우주의 마지막에 대한 이론은 크게 세 가지로 나눌 수 있다.
- 종말은 없다.
- 우주는 영원히 존재한다는 것이다. 한 때 주류 이론이었던 정상우주론이 여기에 해당된다. 현재 관측 결과와는 맞지 않다.
- 영원히 죽음을 맞는다.
- 일시적으로 죽음을 맞이한다.
- 빅뱅과 빅 크런치가 영원히 계속된다는 진동우주론이 여기에 해당된다.
이 중에서 우주의 완전한 종말을 다루는 경우는 열린 우주의 종말과 닫힌 우주의 종말로 나눌 수 있다. 그리고 이 경우를 흔히 '우주의 종말'이라고 부른다.
열린 우주의 종말[편집 | 원본 편집]
- 항성형성 정지
- 양성자와 중성자 등의 중입자는 대부분 항성과 성간물질의 형태로 존재한다. 항성은 시간이 흐름에 따라 진화하며, 가벼운 항성은 백색왜성, 무거운 항성은 중성자성이나 블랙홀로 진화한다. 이러한 과정에서 항성의 질량 대부분이 방출되어 성간물질을 이루며, 이 성간물질의 밀도가 높아지면 거기에서 다시 항성이 탄생한다. 이러한 방식으로 중입자는 재활용된다.
- 중입자가 재활용되기는 하지만, 매 단계에서 백색왜성이나 블랙홀 같은 밀집성의 형태로 고정되는 질량이 있기 때문에, 시간이 지날수록 재활용되는 중입자의 양은 점차 줄어들게 되며, 결국 성간물질이 고갈된다. 그로 인해 더이상 새로운 항성이 형성되지 않는다.
- 항성형성이 중지됨에 따라, 가시광선을 방출하는 천체가 우주 전체에서 점차 감소하게 될 것이다. 그리하여 이 시기의 우주에는 주로 식어가는 밀집성에서 방출되는 적외선과 전파가 관측될 것이다.
- 여기에 이르기까지 10^14년(100조년) 정도가 소요될 것으로 추정된다.
- 블랙홀의 성장
- 은하 하나에서 초신성은 100년에 한 번 꼴로 나타나며, 여기에서 하나의 은하에 약 1억개의 항성 블랙홀이 있을 것으로 추측할 수 있다. 또한 많은 은하의 중심에는 초대질량 블랙홀이라는 거대한 블랙홀이 존재한다는 것이 밝혀졌다.
- 블랙홀은 주위의 물질을 흡수하며 성장하고, 질량이 큰 천체는 중심으로 모이는 경향이 있다. 고로 블랙홀은 성장하면서 은하계의 중심을 향해 모여들면서 결합하여, 더욱 거대한 블랙홀이 된다. 결국 은하 중심의 초대질량 블랙홀이 은하 전체의 질량을 흡수하게 된다.
- 여기에 이르기까지 10^30년(100양년) 정도가 소요될 것으로 추정된다.
- 하나의 블랙홀로 결합하는 최대 단위는 은하단이다. 하나의 은하단이 하나의 블랙홀로 결합하는 것이다. 그보다 더 큰 단위로 가면 우주의 팽창속도가 중력보다 빨라(즉, 팽창속도가 광속을 넘어서서) 결합하는 것이 불가능해진다.
- 블랙홀의 증발
- 진공상태에서는 입자와 반입자가 쌍생성-쌍소멸을 일으킨다. 이 현상은 블랙홀 주변에서도 일어나는데, 블랙홀의 경계면인 사상의 지평선 주변에서 쌍생성이 일어날 경우 반입자는 블랙홀 안으로 빨려들어가고, 입자는 블랙홀 밖으로 튕겨나간다. 빨려들어간 반입자와 블랙홀 내부의 입자가 쌍소멸하면서 블랙홀의 질량이 소실된다. 그리고 거기에 해당되는 만큼 튕겨나간 입자가 생긴다. 이것을 호킹복사라고 하는데, 호킹복사는 블랙홀이 작을수록 활발히 일어나며, 그로 인해 작은 블랙홀일수록 온도가 높다. 그리고 블랙홀의 온도가 블랙홀 외부보다 높아야 블랙홀이 호킹복사에 의해 증발한다. 보통 블랙홀은 지금의 우주 온도인 2.7K보다 낮기 때문에 지금은 호킹 복사에 의해 증발하는 블랙홀이 없다.
- 우주가 팽창하여 우주의 온도가 60nK(나노켈빈)까지 내려갈 경우, 보통 블랙홀도 증발하기 시작한다. 우주의 온도가 10^-19K까지 내려갈 경우에는 은하규모의 블랙홀도 증발하기 시작한다. 은하규모의 거대한 블랙홀이 증발하려면 우주의 크기가 지금의 10^19배(1000경배) 정도가 되어야한다.
- 여기에 이르기까지 10^100년(1구골년) 정도가 소요될 것으로 추정된다.
- 방사선만 존재하는 우주
- 블랙홀이 모두 증발한 뒤, 블랙홀이 증발하면서 방출한 광자만이 우주에 존재한다. 이 시기의 우주는 절대영도에 무한히 가깝기 때문에, 광자의 에너지는 아주 낮다. 따라서 물질이 생성되는 것은 불가능하다. 오로지 방사선만이 존재하는 이 우주는 기하급수적으로 팽창하며, 절대영도에 무한히 가깝게 냉각된다.
- 이 상황을 빅프리즈 혹은 빅칠이라고 한다. 물리적 과정의 결과로 나타나는 결과이므로, 엔트로피의 증가로 나타나는 열적 죽음과는 다른 상황이다.
- 양성자 붕괴
- 원자핵을 구성하는 양성자와 중성자 중, 중성자는 불안정하여 극히 짧은 시간만에 양성자로 붕괴한다. 양성자는 꽤 안정적이지만 역시 붕괴하여, 언젠가는 모든 물질이 기본입자 단위로 붕괴하게 된다.
- 양성자의 수명은 10^33년(10구년) 이상으로 예상되며, 양성자는 붕괴되기 이전에 대부분 블랙홀에 흡수된 뒤 증발하므로 이러한 이유로 인한 우주종말은 관측하기 어려워질 것이다.
닫힌 우주의 종말[편집 | 원본 편집]
닫힌 우주에서는 우주가 무한히 팽창하는 것이 아니라, 일정 시점이 지나면 팽창속도가 점차 줄어들다가 수축하게 된다. 결국 하나의 특이점으로 수축하게 되어 빅크런치를 맞이한다.