우주에는 정말 끝이 있을까?｜우주의 크기와 관측 가능한 우주 너머에는 무엇이 있을까

 
밤하늘을 올려다보면 수많은 별이 보입니다.
그 별 너머에는 또 다른 별이 있고, 그 너머에는 은하가 있습니다. 그리고 그 은하 너머에도 또 수많은 은하가 존재합니다.
그렇다면 계속 앞으로 나아가다 보면 언젠가는 우주의 끝에 도착할 수 있을까요?
우주의 끝에는 거대한 벽이라도 있는 걸까요?
그리고 그 벽 너머에는 무엇이 있을까요?
놀랍게도 현대 천문학도 아직 우주 전체가 얼마나 큰지, 우주가 유한한지 무한한지 확실히 알지 못합니다. NASA 역시 전체 우주의 실제 크기에 대해서는 신뢰할 만한 추정치가 없으며, 유한한지 무한한지도 알지 못한다고 설명합니다.
오늘은 생각할수록 신기해지는 질문,
“우주에는 정말 끝이 있을까?”
를 하나씩 알아보겠습니다.

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1. 먼저 우리가 말하는 '우주'란 무엇일까?

우주는 단순히 별과 행성이 떠 있는 검은 공간만을 의미하지 않습니다.
NASA는 우주를 공간 전체와 그 공간에 존재하는 모든 물질과 에너지, 심지어 시간까지 포함하는 것으로 설명합니다.
지구도 우주의 일부이고,
태양도 우주의 일부이며,
우리 은하와 수많은 다른 은하들도 모두 우주의 일부입니다.
쉽게 말하면 우주는
“존재하는 모든 것”
이라고 할 수 있습니다.

위와 같은 허블 우주망원경의 딥필드 사진을 보면 작은 점 하나하나가 대부분 별 하나가 아니라 수많은 별을 포함한 은하입니다.
허블 울트라 딥 필드에는 하늘의 아주 작은 영역에 약 1만 개의 은하가 담겨 있습니다.

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2. 우주의 나이는 약 138억 년

현재 관측을 토대로 과학자들이 추정하는 우주의 나이는 약 138억 년입니다.
NASA는 오래된 별의 나이와 우주의 팽창률 등을 측정해 이 값을 알아냈다고 설명합니다.
그렇다면 여기서 아주 자연스러운 계산이 하나 떠오릅니다.
빛보다 빠른 것은 없으니,
“우주가 138억 년 됐다면 우리가 볼 수 있는 거리는 최대 138억 광년 아닌가?”
라고 생각할 수 있습니다.
그런데 실제로는 그렇지 않습니다.

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3. 관측 가능한 우주의 지름은 약 920억~930억 광년

NASA는 현재 관측 가능한 우주의 지름을 약 920억 광년, ESA는 최소 약 930억 광년 규모로 설명합니다. 수치 표현에는 약간의 차이가 있지만 대략 900억 광년이 넘는 규모입니다.
여기서 이상한 점이 생깁니다.
우주의 나이는 약
138억 년
인데,
관측 가능한 우주의 지름은 약
920억~930억 광년
입니다.
어떻게 이런 일이 가능할까요?

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4. 비밀은 '우주의 팽창'에 있다

이 문제를 이해하려면 아주 중요한 사실 하나를 알아야 합니다.
빛이 날아오는 동안에도 우주는 계속 팽창했습니다.
아주 먼 은하가 오래전에 빛을 출발시켰다고 생각해보겠습니다.
그 빛은 수십억 년 동안 우리를 향해 날아왔습니다.
그런데 그동안 빛이 지나가는 공간 자체도 계속 늘어났습니다.
NASA는 바로 이 우주의 팽창 때문에 135억 년 정도 전에 출발한 빛을 보고 있는 은하도 현재는 그보다 훨씬 더 멀리 떨어져 있다고 설명합니다.
비유하면 이런 느낌입니다.
풍선 표면에 점 두 개를 찍습니다.
🎈 점 A = 우리 은하
🎈 점 B = 먼 은하
그리고 풍선을 계속 불어봅니다.
두 점이 스스로 움직이지 않더라도 풍선 표면이 늘어나면서 두 점 사이의 거리는 증가합니다.
우주의 팽창도 이와 비슷하게 공간 자체가 늘어나는 현상으로 이해할 수 있습니다.

