[아하! 우주] ‘슬프고 외로운’ 우주의 종말을 계산해낸 과학자

[서울신문 나우뉴스]

어두운 갈색왜성 상상도. 흑색왜성과 비슷하리라 추정된다.(출처: NASA/JPL-Caltech)

-수백조 년 후 첫번째 흑색왜성 폭발이 우주 종말의 신호탄​

우주가 차갑게 식은 끝에 '죽은' 후에도 별들은 오랫동안 계속해서 폭발할 것이다. 한 과학자가 우주의 종말에 최후로 폭발할 초신성을 찾기 위해 '토끼굴' 속으로 뛰어들기로 결정했다.

우리가 알고 있듯이 우주가 종말을 맞으면 '조금 슬프고 외롭고 추운 곳'이 될 것이라고 일리노이 주립대학 물리학 조교수인 이론 물리학자 매트 캐플란은 성명에서 말했다. 새로운 연구에서 캐플란은 죽은 별이 시간이 지남에 따라 어떤 변화의 길을 걸을 것인지를 계산하고, 우주의 먼 미래에 마지막 초신성이 언제 폭발할 것인지 그 시점을 결정했다.

우주의 종말은 '열 사망(heat death)'으로 알려져 있으며, 우주는 대부분 블랙홀과 타버린 별의 시체만이 남게 될 것이라고 성명서에서 밝히면서 캐플란은 이렇게 덧붙였다. "나는 한 가지 이유로 물리학자가 되었습니다. 나는 그 '큰 질문'에 대해 생각하고 싶었습니다. 우주는 왜 여기에 존재하며 어떻게 끝날까?"

새로운 연구에서 캐플란은 항성 진화의 마지막 단계인 폭발의 미래를 주시했다. 거성의 경우, 철이 별의 중심부에 축적되면 마침내 초신성 폭발을 일으켜 붕괴된다. 그러나 백색왜성(태양 같은 질량의 별이 핵연료를 모두 소모할 때 형성되는 초밀도의 별)과 같은 작은 별은 이 철을 생산할 수 있는 중력과 밀도가 없다. 그러나 캐플란은 시간이 지남에 따라 백색왜성이 더욱 조밀해지고 이윽고 철을 생성할 수있는 '흑색왜성'이 될 수 있음을 발견했다.

"백색왜성이 향후 몇조 년 동안 식으면서 점점 어두워지고 차갑게 얼어붙어 마침내 더 이상 빛을 내지 않는 '흑색왜성'이 될 것"이라고 설명하는 캐플란은 “별은 핵융합으로 인해 빛나는데, 작은 핵을 부수어 더 큰 핵을 만들어 에너지를 방출할 만큼 뜨겁다. 백색왜성은 타고 남은 별의 시체지만 양자 터널 효과로 인해 훨씬 느리기는 하지만 여전히 핵융합이 일어날 수 있다"고 주장한다.

양자 터널 효과란 고전 물리학적으로는 통과하지 못하는 에너지 장벽 이쪽에 있던 전자 같은 아원자 입자가 갑자기 사라졌다가 에너지 장벽 다른 쪽에 나타나는 현상을 말한다. 캐플란은 이러한 핵융합이 흑색왜성 내에서 철을 생성하고 이 같은 유형의 초신성을 촉발시키는 핵심이라고 주장한다.

새로운 연구는 폭발을 일으키기 위해 크기가 다른 흑색왜성을 얼마나 많이 만들어야 하는지 보여준다. 캐플란은 이 '흑색왜성 초신성' 중 첫 번째가 수백조 년 후에 나타날 것이라는 계산서를 내놓았다. 이는 거의 상상할 수 없을 정도로 장구한 시간이다. "그것은 참으로 놀라울 정도로 까마득히 먼 미래의 시간이다"라고 캐플란은 덧붙였다.

그는 가장 거대한 흑색왜성이 먼저 폭발할 것이고, 그 다음에는 덜 무거운 별들이 차례대로 폭발하여 모든 흑색왜성들이 남김없이 폭발할 것이라는 사실을 발견했다. "그 시간은 약 10 ^ 32000제곱 년 후로 예상되는데, 그 이후에 어떤 일이 일어날지 상상하기는 어렵다"고 밝히는 캐플란은 "흑색왜성 초신성은 우주에서 마지막으로 일어나는 흥미로운 사건이 될 수 있으며, 그들은 아마도 마지막 초신성일지도 모른다"고 덧붙였다.

그렇다면 마지막 초신성이 폭발한 시점에서 '슬프고 외로운' 우리 우주는 어떻게 될까? 캐플란에 따르면, "은하가 흩어지고 블랙홀이 증발할 것이지만, 우주의 팽창으로 인해 남아 있는 모든 물체들이 서로 멀리 떨어져서 다른 물체가 폭발하는 것을 볼 수는 없을 것이다. 빛이 그처럼 멀리까지 이동한다는 것은 물리적으로도 불가능할 것이기 때문"이라고 설명한다.

이 연구는 8월 7일 영국 천문학 저널인 '왕립천문학회 월보' 게재되었다.

이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com

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