우주는 나이는 137억년인데 관측 가능한 우주의 지름이 930억 광년인 이유는?

우주는 나이는 137억년인데 관측 가능한 우주의 지름이 930억 광년인 이유는?

적지 않은 사람들이 '우주가 137억 년 전에 탄생했다면 우주의 반지름도 137억 광년이지 않을까?'라는 생각을 가지게 됩니다.
흥미롭게도, 이 오해는 뿌리 깊고, 현재에도 세계 각국의 과학 잡지나 과학 지식 사이트에서도, 흔히 볼 수 있습니다.

이번에는 '지구의 전체 둘레'나 '은하단의 직경'부터 시작해서 관측 가능한 우주의 직경, 그리고 그 밖에 펼쳐진 우주 전체의 직경까지 차례로 서술하여 오해의 원인에 알아보고자 하는 내용입니다.

◆지구의 지름에서 태양계의 지름까지
우선 지구나 태양계의 크기를 살펴보자
우선 지구나 태양계의 크기를 살펴보자 / / Credit:Canva . 카와카츠야스히로

과거 고대 그리스의 현자들은 세계 각지의 우물에 비치는 빛을 같은 달의 같은 날에 비교함으로써 지구의 전체 둘레를 3만 9690km로 추산했습니다.

이 수치는 상당히 정확하며, 현재 기기로 측정된 전체 둘레 4만 8km와의 오차는 3% 정도입니다.
고대 사람들에게도 자신들이 있는이 대지(大地)가 얼마나 큰 크기를 가지고 있는지는 큰 흥미의 대상이었음을 알 수 있습니다.

또한 달까지의 거리도 같은 시기의 그리스 철학자 히파르코스에 의해 35만 4000km로 추산하였습니다.

이것도 비교적 정확하며, 현재 측정값 38만 4400km와의 오차는 8% 정도입니다.
그러나 안타깝게도 고대 그리스의 고도의 지식은 후세에 충분히 전달되지 못했고, 이어 지구가 평평하다는 지구평면설이 우세한 세상이 됩니다.

자유로운 사상이나 세계의 비밀을 찾으려는 시도는 중세 세계에서는 신(神)에 대한 거역으로 간주되었기 때문입니다.
그러나 르네상스 시기를 거치면서 과학적 사고가 부활하자 인류는 다시 여러 가지 거리를 재게 되었습니다.

인류의 과학을 측정하는 차이는 다양하지만 '거리 측정 능력'은 상당히 정확한 지표가 될 것입니다.
과학이 발전하면서 측정 가능한 거리는 점점 늘어나 태양까지의 거리(약 1억 5000km)와 현재 지구에서 명왕성까지의 거리(약 40억km)도 알 수 있었습니다.

다만 거리가 늘어남에 따라 다루는 숫자의 자릿수도 늘어납니다.
그래서 천문학에서는 지구와 태양의 거리를 새롭게 1천문단위(1AU)로 정의하고, 단위를 사용하기 쉬운 형태로 변경했습니다.

천문 단위를 사용하면 태양과 다른 행성의 긴 반경도 명확해집니다.
예를 들어 수성까지 0.39AU, 금성까지 0.72AU, 목성까지 5.20AU, 명왕성까지 39.5AU로 거리 관계도 알기 쉬워집니다.

천문단위는 태양계 내부에서 거리감을 느끼기에 적합

하지만 그보다 먼 거리에서는 다시 자릿수가 늘어나기 시작합니다.
예를 들어 태양에서 카이퍼 벨트(Kuiper Belt)라고 하는 천체의 밀집 영역까지는 100AU 정도, 또한 태양계의 바깥쪽 가장자리라고 생각되는 오르트 구름(Oort cloud.
먼지와 얼음이 태양계 가장 바깥쪽에서 둥근 띠 모양으로 결집되어 있는 거대한 집합소)까지는 약 1만AU가 됩니다.
  *고전적 카이퍼 벨트란 궤도 장반경이 해왕성(약 30AU)보다 크고, 공전주기가 해왕성의 약 2배(약 48~50AU) 이하인 천체들의 영역을 말한다.

이 경우, 태양계의 직경은 2만AU가 됩니다.
그리고 태양의 중력이 미치는 범위에 이르러서는 12만 5000AU가 되어, 다시 이미지하기 어려워집니다.

특히 태양계 밖, 즉 우주의 성계 사이의 거리를 나타내는 데는 지구-태양 사이의 거리를 기준으로 해도 별 의미가 없습니다.

그래서 등장하는 것이 광년입니다.

◆ 이웃 항성(恒星)들과 은하단의 크기
오리온 팔은 두 개의 주요 지류를 이루고 있습니다
 *오리온자리 팔(Orion Arm )은 가로 약 3,500 광년(1,100 파섹), 세로 10,000 광년(3,100 파섹) 규모의 우리 은하의 작은 나선형 팔을 말한다.