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5. '관측 가능한 우주'란 무엇일까?

여기서 아주 중요한 표현이 등장합니다.
관측 가능한 우주(Observable Universe)입니다.
이것은
“우주 전체”
라는 뜻이 아닙니다.
쉽게 말하면
“현재 우리에게 빛이나 다른 신호가 도달할 수 있어서 관측할 수 있는 우주의 영역”
입니다.
우주는 유한한 나이를 가지고 있고 빛의 속도 역시 유한하기 때문에 우리가 볼 수 있는 범위에는 한계가 생깁니다. NASA 역시 우주의 나이가 우리가 볼 수 있는 우주의 범위를 결정한다고 설명합니다.
즉,
관측 가능한 우주 ≠ 우주 전체
입니다.
이 차이가 오늘 이야기의 핵심입니다.

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6. 그렇다면 관측 가능한 우주 밖에는 무엇이 있을까?

아마 가장 궁금한 부분일 것입니다.
관측 가능한 우주 경계 너머로 나가면 아무것도 없을까요?
현재 과학자들은 관측 가능한 범위보다 실제 우주가 더 클 것으로 보고 있습니다. NASA도 우리가 볼 수 있는 것보다 우주가 더 크다고 상당히 확신한다고 설명합니다.
그렇다면 그 너머에도 은하가 있을까요?
그럴 가능성을 생각할 수 있습니다.
하지만 중요한 문제가 있습니다.
우리가 관측할 수 없다면 직접 확인할 방법이 제한적이라는 것입니다.
그래서 현재 과학으로는 관측 가능한 우주 너머가 정확히 어떻게 되어 있는지 단정할 수 없습니다.

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7. 관측 가능한 우주의 끝에는 벽이 있을까?

없습니다.
적어도 '관측 가능한 우주의 경계'를 우주에 설치된 실제 벽처럼 생각하면 안 됩니다.
그 경계는
🚧 여기부터 우주 밖입니다
라는 물리적인 장벽이 아닙니다.
단지
“현재 우리가 정보를 받을 수 있는 범위의 한계”
에 가깝습니다.
재미있는 점은 관측자의 위치가 달라지면 그 관측자를 중심으로 한 '관측 가능한 우주'도 달라진다는 것입니다.
따라서 우주의 어느 특정 장소에 거대한 구형 벽이 존재하는 것은 아닙니다.

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8. 그렇다면 우주의 중심은 지구일까?

관측 가능한 우주를 그림으로 표현하면 흔히 지구가 가운데 있고 주변을 거대한 구가 둘러싸고 있습니다.
그래서
“그럼 지구가 우주의 중심인가?”
라는 생각이 들 수 있습니다.
그렇지 않습니다.
우리가 관측하는 우주가 우리를 중심으로 보이는 것은 우리가 지구에서 관측하고 있기 때문입니다.
다른 은하에 있는 관측자가 우주를 바라본다면 그 관측자 역시 자신을 중심으로 주변 우주를 관측하게 됩니다.
우주의 팽창 역시 어떤 하나의 중심점에서 은하들이 폭발하듯 날아가는 것으로 생각하면 오해하기 쉽습니다.

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9. 빅뱅이 일어난 장소는 어디일까?

여기서 또 하나의 유명한 오해가 생깁니다.
“빅뱅이 일어난 장소가 우주의 중심 아닌가?”
하지만 빅뱅은 이미 존재하던 텅 빈 공간의 한 지점에서 폭탄이 터진 사건처럼 이해하면 안 됩니다.
NASA는 빅뱅이 빈 공간 속 특정 장소에서 일어난 폭발이 아니며, 공간 자체가 우주의 팽창과 함께 확장된 것이라고 설명합니다.
따라서 우주선을 타고
“빅뱅이 처음 터진 장소로 가보자!”
라고 할 수 있는 특정 좌표가 있는 것이 아닙니다.

