[핵잼 사이언스] 빅뱅 이전에도 우주는 존재했을까?

빅뱅 이전에도 우주가 존재했을까? 빅뱅 이후 우주는 어떻게 진화했는가? 이 같은 문제를 알기 위해서 연구자들이 시계처럼 작동하는 입자의 영향을 조사할 것을 제안한 새 연구가 발표되었다고 30일(현지시간) 우주전문 사이트 스페이스닷컴이 보도했다.

현재 대세를 이루고 있는 우주론은 우주가 태초의 짧은 순간에 엄청난 속도로 팽창을 했다는 급팽창 이론(inflation theory·인플레이션 우주론)이다. 빅뱅 후 10⁻³⁶~10⁻³⁴초라는 매우 짧은 시간에 우주의 크기가 10⁴³배 팽창되었다는 것이다. 이 기간에 공간 자체는 빛의 속도보다 빠르게 팽창했다.

인플레이션 이론은 우주의 구조와 진화에 대한 여러 신비를 푸는 데 도움이 될 수 있다. 예를 들어, 인플레이션은 우주가 모든 방향에서 대체로 같은 모습을 보이는 우주의 평탄성 이유를 잘 설명해준다.

그러나 인플레이션 이론을 비판하는 쪽에서는 우주에 대한 시작 조건이 있을 것으로는 보이지 않는다고 주장하며, 우주의 가장 오래된 빛인 마이크로파 배경복사에 대한 최신 데이터를 설명하기 위해 점점 더 부가적인 모델이 필요하다고 연구 공동저자인 아비 로브 하버드대 천체물리학과장이 밝혔다.

“가장 자연스럽고 그럴듯한 인플레이션 모델이 배제되었다”고 주장하는 로브는 “모든 것이 가능하고 어떤 시나리오라도 수용할 수 있는 지극히 유연한 인플레이션 이론은 조금 걱정스럽다. 과학적 이론의 강점은 어떤 결과를 예측하고 다른 이론들을 배제할 수 있는 데에 있다”고 강조한다.

과학자들은 지금까지 인플레이션 이론과 같이 우주의 수수께끼를 설명할 수 있는 전혀 다른 우주론 모델을 개발해왔다. 예컨대, 인플레이션 이론은 우주가 물질과 에너지가 극한으로 밀집된 한 특이점(singularity)에서 출발했다고 가정한다. 이론상으로 특이점은 공간과 시간의 구조를 무한대로 왜곡시키기 때문에 빅뱅 이전에는 아무것도 존재하지 않으며 시간조차도 존재하지 않는다.

그러나 또 다른 우주론 모델은 우주가 원시우주의 붕괴에 뒤따른 ‘빅 바운스'(Big Bounce)에서 태어났다고 제안한다. 이 모델은 인플레이션 이론과 마찬가지로 우주가 왜 지금처럼 되었는가를 설명할 수 있다고 로브는 주장한다.

인플레이션 이론과 다른 우주론의 진위를 결정하기 위해 로브와 그의 동료 연구자들은 한 가지 테스트를 제안했다. “과학은 믿음이 아니라 증명으로 발전하는 것이다. 그래서 우리는 어떤 시나리오가 발생했다는 것을 입증하기 위해 단서를 찾는 작업에 착수했다”고 로브는 밝혔다.

이 테스트의 핵심은 다른 우주론 모델에서 우주가 어떻게 행동하는가를 알아보는 것이라고 밝히는 하버드 대학의 종-지 시안위 공동저자는 “인플레이션은 우주가 기하급수적으로 확장되었다고 보는 반면, 빅 바운스는 원시우주가 축소되고 현재의 우주로 확장되었다고 가정한다. 어떤 모델은 우주가 서서히 팽창했다고 보지만, 그와 반대로 우주가 급격히 팽창했다고 보는 우주론도 있다”고 설명한다.

지금의 우주가 있기 전에 원시우주란 게 존재했다면, 현재의 물리학은 시계추가 앞뒤로 흔들리듯이 일정한 주파수로 진동하는 입자들이 존재했을 것이라는 사실을 말해준다. 이러한 ‘원시 표준시계’의 작동은 극미세계의 물질 밀도에 불균질을 가져와 우주가 팽창한 후 지금과 같은 구조를 갖게 하는 데 씨앗이 되었을 것이다.

하버드 대학의 싱잉 첸 대표저자는 “빅뱅 이전에 어떤 일이 있었는지에 대해 우리가 지금까지 알아낸 모든 정보가 필름 롤에 들어 있다고 상상해보면 표준시계가 어떻게 이러한 프레임을 재생해야 하는지를 알려준다”고 주장한다. 한때 원시우주가 존재했다면, 그 붕괴는 현재의 우주 구조에서 감지할 수 있는 방식으로 원시 표준시계를 작동하게 했을 것이라는 말이다.

시안위 공동저자는 성명서에서 “우주가 수축하는 것을 보여주는 신호 패턴이 발견되면 인플레이션 이론이 완전히 허구임이 입증될 것”이라고 주장한다.

연구자들이 그 같은 증거를 찾기 위해 분석할 수 있는 몇 가지 데이터 세트가 있다. 하나는 슬론 디지털 스카이 서베이(Slan Digital Sky Survey)를 비롯해, 곧 취역하게 될 다크 에너지 서베이(Dark Energy Survey), 광시야 적외선 망원경(WFIRST), 대형 시놉틱 관측 망원경(LSST)들이 전천에 대한 대규모 조사에 나설 것이라고 밝히면서, 과학자들은 또한 우주 마이크로파 배경복사를 볼 수 있을 것이라고 로브는 덧붙였다.

“우리는 이미 인플레이션 이론을 배제할 수 있는 관찰 가능한 세부 사항을 확인했다”고 밝히는 로브는 “인플레이션이 발생했을 가능성은 매우 높지만, 인기있는 아이디어가 과연 진실인지 밝힐 수 있는 것은 언제나 멋진 일이다”고 강조한다. 연구진은 피지컬 리뷰 레터에 자세한 연구결과를 게재했으며, 출판 전 서버인 아카이브에 웹 사이트에서 볼 수 있다.

이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com