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ΛCDM 모형의 Λ는 암흑에너지다. 우주를 이루는 물질의 68% 정도를 차지하고 있다. 이 Λ는 아인슈타인이 실수라고 생각하며 뺐던 우주상수와 비슷한 역할을 한다. 우주상수를 뺐던 것이 진짜 실수가 된 셈이랄까.
그렇다면 암흑에너지가 우주를 설명하기 위해 필요하게 된 이유는 무엇일까? 이석천 경상대학교 기초과학연구소 학술연구교수는 “기존 우주팽창모형을 유지한 채로 여러 관측 결과를 설명하기 위해서는 암흑에너지가 필요했다”고 설명했다.
일반상대성이론에 기초한 우주팽창모형의 해를 구하기 위해서는 총 16개의 2차 미분방정식을 풀어야 한다. 천문학자들은 먼저 관측 결과를 근거로 우주가 균일·등방★하다고 가정했다. 그러면 2차 미분방정식 2개만 풀면 된다. 이를 풀어 얻은 결과는 우주가 점점 더 느리게 팽창하고 있다는 것이었다. 관측 결과도 이를 지지했다.
균일·등방★ 균일은 우주에 있는 물질이 어디에서나 고르게 분포한다는 의미이고, 등방은 어떤 위치에서 어느 방향을 보든지 모두 똑같아 보인다는 의미다.
그런데 문제가 생겼다. 1998년 우주가 점점 더 빠르게 팽창한다는 결정적인 관측 결과가 나온 것이다. 우주팽창모형은 흔들리기 시작했다. 우주팽창모형의 기반이 되는 일반상대성이론이 틀렸다고 하기에는, 대안이 될 수 있는 이론이 없었다. 우주가 균일·등방하다는 가정 또한 관측 결과가 뒷받침했다. 결국 이 모형의 테두리 안에서 우주의 가속팽창을 설명하기 위해서는 우주를 팽창시키는 미지의 힘인 암흑에너지를 도입할 수밖에 없었다.
팡! 우주가 터진다?
암흑에너지는 풍선을 부는 상황에 빗대어 생각하면 이해하기 쉽다. 풍선에 입으로 바람을 불어넣는다고 생각해 보자. 풍선이 우주라면 우리가 최초에 불어넣는 바람은 우주를 탄생시킨 무언가로, 아직 밝혀지지 않았다. 풍선이 점점 빨리 커지도록 바람을 불어넣으면, 이 바람이 암흑에너지다. 풍선에 계속 숨을 불어넣는다면, 그 결과는 어떨까? 팡! 터져버릴 것이다.
현재 우주가 점점 더 빨리 커지는 중이라면 풍선처럼 터져버릴 수도 있지 않을까? 2003년 로버트 칼드웰 미국 다트머스대학교 물리학과 교수는 암흑에너지가 극단적인 힘을 낸다면 우주가 급격하게 팽창해 산산조각날 수 있다는 우주종말 가설 ‘빅립’을 제시했다. 은하나 별 같은 천체뿐만 아니라 분자, 원자, 입자, 심지어 시간까지 팽창에 의해 찢긴다는 것이다. 다행히 빅립이 일어날 가능성은 낮다.
다른 우주종말 가설로는 ‘빅프리즈’가 있다. 우주가 계속 팽창하면서 물질이 점점 멀어지고, 우주가 아주 차가워진다는 가설이다. 너무 추워지면 생명체가 살아남을 수 없다. 또 다른 우주종말 가설에는 ‘빅크런치’가 있다. 중력이 우주를 팽창시키는 힘을 이기고, 모든 것을 끌어당겨 한 점으로 쪼그라뜨린다는 가설이다.
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