빅뱅 이론을 수정하는 강력한 가설의 발표. 우주의 95%의 미스터리.

 

 

 

밤하늘을 수놓고 있는, 수 많은 별들과 거대한 은하들..

 

그동안 우리는 이들이 우주의 전부이거나, 적어도 대부분일 것이라 믿어왔습니다.

 

그런데...이 오래된 믿음은 사실이 아닌 것으로 밝혀지게 되었는데요.

 

과학자들의 오랜 연구 결과, 우리 눈에 '보이는' 우주의 물질들은 사실 극히 일부에 불과했습니다.

 

눈에 보이는 우주의 물질들을 전부 다 합쳐도, 우주 전체의 고작 5%에 불과하다는 사실이 밝혀지게 된거죠.

 

그렇다면 나머지 우주의 95%는 무엇으로 채워져 있다는 걸까요?

 

현대 과학은 그 거대한 미지의 영역이 '암흑 에너지'와 '암흑 물질'들로 채워져 있을 것이라고 말합니다.

 

가히 우주 전체를 지배하고 조종하는, 아주 거대한 '보이지 않는 손'이 존재하고 있다는 얘기죠.

 

그리고 과학자들은 지금까지, 이들이 우주의 진화를 이끌어온 핵심적인 요소라고 생각해 왔습니다.

 

그런데 얼마전, 이러한 오랜 믿음에 강력한 의문을 제기하는 과학자들이 나타났는데요.

 

이들은 암흑 물질 같은 것은 애당초 존재하지도 않았으며, 우주에는 전혀 다른 비밀이 숨겨져 있다고 제안했습니다.

 

과연 과학자들이 제안하고 있는, 오랫동안 우주에 숨겨져 있었던 비밀은 무엇인 걸까요?

 

이제부터 우리는 그동안 당연하게 생각해 왔던 우주의 탄생과 진화에 대해서 새로운 가능성을 알아볼 겁니다.

 

어쩌면 이 이야기의 끝에는, 여러분들이 알고 있던 기존의 우주는 존재하지 않을지도 모릅니다.

 

이번 연구는 Classical and Quantum Gravity 2025년 3월 21일 자에 게재되었습니다.

 

 

 

 

 

과연 우주는 어떻게 시작되었을까요?

 

이 근본적인 질문에 대해 가장 널리 받아들여지는 답이 하나 있습니다.

 

바로 약 138억 년 전, 모든 물질과 에너지가 상상할 수 없을 정도로 뜨겁고 밀도가 높은 한 점에서 시작된 거대한 폭발.

 

즉, 빅뱅(Bigbang)을 통해 급격히 팽창하면서 우주가 탄생되었다는 이론이죠.

 

이 빅뱅 이후 우주가 계속 팽창하고 식으면서, 별과 은하 등 우리가 아는 구조들이 형성되었습니다.

 

그런데 이 과정을 좀 더 자세히 살펴보면, 몇 가지 중요한 의문들이 발생하게 되는데요.

 

 

 

 

 

 

예를 들어, 은하 속 별들의 움직임을 관찰하면, 은하 중심에서 멀리 떨어진 별들이 예상보다 훨씬 빠르게 회전한다는 사실을 알 수 있습니다.

 

우리가 아는 중력 법칙에 따르면, 눈에 보이는 별과 가스의 질량만으로는 이렇게 빠른 속도로 도는 별들을 붙잡아 둘 수 없습니다.

 

즉, 계산상으로는 이 별들이 가진 속도 때문에, 중력을 이기고 은하 밖으로 튕겨져 나가 흩어져야 하는 것이 자연스럽죠

 

하지만 실제로 은하의 바깥 쪽 별들은 튕겨 나가지 않고, 안정적인 궤도를 유지하며 아주 빠르게 돌고 있었습니다.

 

이 현상을 설명하기 위해 과학자들은, 우리 눈에 보이지 않는 추가적인 질량, 즉 '암흑 물질'이 존재한다고 가정하게 됩니다.

 

이 가상의 암흑 물질이 막대한 중력을 추가로 제공하여, 빠르게 움직이는 외곽의 별들을 은하에 단단히 묶어 안정적으로 회전할 수 있게 붙잡아 주는 역할을 한다고 생각하고 있죠.

