 빅 프리즈를 막는 방법은 사실상 유사 과학의 영역에 있다는 것이 학계의 정설이다. 빅 프리즈는 매우 암울한 미래인 것처럼 보이지만 다른 멸망 예상 시나리오보다 압도적으로 오랜 시간 동안 문명을 지속할 수 있을 것으로 보인다.

빅 립(Big Rip)

• 빅 립(Big Rip) : 빅 프리즈 이론과 비슷한데 암흑에너지의 양이 과도하게 높아져 일어나는 종말 시나리오다. 빅 립은 현재 밝혀진 것이 거의 없는 암흑에너지의 성질에 좌우된다. 암흑에너지가 우주의 크기에 상관없이 밀도가 변하지 않는 우주상수의 형태로 존재한다면 우주는 빅 프리즈로 끝나게 된다. 현재까지는 암흑에너지의 밀도가 불변한다는 가정하에 세워졌다. 만일 암흑에너지의 성질이 우주가 팽창할수록 밀도가 증가하는 것이라면 빅 립은 시간이 흐를수록 입자 간의 척력이 점점 강해져서 결국 우주 안의 은하와 별 등 모든 것들이 찢겨나가는 종말이다. 현재 우주의 암흑에너지는 엄청나게 멀리 떨어진 초은하단 사이를 갈라놓는 수준인데 빅 립은 원자핵과 핵자까지 분해해 버릴 것이다.

블랙홀과 화이트홀

블랙홀

블랙홀(Black hole)은 극도로 높은 중력으로 인해 사건의 지평선이 형성된 검은색 구형 천체를 말한다. 탈출 속도가 광속을 넘어버려 빛을 포함한 그 어떤 물체도 내부로부터 탈출할 수 없어 블랙홀이라는 이름이 붙었다. 시공간에 구멍이 뚫린 형태로 오인되는 경우가 많으나 사실은 그저 별의 시체로 물질이 뭉쳐질 수 있는 한계까지 뭉쳐진 천체이다. 블랙홀은 항성의 붕괴, 중성자별의 충동, 가스의 직접 붕괴 등의 이유로 형성된다. 블랙홀은 질량이 엄청나서 공간에 구멍이 뚫리듯이 움푹 팸이 끝없이 지속하는 형태인데 그 결과 그 위를 지나가는 물체는 그 속으로 빨려 들어가는 것이다. 4차원 시공간엔 시간 축이 존재하므로 저렇게 무거운 중력이 있다면 공간뿐 아니라 시간에도 영향을 준다. 따라서 블랙홀 주위엔 시간도 다르게 흐르게 된다. 대부분의 영화 같은 곳에서 블랙홀은 무엇이든 빨아들이고 다른 차원 등으로 연결하는 구멍으로 묘사되는 경우가 많다. 하지만 이런 통념과 달리 별이 붕괴하고 블랙홀 생성과정을 거치면 대부분은 빨아드리는 힘이 별이던 시절보다 약하다. 별이 붕괴하면서 블랙홀이 되는 부분은 극히 일부분이고 대부분의 질량이 사방에 흩뿌려지기 때문이다. 이런 점을 빼더라도 블랙홀의 무엇이든 빨아들이는 부분은 중력권의 극히 일부에 속하는 사건의 지평선 내부에 한정된다. 블랙홀의 종류는 유형별로 나누어진 슈바르츠실트 블랙홀(Schwarzschild Black Hole), 컬 블랙홀(Kerr Black Hole), 라이스너-노드스톰 블랙홀(Reissner-Nordström Black Hole), 커-뉴먼 블랙홀(Kerr-Newman Black Hole)과 규모별로 나누어진 마이크로 블랙홀(Micro Black Hole), 항성 블랙홀(Stellar Black Hole), 중간질량 블랙홀(Intermediate-Mass Black Hole), 초대질량 블랙홀(Supermassive Black Hole)로 나누어진다.