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10. 우주는 지금도 커지고 있을까?

그렇습니다.
우주는 지금도 팽창하고 있습니다.
멀리 있는 은하들을 관측하면 대체로 우리에게서 멀어지는 모습을 볼 수 있고, 일반적으로 더 먼 은하일수록 더 큰 후퇴 양상이 관측됩니다.
더 놀라운 사실도 있습니다.
1990년대 후반의 관측을 통해 우주의 팽창이 단순히 계속되는 것이 아니라 가속되고 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 이 현상을 설명하기 위해 등장하는 것이 바로 암흑에너지입니다.
아직 암흑에너지의 정체는 완전히 밝혀지지 않았습니다.

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11. 멀리 보는 것은 과거를 보는 것이다

천문학의 가장 신기한 특징 중 하나입니다.
빛에는 이동 시간이 필요합니다.
달빛도 지구까지 약 1.3초가 걸립니다.
따라서 우리가 보는 달은 엄밀히 말하면 약 1.3초 전의 달입니다.
태양은 약 8분 전 모습입니다.
그리고 아주 먼 은하를 보면 수십억 년 전 모습을 보고 있는 것입니다.
제임스 웹 우주망원경이 관측한 매우 먼 은하의 빛 중에는 130억 년 이상 여행해 우리에게 도달한 빛도 있습니다.

그래서 강력한 우주망원경은 단순히 멀리 보는 기계가 아닙니다.
어떤 의미에서는 우주의 과거를 바라보는 타임머신과 비슷합니다.

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12. 우리가 볼 수 있는 가장 오래된 빛은?

그렇다면 계속 멀리 보면 빅뱅 순간까지 직접 볼 수 있을까요?
빛으로는 그렇지 않습니다.
초기 우주는 매우 뜨겁고 밀도가 높아 빛이 자유롭게 멀리 이동할 수 없었습니다.
우주가 탄생하고 약 38만 년이 지나 충분히 식으면서 전자와 양성자가 결합해 중성 원자가 만들어졌고, 그제야 빛이 우주를 자유롭게 이동할 수 있게 되었습니다.
그때의 빛이 지금도 우주 전체에서 관측됩니다.
바로 유명한
우주배경복사(Cosmic Microwave Background, CMB)
입니다.
말하자면 우리가 전자기파로 볼 수 있는 아주 어린 우주의 사진과 비슷합니다.

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13. 그렇다면 우주는 무한할까?

이제 처음 질문으로 돌아가겠습니다.
우주에는 정말 끝이 있을까요?
현재 답은 놀랍게도
“아직 모른다.”
입니다.
NASA는 현재 관측으로도 우주 전체가 유한한지 무한한지 알지 못하며, 전체 우주의 실제 크기에 대한 신뢰할 만한 추정값도 없다고 설명합니다.
가능성을 단순화하면 이런 생각을 해볼 수 있습니다.

가능성 ① 우주는 무한하다

어느 방향으로 계속 가더라도 끝없이 공간이 이어질 수 있습니다.

가능성 ② 우주는 유한하지만 경계가 없다

이것도 가능합니다.
처음에는 이상하게 들립니다.
“크기가 유한한데 어떻게 끝이 없지?”
지구 표면을 생각해보면 조금 이해하기 쉽습니다.
지구 표면의 넓이는 유한합니다.
하지만 지표면을 계속 걸어간다고 해서 어느 순간
'지구 표면의 끝'
이라는 절벽을 만나지는 않습니다.
물론 실제 우주의 공간 구조는 지구 표면보다 훨씬 복잡하며, 이 비유는 개념을 이해하기 위한 것입니다.

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14. 우주 밖에는 무엇이 있을까?

