인류가 절대 도달할 수 없는 우주의 영역이란?

최첨단 과학기술 또는 미래에 실현 가능한 기술을 이용해도 인류는 결코 도달할 수 없는 영역이 우주에 존재합니다. 그런 우주에서 인류의 한계에 대해 과학계 YouTube 채널 Kurzgesagt가 설명합니다.

TRUE Limits Of Humanity - The Final Border We Will Never Cross - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=uzkD5SeuwzM

인류가 아무리 노력해도 우주에는 도달할 수 없는 영역이 있을까? 그렇다면 도달할 수 있는 영역은 어디까지일까?

밤하늘을 보면 우주는 무한의 별이 존재하는 것처럼 보이지만, 실제로는 별의 수는 한정되어 있고, 별이라도 죽음을 맞이합니다.

지구가 존재하는 은하계의 직경은 최대 20만 광년으로 1,000 ~ 4,000억 개의 항성이 존재합니다. 그런 광대한 은하계이지만 1년 동안에 단 3개의 별만이 탄생합니다. 즉, 우주에 존재하는 별의 95%가 이미 존재하고 있는 것이며, 인류는 우주 '종막'의 타이밍을 살고 있다고 볼 수 있습니다.

따라서 앞으로도 밤하늘에 빛나는 별은 계속 줄어들 것입니다.

뿐만 아니라 우주가 인류로부터 급속히 멀어져 가고 있다는 사실도 밝혀졌습니다.

우주에는 우리은하뿐만 아니라 안드로메다은하 등 50여개의 크고 작은 은하가 존재하고 있으며, 약 1000만 광년의 범위에 존재하는 여러 은하로 구성된 것이 은하군입니다. 우리은하는 국부은하군에 포함되어 있습니다.

이런 은하군들을 포함한 것이 초은하단으로 이런 초은하단도 우주에는 무수히 존재합니다. 지구가 존재하는 은하계가 속한 국부은하군은 라니아케아 초은하단 안에 있습니다.

현시점에서 관측이 가능한 은하는 약 2조 개 정도 존재합니다. 불행하게도 인류가 빛의 속도로 이동할 수 있더라도 도달할 수 있는 은하는 2조 개 중 6%로 관측할 수 있는 은하의 94%가 이미 도달할 수 없는 영역에 존재하고 있습니다. 즉, 인류는 도달할 수 없는 은하들이 무수히 존재하는 것입니다.

은하의 존재는 빅뱅과 관련이 있습니다. 빅뱅이 발생한 지 10^-36초 후의 우주는 아주 작은 에너지의 거품이 존재할 뿐입니다. 이 에너지의 거품은 완전히 균일하지 않고, 일부는 높은 밀도를 가지고 있습니다. 우주의 인플레이션 과정에서 대리석 크기의 에너지부터 수조 km 크기의 에너지까지 다양한 크기의 에너지가 불과 1조분의 1초라는 찰나에 급속히 확대합니다.

급속히 확대하는 가운데, 에너지 밀도의 작은 차이가 그대로 은하 사이의 거리에 반영되게 됩니다.

우주 전체는 밀도가 낮은 영역으로 구성되어 있어서 중력이 뿔뿔이 흩어져 있는 은하를 끌어당기듯 작용하고 이로 인해 여러 은하를 포함한 은하군이 형성되어 갑니다.

한편 우주는 팽창을 계속하고 있으며 멈추지 않습니다. 우주에 존재하는 은하는 중력에 의해 구속되는 것은 아니기 때문에 우주의 팽창에 따라 은하군 사이의 거리도 멀어져 갑니다.

설상가상으로 우주의 팽창이 가속화하고 있습니다. 그 이유는 아직 규명되지 않았으나 암흑에너지라는 개념이 만들어지는 계기가 되었습니다. 우주가 팽창하고 있다는 것은 우주에 끝이 존재한다는 것을 의미합니다. 그러나 우주의 팽창 속도는 빛보다 빨라서 인류가 우주의 끝을 관측할 수 없습니다. 그래서 인류가 관측할 수 있는 우주의 94%는 도달할 수 없는 영역입니다.

