우주의 크기, 천문학자들은 이렇게 말합니다

우주의 끝이 있느냐 없느냐 얘기할 때 과학자들 모일 속에서는 그 끝을 잴 수 있나 측정 가능한가 그래서 측정 가능하지 않다면 과학자들은 뭐라고 대답하냐 모른다고 대답합니다 그러니까 우죄 끝이라고 얘기했을 때는 측정 가능한 마지막이 어디냐 그리고 그 너머는 모른다 이렇게 얘기를 하는 것이고요 안녕하세요 과학 책방 갈다 대표 천문학 박사 이명현 있니다 여러분들이 그냥 아마 누구든지 이렇게 떠올릴 수 있는 굉장히 근원적이고 질문 같은 것들 중에 이런게 있을 거예요 어 우주의 나이는 몇 살일까 우주에는 끝이 있을까 이런 것들 있지 않습니까 사실은 그런 질문들이 가장 근원적인 질문이기도 하고 천문학자들이 알고 싶어 하는 궁극적인 질문이기도 한데 그런 질문에 답을 하기가 또 굉장히 어려운 것도 사실입니다 오늘은 그런 것 중에 우주에는 끝이 있을까 우주의 끝이 있다면 또는 우주의 크기가 있다면 그 크기는 얼마나 될까 뭐 이런 질문들이 있잖아요 어 질문은 굉장히 거창한 질문이자아요 어 실제 과학자들이 과학을 수행할 때는 이런 큰 질문들을 붙잡고 있으면 답이 안 나오잖아요 그래서 그 질문을 보통 쪼개다 잘게 쪼개서 대답이 나올 수 있는 질문들로 쪼개고 그런 작은 질문들에 대한 답을 하게 되면 그걸 전체적로 엮어서 이런 궁극적인 질문에 답을 합니다 그래서 어 아마 어 우주의 꽃은 어디야 우주의 크기는 얼마나 커 이런 질문을 했을 때 과학자들은 머릿속에서 그러면 그걸 어떻게 측정하지 뭐 이런 식으로 머리가 돌아가거든요 그렇게 쪼개는 작업이 굉 중요하다 그래서 저도 오늘이 우주의 끝이라고 여러분들이 던진 큰 질문을 조금 쪼개서 어 대답 가능하고 탐색 가능한 것을 쪼개서 한번 얘기를 해보도록 하겠습니다 우주의 끝이 있느냐 없느냐 얘기할 때 과학자들 모일 속에서는 그 끝을 잴 수 있나 측정 가능한가 그래서 측정 가능하지 않다면 과학자들은 뭐라고 대답하냐 모른다고 대답합니다 그러니까 우제 끝이라고 얘기했을 때는 측정 가능 한 마지막이 어디냐 그리고 그 너머는 모른다 이렇게 얘기를 하는 것이고요 그래서 관측 가능한 우주라는 말을 씁니다 뭐고 이야기를 좀 차근차근히 해보도록 하겠습니다 우주가 태어났어요 빅뱅이라고 하는 이벤트를 통해서 우주가 태어났습니다 크기를 가지고 있었을 거 아니에요 어쨌든 그리고 우주가 시간이 지나에 따라서 팽창에 팽창을 거듭해서 지금처럼 이렇게 커다란 우주가 되었습니다 이제 이렇게 질문하실 수가 있을 거예요 진짜 우주의 크기는 얼마냐 그렇잖아요 진짜 우주의 뭐 크기라는게 있을 거 아니에요 그런데 그 크기는 너무나 광활하고 무한대인 유한한도 모르고 있고 측정 가능하지 않은 곳에 존재하기 때문에 천문학자들은 진짜 우주의 크기는 모른다 이게 정답이에요 그리고 앞으로도 영원히 모를 것이다 그렇다면 어 그럼 도대체 우주의 크기를 어떻게 가능하지않는 거냐 이렇게 말씀하실 수 있잖아요 그래서 관측 가능한 우주의 크기 이렇게 나옵니다 그 관측 가능한 우주의 크기는 몇 가지의 또이 족보가 있습니다 팽창 우주 말씀드렸었죠 지난 에피소드에서 그 팽창 우주라고 하는 개념을 따르자면 우주는 처음에 태어나서 시간이 흐르면서 팽창을 해왔습니다 138억 년이 흘렀어요 그게 지금 현재 천문학자들이 관측을 통해서 확립해 놓은 현재의 모범 답안입니다 그니까 우주의 현재 나이는 138억 년입니다 그러면 우주가 태어나서부터 138억년 동안 점점 커졌다는 얘기잖아요 그러면 우주의 팽창률 같은 거를 알면 우주의 크기가 얼마인가를 우리가 가늠해 볼 수 