이 질문은 더 어렵습니다.
“우주가 끝난다면 그 밖에는 뭐가 있나요?”
그런데 우주를 공간과 시간 자체까지 포함하는 개념으로 정의한다면 '우주 밖'이라는 표현 자체가 우리가 일상적으로 생각하는 의미와 맞지 않을 수 있습니다. NASA는 우주가 모든 공간과 그 안의 물질·에너지뿐 아니라 시간까지 포함한다고 설명합니다.
우주 밖에 또 다른 빈 공간이 있고 그 안에 우리 우주가 공처럼 들어 있다고 상상하기 쉽지만, 현재 과학이 그렇게 확인한 것은 아닙니다.
그래서 이 질문에는 아직 확정된 답이 없습니다.

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우주의 크기 한눈에 정리

구분현재 알려진 내용

우주의 나이	약 138억 년
관측 가능한 우주	지름 약 920억~930억 광년
실제 우주의 크기	알 수 없음
관측 가능한 우주 밖	존재할 것으로 예상되는 더 큰 영역이 있을 수 있음
우주의 팽창	현재도 진행 중
팽창 속도	가속되는 것으로 관측
우주의 중심	일반적인 의미의 특정 중심점으로 보지 않음
관측 가능한 우주의 경계	물리적인 벽이 아님
전체 우주는 유한한가?	아직 모름
전체 우주는 무한한가?	아직 모름

 

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우주에 관한 신기한 사실 5가지

① 우주는 약 138억 년 됐지만 관측 가능한 우주의 지름은 900억 광년이 넘습니다.
그동안 공간 자체가 팽창했기 때문입니다.
② 망원경으로 멀리 볼수록 과거를 봅니다.
빛이 우리에게 도착하는 데 시간이 필요하기 때문입니다.
③ 관측 가능한 우주의 끝에는 벽이 없습니다.
그것은 물리적인 장벽이라기보다 우리가 관측할 수 있는 범위의 한계입니다.
④ 실제 우주의 크기는 아직 모릅니다.
우주가 유한한지 무한한지도 현재 과학으로 확정되지 않았습니다.
⑤ 우리가 볼 수 있는 우주는 전체 우주의 일부일 가능성이 큽니다.
NASA 역시 실제 우주는 우리가 관측할 수 있는 영역보다 더 클 것으로 보고 있습니다.

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자주 묻는 질문 FAQ

Q. 우주에는 끝이 있나요?

현재 과학으로는 알 수 없습니다. 우주 전체가 유한한지 무한한지도 아직 확정되지 않았습니다.

Q. 관측 가능한 우주의 크기는 얼마나 되나요?

현재 약 920억~930억 광년 정도의 지름으로 설명됩니다.

Q. 우주가 138억 년 됐는데 왜 900억 광년이 넘나요?

빛이 이동하는 동안 우주 공간 자체도 계속 팽창했기 때문입니다.

Q. 관측 가능한 우주 밖에도 은하가 있나요?

실제 우주는 우리가 관측할 수 있는 영역보다 더 클 것으로 생각되지만, 관측 범위 밖의 구체적인 모습을 직접 확인할 수는 없습니다.

Q. 우주의 끝까지 우주선을 타고 갈 수 있나요?

우선 우리가 말하는 관측 가능한 우주의 경계는 물리적인 벽이 아닙니다. 게다가 우주의 엄청난 크기와 팽창 때문에 현실적으로도 그런 여행을 생각하기 어렵습니다.

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마무리

우주의 끝을 상상하면 우리는 자연스럽게 거대한 검은 공간 끝에 벽이 있고, 그 너머에 또 무언가가 있을 것이라고 생각합니다.
하지만 실제 우주는 그렇게 단순하지 않습니다.
현재 우리가 볼 수 있는 관측 가능한 우주만 해도 지름이 약 920억~930억 광년에 달합니다.
그리고 그것조차 우주 전체가 아닐 가능성이 큽니다.
더 놀라운 사실은 인류가 아직
우주가 얼마나 큰지,
우주가 유한한지,
아니면 정말 무한한지조차
확실하게 알지 못한다는 것입니다.
어쩌면 우주에서 가장 신기한 사실은 그 크기가 아니라,
우리가 아직 모르는 것이 이렇게나 많다는 사실인지도 모릅니다.