화이트홀

화이트홀(White hole)은 블랙홀의 이론적 반대 현상으로서, 오로지 이론상으로만 존재한다. 천체 물리학에서 화이트홀은 블랙홀의 시간적 반전을 의미한다. 블랙홀의 사건 지평선을 지나는 그 어떠한 것이라도 다 빨아들이는 진공청소기와 같은 역할을 하지만, 화이트홀은 사건의 지평선으로부터 물체를 뱉어내는 원천으로써 행동한다. 블랙홀과 화이트홀은 모두 물체를 끌어당긴다. 이 둘 사이의 차이점은 지평 선상에서의 행동이다. 화이트홀은 웜홀 때문에 블랙홀의 반대개념으로 생겨난 이론상의 천체이다. 블랙홀의 사건의 지평선은 오로지 물체를 빨아들이기만 하는데 화이트홀의 사건의 지평선은 빛의 속도로 접근하는 그 어떠한 물체로부터도 표면상으로 멀어져서 침입하는 그 어떠한 물체도 결코 가로지르지 못한다. 침입하는 물체는 화이트홀이 소멸할 때 분산되고 재방사된다. 화이트홀은 블랙홀 자체가 정보를 방출할 수 있다는 스티븐 호킹의 주장에 의해 힘을 잃었다. 화이트홀의 수명은 매우 짧다. 이론상으로만 존재하지만, 만약 화이트홀이 존재한다면 그 수명은 1만분의 1초밖에 되지 않을 정도로 매우 짧을 것으로 예상된다.

우주여행

잘 알려진 인류 최초의 우주인 유리 가가린이나 인류 최초로 달에 발은 디딘 인간 닐 암스트롱의 경우는 업무를 수행하러 간 것 때문에 엄밀히 말하면 '여행'이라고 부를 수 없다. 최초의 민간 우주여행은 2001년 우주여행을 한 캘리포니아의 부호 데니스 티토로 보고 있다. 티토는 우주여행비로 최소 2,000만 달러를 낸 것으로 알려졌다. 원래 우주여행의 기술 자체는 있었으나 천문학적인 재정적 문제 때문에 우주여행은 먼 미래의 일로 여겨졌지만 최근 오히려 우주산업이 돈이 된다는 인식이 생기면서 우주여행을 연구하는 민간기업들이 생겨나고 있다. 현재 운행 중인 우주여행 상품은 모두 국가에서 제작한 우주선이다. 현재 민간업체의 기술상황은 무인우주선으로 국제우주정거장에 화물을 보낼 수 있는 수준이다. 스페이스 X의 크루 드래곤이 상업 승무원 수송 프로그램에 의해 개발 중이고 스페이스 X는 2020년 유인 발사를 성공시켰다.

성층권 여행

성층권 여행은 비행 풍선에 연결된 가압 캡슐을 타고 고도 30km 상공까지 올라가 지구를 조망한 뒤 내려오는 것이다. 캡슐에는 조종사 1명과 승객 8명이 탑승 가능하고 스페이스퍼스펙티브가 2024년 말 첫 비행을 목표로 하고 있다. 성층권 여행은 엄밀하게 말하면 우주가 아니다. 무중력 또한 경험할 수 없지만 다른 우주여행보다 훨씬 낮은 금액인 12만 5천 달러로 30km 상공에서도 지구의 곡면을 감상할 수 있다. '스페이스 넵튠'은 풍선과 캡슐, 약 200미터의 연결선으로 구성돼 있다. 풍선은 상승하면서 점점 부풀어 100미터 축구장만 한 크기까지 커진다. 풍선에는 헬륨 대신 수소를 넣는다. 비행시간은 상승 2시간, 활공 2시간, 하강 2시간으로 총 6시간이다. 하강 후 바다에 낙하해 바다에 안착 후 대기선박으로 귀환한다. 이 회사는 2021년 6월 18일 플로리다주 케네디우주센터 인근 공항에서 첫 시험비행에 성공했다. 이 여행은 로켓을 타고 급상승하는 것이 아니라 신체 압박감 없이 편안한 여행을 할 수 있고 탄소를 배출하는 연료를 쓰지 않아 친환경적이라는 특징이 있다.