 

또한 초기의 우주에서 은하와 같은 거대 구조물들은 어떻게 그렇게 빨리 형성될 수 있었던 걸까요?

 

과학자들은 이 문제 역시도 암흑 물질을 이용해서 설명하고 있습니다.

 

극 초기의 우주에서 암흑 물질이 일반 물질보다 먼저 중력으로 뭉쳐져, 일종의 '씨앗'의 역할을 했다는 건데요.

 

우주 초기에는 빛의 방해 때문에 일반 물질들이 쉽게 뭉쳐기가 어려운 환경이었습니다.

 

하지만 빛과 거의 상호작용하지 않는 암흑 물질은, 이러한 방해 없이 먼저 뭉쳐져 거대한 덩어리를 형성할 수 있었죠.

 

이후 이 암흑 물질 덩어리의 강력한 중력 속으로 일반 물질들이 끌려들어가면서, 우리가 아는 은하가 빠르게 형성될 수 있었다는 겁니다.

 

마지막으로, 지금의 우주는 어떠한 과정으로 이렇게 가속 팽창하고 있는 걸까요?

 

예전에 과학자들은 빅뱅으로 시작된 우주의 팽창이, 시간이 지남에 따라 점차 느려질 것이라 예측했었습니다.

 

이는 우주 안에 존재하는 모든 물질들, 즉 별, 은하, 가스 등의 물질들이 서로 끌어당기는 중력의 영향 때문인데요.

 

이들의 중력이 팽창하는 우주에 마치 브레이크를 거는 것처럼 작용하여, 그 속도를 점차 늦출 것이라 당연히 생각했었죠.

 

하지만 실제로 관측해 본 결과, 우주의 팽창 속도는 과학자들의 예상과는 전혀 달랐습니다.

 

 

 

Ia 초신성. 밝기가 일정해서 우주 팽창 분석에 이용된다.

 

 

 

 

과학자들은 특정 초신성들이 지구에서 얼마나 빠르게 멀어지고 있는지를 먼저 측정해 봤습니다.

 

그 결과 과학자들의 예상대로, 관측된 초신성들의 후퇴 속도가 거리에 따라서 모두 다르게 나타났는데요.

 

지구에서 가까운 초신성은 더 느리게, 멀리 떨어진 초신성은 더 빠르게 멀어지고 있었죠.

 

그리고 과학자들은 이 관측 결과에 우주의 중력을 적용하여, 멀어지는 속도가 시간이 지남에 따라 점점 느려질 것이라는 '감속 팽창 모델'을 만들었습니다.

 

이 '감속 팽창 모델'은 이 초신성들이 어느 정도 거리에 있어야 하고, 또 실제 밝기 수치는 얼마가 되어야 하는지를 예측할 수 있게 해주었습니다.

 

그 이후에 과학자들은 이 초신성들의 실제 밝기를 아주 정밀하게 측정해서, 실제 거리를 계산해 보게 되는데요.

 

그 결과 놀랍게도, 밝기로 계산한 실제 초신성들의 거리가 기존의 '감속 팽창' 모델이 예측했던 거리보다 아주 '일관되게' 더 멀다는 결과가 나오게 되었습니다.

 

이는 우주가 감속 팽창 모델에서 예상했던 것보다, 더 빠르게 팽창하고 있다는 것을 보여주는 중요한 발견이었죠.

 

이러한 현상은 기존의 중력 법칙과 같은 이론으로는 설명할 수 없는, 아주 이상한 또는 예상밖의 현상들이었습니다.

 

이는 마치 우주 공간 자체가 스스로 팽창하려는 힘, 즉 중력과 반대로 작용하여 팽창을 가속시키는 '미지의 반발 에너지'같은 것이 존재하는 것처럼 보이기도 했는데요.

 

그래서 결국 과학자들은 이 현상을 설명하기 위해서, 우주의 대부분이 아직 정체를 알 수 없는 암흑 에너지로 이루어져 있다는 이론을 만들게 됩니다.

 

즉, 이러한 암흑 물질과 암흑 에너지가 있어야만, 실제 우주의 관측 결과와 빅뱅 이론이 잘 들어맞게 된다는 겁니다.