있잖아요 그런데 그걸 몰라요 우주가 처음 태어났을 때 크기를 몰라요 왜냐하면 우주가 태어난 순간을 시간 0 크기 0 이렇게 할 수 있는데 그런 건 개념적인 것이고 과학자들이 이론적으로 탐구해서 들어갈 수 있는 가장 작은 단위가 프랑크 시간 프랑크 크기라고 하는 것이 있는데요 10의 - 34승 10 43승 정도 모도가 되는 굉장히 작은 0에 가까운 것이지만 0일 던 시점에 대한 정보가 없어요 그러니까 우주가 작게 태어났다는 걸 알지만 그 크기를 특정하지는 못해요 그러니까 거기 가 몇을 곱해서 천배가 커졌다 만 배가 졌다고 하면 현재 우주의 물리적인 진짜 우주의 크기를 알겠지만 그것을 가능할 수가 없어요 그래서 우주의 물리적인 진짜 크기는 모른다 왜냐면 우리가 접근할 수 있는 한계가 있고 그렇기 때문에 그렇습니다 그렇다면 이제 하나씩 생각해 보죠 우주가 태어나서 138억 년의 시간이 지났어요 그러면 138억 년이라는 세월이 흘렀다 소리잖아요 또 한 가지 여기서 기억하고 넘어갈 것은 우주에서 가장 빠른 정보를 전달할 수 있는 수단은 빛인데 그 빛의 속도가 1초에 30만 km 가는 겁니다 1초에 30만 km 가는 속도인데 138억 8년이라는 것은요 빛이 1초에 30만 km 가는 속도로 138억 년을 달려야 도달할 수 있는 시간이에요 그런데 우주가 태어난지 138억년 밖에 안 됐어요 그렇다면 우주 속에서 제일 멀리 있는 것이 도달할 수 있는 시간은 138억 광년이 한개인 거죠 그러니까 지구를 중심으로 우리를 중심으로 봤을 때 우주가 팽창을 해줬으니까가 장 멀리 떨어져 있는 애들이 어디 있는지는 모르죠 하지만 우리가 정보를 받아볼 수 있는 것은 138억년 전에 출발한 빛이 138억년 동안 시공간을 통과해서 우리에게 지금 포착된 거거든요 그래서 그것을 첫 번째 관측 가능한 우주의 반격 관측 가능한 우지의 끝 138억 광년의 반지름을 얘기 합니다 이건 뭐 우지의 나이 때문에 생기는 관측 가능한 우제 끝이에요 우리로부터 138억 광년의 반지름을지는 어떤 공을 만들면 그게 우리가 관측 가능한 우제의 끝이다 이렇게 얘기를 합니다 그런데 이게 이렇게 단순하지 않습니다 관측 가능한 우제의 끝을 만드는 또 다른 요소가 있는데요 은하의 후퇴 속도입니다 허블의 법칙이라고 해서 우리로부터 가까운 은하보다 우리로부터 멀리 떨어져 있는 은하일수록 더 빨리 멀어진다 그러니까 후퇴 속도가 우리로부터 더 멀리 떨어져 있는 은하일수록 더 빠르다는 소리잖아요 그런데 우주 공간 안에서는 정보를 전달할 수 있는 가장 빠른게 빛이에요 빛의 속도보다 더 빠른 식으로 로 우주 공간 속에서는 정보를 전달할 수 없습니다 그게 일종에 넘을 수 없는 벽이에요 그리고 상대성 이론을 지탱하는 원리이기도 합니다 그런데 우주 공간 자체는 어떨까요 우주 공간 자체는 여기에 국한되지 않습니다 그러니까 우주 공간이 팽창하는 팽창 속도가 빛의 속도보다 커진다고 해서 물리적으로 하등 문제가 될 이유가 없어요 그러면 상상을 해 보죠 우리가 볼 수 있는 한계는 어딜까요 빛의 속도와 은하의 후퇴 속도가 같아지는 지점은 마치 블랙홀의 경계 지점과 똑같습니다 블랙홀이라는 것에 경계 지역이 있는데 거기를 사건의 지평선이 불러요 근데 그 경계 지역을 넘어가면 그 속에 있는 물체들이 빛을 낸다고 한들 거기서 탈출해야 되는 탈출 속도가 빛의 속도보다 크기 때문에 그 정보들은 우리에게 나오지 않습니다 그래서 흔히 우리가 블랙홀 속으로 들어가면 아무것도 밖으로 나올 수 없다 이렇게 얘기를 하는 것이거든요 마찬가지로 후의 속도가 빛의 속도와 