‘찬란하신’ 90돌 빅뱅이론… 부동의 진리? 우주적 거품?

과학자들 빈틈 메울 ‘조각’ 찾기 고심

위성관측 결과 우주는 초기에 급팽창한 뒤 현재까지 진화해 온 것으로 추정된다. 과학자들은 빅뱅우주론을 더 완벽하게 만들려고 고심하는 중이다. 미국항공우주국(NASA) 제공

　“빅뱅 이론을 아십니까?”

　이 질문에 “아, 알아요!”라고 말하는 사람이 꽤 많다. 그런데 설명해 달라고 하면 ‘빅뱅 이론’이란 제목의 미드(미국 드라마) 얘기를 꺼내는 사람이 대부분이다. 우주의 탄생과 진화를 설명하는 대표적 이론인 빅뱅은 과학계에서 어떤 지위에 있을까. 확고부동한 이론으로 자리를 잡은 걸까. 아니면 정말 ‘빅뱅(와장창)’으로 사라지게 될까.

　대폭발로 우주가 생겼다는 빅뱅 이론이 처음 등장한 것은 약 90년 전인 1927년. 벨기에 천문학자 조르주 르메트르가 우주가 커지고 있다고 주장하면서부터다. 빅뱅 이론은 관측기술이 발달하면서 간접적으로는 검증됐지만 아직 완벽하다고는 할 수 없다. 과학자들은 빅뱅 이론을 완성하려고 고심하고 있다.

○ 문제1: 초기 우주 급팽창의 직접적인 증거가 없다

　1965년 미국 벨연구소 과학자들은 우주 초기의 빛을 관측했다. 그런데 이상한 점이 발견됐다. 우주 나이인 138억 년 동안 빛의 속도로 달려도 갈 수 없을 만큼 먼 두 곳의 온도가 정확히 같았던 것. 우주가 작다면 양 끝의 온도가 같을 수 있지만, 엄청 먼 지점의 온도가 같을 확률은 매우 낮다. 이를 어려운 말로 빅뱅 이론의 ‘지평선 문제’라고 한다.

　이를 해결하려고 1980년 미국의 이론물리학자 앨런 거스는 초기 우주가 짧은 시간 동안 급격하게 커졌다는 급팽창 이론을 제안했다. 우주가 매우 빠르게 팽창했다면 엄청 먼 곳의 온도가 같다고 설명할 수 있어서다. 이석천 경상대 기초과학연구원(IBS) 학술교수는 “급팽창을 통해 입자가 서로 상호작용한 뒤 멀어지면 지평선 문제가 해결된다”고 설명했다.

　그런데 문제는 급팽창의 직접적인 증거가 아직 없다는 점이다. 2014년에 급팽창의 직접 증거로 꼽히는 원시중력파의 흔적을 관측했다는 발표가 나왔지만 ‘해프닝’으로 끝났다. 이뿐 아니라 급팽창 이론에서는 ‘인플라톤’이라는 입자를 가정하는데, 이 역시 정체가 모호하다. 과학자들은 인플라톤을 찾거나 급팽창 없이 지평선 문제를 해결할 대안을 연구 중이다.

○ 문제2: ‘암흑에너지’, 아직 깜깜

　과학자들은 먼 은하가 멀어지는 속도를 관측해 우주가 급팽창한 뒤 팽창 속도가 점점 느려졌다가 50억 년 전부터 다시 빨라졌다고 추정했다. 이렇게 가속 팽창하려면 은하를 끌어당기는 중력과는 반대 방향으로 밀어내는 힘이 필요하다. 이 힘을 ‘암흑에너지’가 만든다고 가정했다.

　문제는 이름은 멋진데 아직까지 별다른 단서가 없다는 것이다. 과학자들은 아인슈타인의 중력 이론을 수정해 암흑에너지 없이 우주의 가속 팽창을 설명하려고 한다. 박소현 한국천문연구원 박사후연구원은 “‘비국소적 중력’ 등 다양한 대안 이론이 있지만, 가속 팽창을 잘 설명하면서 다른 관측 결과도 만족시키는 성공적인 이론은 아직 없다”고 말했다.

○ 문제3: 암흑물질을 찾아야 해

　과학자들이 은하의 공전 속도를 쟀더니 예상보다 너무 빨리 돌았다. 눈에 보이는 물질들의 중력만 따지면 은하가 자신의 속도를 견디지 못하고 튕겨 나가야 했다. 1970년대에 이를 발견한 미국의 천문학자 베라 루빈은 눈에 보이지 않지만 빠르게 회전하는 은하를 붙잡아주는 미지의 ‘암흑물질’이 있을 거라고 제안했다.

　김영임 기초과학연구원 연구위원은 “일반물질이 모여 은하가 되는 과정에서 암흑물질이 미리 자체 중력으로 거대 구조를 만들고 있어야만 현재와 같은 은하 분포를 보일 수 있다”고 말했다. 실제로 암흑물질을 가정하고 빅뱅 이론에 따라 우주 진화를 컴퓨터 시뮬레이션으로 재현하면 현재 우주거대구조와 일치한다.

　관측을 통해 암흑물질의 구체적인 특성도 알려졌다. 윔프나 악시온 같은 후보 입자가 제시돼 검출할 일만 남은 상태다.

○ 우주 진화 설명할 대담한 가설 계속 등장

　우리가 알고 있는 시공간의 개념 자체를 바꾸려는 시도도 있다. 세상을 이루는 근본이 따로 있고, 그것들이 서로 얽히면서 마치 홀로그램처럼 시공간이 생겨난다고 설명한다. 양현석 서강대 양자시공간연구소 연구교수는 “이처럼 ‘창발하는 시공간’에서 시간과 공간의 개념은 우리가 사는 거시적인 세계에서만 정의할 수 있다”며 “암흑에너지와 암흑물질도 미시세계와 거시세계가 얽히면서 나온 결과물”이라고 설명했다. 빅뱅 이론의 잃어버린 조각을 찾으려는 다양한 시도에 대한 이야기는 과학동아 1월호에서 만날 수 있다.
　
우아영 동아사이언스 기자 wooyoo@donga.com