우주의 전체를 언제쯤 우리가 볼 수 있을까?

빅뱅이 일어난 지 수십억년이 지났지만, 우리 우주를 점령하고 있는 물체를 어디까지 관측할 수 있는가에 대해서는 우주적인 한계가 있다. 우주는 지금까지 쭉 팽창해 왔지만, 그 팽창률은 유한하면서도 잘 측정된 것이다. 빅뱅이 일어난 순간에 방출된 광자가 오늘까지 얼마나 멀리 이동할 수 있었는지를 계산한다면, 우리는 460억 광년이라는 어떤 방향으로도 볼 수 있는 상한선을 제시한다. 이 크기는 우리의 관측 가능한 우주의 크기로, 진화적 발달의 다양한 단계에서 약 2조 개의 은하를 포함하고 있다. 그러나 그 너머에는 현재 우리가 볼 수 있는 한계 너머의 우주가 훨씬 더 많이 존재해야 한다. 바로 관측할 수 없는 우주다. 우리가 볼 수 있는 부분에 대한 최고의 측정 덕분에, 우리는 마침내 그 너머에 무엇이 있고, 그 중 얼마나 많은 것이 언젠가는 우리가 인지하고 탐구할 수 있을지 알아내고 있다. 빅뱅은 우리에게 먼 과거의 어느 시점에서 우주는 지금보다 훨씬 더 뜨겁고, 더 밀도 있고, 훨씬 더 빠르게 팽창하고 있었다고 말해준다. 우리가 우주 전체에 걸쳐 사방으로 볼 수 있는 별과 은하들은 우주가 팽창하고 냉각되어 중력이 물질을 덩어리로 끌어당길 수 있기 때문에 그것과 같이 존재할 뿐이다. 수십억 년에 걸쳐 중력 성장은 별들의 세대와 은하계의 형성에 기름을 부었고, 오늘날 우리가 보는 우주로 이어졌다. 우리가 보는 모든 곳에서, 모든 방향에서, 우리는 우리에게 같은 우주 이야기를 들려주는 우주를 본다. 하지만 그 이야기의 일부는 우리가 멀리 볼수록, 시간을 되돌아보고 있다는 사실이다. 우주가 항성을 형성하고 은하계를 성장시키는 것은 영원히 존재하지 않는다. 빅뱅과 이를 뒷받침하는 관측에 따르면 우주는 시작이 있었다. 빅뱅 이후 초기에는 우주가 다양한 재료로 채워졌고, 놀라울 정도로 빠른 초기 팽창률로 시작되었다. 이 두 가지 요소 - 우주의 모든 것의 초기 팽창 속도와 중력 효과 - 궁극적인 우주 경쟁의 두 명의 정면승부다. 한편으로 팽창은 모든 것을 밀어내기 위해 작용하여 우주의 구조를 확장시키고 은하와 우주의 거대한 구조를 분리시킨다. 그러나 한편으로 중력은 우주를 다시 하나로 끌어들이기 위해 노력하면서 모든 형태의 물질과 에너지를 끌어들인다. 정상 물질, 암흑 물질, 암흑 에너지, 방사선, 중성미자, 블랙홀, 중력파 등 모든 것이 팽창하는 우주에 역할을 한다. 팽창률은 크게 시작했지만 우주가 팽창하면서 점점 줄어들고 있다. 여기에는 간단한 이유가 있다: 우주가 팽창함에 따라, 그 부피는 증가하게 되고, 따라서 에너지 밀도는 낮아지게 된다. 밀도가 떨어지면서 팽창률도 낮아진다. 한때 너무 멀리 떨어져서 보이지 않던 빛이 이제는 우리를 따라잡을 수 있게 되었다. 이 사실은 우주에 대한 커다란 함축적 의미를 담고 있다. 시간이 지남에 따라, 한때 우리에게 드러나기엔 너무 멀었던 은하들이 자연스레 시야에 들어올 것이다. 빅뱅이 일어난 지 138억년이 되었을지 모르지만, 우주의 팽창과 함께 461억광년만큼 멀리 떨어진 곳에 빛이 막 우리에게 도달하고 있는 물체들이 있다. 이 우주 공간에 존재하는 모든 은하들을 합친다면 관측 가능한 우주에는 2조개의 은하들이 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 이 숫자인 만큼, 그것은 여전히 유한하며, 우리의 관찰은 우리가 보는 어떤 방향에서도 우주의 가장자리를 드러내지 않는다. 빅뱅 이후 경과한 시간, 빛의 속도, 우리 우주의 성분들이 관측 가능한 것의 한계를 결정한다. 그보다 더 멀리, 그리고 뜨거운 빅뱅의 순간 이후 빛의 속도로 움직이는 어떤 것조차도 우리에게 도달하기에 충분한 시간이 없었을 것이다. 하지만 이 모든 것은 시간이 지나면 바뀔 것이다. 세월이 흘러도 닿을 수 없었던 빛이 마침내 우리의 눈을 따라잡으며 우리가 지금까지 본 것보다 더 많은 우주의 모습을 드러낼 것이다. 임의로 긴 시간을 기다린다면 임의로 먼 거리를 볼 수 있을 것이고, 우주가 얼마나 가시화되느냐에 제한이 없을 것이라고 생각할지도 모른다. 