우주는 상상을 초월하는 규모입니다. 우리 은하인 우리 은하는 지름이 약 10만 광년이며, 2000억 개에서 4000억 개의 별을 포함합니다. 하지만 우리 은하는 관측 가능한 우주에 있는 약 2조 개 은하 중 하나에 불과합니다. 가장 가까운 큰 은하인 안드로메다는 250만 광년 떨어져 있으며, 초당 110킬로미터 속도로 우리 은하를 향해 다가오고 있습니다. 약 45억 년 후 두 은하는 충돌하여 합쳐질 것입니다. 우주는 138억 년 전 빅뱅으로 시작되었습니다. 극도로 뜨겁고 밀도 높은 특이점이 폭발적으로 팽창하며 공간과 시간이 만들어졌습니다. 초기 우주는 균일했지만 미세한 밀도 요동이 중력으로 증폭되어 별과 은하가 형성되었습니다. 은하들은 무작위로 흩어진 것이 아니라 거대한 구조를 이룹니다. 은하단이 모여 초은하단을 만들고, 그 사이에는 거의 아무것도 없는 거대한 공동이 있습니다. 우주는 거대한 거미줄이나 스펀지 구조를 이룹니다. 우주는 계속 팽창하고 있으며, 팽창이 가속화되고 있습니다. 1998년 초신성 관측으로 발견된 이 놀라운 사실은 암흑 에너지의 존재를 시사합니다. 우주의 68퍼센트는 정체불명의 암흑 에너지이고, 27퍼센트는 암흑 물질이며, 우리가 아는 일반 물질은 겨우 5퍼센트입니다. 이 글에서는 은하의 종류와 구조, 우주의 대규모 구조, 빅뱅과 우주의 진화, 그리고 우주의 미래를 상세히 알아보겠습니다.
은하의 종류와 구조
은하는 중력으로 묶인 수십억에서 수조 개의 별, 가스, 먼지, 암흑 물질로 이루어진 거대한 시스템입니다. 에드윈 허블은 1926년 은하를 형태에 따라 분류했습니다. 나선 은하는 평평한 원반과 중심 팽대부, 나선팔을 가집니다. 우리 은하와 안드로메다가 나선 은하입니다. 나선팔에는 젊은 별과 별 형성 지역이 많아 파랗게 보이고, 중심 팽대부는 늙은 별들로 붉게 보입니다. 나선팔은 실제 구조가 아니라 밀도파입니다. 별들이 교통 체증처럼 몰려 있다가 빠져나가는 패턴으로, 팔 자체는 회전하지만 별들은 다른 속도로 움직입니다. 막대 나선 은하는 중심에 막대 구조가 있으며, 나선팔이 막대 끝에서 시작됩니다. 우리 은하도 막대 나선 은하로, 막대 길이가 약 2만 7000광년입니다. 타원 은하는 구형이나 럭비공 모양입니다. 나선팔이 없고 가스와 먼지가 적어 별 형성이 거의 없습니다. 대부분 늙은 별로 이루어져 붉게 보입니다. M87은 거대 타원 은하로, 우리 은하보다 수십 배 크고 수조 개의 별을 포함하며, 중심에 태양 질량의 65억 배 블랙홀이 있습니다. 불규칙 은하는 뚜렷한 형태가 없습니다. 대마젤란 은하와 소마젤란 은하가 예이며, 우리 은하의 위성 은하입니다. 중력 상호작용으로 형태가 뒤틀리거나 충돌 중인 은하가 많습니다. 우리 은하는 나선 은하로 지름이 약 10만 광년이며, 태양은 중심에서 약 2만 6000광년 떨어진 오리온 팔에 있습니다. 은하 중심에는 궁수자리 A*라는 초대질량 블랙홀이 있으며, 질량이 태양의 약 400만 배입니다. 태양은 은하 중심을 약 2억 2000만 년에 한 번 공전합니다. 이를 은하년이라 하며, 공룡이 살던 시기 이후 태양은 은하를 한 바퀴 돌지 못했습니다. 은하는 혼자 있지 않습니다. 대부분 은하단이나 은하군에 속합니다. 우리 은하는 국부 은하군에 속하며, 약 80개의 은하가 포함됩니다. 가장 큰 은하는 안드로메다와 우리 은하이고, 나머지는 작은 왜소 은하입니다. 처녀자리 은하단은 가장 가까운 대규모 은하단으로, 약 5000만 광년 떨어져 있으며 수천 개의 은하를 포함합니다. 코마 은하단은 더 크고 멀리 있으며, 1000개 이상의 은하가 있습니다.