준궤도 여행

준궤도 여행은 약 100km의 고도까지 올라가서 몇 분 동안 우주에 머물다가 내려오는 코스이다. 국제항공연맹을 비롯해 대부분의 국가나 단체에서 우주의 경계선으로 보는 높이이다. 그 때문에 준궤도 여행부터는 확실하게 우주여행이다. 인공위성 궤도까지 올라가지는 못하지만, 궤도 여행보다 가격이 100분의 1 정도이다. 버진캘럭틱은 올해 안에 세 차례의 추가 시험 비행을 진행 후 내년부터 일반 승객들을 태워 우주 관광을 시작할 예정이다. 버진갤럭틱 왕복 우주선 티켓은 장당 2억3000만 원~2억 8000만 원이다. 2021년 7월 20일로 계획된 발사에 제프 베이조스와 그의 동생 마크 베이조스, 티켓을 낙찰받은 고객 등이 탑승할 예정이고 지구 대기권과 우주 경계선 '카르마 라인'까지 올라가는 비행은 발사부터 착륙까지 약 11분이 소요된다. 이 중 3분간은 안전벨트를 풀고 무중력 상태를 경험할 수 있다.

궤도 여행

궤도 여행은 국제 우주 정거장에서 며칠 지내다 내려오는 코스이다. 우주 비행사들은 정기적으로 국제 우주 정거장을 오가는데 이 우주선에 같이 껴서 다녀오는 것이다. 비용은 대한민국 돈으로 약 200억 이상이다. 현재는 7~8인승 우주여행선을 개발 중으로 개발이 완료되면 비용이 더 절감될 것으로 본다. 현재는 사실상 판매 중지로 미국에서 스페이스 셔틀 운영을 축소 중단하고 운송에 대한 여유가 없어 상업용으로 쓸 공석이 나오지 않기 때문이다. 스페이스 어드벤쳐의 우주 여행 프로그램은 2015년 가수 사라 브라이트만의 일정이 연기된 후 더 진행되고 있지 않다. 최초의 자비 우주 여행객은 미국 사업가 데니스 티토로 2001년 4월 소유스 우주선을 타고 국제우주정거장에 약 8일간 머물다 귀환했다.

달 여행

닐 암스트롱의 달 착륙 시절만 해도 얼마 지나지 않아 달나라 여행이 가능할 것이라는 희망으로 가득 찼으나 달에 사람을 보내봐야 이득이 없다고 판단해서 달 착륙 계획 자체가 흐지부지된 탓에 21세기인 지금도 미국 외 달에 사람을 보낸 나라가 없다. 사실 그들도 여행을 목적으로 간 것은 아니다.

화성 여행

테슬라의 대표 일론 머스크가 설립한 민간우주 업체 스페이스X가 추진하고 있는 여행 상품이다. 그는 국제우주정거장을 오가는 무인/유인 우주선을 개발한 경력이 있고 202년 유인우주선을 이용한 우주인 수송이 확정되었다. 일론 머스크는 "화성까지 가는데 비용이 얼마나 될까"라는 질문에 "비용이 50만 달러 이하가 될 것으로 자신한다"고 말했다. 돌아오는 표은 무료라는 조건도 걸었다. 현재 스페이스X 유인우주선 스타십은 2023년 최초의 민간 달 탐사 프로젝트를 시도하겠다는 일정이 나온 상태이다.

우주 관련 민간 기업

스페이스X

일론 머스크(Elon Musk) : 스페이스X CEO

스페이스X(Space-X)는 2002년 5월 6일 일론 머스크가 설립한 미국 최대의 민간 우주기업이다. ISS 보급 및 상용 인공위성 발사를 주 업무로 하며, 차후 화성 유인 탐사 및 정착을 목표로 하고 있다. 공식적인 기업명은 ' Space Exploration Technologies Corporation'이다. 민간 우주기업은 머스크만 생각한 것도 아니고 스페이스X가 처음인 것도 아니다. 하지만 우주기업은 계속해서 설립이 추진되거나 인수, 합병을 거치고 있지만 절대다수는 아이디어만 멋있는 흔한 벤처기업에 지나지 않아 장기적으로는 내려가기 일쑤였다. 하지만 스페이스X는 군수 산업체에서 보잉, 록히드 마틴, 노스롭 그루먼 등의 거대 경쟁사들을 제치고 성공 신화를 쓴 유일한 기업이다. 스페이스X는 나사(NASA)의 지지를 받아 성공할 수 있었는데 애초에 다른 쟁쟁한 회사들을 제치고 나사의 간택을 받은 경쟁력 자체가 스페이스X의 역량이라 할 수 있다. 스페이스X의 팰컨 9이 성공적으로 데뷔한 이후 세계 여러 나라의 차세대 상용 발사체들이 재활용 기술 도입을 검토하거나 실제 포함되어 개발되고 있다. 이렇게 경쟁자들이 모방이 잇따른 데도 2020년을 기준으로 우주에 화물을 발사하고 1단 로켓을 회수, 재사용할 수 있는 항공우주조직은 아직도 스페이스X 하나뿐이다.