하지만 암흑에너지를 가진 우주에서는, 그것은 단순히 그렇지 않다. 우주가 노령화되면서 팽창률은 점점 낮아져 0에 육박하는 값까지 떨어지지 않는다. 그 대신, 공간 자체의 구조에 내재된 유한하고 중요한 에너지의 양이 남아 있다. 암흑에너지를 가진 우주에서 시간이 흐를수록, 더 먼 물체들은 점점 더 빨리 우리의 시야에서 물러나는 것처럼 보일 것이다. 아직 우주가 더 많이 존재하지만, 우주가 얼마나 우리에게 관측 가능해질지는 한계가 있다. 팽창률, 우리가 가지고 있는 암흑 에너지의 양, 그리고 우주의 현재 우주학적 매개변수를 바탕으로 우리는 미래 가시성 한계, 즉 우리가 관측할 수 있는 최대 거리를 계산할 수 있다. 현재 138억년 된 우주에서 우리의 현재 가시성 한계는 460억 광년이다. 우리의 미래 가시성 한계는 약 33% 더 크다: 610억 광년. 지금 저 밖에는 은하계가 있는데, 그 은하들의 빛이 우리 눈으로 가는 길에 있지만, 아직 우리에게 도달할 기회가 없었다. 언젠가 보게 되겠지만 오늘날에는 아직 접근할 수 없는 우주의 모든 은하들을 합친다면, 우리는 보이는 우주에 있는 은하보다 아직 복원되지 않은 은하들이 더 많다는 것을 알게 되어 충격을 받을지도 모른다. 우리가 이미 접근할 수 있는 2조 위에 추가로 2조 7천억 개의 은하가 우리에게 빛을 보여주기 위해 기다리고 있다. 미래가 우리에게 달려 있는 것과 비교하면, 현재 우리는 43%의 은하만을 볼 수 있으며, 언젠가는 관측할 수 있을 것이다. 관측할 수 있는 우리의 우주 너머에는 관측할 수 없는 우주가 있는데, 그것은 우리가 볼 수 있는 부분과 똑같이 보여야 한다. 우리가 그것을 아는 방법은 우주의 마이크로파 배경과 우주의 거대한 구조에 대한 관찰을 통해서입니다. 만약 우주가 크기가 한정되어 있거나, 그것에 가장자리가 있거나, 혹은 더 먼 거리를 바라보면서 그 성질이 변하기 시작했다면, 이러한 현상에 대한 우리의 측정이 그것을 드러낼 것이다. 관찰된 우주의 공간적 평탄도는 99.6%의 정밀도로 긍정도 부정도 곡선이 되지 않는다는 것을 말해준다. 즉, 만약 그것이 스스로 되돌아간다면 관측할 수 없는 우주는 현재 보이는 부분보다 적어도 250배는 더 크다는 것을 의미한다. 우리는 그 특별한 거리에 가까운 것을 결코 볼 수 없을 것이다. 미래의 가시성 한계는 현재 610억 광년 떨어져 있지만 더 이상 멀지는 않은 거리로 우리를 데려갈 것이다. 그것은 오늘날 우리가 관측할 수 있는 우주의 2배 이상의 부피를 밝혀낼 것이다. 반면에 관측할 수 없는 우주는 지름이 최소 23조 광년 이상이어야 하며, 우리가 관측할 수 있는 부피보다 1500만 배 이상 큰 공간을 포함하고 있다. 그러나 우리가 관찰의 한계를 넘어 우주를 곰곰이 생각하는 동시에, 우리가 실제로 접근하거나 방문할 수 있는 우주가 얼마나 적은지 기억할 필요가 있다. 우리가 고대하는 것은 이미 수십억 년 전에 방출된 빛에 바탕을 두고 있다: 시간에 맞춰 빅뱅과 가까운 것이다. 오늘날과 같이, 우리가 빛의 속도로 지금 당장 떠난다고 해도, 우리는 우주 전체에 걸쳐 거의 모든 은하계에 도달할 수 없을 것이다. 암흑 에너지는 우주를 팽창시킬 뿐만 아니라, 먼 은하계가 우리에게서 오는 명백한 불황 속에서 속도를 높이도록 만들고 있다. 언젠가 우리가 610억 광년 거리까지 관측할 수 있는 총 4조 7천억 개의 은하가 있지만, 오늘날 우리가 도달할 수 있는 한계는 훨씬 더 겸손하다. 현재 약 150억 광년 이내, 즉 미래 가시성 한계에서 반지름의 4분의 1 이내인 은하만이 도달할 수 있으며, 이는 약 660억 개의 은하와 동일하다. 이것은 우리가 볼 수 있게 될 전체 은하수의 1.4%에 불과하다. 다시 말해, 앞으로 우리는 총 4조 7천억 개의 은하를 볼 수 있게 될 것이다. 그들 중 대부분은 아주 먼 옛날처럼 우리에게만 나타날 것이고, 그들 중 대부분은 오늘날과 같은 우리를 결코 볼 수 없을 것이다. 우리가 언젠가 보게 될 모든 은하들 중에서 4조 634억 은하는 이미 빛의 속도에서도 영원히 도달할 수 없다.