빅뱅 6억년 안쪽의 거대 은하들 - 빅뱅 이론 자체가 잘못된 건 아닌가?

 

지난 2월 25일 제임스웹 우주망원경(JWST)이 관측을 시작한 이래 가장 충격적인 사진을 보내왔다. 빅뱅 후 5억~8억년 시점의 6개 거대은하들의 사진이었다. 말하자면 우주 생성 아주 초창기의 은하의 모습이라는 것인데, 더욱 놀라운 점은 그 은하들의 은하 내 별 총질량이 태양의 100억~1천억 배나 될 정도로 발달한 상태였다는 것이다. 

 

 

빅뱅 후 5억~8억년 된 시점의 거대은하 6개

거대 은하 6개를 모아 놓은 사진 / 각 사진의 붉은 색 원들이 빅뱅 후 5억~8억년 시점의 거대 은하들이다. 적색편이가 클수록, 다시 말해 더 붉은 색을 띨수록 천체가 관측자로부터 더 멀리 있다는 것을 말한다. 적색편이는 관측자에게서 멀어지는 천체가 방출하는 빛의 파장이 도플러효과에 의해 스펙트럼의 붉은 색 쪽으로 이동하는 현상으로, 별이나 은하가 우주 팽창으로 인해 점점 멀어지고 있다는 증거로 쓰인다. 즉 적색편이는 천체의 나이값을 말해주는 것이다. 따라서 위의 붉은 색 원은 오래된 천체임을 뜻한다. 반대로 관측자 쪽으로 다가오는 천체의 빛은 파장이 파란색 쪽으로 이동하는 청색편이 현상을 보인다.

 

이것은 일반인들보다 초기 은하를 연구하는 천체과학자들을 흥분시켰다. 그래서 본격적인 연구를 시작하기도 전에 위 프리뷰를 공유하며 설왕설래했는데, 이보 라베 교수가 이끄는 호주 스윈번공대 국제 연구팀은 <네이처>에 이 거대은하  6개 중 가장 큰 것은 별 질량이 태양의 1천억 배나 되는 것으로 추정된다고 밝히기도 했다. (사진 아래 가장 왼쪽의 것)

 

과학자들은 이번에 발견된 은하들이 우주 초기의 것임을 고려할 때 별의 질량은 기존 우주론의 이론으로 예상해온 것보다 훨씬 크며, 이는 초기 은하 형성과정에 대한 기존 이론을 수정할 필요가 있음을 시사하는 것이라고 했다. 즉 기존의 이론 대로라면 이 시기의 것은 당연히 작고 어린 은하만 발견되어야 했다. 그런데 예상을 뒤엎고 지금 우리 지구가 속해 있는 우리은하(Milky way galaxy)보다 성숙한 거대 은하들이 발견된 것이다. 이에 미국 펜실베이니아주립대 조엘 레자 교수는 "이 사진은 과학자들이 우주 초기의 은하 기원에 대해 알고 있는 것을 완전히 뒤집는 결과를 가져온 충격적인 것"이라고 말했다.

 

막연하기는 하지만, 그렇다면 초기에 우주가 한 점에서 시작되지 않았을 수도 있다. 즉 137억년 전 작은 점과 같은 상태로 있던 초기 우주가 어느 순간 매우 높은 온도와 밀도로써 대폭발을 일으켰고 이후 빠른 팽창으로써 지금의 우주가 형성된 것이 아니라, 여러 곳에서 각자 은하를 만들어가며 형성되었을 수도 있다는 얘기다. 이번에 제임스웹 우주망원경 발견한 것이 빅뱅 후 5억~8억 년 시점의 것이 아니라 그저 보이지 않는 우주에 있던 초장기의 은하 중의 몇 개가 발견된 것은 아닐까 하는 의문이 드는 것이다.

 

빅뱅이론은 초기 우주가 태양보다 30배나 높은 고밀도의 좁은 공간에 갇혀 있다 그 밀도가 너무 높아 팽창·폭발하였고 이후 빠른 속도로 팽창해 지금의 우주를 형성하였다는 이론이다. 이 팽창론은 1929년 에드윈 허블이 윌슨산 천문대에서의 오랜 관측 결과로써 밝혀낸 것으로, 관측된 은하가 볼 때마다 멀어진다는 실증적 이론이 바탕이 됐다. 그래서, 그렇다면 이 우주가 1927년 벨기에 천문학자 조지 르메트르가 말한 대로 초기의 한점으로부터 팽창 폭발한 후 지금도 팽창을 계속하고 있다는 가설이 성립하게 된 것이니 이것이 현재 우주 생성 이론 중 가장 폭넓은 지지를 받고 있는 빅뱅이론이다.

 

허블은 윌슨산 천문대에서의 관찰을 통해 우주 팽창 속도를 얻어냈다. 그리고 그것을 바탕으로 우주의 나이를 계산해 보았는데, 결과는 지구의 나이 46억년 보다도 짧은 20억년이 나왔다. 지금 빅뱅이론의 137억년은 여러 관측 사실에 기초해서 얻은 시기라고 하는데, 어차피 시공간에 제한이 있는 3차원 세계이니 그저 그렇게 믿자고 묵언의 약속을 한 듯하다. 결론인즉 이 우주는 137억년 전 대폭발이 이루어졌고 순간적으로 20억 x 10억 km로 팽창했으며 지금도 팽창하고 있다고 한다. 그래서 과연 언제까지 팽창할까라고 물으면 "끝없이"라는 답이 나온다.

 

137억년 전 어느 한 점에서 팽창·폭발한 후 지금도 끝없이 팽창하고 있다는 것이 지금의 우주론이다. 시작은 있는데 끝은 없다는 희한한 이론이다. 그리고 폭발 이전에는 아무것도 없었다고 말한다. 어쩌면 3차원의 세계에서 말할 수 있는 최고의 정답일지는 모르지만 말은 안 된다. 어차피 3차원에서는 이 우주의 시작과 끝은 답을 얻을 수 없을 텐데, 빅뱅 후 5억~8억년 시점의 은하들을 발견했다니, 그저 웃기다는 생각밖에 안 든다. 개인적 뇌피셜로는 이번에 JWST가 발견한 은하들은 본래 그 자리에서 제 환경에 적합하게 생성되었던 바, 현대의 관측으로부터 얻어진 초기 질량함수 이론과 배치되는 큰 질량의 것이라는 사실이 차라리 당연한 일로 여겨진다.  

 

 

2022년 9월 7일 JWST가 적외선 장비로 포착해 합성한 타란툴라(독거미) 성운 이미지

성운 속에서 반쩍이는 수만 개의 젊은 별이 환상적이다. 이 성운의 정식 명칭은 황새치자리 30(30 Doradus)으로 지구로부터 16만 1000광년 떨어진 대마젤란은하 내에 약 340광년에 걸쳐 전개된다.