오리온 팔의 위치와 두 개의 주요 지류

 

여기서부터는 거리가 일시에 인플레이션되어, 빛이 1년간 진행하는 거리 「광년」이나 1 파섹(3.26 광년)이 기준이 됩니다.
태양계에서 가장 가까운 알파 켄타우리까지의 거리는 대략 4.2광년(1.3파섹)으로 알려져 있습니다.

대충 정리하면 「1광년=27만AU=40.2조km=0.306601 파섹」이 됩니다.
또 태양계가 속한 오리온 팔의 길이는 약 1만 광년이며 은하수 은하계의 지름은 약 15만 광년입니다.

은하수 은하와 안드로메다 은하는 국소 은하단의 양대 은하입니다.

은하수 은하와 안드로메다 은하는 국소 은하단의 양대 은하

또 시야를 확대하면 은하수 은하단과 안드로메다 은하단이라는 두 개의 큰 은하 덩어리가 보입니다.
이 2개의 은하단은 덤벨처럼 2개가 세트가 되어 국소 은하군(로컬 그룹)이라고 하는 더 큰 그룹을 형성하고 있습니다.

이 로컬 그룹의 직경은 약 326만 광년(3메가 파섹)으로 되어 있습니다.

은하수 은하가 속한 국소 은하단도 점과 같은 크기가 되어 버립니다
은하수 은하가 속한 국소 은하단도 점과 같은 크기가 되어 버립니다 / / Credit:Wikimedia

은하수 은하가 속한 국소 은하단도 점과 같은 크기가 되어 버린다.

또 로컬 그룹은 처녀자리 은하단은 1500만 광년(4.6 메가파섹)의 일부이며, 또한 처녀자리 은하단은 라니아케아 초은하단((Laniakea Supercluster. 오른쪽 노란 부분)의 일부입니다.

라니아케아 초은하단의 지름은 5억2000만 광년(153메가파섹)으로 추정되고 있습니다.
  *라니아케아 초은하단(Laniakea Supercluster)은 태양계, 지구를 포함한 우리 은하가 위치한 초은하단이다

이쯤되면 관측 가능한 우주의 한계가 보이기 시작합니다.

이쯤되면 관측 가능한 우주의 한계가 보이기 시작

그리고 라니아케아 초은하단은 우주의 대규모 구조를 형성하는 그물의 1개 '헤라클레스구상상단자리(Hercules Globular Cluster, Great globular cluster in Hercules)·슬론 그레이트 월(Sloan Great Wall)'의 일부가 됩니다.

이러한 '헤라클레스자리 슬론 그레이트 월'의 길이는 약 100억 광년으로, 관측 가능한 우주의 10.7%의 길이에 이르고 것으로 보고 있습니다.
100억 광년의 길이를 가진 '헤라클레스자리·슬론 그레이트 월'이 10.7%에 불과하다면 관측 가능한 우주의 크기는 그 9배 이상 커야 합니다.

◆ 관측 가능한 우주의 직경과 전 우주의 직경
관측 가능한 우주의 지름은 930억 광년입니다.
지구의 크기로부터, 헤라클레스자리·슬론 그레이트 월에 이른 것으로 처음 관측 가능한 우주의 일부까지 설명하였습니다.
관측 가능한 우주의 직경은 약 930억 광년으로 보고 있어서, 지구에서는, 그 절반이 되는 반경 465억 광년 앞에, 깊은 골이 있다고 생각하고 있습니다(참고 문헌※2).

예를 들면, 현재 관측할 수 있는 가장 먼 곳에 있다고 생각되는, 우주 마이크로파 배경 복사는 빅뱅으로부터 37만 9000년 후에 나온 빛이, 465억 광년보다 약간 짧은, 대략 460억 광년 앞의 공간으로부터 도달했다고 생각하고 있습니다(참고 문헌※4).

"약 137억 년 전에 나온 빛이 460억 광년 떨어진 지구에 닿는다"라고 하면 광속도 한계의 관점에서는 이상하게 들릴 것입니다.
아인슈타인의 특수상대성이론에 따르면 어떤 물체도 빛의 속도를 넘지 않는다고 하기 때문입니다.
단지 이 이론은, 우주가 평평한(곡률이 없는) 시공으로부터 구성되어 있는 경우에 한정된 이야기이며, 실제 우주는 계속 팽창하고 있습니다.

즉 '우주의 나이가 137억이니까 우주의 반경은 137억 광년이다'라는 생각은 팽창하지 않는 우주에서 생각했을 경우의 이야기입니다.
따라서 빛이 방출된 '시간'에서 빛이 닿을 때까지 가야 하는 '거리'를 산출하려면 우주의 팽창률을 고려해야 합니다.

이 팽창률이 137억 년 전(시간)과 465억 광년(거리)의 차이 요인이 되고 있습니다.
다만 이 반경 465억 광년이라는 수치는 빅뱅 이후 우주의 맑음과 빛을 기준으로 하고 있습니다.

우주가 맑아지기 전에는 빛이 똑바로 나아갈 수 없기 때문에 그보다 전에 존재했던 빛이 있다고 해도 관측 가능하지 않기 때문입니다.
한편 빛의 한계를 넘어서는 방법으로 중력파를 기대하고 있습니다.