인류가 도달할 수 없는 영역에 존재하는 별들을 관측할 수 있는 이유는 인간이 빛을 통해 물체를 보기 때문입니다. 빛은 우주공간을 최고 속도로 이동할 수 있지만, 그렇게 해도 이동에 시간이 걸립니다.

지구에 닿는 빛은 우주 곳곳에서 나온 것입니다. 우리은하 근처에서 빛이 발생하여도 지구에 도달할 무렵에는 빛의 발생원이 지구에서 도달할 수 없는 영역까지 이동한 예도 있습니다.

빛이 지구에 도달하는 시간을 가미하면 인류가 관측하는 빛은 먼 옛날에 발생한 것으로, 빛을 발했던 별과 은하가 현재도 같은 위치에 있는 것은 아닙니다.

즉, 관측 가능한 우주와 인류가 도달 가능한 우주는 전혀 별개의 문제이며, 관측 가능한 우주가 훨씬 광대할 가능성이 큽니다. "어떤 의미에서 우주는 우리 인류에게 '손이 닿지 않는 좋은 것'을 보여주고 있는 것"이라고 Kurzgesagt는 표현합니다.

인류는 우주의 먼 옛날의 모습을 관찰하고 있기 때문에 우주의 현재 모습은 전혀 모릅니다. 또한 국부은하군 밖에 있는 우주의 모든 것은 언젠가 인류가 관측 가능한 영역을 넘어 멀어져 버립니다.

실제로 초당 6만 개의 별이 인류의 관측 가능한 권외로 사라지고 있다고 합니다. 그래도 관측 가능한 우주공간은 여전히 전체의 6% 존재합니다.
이 관측 가능한 영역은 반경 180억 광년의 범위를 가리킵니다.

그러나 이 영역에 존재하는 은하군은 아직까지 이동을 계속하고 있어 시간이 지남에 따라 국부은하군에서 떨어져 나갈 것으로 간주합니다. 각 은하군은 초당 약 500만 광년이라는 속도로 멀어지고 있다는 것.

국부은하군에서 가장 가까운 마페이은하군도 국부은하군에서 빛의 속도로 이동해도 1100만 년이 걸리는 위치에 존재하고 있습니다.

따라서 국부은하군이라는 큰 묶음이 인류가 도달할 수 있는 최대 범위라고 해도 과언이 아니라고 Kurzgesagt는 설명합니다. 이것은 전체 우주의 단 0.00000000001%라는 영역에 해당합니다.

암흑에너지 등의 알 수 없는 힘이 우주를 팽창을 지속시킴으로써 은하 사이의 거리는 멀어져 가지만 동시에 인류가 관측 가능한 영역에 존재하는 별의 개수가 증가할 가능성도 있다고 합니다. 그 이유는 수십억 년 후에 우리은하와 안드로메다은하가 충돌할 것으로 예상되고 있기 때문입니다.

이 충돌이 일어나면 일정 기간 별의 형성 과정이 재연될 가능성도 있다고 합니다.

우주의 팽창이 계속되면 결국 관측 가능한 영역에서 모든 은하가 사라지고 우주에 존재하는 것은 우리은하와 안드로메다은하가 합체한 새로운 은하뿐인 것처럼 생각하게 될 가능성조차 있습니다.

인류가 도달 가능한 우주는 전체의 0.00000000001%로 매우 작은 공간이지만, 그래도 너무 충분한 정도할 정도로 광대한 영역이며, 현재 인류는 아직 지구 주변을 불편없이 이동할 수 있는 기술조차 갖추고 있지 않습니다. 따라서 "인류의 미래는 어둡다"고 비관할 필요는 전혀 없습니다.