 

하지만 가장 큰 문제는, 이론적으로 우주의 약 95%를 차지하며 우주의 운명을 결정짓는 이 핵심 요소들이, 수 십년 간의 탐색에도 불구하고 아직 그 정체가 무엇인지 전혀 모른다는 건데요.

 

놀랍게도 이 물질들은 지금까지 직접적으로 관측되거나, 실험적으로 검증된 적이 단 한 번도 없습니다.

 

그래서 표준 우주론 모멜에 의문을 품고 암흑 물질이나 암흑 에너지 없이 우주를 설명하려는, 새로운 이론적 접근들이 활발하게 모색되고 있죠.

 

그 최근의 예시 중 하나가 바로, 우주가 단 한번의 빅뱅 이후 지속적으로 팽창해 온 것이 아니라, 우주 역사에 걸쳐 여러 차례 발생했던 '버스트'와 같은 짧고 강력한 에너지 폭발 현상들이 누적되어, 현재의 우주를 형성하고 진화시켜왔다는 가설입니다.

 

그리고 이 가설은 우주의 모습을, 주요 특징을 중심으로 5개의 단계로 나누어 설명하고 있는데요.

 

이 설명을 보게 되면, 기존의 빅뱅 이론과 어떤 점이 다른지 좀 더 쉽게 이해할 수 있게 될 겁니다.

 

 

 

 

 

 

 

첫 번째 단계는, '긴 정적기 입니다. '

 

 

이 시기 동안의 우주는 우리가 아는 일반적인 물리 법칙에 따라 아주 느리고 완만하게 팽창합니다.

 

이때는 현재 표준 우주론에서 가정하는 신비로운 암흑 에너지나 암흑 물질은 존재하지 않으며, 오직 우리가 관측할 수 있는 은하, 별, 가스와 같은 통상적인 물질들만이 우주 공간을 채우고 있죠.

 

시간이 흐름에 따라 공간이 아주 미미하게 넓어지는, 비교적 변화가 적고 조용한 상태가 상당히 오랫동안 지속됩니다.

 

 

 

두 번째 단계는, '갑작스럽게 찾아오는 대폭발입니다.'

 

 

그런데 아주 드문 확률로, 우주적 규모의 '시간 특이점'이라는 현상이 동시다발적으로 발생하게 되는데요.

 

이는 상상을 초월할 정도로 극히 짧은 시간 동안, 우주 전역으로 엄청난 양의 질량과 에너지가 마치 폭풍처럼 한꺼번에 쏟아지게 되는 사건입니다.

 

비유하자면, 수 많은 '미니 빅뱅'이 동시에 여러 곳에서 터지는 것과 비슷하다고 할 수 있죠.

 

이 격렬한 에너지와 물질들의 유입은, 어쩌면 눈 깜빡임보다도 더 짧은 순간에 일어날 수 있습니다.

 

 

 

세 번째 단계는, '순간적인 팽창 버스트입니다.'

 

 

두 번째 단계에서 거대한 버스트가 발생하는 바로 그 찰나, 우주의 시공간이라는 '천(fabric)'이 마치 풍선에 갑자기 강하게 공기를 불어넣는 것처럼 순식간에 급격히 부풀어 오르게 됩니다.

 

이렇게 공간을 강하게 밀어내는 힘은 물리학적으로 '음의 압력'이라고도 불리며, 그 효과는 표준 우주론에서 암흑 에너지가 일으키는 우주의 가속 팽창과 유사한 결과를 낳게 되는데요.

 

이 짧은 순간 동안 우주는 마치 위로 점프하듯이 폭발적으로 팽창하며, 결과적으로 일반 물질만으로는 설명하기 어려운 가속적인 공간 확장을 경험하게 됩니다.

 

 

 

네 번째 단계에서는, '은하의 씨앗이 뿌려집니다.'

 

 

거대 버스트를 통해 우주 전체에 물질과 에너지가 거의 균일하게 펴져나가지만, 완벽하지는 않습니다.

 

그래서 미세한 밀도의 '불균일함' 또는 '요동'이 발생하게 되는데요.

 

아주 약간이라도 밀도가 높은 지역은 주변보다 중력이 강해져 주변의 물질들을 끌어당기기 시작합니다.

 

그리고 이것은 수백만 년에서 수억 년이라는 긴 세월에 걸쳐 점차 덩치를 키워나가, 은하나 은하단과 같은 거대한 우주 구조물로 성장하는 기초가 되죠.

