우주는 약 138억 년 전 빅뱅으로 시작됐다고 알려져 있다. 하지만 빅뱅이 정말 모든 것의 시작이었을까. 우리가 살고 있는 우주 이전에도 또 다른 우주가 존재했다면 어떨까. 우주가 팽창과 수축을 거듭하며 새로운 모습으로 다시 태어날 수 있다는 '빅 바운스(Big Bounce)' 가설이 이러한 질문을 던지고 있다.

우주와 천문학 관련 소식을 전하는 X '나이트 스카이 투데이(Night Sky Today)'는 15일 오후 '우주는 정말 시작됐을까, 아니면 계속해서 다시 태어나는 것일까'라는 제목의 게시글을 통해 빅 바운스 이론을 소개했다.

게시글은 빅뱅이 모든 것의 시작이 아니라 끝없이 반복되는 우주적 순환의 한 과정일 수 있다는 가능성을 제시했다. 지금의 우주 역시 이전 우주가 수축한 뒤 다시 팽창하면서 형성됐을 수 있다는 것이다.

빅 바운스는 우주가 극도로 압축된 상태에 도달한 뒤 완전히 소멸하는 대신 다시 팽창할 수 있다는 가설이다. 일반적인 빅뱅 우주론이 초기의 뜨겁고 밀도 높은 상태에서 우주가 팽창해 왔다는 사실을 설명한다면, 빅 바운스는 그 이전에 어떤 과정이 있었는지까지 설명하려는 시도라고 할 수 있다.

현재 널리 받아들여지는 우주론에 따르면 우주는 약 138억 년 전 매우 뜨겁고 밀도가 높은 상태에서 팽창하기 시작했다. 이후 온도가 낮아지면서 입자와 원자가 형성됐고, 오랜 시간이 흐르며 별과 은하가 만들어졌다.

이러한 우주의 진화 과정은 은하들이 서로 멀어지는 현상과 우주배경복사 등 다양한 관측 결과를 통해 뒷받침되고 있다. 다만 우주가 극도로 뜨겁고 밀도가 높았던 초기 상태에 이르기 전 무엇이 존재했는지, 시간과 공간이 어떤 방식으로 시작됐는지는 여전히 풀리지 않은 문제다.

빅 바운스 가설은 바로 이 지점에서 출발한다.

일부 이론에서는 우주가 팽창하기 전에 수축하는 단계를 거쳤을 가능성을 제시한다. 수축이 계속되면 물질과 에너지의 밀도가 높아지지만, 극한 상태에서 양자중력 효과 등이 작용해 수축이 멈추고 새로운 팽창으로 전환될 수 있다는 설명이다.

이 경우 빅뱅은 아무것도 없는 상태에서 우주가 갑자기 탄생한 사건이 아니라, 이전의 수축 단계에서 새로운 팽창 단계로 넘어가는 전환점으로 해석될 수 있다.

이러한 생각은 우주의 시작과 끝에 관한 기존의 관점을 바꿔 놓는다. 우리가 관측하는 우주가 최초의 우주가 아닐 수도 있고, 지금의 팽창 이전에 다른 우주적 역사가 존재했을 가능성도 열어두기 때문이다.

다만 빅 바운스가 반드시 우주의 탄생과 소멸이 무한히 반복된다는 뜻은 아니다. 한 차례의 수축과 반등을 가정하는 모형도 있고, 여러 차례의 팽창과 수축이 반복되는 순환우주 모형도 있다. 각각의 이론은 우주의 구조와 진화 과정을 설명하는 방식에서 차이를 보인다.

그렇다면 이전 우주가 실제로 존재했다면 그 흔적을 발견할 수 있을까.

과학자들이 주목하는 관측 대상 가운데 하나는 우주배경복사(Cosmic Microwave Background·CMB)다. 우주배경복사는 초기 우주가 충분히 식어 빛이 자유롭게 이동할 수 있게 된 시기에 방출된 빛이 오랜 팽창을 거쳐 마이크로파 형태로 관측되는 것이다.

우주배경복사에는 초기 우주의 밀도와 온도 차이를 보여주는 미세한 흔적이 남아 있다. 일부 빅 바운스 모형에서는 우주가 수축에서 팽창으로 전환되는 과정이 이러한 흔적의 분포에 영향을 남겼을 가능성을 연구하고 있다.

만약 기존 우주론으로 설명하기 어려운 특징이 발견되고, 이를 빅 바운스 모형이 일관되게 설명할 수 있다면 우주의 초기 역사를 이해하는 데 중요한 단서가 될 수 있다.

그러나 현재까지 이전 우주의 존재나 빅 바운스가 실제로 일어났다는 사실을 입증하는 결정적인 관측 증거는 확보되지 않았다. 우주배경복사에서 발견되는 특징 역시 여러 물리적 과정으로 설명될 수 있기 때문에 특정한 흔적을 곧바로 이전 우주의 증거로 해석할 수는 없다.

또 하나 주목해야 할 점은 현재의 우주가 실제로 다시 수축할 것인지도 확인되지 않았다는 사실이다.

관측 결과에 따르면 우주는 팽창하고 있을 뿐 아니라 그 팽창이 가속되는 현상을 보여왔다. 이러한 가속 팽창은 일반적으로 암흑에너지와 관련된 것으로 설명된다.

따라서 우주가 언젠가 중력에 의해 다시 수축하고, 그 뒤 새로운 팽창을 시작할 것이라는 시나리오는 확정된 미래가 아니다. 우주의 장기적인 운명은 암흑에너지의 성질과 우주를 지배하는 물리 법칙에 따라 달라질 수 있다.

빅 바운스는 아직 검증되지 않은 가설이지만, 현대 물리학이 해결해야 할 중요한 질문과 맞닿아 있다. 극도로 높은 밀도와 에너지 상태에서 중력이 어떻게 작용하는지, 양자역학과 일반상대성이론을 어떻게 하나의 틀로 설명할 수 있는지에 관한 문제다.

과학자들은 이러한 질문에 답하기 위해 다양한 우주론 모형을 연구하고 있으며, 초기 우주의 흔적을 보다 정밀하게 관측하려는 노력도 이어가고 있다.

빅 바운스 가설이 흥미로운 이유는 우주의 역사를 우리가 알고 있는 138억 년에만 한정하지 않기 때문이다. 지금의 우주가 탄생하기 전에도 시간과 공간의 역사가 이어졌을 수 있다는 가능성은 우주의 기원에 대한 상상과 과학적 탐구의 범위를 넓힌다.

우주가 단 한 번 탄생한 것인지, 아니면 우리가 알지 못하는 이전의 역사를 품고 있는지는 아직 알 수 없다. 다만 분명한 것은 빅뱅 이후 우주의 진화를 이해하는 것만큼이나 그 이전에 무엇이 있었는지를 밝히는 일도 현대 우주론의 중요한 과제로 남아 있다는 사실이다.