우주는 아인슈타인의 법칙을 어기지 않고도 빛보다 빠르게 움직일 수 있다.

팽창하는 우주는 서서히 거의 모든 먼 은하들을 빛의 도달 범위 너머로, 결국에는 우리의 시야에서 영원히 사라지게 만들고 있습니다. (사진 제공: NASA 고다드 우주비행센터)

우주가 팽창함에 따라 빛이 이동하는 동안 공간이 고정되어 있지 않기 때문에 거리를 측정하는 것이 더욱 복잡해집니다. 은하들은 계속해서 빛을 방출하지만, 그 빛이 우리에게 도달하기까지 우주를 가로지르는 데 수십억 년이 걸릴 수 있습니다. 그 여정 동안 우주는 계속 팽창하여 은하들 사이의 평균 거리가 증가합니다 (물론 은하들이 충돌하는 경우도 있지만, 여기서는 거시적인 관점에서 평균적인 거리를 이야기하는 것입니다).

즉, 망원경이 멀리 떨어진 은하에서 오는 빛을 포착했을 때, 그 이미지는 은하가 현재 어디에 있는지를 보여주는 것이 아닙니다. 빛이 여정을 시작했을 당시의 은하의 모습을 보여주는 것입니다. 현재 거리를 추정하기 위해 천문학자들은 우주가 시간이 지남에 따라 어떻게 팽창해 왔는지를 설명하는 우주론적 모델을 사용해야 합니다.

오늘날 가장 널리 사용되는 모델은 LCDM이라고 불립니다. 이 모델은 암흑 물질(별도의 논의 주제)과 암흑 에너지(별도의 논의 주제)를 포함합니다. LCDM의 장점과 한계는 별도로 논의할 가치가 있지만(별도의 논의 주제), 다른 대안 모델들이 여기서 설명하는 전체적인 그림을 크게 바꾸지는 않습니다.

관측 가능한 우주의 가장자리

우주의 나이는 약 137억 7천만 년이지만, 우리가 관측할 수 있는 가장 먼 곳은 현재 약 450억 광년 떨어져 있습니다. 그 빛이 우리에게 다가오는 동안 우주는 계속해서 팽창했습니다.

이 경계는 입자 지평선, 우주론적 지평선, 또는 공변 지평선이라고도 불리는데, 그 순간의 기분에 따라 부르는 이름이 달라집니다. 이 경계는 우리가 관측할 수 있는 영역의 바깥쪽 가장자리를 정의하며, 현재 우리가 볼 수 있는 가장 먼 거리를 나타냅니다.

처음에는 이 수치들이 모순되는 것처럼 보입니다. 우주의 나이가 고작 137억 7천만 년밖에 되지 않았는데, 관측 가능한 우주가 어떻게 450억 광년까지 뻗어 있을 수 있을까요? 그 이유는 우주가 빛보다 빠르게 팽창할 수 있기 때문입니다.

광속보다 빠른 팽창이 허용되는 이유는 무엇인가?

이는 물리 법칙을 위반하는 것이 아닙니다. 빛의 속도는 물체가 특정 영역 내에서 움직일 수 있는 최대 속도를 제한합니다. 관찰자는 근처에 있는 로켓이 빛보다 빠르게 지나가는 것을 결코 볼 수 없습니다.

우주의 팽창은 일반적인 경우와 다릅니다. 멀리 떨어진 은하들이 우주 공간을 빠르게 이동하는 것은 아닙니다. 오히려 우리와 그 은하들 사이의 공간이 팽창하고 있습니다. 특수 상대성 이론은 우주 전체에 걸쳐 먼 거리가 얼마나 빠르게 팽창할 수 있는지에 대해 일반적인 경우와 같은 제약을 두지 않습니다.

천문학자들은 은하의 적색편이를 측정하여 은하가 얼마나 빠르게 멀어지고 있는지 추정할 수 있습니다. 은하가 멀어질수록 그 빛은 전자기 스펙트럼에서 더 붉은 파장 쪽으로 늘어집니다. 에드윈 허블은 이 효과를 이용하여 우주가 팽창하고 있다는 증거를 발견했습니다.

팽창하는 우주에서, 더 멀리 있는 은하들은 일반적으로 더 빠르게 멀어지는데, 이는 은하와 우리 사이에 더 많은 공간이 존재하기 때문입니다. 더 많은 공간은 더 큰 팽창 가능성을 의미합니다.

은하가 빛보다 빠르게 멀어지기 시작하는 지점을 허블 거리라고 합니다. 이 거리는 약 137억 7천만 광년입니다.

더 빠르게 움직이는 은하를 여전히 관측할 수 있는 이유는 무엇일까요?

우리가 허블 거리 너머에 있는 은하들을 관측할 수 있는 이유는, 오늘날 우리에게 도달하는 빛이 아주 오래전, 그 은하들이 훨씬 더 가까이 있었을 때 방출된 것이기 때문입니다. 또한, 은하들이 더 가까이 있었을 때 빛이 우리에게 오기 시작했다면, 우리는 언젠가 훨씬 더 멀리 있는 은하에서 오는 빛도 관측할 수 있을 것입니다.

하지만 우주론적 사건의 지평선(블랙홀 사건의 지평선과는 아주 약간 다릅니다)이라는 궁극적인 한계가 존재합니다. 현재 이 한계는 약 170억 광년 떨어져 있습니다.

지금 이 순간 저 경계 너머에서 방출되는 빛은 아무리 오래 기다려도 우리에게 절대 도달하지 못할 것입니다. 우주의 팽창 때문에 빛이 점점 멀어지는 거리를 통과할 수 없기 때문입니다.

암흑 에너지와 사라져가는 우주

암흑 에너지에 의해 가속화되는 팽창은 이러한 분리를 더욱 극심하게 만듭니다. 우주 사건의 지평선은 앞으로도 계속 팽창하겠지만, 결국에는 약 600억 광년이라는 최대 거리에 도달할 것입니다.

그렇더라도 관측자들은 그 거리 안에 있는 모든 것을 볼 수는 없을 것입니다. 가장 멀리 떨어진 은하에서 오는 빛은 파장이 너무 길어져서 사실상 시야에서 사라지게 될 것입니다.

약 1000억 년 후에는 국부 은하군 너머의 모든 은하가 영원히 시야에서 사라질 것입니다. 미래의 관측자들은 오늘날 우리가 볼 수 있는 우주보다 훨씬 작고 텅 비어 보이는 우주에서 살게 될 것입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/07/260724061444.htm