블루 오리진

제프 베이조스(Jeff Bezos) : 블루 오리진 CEO

블루 오리진(Blue Origin)은 아마존닷컴의 설립자이자 대표 제프 베이조스가 2000년 설립한 민간 우주기업으로 낮은 비용과 높은 신뢰성의 로켓으로 개개인이 우주에 접근할 수 있는 기술을 목표로 하고 있다. 현재 스페이스X의 최대 경쟁사이며 2015년 5월에 자체 개발한 우주 여객선인 뉴 셰퍼드(New Shepherd)의 시험발사에 성공했고 2017년 전문 조종사의 시험 비행을 마쳤다. 블루 오리진에서 베이조스가 가진 직함은 없다. 하지만 회사에 대한 애정은 일론 머스크에 뒤지지 않는다. 그는 2017년 개인 보유 주식을 팔아 10억 달러를 블루오리진에 투자하기도 했다. 그는 일론 머스크처럼 화성에 유인 도시를 건설하겠다는 꿈을 갖고 있지만, 화성의 테라포밍 가능성을 매우 낮게 보고 있으며 스페이스 콜로니를 제작할 수 있는 환경이 조성될 때를 위한 우주 인프라 구축을 목적으로 하고 있다. 궁극적으로 베이조스의 구상은 환경오염을 일으키는 중공업 시설을 모두 지구 궤도로 띄워 보내고 지구를 청정구역으로 만들겠다는 것이다. 그가 우주에 수백만 명이 거주할 수 있는 도시를 만들겠다고 처음 선언한 것은 고등학교 졸업 연설 때였다. 그는 "지금은 적자가 나더라도 미래를 위한 기반을 다져두는 단계"라고 말했다. 블루 오리진의 생존방식은 스페이스X와는 다르다. 스페이스X가 나사와 계약을 통해 성장했다면 블루 오리진은 여러 민간업체와 적극적으로 손을 잡아 생존했다. 현재 미국 록히드 마틴과 보잉 등의 다른 민간 기업들에 로켓을 판매하고 있다. 블루 오리진 역시 로켓 회수를 가장 큰 과제로 삼고 있다. 2015년 11월 로켓과 우주선을 통째로 재활용하는 실험에서 스페이스X보다 한 달가량 빠르게 성공했다. 현재 재활용에 특화된 로켓을 개발 중이다.

각국 우주 기술

우주산업은 현시대 최첨단 기술이 집약된 분야이고 본격 진출이 이제 시작되는 만큼 무한 확장 가능성이 있는 분야이다. 20세기 냉전 시대 우주개발이 당시 미국, 소련 중심의 국가 주도로 진행됐지만 21세기는 '스페이스X', '블루 오리진' 등 민간 기업들의 상업적 진출이 급증하며 빠르게 상업화되고 있다. 특히 스페이스 X는 2020년 5월 첫 민간 유인 우주선 발사 성공으로 수많은 민간 최초 타이틀을 썼다. 재사용 로켓 등 경제적인 위성 발사로 수천 개의 위성을 띄워 전 지구적 초고속 인터넷 연결망을 구축하고 천문학적 수익을 내려는 '스타링크' 프로젝트도 추진 중이다. 일본에서는 하야부사 2의 개발과 제작도 NEC, IHI에어로스페이스 등 300여 개의 민간 기업들이 참여한 것으로 알려졌다. 중국은 과거 우주 산업을 정부 산업으로 분류하여 민간 기업의 우주 산업 진출을 금지했지만 2015년 이후 민간에도 로켓 개발 등을 허가했다. 이후 민간 분야에서 관련 투자가 폭발적으로 증가하여 2020년엔 100개가 넘는 민간 기업이 생겨났다. 우주탐사와 개발 확대가 커지는 것처럼 우주 공간의 군사적 중요성도 날로 커지고 있다. 역사적으로 새로운 영역과 기술 개발은 군사 부문으로 적용됐는데 우주도 예외일 수 없다. 미국 국방정보국(DIA)은 "우주는 미국 번영의 기본으로 그 중요성이 점점 커지고 있다"라고 강조하기도 하면서 강대국들이 우주개발에 열을 올리고 있는 이면에 군사 활용 목적이 가장 큰 비중을 차지한다는 분석도 나온다. 특히 현대전은 정보 획득이 승패를 가른다는 점에서 각국은 위성 능력 제고에 공을 들였다.

