138억 년 우주 역사의 정설인 '빅뱅 이론'의 가장 강력한 증거가 흔들리고 있다. 독일 본 대학교, 체코 프라하 대학교, 중국 난징 대학교 공동 연구팀은 우주 전체에 희미하게 퍼져 있는 '우주 마이크로파 배경 복사(CMB)'의 정체를 두고 새로운 해석을 내놨다고 밝혔다.

연구팀은 이 배경 복사의 상당 부분이 초기 은하 형성 과정에서 나온 빛일 수 있으며, 기존 학계의 측정이 과대평가됐을 가능성이 있다고 설명했다. 이 연구 결과는 세계적인 학술지 '핵물리학 B(Nuclear Physics B)' 최신호에 실려 우주론에 새로운 파장을 일으키고 있다.

현대 표준 우주론에 따르면, 우주는 약 138억 년 전 대폭발, 즉 빅뱅으로 탄생했다. 폭발 후 38만 년이 지나 우주가 충분히 냉각되자 빛이 비로소 자유롭게 퍼저나갈 수 있었는데, 이를 '우주 마이크로파 배경 복사(the cosmic microwave background radiation, 빅뱅 잔광)'라고 부른다. 

과학계는 이 태고의 빛을 빅뱅의 결정적 증거이자 초기 우주의 모습을 담은 '스냅샷'으로 여겨왔다. 특히 배경 복사에 나타나는 미세한 온도 차이, 즉 비등방성(anisotropy)은 은하와 우주 거대 구조를 만든 초기 우주의 미세한 밀도 변화를 보여주는 증거로 해석됐다.

'빅뱅의 메아리'에 드리운 의문

그러나 연구를 이끈 본대학교 파벨 쿠루파 교수는 "우리의 계산에 따르면, 이 우주 마이크로파 배경 복사는 이예 존재하지 않을 수도 있다"며 "적어도 우리는 그 정도가 과대평가됐다고 확신한다"고 주장했다. 

연구팀은 우주에서 가장 먼저 생긴 것으로 알려진 '타원은하'에 주목했다. 연구팀은 현재 은하들 사이의 거리와 우주의 팽창 속도를 역으로 계산해, 타원은하들이 우주 초기에 불과 수억년이라는 짧은 기간에 집중적으로 만들어졌다고 밝혔다.

연구에 참여한 닌징대학교 에다 게르고 박사는 " 이 기간에 타원은하를 이루는 수천억 개의 별들이 폭발적으로 타오르며 엄청난 빛을 뿜어냈다"고 설명했다. 여구팀은 당시 별들의 핵융합 활동이 현재보다 수천배 더 밝았을 것으로 추정하며, 이때 나온 '초기 별빛'은 너무나 강력해 138억년이 지난 지금도 관측할 수 있다"고 덧붙였다.

우주 탄생의 청사진이 흔들인다

게르고 박사는 "우리의 계산은 현재 관측되는 우주 마이크로파 배경 복사의 최소 1.4%가  바로 이 타원은하 형성 과정에서 비롯됐음을 보여준다"며 "심지어 배경 복사 전체가 이 초기 빛일 가능성도 있다"고 말했다.

이 주장이 사실이라면 우주론의 근간이 흔들린다. 지금까지 과학자들은 배경 복사의 미세한 온도 차이를 초기 우주의 밀도 차이로 해석했고, 이 미세한 불균일성 덕분에 물질이 뭉쳐 은하가 태어날 수 있었다고 설명했다. 하지만 젠체 신호의 1.4% 이상이 후대 은하 형성의 빛 탓이라면, 이 메시한 온도 차이 측정의 신뢰성은 크게 떨어진다. 

최근 제임스 웹 우주망원경(JWST)이 예상을 뛰어넘는 초기 거대 은하들을 잇달아 발견하면서, 기존 우주 초기 구조 형성 모델에 대한 의문이 커지고 있다. 다만 이번 연구는 아직 초기 단계이며, 과학계의 폭넓은 지지를 얻지는 못했다. 최근 '킬로디그리 서베이(Kilo-Degree Survey)' 같은 대규모 관측 결과는 여전히 표준 우주론과 잘 들어맞는다.

"빅뱅은 없었다"…더 과감한 주장도

크루파 교수는 "우리 결과는 표준 우주론 모델에 문제가 된다"며 "적어도 부분적으로는 우주의 역사를 다시 써야 할 필요가 있을지 모른다"고 강조했다.

한편, 표준 우주론의 핵심 증거에 의문을 제기하는 연구 말고도, 빅뱅 자체를 대체하는 새로운 우주 기원 모델도 등장해 학계의 주목을 받고 있다.

영국 포츠머스 대학교 우주론 및 중력 연구소 엔리케 가스타냐가 교수가 이끄는 국제 물리 연구팀은 학술지 '피지컬 리뷰 D(Physical Review D)'를 통해 빅뱅이 우주의 시작이 아니라는 '블랙홀 우주(Black Hole Universe)' 모델을 내놨다. 이 모델은 우리 우주가 더 큰 부모 우주 안에서 만들어진 거대 블랙홀 내부의 중력 붕괴와 그에 따른 '반동(bounce)'의 결과물이라는 주장이다. 무(無)에서의 창조가 아닌, 중력과 양자역학으로 이뤄지는 우주 순환의 한 과정이라는 설명이다.

가스타냐가 교수는 "빅뱅 모델은 물리 법칙이 붕괴하는 무한 밀도의 한 점에서 시작한다. 이는 우주의 시작이 완전히 이해되지 않았음을 보여주는 심각한 이론상의 문제"라고 지적했다. 그의 연구팀은 중력 붕괴가 반드시 특이점으로 끝나지 않으며, 양자 효과를 생각하면 고밀도 상태에 이른 물질 구름이 다시 팽창하는 새로운 단계로 '반동'할 수 있다고 설명했다.

'새로운 우주론' 향한 과학계의 논쟁

이 모델은 기존 물리학 체계 안에서 설명될 뿐 아니라, 관측으로 검증할 수 있는 예측을 내놓는다는 점이 강점으로 꼽힌다. 대표적으로 우리 우주가 지구 표면처럼 미세하게 휘어져 있다고 예측한다. 유럽우주국(ESA)의 아라키스(ARRAKIHS) 우주 미션은 은하 외곽의 극도로 희미한 구조를 관측해, 이런 새로운 우주 모델의 예측을 검증하는 데 핵심 역할을 할 전망이다.

우주의 기원을 설명하는 표준 모델은 이처럼 다양한 방면에서 새로운 도전을 맞고 있으며, 우주론의 역사를 새로 쓸 논쟁은 이제 막 시작됐다.