우주의 대규모 구조
은하들은 우주에 무작위로 흩어진 것이 아니라 거대한 구조를 이룹니다. 은하 적색편이 조사로 3차원 우주 지도를 만들면 놀라운 패턴이 드러납니다. 은하들은 필라멘트라 불리는 실처럼 길고 얇은 구조를 따라 분포합니다. 필라멘트들이 교차하는 곳에 은하단이 있습니다. 필라멘트 사이에는 거의 은하가 없는 거대한 공동이 있습니다. 이 구조는 거미줄이나 스펀지를 닮았으며, 우주 거미줄이라 불립니다. 가장 큰 구조는 초은하단입니다. 라니아케아 초은하단은 우리 국부 은하군을 포함하며, 지름이 5억 2000만 광년이고 약 10만 개의 은하를 포함합니다. 그레이트 월은 5억 광년 길이의 은하 필라멘트입니다. 허큘레스-북쪽왕관자리 장벽은 100억 광년 길이로 관측된 가장 큰 구조입니다. 이렇게 큰 구조가 존재하는 것 자체가 우주론의 난제였습니다. 이 대규모 구조는 암흑 물질이 만들었습니다. 암흑 물질은 빛을 내지도 흡수하지도 않아 직접 관측할 수 없지만, 중력으로 존재를 알 수 있습니다. 은하의 회전 곡선은 보이는 물질만으로 설명되지 않습니다. 은하 바깥쪽 별들이 예상보다 빠르게 움직이며, 이는 보이지 않는 질량이 있어야 설명됩니다. 은하단의 은하들도 너무 빠르게 움직여 보이는 물질의 중력만으로는 흩어져야 하지만, 암흑 물질의 중력이 묶어둡니다. 중력 렌즈 효과도 증거입니다. 거대 질량이 빛을 휘게 하는데, 관측된 렌즈 효과는 보이는 물질보다 훨씬 큰 질량을 요구합니다. 암흑 물질은 우주 질량의 약 27퍼센트를 차지하며, 일반 물질보다 5배 많습니다. 정체는 아직 모릅니다. WIMP나 액시온 같은 미지의 입자로 추정되지만, 검출되지 않았습니다. 우주 거미줄은 컴퓨터 시뮬레이션으로 재현됩니다. 빅뱅 직후 미세한 밀도 요동에서 시작하여, 중력이 암흑 물질을 끌어모아 필라멘트를 만들고, 일반 물질이 암흑 물질 중력에 이끌려 필라멘트를 따라 모여 은하를 형성합니다. 시뮬레이션 결과는 실제 관측과 놀랍도록 일치합니다.
빅뱅과 우주의 진화
빅뱅 이론
우주는 138억 년 전 빅뱅으로 시작되었습니다. 빅뱅은 폭발이 아니라 공간 자체의 팽창입니다. 극도로 뜨겁고 밀도 높은 상태에서 우주가 갑자기 팽창하기 시작했습니다. 시간 제로에는 모든 것이 특이점에 압축되어 있었으며, 물리 법칙이 통하지 않습니다. 플랑크 시간 10⁻⁴³초 후부터 물리학이 적용됩니다. 인플레이션 시기에 우주는 10⁻³⁵초에서 10⁻³²초 사이에 10²⁶배 이상 팽창했습니다. 이 급속 팽창이 우주를 평평하고 균일하게 만들었습니다. 초기 우주는 너무 뜨거워 원자도 존재할 수 없었습니다. 쿼크와 전자가 에너지 바다에서 떠다녔습니다. 온도가 내려가며 쿼크가 결합하여 양성자와 중성자를 만들었습니다. 빅뱅 3분 후 핵합성이 시작되어 수소 핵이 융합하여 헬륨을 만들었습니다. 약 25퍼센트가 헬륨이 되었고, 미량의 리튬도 생성되었습니다. 이 비율은 오늘날 관측과 정확히 일치합니다. 하지만 38만 년 동안 우주는 불투명했습니다. 전자가 자유롭게 떠다니며 빛을 산란시켰습니다. 온도가 3000K로 떨어지자 전자와 원자핵이 결합하여 중성 원자를 만들었습니다. 이를 재결합이라 하며, 우주가 투명해졌습니다. 이때 방출된 빛이 우주 배경 복사입니다. 우주가 팽창하며 파장이 늘어나 현재는 마이크로파로 관측됩니다. 우주 배경 복사는 빅뱅의 결정적 증거입니다. 1964년 펜지어스와 윌슨이 우연히 발견했으며, 전천구에서 거의 균일하게 2.725K로 관측됩니다. 플랑크 위성이 정밀 측정하여 미세한 온도 요동을 발견했습니다. 이 요동이 은하와 대규모 구조의 씨앗입니다.
우주의 미래
우주 팽창은 계속되고 있으며, 가속화되고 있습니다. 1998년 먼 초신성 관측으로 발견되었으며, 이는 예상 밖이었습니다. 중력은 팽창을 늦춰야 하는데 오히려 빨라지고 있습니다. 이를 설명하기 위해 암흑 에너지가 제안되었습니다. 암흑 에너지는 정체불명의 에너지로 공간 자체에 내재하며, 척력처럼 작용하여 우주를 밀어냅니다. 우주의 68퍼센트를 차지하지만, 정체는 전혀 모릅니다. 아인슈타인의 우주 상수나 진공 에너지로 해석되지만, 관측값이 이론 예측과 10¹²⁰배 차이 나는 미스터리입니다. 우주의 운명은 암흑 에너지에 달렸습니다. 현재 이론으로는 우주가 영원히 팽창할 것입니다. 수천억 년 후 다른 은하들이 멀어져 보이지 않게 되고, 우리 은하만 고립될 것입니다. 별 형성이 멈추고 별들이 하나씩 꺼지며, 우주는 차갑고 어두워질 것입니다. 이를 열사 또는 빅 프리즈라 합니다. 만약 암흑 에너지가 강해지면 빅 립이 일어날 수 있습니다. 팽창이 너무 강해져 은하, 별, 원자까지 찢어지며 우주가 끝납니다. 하지만 이는 먼 미래입니다. 45억 년 후 우리 은하와 안드로메다가 충돌하여 합쳐지며, 50억 년 후 태양이 적색 거성이 되어 지구를 삼킬 것입니다. 우주의 끝은 수조 년 이상 먼 미래입니다. 우리는 우주 역사의 초기 단계에 살고 있습니다. 별과 은하가 활발히 형성되는 풍요로운 시대입니다. 우주를 이해하려는 노력은 우리 존재의 의미를 찾는 여정입니다.