국가별 인공위성 수

세계 우주 개발 예산의 약 60%를 지출하고 140기로 가장 많은 군사위성을 보유한 미국은 정찰 위성 1,000기를 추가로 배치해 지구 전역을 포괄하는 위성망 '블랙잭' 구축을 추진하고 있다. 총 117기로 현재 세계에서 두 번째로 많은 군사위성을 운용 중인 중국도 2018년 이후 로켓 발사 횟수로는 미국을 제치고 3년 연속 1위를 차지할 정도로 위성 기술 개발에 몰두 하고 있다. 일본은 총 위성 개수는 이들 보다 훨씬 적지만 정찰 능력과 운영 면에서는 타의 추종을 불허한다고 알려져있다. 이번 하야부사 2의 성과도 결과적으로 일본이 자국 위성 기술력을 세계에 과시하는 셈이 되었다. 현재 군 위성 기술은 정보 수집, 타국의 위성 감시, 추적 시스템 운영에서 더 나아가 상대국 위성을 교란하거나 파괴하는 '킬러 위성' 등 무기 체계 개발로 확대되고 있다. 우주군 창설 또한 최근 눈길을 끌고 있다. 미국은 2019년 육해공군 등에 이은 6번째 병과로 우주군 창설을 발표했는데 이후 프랑스, 영구 등도 우주군 창설을 천명해 왔다. 중국은 현재 우주군이라는 명칭의 부대는 없지만 이미 2016년 '전략지원군'을 만들고 사령부를 독립 출범시켜 우주 작전 임무를 수행해왔다. 일본도 2020년 5월 자위대 산하에 우주 감시 임무를 담당하는 '우주 작전대'를 만들었고 항공 자위대 명칭을 '항공 우주자위대'로 바꾸려 하고 있다.

세계 주요국 정부 우주 개발 지출액(단위=달러)

위의 사진처럼 최근 미·중 무역전쟁처럼 우주 경쟁 격화에 미국에 도전하는 중국이 있다고 할 만큼 최근 중국의 우주 개발 관련 공제가 엄청나다. 한국항공우주연구원의 '2018 우주산업 실태조사'에 따르면 중국의 2017년 기준 전년 대비 우주 예산 증가율은 85%로 평균 증가율인 4.8%보다 매우 가파른 것으로 나타났다. 이에 비해 대한민국은 2020년 11월 군 통신 위성 '아니시스 2호'를 인수해 세계에서 10번째로 군사 전용 위성 보유국에 합류하게 되지만 정찰 위성 1기도 보유 못 한 현실과 우주개발 전력에 강화에 더 박차를 가하는 쟁쟁한 주변국들의 상황에 대비된다. 또한 예산편성도 일본과 비교해 6분의 1수준에 불과해 전문인력과 막대한 예산 등의 정부 차원의 더 적극적 지원과 제도적 뒷받침해야 할 것으로 보인다.