 

즉, 각각의 버스트는 우주에 새로운 구조를 형성하게 되는, '씨앗'을 뿌리는 과정과 같다고 할 수 있습니다.

 

 

 

다섯 번째 단계는, '다시 정적기로의 회귀...그리고 반복' 입니다.

 

 

격렬했던 버스트 현상이 끝나면, 일시적으로 증가했던 폭발적인 에너지는 점점 희미해지게 됩니다.

 

그리고 우주는 다시 첫 번째 단계와 같이 아주 완만하게 팽창하는 평온한 시기로 돌아가게 되죠.

 

하지만 이것으로 끝나는 것이 아니라, 아주 오랜 시간이 흐른 뒤 또 다른 거대 버스트가 발생하면, 우주는 다시 한번 폭발적인 '대점프'를 일으키며 급격히 팽창하고, 새로운 물질과 씨앗을 공급받게 됩니다.

 

 

 

 

 

 

이 모델에 따르면, 이러한 '정적기 -> 버트스 -> 정적기'의 사이클이 우주의 긴 역사 동안 여러차례 반복되어 왔을 수 있는데요.

 

그 결과 우주의 전체적인 팽창의 역사는 부드러운 곡선의 형태가 아니라, 버스트가 일어날 때마다 한 단계씩 껑충 뛰어오르는 듯한 "계단 모양"의 패턴을 그리게 될 것이라 설명합니다.

 

기존의 표준 우주론의 경우는, 우주를 마치 꾸준히 경사진 비탈길을 계속 올라가는 모습으로 묘사하고 있습니다.

 

하지만 새롭게 제시된 '단계적 버스트' 모델은, 우주가 마치 계단을 한 칸씩 껑충껑충 뛰어오르는 모습에 더 가깝다고 할 수 있죠.

 

결과적으로는 시간이 흐르면서 우주가 점점 더 커진다는 점에서는 두 모델의 개념이 모두 동일합니다.

 

하지만 우주의 진화 과정이 부드럽게 이어지는 연속적인 과정이냐, 아니면 굵은 사건들이 간헐적으로 일어나는 불연속적인 과정이냐 하는 점에서 아주 큰 차이를 보이고 있습니다.

 

만약 이 '단계적인 대폭발' 모델이 실제로 우주를 더 정확하게 설명하는 모델이라면, 이는 매우 중요한 의미를 가지게 되는데요.

 

첫째, 우주의  역사는 우리가 생각했던 것보다, 훨씬 더 역동적이고 변화무쌍했을 수 있다는 것을 시사합니다.

 

둘째, 우주의 팽창이나 구조 형성을 설명하기 위해서, 항상 우주에 존재한다고 가정해야만 했던, 암흑 물질이나 암흑 에너지는 더 이상 필요가 없어지게 됩니다.

 

하지만 우리는 여기서 한가지 중요한 의문이 하나 생기게 되는데요.

 

 

 

 

 

실제로 우주를 관측해 보면 우주가 '확'하고 팽창하는 것이 아니라, 꾸준히 가속 팽창하는 것처럼 보입니다.

 

이러한 실제 관측 결과에 대해서, '버스트 모델'은 어떻게 설명하고 있을까요?

 

이는 마라톤 선수를 예로 들어서 쉽게 설명할 수 있습니다.

 

마라톤 선수는 계속 일정한 속도로 달리는 것이 아니라, 중간중간 필요할 때 마다 짧게 '대시(dash)', 즉 전력 질주를 하고, 그 외의 시간에는 페이스를 늦추어 비교적 여유롭게 달리는 모습과 비슷하다고 할 수 있습니다.

 

여기서 마라톤 선수의 전력 질주가 '버스트'에 해당하고, 페이스를 늦춰 달리는 구간이 바로 '정적기'에 해당하죠.

 

마라톤 선수가 실제로 전력 질주와 속도를 늦추는 행동을 반복하고 있더라도, 그 행동을 아주 멀리서 보거나 전체 구간의 평균 속도를 내보면 마치 일정한 속도로 꾸준히 달리는 것처럼 보이게 되는데요.