같아지는 그 경계면이 있는데 그 경계면 이거나 그 경계면 바깥에 어떤 은하가 존재를 해서 굉장히 빨리 멀어지고 있다 치면 거기서부터 빛이 나올 거예요 근데 그 빛은 빛의 속도로 날아올 겁니다 그런데 우주가 팽창하는 속도가 빛 속도보다 빨라요 그럼 거기서부터 나오는 빛들은 영원히 우리에게 도달하지 못할 것입니다 언제까지 우주가 팽창을 계속하는 한 그럼 우리는 우주의 팽창 속도 바깥에 있는 은하를 영원히 볼 수 없느냐 현재 우주가 가속 팽창하고 영원히 팽창하고 있는 이것이 맞다면 우리는 아무리 뭐 지구 문명이 몇 백억년을 가고 이런다 한다고 한들 우리는 관측할 수 있는 기회가 영원히 없습니다 빛의 속도라고 하는 한계가 있기 때문에 흔히 이런 얘기도 또 들어보셨나요 관측 가능한 우제의 끝이 우리로부터 460억 광년 반경이 대략 460억 광년 정도 되는 반지름을 갖는 원까지 실제 우리가 관측 가능한 우제 끝이다 어느게 맞는 걸까요 138억 광년 460억 광년 언뜻 직관적으로 볼 때는 138억 광년이 맞는 거죠 그게 실제로 우리가 관측 가능하는 것이고 그런데 우리는 또 한 가지 알고 있는게 있습니다 시간에 따라서 우주가 점점 커져 왔잖아요 그러니까 138억년 전에 빚을 내서 그 빛이 138억년 동안 시공간을 거쳐 와서 우리에게 도달해서 우리가 관측하는 거잖아요 그 은하는 지금 어디에 있을까요 우주가 팽창 있기 때문에 138억 강연진 그 지점에 있는 것이 아니라 훨씬 더 멀리가 있을 거예요 그리고 우리는 허블 상수라는 것을 관측을 해 서 우주가 얼마나 빨리 팽창을 하는가 하는 것을 알고 있습니다 138억년 전이죠 138억년 지나서 우리에게 도달한 그 빛을 냈던 그 천체가 지금 어디쯤가 있을까 그 은하가 멀어지면서 빛을 냈으니까 그것은 아직 우리게 도달하지 않았지만 그 은하가 어느 지점에가 있는가는 결과를 바탕으로 한 추론을 통해서 알 수가 있겠죠 그래서 그 숫자가 460억 광년 470억 광년이 거예요 그래서 그것도 또한 관측 가능한 우주의 끝이라고 부릅니다 정리를 좀 해 볼게요 이게 우주의 끝 그랬을 때는 그냥 막연한 거 같았 잖아요 근데 이것을 우리가 실제로 숫자로 나타낼 수 있고 측정 가능하게 한 것을 관측 가능한 우주의 크기 또는 관측가능 우주의 끝입니다 오늘 세 가지 경우를 말씀드렸죠 후퇴 속도가 빛의 속도와 같아지는 지점까지 관측가능한 우주의 크기다 끝이다 이렇게 얘기를 하고 그다음에 460억 광년의 반경을 갖는 구를 상상할 수 있는데 이런 것들은 138억 광년 떨어진 것이 빛을 내고 그것이 그 천체가 어디에 갔을까 아지도 우리가 추론해서 한 것들 어 이렇게 보니까 관측 가능한 우주라고 하는 것이 굉장히 다양하죠 그냥 단순하게 우주의 끝이라고 얘기했던 것들이 관측 가능한 우주의 그것도 굉장히 어 여러 가지 정의를 통해서 알 수가 있다 그래서 어 우리가 흔히 쉽게 던지는 우주는 얼마나 커요 이런 말에 대해서도 과학자들은 이렇게 쪼갤 수 있는 그 측정 가능한 것으로 해서 답을 합니다 그럼 이제 여기서부터 진짜 이제 우주의 끝에 대한 추론이라고 우주의 진짜 크기에 한 추론을 할 수 있는 어 최소한의 근거들이 생긴 것이고요 이런 것을 바탕으로 우주에 대한 이야기를 합니다 하지만 아직까지도 우주의 물리적인 크기가 얼마나 큰지 이것이 무한 대인지 아니면 어떤 유한한 크기를 갖는지에 대해서는 어 굉장히 많은 이론적인 이야기와 관측과 비교하는 것이 나오고 어 이렇게 지금 오늘 말씀드린 것처럼 이런 숫자로 말하는 단계까지는 오지 않았다고 말씀을 드릴 수 있겠습니다