국내 우주 기술

대한민국의 우주 기술은 위성 기술은 있지만, 로켓은 걸음마 단계이다. 최근 한·미 미사일 지침이 폐기되면서 우주산업에 대한 정책이 봇물처럼 터져 나오고 있으나 대한민국 우주산업의 한계는 항상 문제가 되어 왔다. 먼저 국내 우주기업들은 국내 규제로 우주 기술 개발에 다소 소극적이다. 국제 시장에서 수익을 창출할 수 있을 정도의 기술력을 갖췄다고 자랑할 정도가 아니라는 것이다. 그렇다고 당장 연구/개발에 몰두하기에도 여러 가지 문제점이 있다. 민간 전용 발사장을 마련한다는 계획이 있으나 기술적으로 완성된 발사체만 허용이 되어 시험발사 등을 할 수 없다는 것이다. 또한 우주발사체를 개발하는데 허가 고도가 최대 3km인 것도 문제이다. 우주의 시작이 100km인데 개발에 필요한 시험 데이터를 1~3km고도 안에서 확보해야 한다는 것이다. 발사체 기업의 엔진 실험장 등의 구축도 상황이 좋지 않다. 고체연료 자체가 폭약에 해당하여 상당한 소음과 폭발 위험성이 따르는데 이로 인해 지역민들이 반대하고 환경단체의 감시도 부담이 된다는 것이다. 이에 이수종 이노스페이스 대표는 "엔진 시험장 등은 재사용 기술 개발 등을 하는데 필요한 공간인데, 해외에는 열린 공간이 많다 보니 실험이 수월하다"라며 "국내에서는 건축법 등 조건에 맞춰 가면서 이를 수행하기가 어렵고 법 검토 시간 역시 길어 사업 일정을 맞추는 게 쉽지 않다"라고 전했다. 우주산업을 키우기 위해서는 국내 우주개발 및 산업 전반을 지휘할 수 있는 컨트롤 타워가 필요하다는 목소리가 이어져 왔다. 10여 년 전부터 우주청 설립에 대한 요구가 빗발치고 있었지만, 아직도 우주청에 대한 정부 논의가 이뤄지지 않고 있다. 우주청에 대한 항공우주 학계나 업계의 요구는 빗발쳐왔으나, 정작 정부 조직 문제가 발목을 잡은 것으로 지적됐다. 우주청 설립에 대한 법안이 나왔으나 조직 확대에 대해 과기부 스스로도 부담을 느꼈던 것으로 전해졌다. 과기부조차 우주청 설립에 적극적이지 않았던 만큼, 정부 조직을 조정하는 행정안전부는 이보다도 보수적인 태도을 취하고 있는 상태로 행안부 관계자는 "현재 우주청 관련 요구도 없었을뿐더러 이에 대한 내부적인 논의 자체를 하지 않고 있다:"라고 전했다. 현재 대한민국은 우주산업을 향한 갈 길이 아직 멀지만, 우주산업을 총괄 지휘할 기관 설립은 차기 정부에 맡겨야 하는 처지가 됐다.

참고자료

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• nana나나〈다중 우주론? 다중우주? 평행우주? 차이?〉, 《티스토리》, 2020-10-31
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• 〈블랙홀〉, 《나무위키》
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• 곽노필 기자, 〈세계 첫 '성층권 풍선여행' 예매 시작... 요금은 1억 4천만원〉, 《한겨레》, 2021-06-24
• 양민하 기자, 〈'첫 민간인 우주여행'... 브랜슨, 베이조스보다 먼저 떠난다.〉, 《전자신문》, 2021-07-02
• 조찬제, 〈우주 관광 경쟁〉, 《경향신문》, 2021-07-12
• 권혜림 기자, 〈머스크 "화성여행 비용...5억원쯤, 돌아온 땐 공짜"〉, 《중앙일보》, 2019-02-12
• 〈스페이스X〉, 《나무위키》
• 〈블루오리진〉, 《네이버 지식백과》
• 신윤재 기자, 〈'스타워즈 시대' 성큼... 中·日펄펄 나는데 韓 혼자 '게걸음'〉, 《매경 프리미엄》, 2020-12-12
• 〈브레이크 많은 우주산업'…발목 잡는 규제 여전〉, 《뉴스핌》, 2021-07-05

같이 보기

• 빅뱅
• 시간
• 공간
• 시공간
• 다중우주
• 평행우주
• 메타버스
• 시공간
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