 

이와 비슷하게, 짧고 강력한 팽창의 '점프'들이 우주의 긴 역사에 걸쳐 여러 차례 반복되고 그 효과가 쌓이게 되면, 결과적으로 우주의 전체적인 팽창 과정을 평균적으로 계산했을 때는, 마치 우주가 부드럽고 '매끄럽게' 가속 팽창하고 있는 것처럼 보일 수 있게 되는 겁니다.

 

즉, 실제로는 불연속적인 사건들의 반복이지만, 우리 눈으로 관측하면 꾸준히 가속하는 것처럼 보일 수 있다는 겁니다.

 

 

 

 

 

 

 

그리고 또 한 가지의 해결되지 않은 중요한 문제가 아직 남아 있습니다.

 

바로 은하의 바깥쪽에서 빠르게 회전하고 있는 별들도, 암흑 물질이 없이는 도저히 설명하기가 어려운 현상들이었습니다.

 

그렇다면 이 '버스트 모델'은 은하의 이러한 문제들에 대해서 어떻게 설명하고 있을까요?

 

'버스트'가 발생하는 아주 짧은 순간 동안에는 우주의 모든 영역 즉 은하의 중심부 뿐만 아니라, 외곽 지역을 포함한 모든 공간에 막대한 양의 추가적인 질량과 에너지가 일시적으로 공급됩니다.

 

바로 이 짧은 순간 동안에는 은하의 외곽에도 마치 '보이지 않는 강력한 중력원'이 갑자기 나타난 것처럼 작용하여, 주변의 별이나 가스 등을 매우 강하게 끌어당기게 되죠.

 

바로 이러한 현상이 그 순간에 암흑 물질이 존재하는 것처럼 보이게 만드는 효과를 만들어 낼 수 있습니다.

 

그러나 버스트 현상이 끝나게 되면, 이렇게 추가되었던 질량과 에너지는 순식간에 사라져 버리게 되는데요.

 

하지만 중요한 점은, 비록 이 강력한 추가적인 중력 효과가 잠깐 동안 지속되었더라도, 그 짧은 시간 동안에 이미 별과 가스들이 서로에게 강하게 끌려와 충분히 중력적으로 연결되면서 '은하'와 같은 안정적인 구조를 형성하기에 충분했다는 겁니다.

 

이는 마치 건물을 지을 때 임시 '지원 부대'가 와서 건물의 뼈대를 튼튼하게 새우는 것을 도와주고, 건물이 완성되어 스스로 안정적으로 서 있을 수 있게 되면, 그 지원 부대가 철수하는 것과 비슷합니다.

 

건물이 다 지어진 후에는 더 이상 그 지원 부대의 모습은 보이지 않지만, 튼튼하게 완성된 건물 자체는 남아 있는 것처럼, 버스트라는 '임지 지원' 기간 동안 형성된 은하나 성단 같은 구조는 버스트가 끝난 후에도 안정적으로 그 형태를 유지하며 존재하게 된다는 거죠.

 

즉, 항상 존재하는 암흑 물질 대신, 간헐적인 버스트의 '임시적인 중력 강화 효과'가 은하 형성 및 안정화에 기여했다고 보는 겁니다.

 

 

 

 

 

 

우주를 급격히 팽창시키고 은하의 회전 속도를 높이는 데 영향을 주었던 그 강력한 힘 자체는, 버스트가 끝남과 동시에 이미 사라졌지만, 그때 이미 구축된 구조나 확립된 운동 상태는 마치 관성처럼 남아서 이어지고 있다는 겁니다.

 

결국 우리는 과거에 강력했던 버스트의 결과로 남아 있는 현재의 우주 상태를 보고, 마치 암흑 에너지나 암흑 물질이 끊임없이 작용하고 있기 때문이라고 '착각'하고 있을 가능성이 있다는 겁니다.

 

그렇다면 이 가설을 실제로 검증을 할 수 있을까요? 

 

이 가설이 중요하게 평가받는 이유는, 바로 실제로 검증이 가능하기 때문입니다.

 

이 모델을 제안한 과학자들은, 아주 멀리 떨어져 있는 은하들로부터 우리에게 도달하는 빛을 정밀하게 분석하는 방법을 제시하고 있는데요.

 

이 빛의 분석을 통해서, 과거에 우주가 겪었을지도 모르는 '계단식' 팽창, 즉 '불연속적인 팽창의 단계'가 남긴 특정한 흔적이나 패턴을 찾아낼 수 있다는 겁니다.