우주의 시작에 대해 우리들 대부분은 '빅뱅에 의해 초고밀도의 '한 점'이 폭발적으로 팽창하여 우주가 되었다'고 생각하고 있습니다.
실제로 옛날 어린이용 과학 잡지에는 종종 그렇게 설명하곤 했습니다.

그러나 현재 빅뱅은 우주의 시작이라고는 생각되지 않습니다.
빅뱅은 우주의 시작이 아니다

빅뱅은 우주의 시작이 아니다 / 와세다 대학, 우주의 시작 무렵의 모습을, 중력파를 사용해 분명히

현재의 우주론에서는 먼저 초고밀도의 '점'이었던 우주의 원인물질이 인플레이션에 의해 급격히 팽창하여 일시적으로 차가워졌다가 재가열된 것으로 보고 있습니다.
그리고 어릴 때 우리가 빅뱅이라고 생각했던 것은 이 재가열 현상으로 밝혀졌습니다.

우리의 우주는 탄생한 직후부터
초고온 초고밀도 한 점 ➔ 인플레이션으로 급팽창해 냉각 ➔ 재가열(빅뱅) ➔ 소립자의 탄생 ➔ 힉스 입자의 성질 변화 ➔ 원자의 탄생 ➔ 별들의 탄생 ➔ 현재 우주

눈이 휘둥그레질 정도로 그 모습이 변해갔습니다.
모든 힘으로부터 중력이 분리된 것은 우주 탄생으로부터 10의 마이너스 43승초 지난 것이라고 보고 있어, 빅뱅보다 이전의 인플레이션 시대의 우주의 모습을 살펴 볼 수 있을지도 모르기 때문입니다(참고 문헌※3).

현재 세계 각국에서 중력파 측정 프로젝트가 진행하고 있습니다.
어쩌면 가까운 미래에 관측 가능한 우주의 정의가 빛을 기준으로 한 것에서 중력을 기준으로 한 것으로 바뀔지도 모릅니다.

◆ 관측 가능한 우주 너머에 있는 전 우주의 지름
관측 가능한 우주 바깥을 포함한 전체 우주의 크기를 계산하려면 빅뱅보다 전에 일어난 인플레이션에 의한 팽창률도 고려해야 합니다.
그러나 예측 결과는 제각각이며, 일반적으로는 1.5×1034억 광년이라는 의견이 보이는 한편, 더 큰 수치를 주장하는 사람들도 있습니다.

예를 들어 과거에 행해진 다른 연구에서는 인플레이션의 팽창율은 거의 무한에 가까울 가능성이 있으며, 우주의 직경은 10의 10제곱의 10제곱의 123제곱이라는 쿠누스의 화살표 표기(Knuth 's up-arrow notation. 도널드 쿠누스가 거대수를 표현하기 위해 발명한 표기법)의 스케일에 의해 비로소 표현될 수 있다고 추정하고 있습니다(※참고문헌1).

이러한 거대수(巨大数) 앞에서는 모든 단위는 무의미해집니다.
원래 숫자가 1km와 1광년에서는 계산 결과가 40조 배 이상 차이가 나지만, 쿠누스의 화살표 표기(Knuth 's up-arrow notation. 도널드 쿠누스가 거대수를 표현하기 위해 발명한 표기법)라는 비정상적인 숫자 앞에서는 원래 수치의 몇 배인지는 물리적으로 아무런 가치도 생기지 않게 되어 버리기 때문입니다

단위라는 것은 물리적인 개념을 동반한 것으로 단위가 결과에 영향을 미치지 못하는 수준의 쿠누스의 화살표 표기(도널드 쿠누스가 거대수를 표현하기 위해 발명한 표기법) 앞에는 무력합니다.

실제로 물리학자 중에는 전체 우주의 크기는 말 그대로 무한하다고 말하는 사람도 있습니다.
그야말로 우주의 넓이는 헤아릴 수 없다고 할 수 있는 것입니다.

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※1 레오나르도 서스킨드. 우주의 랜드스케이프 우주의 수수께끼에 끈 이론이 답을 내놓다(レオナルド・サスキンド. 宇宙のランドスケープ 宇宙の謎にひも理論が答えを出)_ . 2006 . 닛케이BP. ISBN978-4822282523
https://www.amazon.co.jp/dp/482228252X

※2　Itzhak Bars; John Terning . Extra Dimensions in Space and Time. 2009 . Springer. ISBN 978-0387776378. Retrieved 2011-05-01.
https://www.amazon.co.jp/dp/1461425328

※3 아키모토 유우키 . 우주의 역사와 우주관측(秋元祐希 . 宇宙の歴史と宇宙観測). 2019. 기술 평론사. ISBN 978-297-10413-9
https://www.amazon.co.jp/dp/429710413X/

※4　Guth, Alan H. The inflationary universe: the quest for a new theory of cosmic origins. (1997). Basic Books. ISBN 978-0201328400.
https://www.amazon.co.jp/dp/0201149427