 

만약 과거의 특정 시기에 이 모델이 예측하는 '팽창 버스트'가 실제로 발생했고, 그 사건이 빛의 스펙트럼이나 은하의 분포 등에 어떠한 미묘한 '지문'이나 '단서'를 남겼다면, 우리는 현재의 관측 기술을 이용해서 그 증거를 포착할 수 있을지도 모른다는 거죠.

 

 

 

 

 

 

 

예를 들어, 지구에서 멀리 떨어져 있는 초신성이나 은하들을 매우 높은 정밀도로 관측해 볼 수 있을 겁니다.

 

그리고 나서, 이 관측된 천체들이 우리로부터 멀어지는 속도의 그래프가, 정말로 부드럽고 매끄러운 곡선을 그리는지를 면밀하게 조사해보는 겁니다.

 

표준적인 빅뱅+암흑 에너지 모델에서는 이 관계가 비교적 부드러운 곡선 형태를 보일 것으로 예상하고 있는데요.

 

이렇게 얻어진 관측 데이터를 아주 세밀하게 나눠서 분석하면, 그래프의 특정 지점에서 갑자기 껑충 뛰어오르는 듯한 '단차'를 발견할 수 있을지도 모른다는 겁니다.

 

다시 말해서, 이는 과거 어느 시점에 우주의 팽창률이 갑자기 급격하게 변했던, 작은 '불연속점'이 존재할 수도 있다는 의미이며, 바로 이 불연속점이 '버스트의' 흔적이 될 수 있다는 거죠.

 

만약 이러한 팽창률의 '점프' 또는 '불연속점'이 관측 데이터에서 명확히 발견된다면, 이는 우주의 팽창이 부드럽게 점진적으로 진행된 것이 아니라, '단계적 버스트' 모델이 예측하는 것처럼 불연속적인 사건들을 통해 이루어졌다는 것을 강력하게 시사하는 '결정적인 증거'가 될 겁니다.

 

따라서 이 '일시적 시간 특이점'에 기반한 버스트 이론은 단순히 기발한 상상이나 공상과학 이야기에 그치는 것이 아니라, 구체적인 천문학적 관측을 통해 그 진위를 가릴 수 있는 잠재력을 지닌 과학적 가설이라 할 수 있습니다.

 

어쩌면 이 흔적들은 미래의 차세대 망원경 혹은 현재의 제임스 웹 망원경으로도 발견될 수 있을지도 모르는데요.

 

만약 우주의 팽창 그래프에서 점프의 증거가 실제로 발견된다면, 이는 우리의 우주관을 완전히 뒤바꾸는 혁명적인 발견이 될 수 있을 겁니다.

 

그렇게 되면, 우주는 더 이상 눈에 보이지 않는 암흑 에너지나 암흑 물질로 가득찬 정적인 공간이 아니라, 마치 필요한 순간에만 새로운 물질과 에너지를 '점멸'시키듯 만들어내는, 훨씬 더 역동적인 모습으로 변하게 되는 거죠.

 

 

 

 

 

 

물론 이 '버스트 가설'에 대한 결정적인 증거는 아직 발견되지 않았습니다.

 

그럼에도 불구하고, 이 버스트 모델이 큰 주목을 받고 있는 이유 중 하나는, 수십 년간 과학계를 괴롭혀 온 '왜 그토록 찾으려 노력해도 암흑 물질과 암흑 에너지는 아직까지 발견되지 않는가?'라는 커다란 수수께끼에 대해, '애초에 그들이 우주에 존재하지 않았기 때문에 발견되지 않는 것은 어쩌면 당연하다'라는 매우 직관적이면서도 새로운 답변을 제시하고 있기 때문입니다.

 

어쩌면 우리는 수십 년 동안, 존재하지 않는 그림자를 쫓고 있었던 것은 아닐까요?

 

우리가 알고 있고 믿었던 우주의 95%가, 사실은 텅 빈 암흑이 아니라 격렬한 창조와 변화의 순간들이 아로 새겨진 역사의 기록이었을 수도 있습니다.

 

우주는 고요이 흐르는 강이 아니라, 때로는 모든 것을 삼킬 듯 격동하는 거대한 바다일지도 모릅니다.