이미지 출처:ESA. 새로운 연구에 따르면 빅뱅 이전의 블랙홀이 오늘날에도 여전히 은하를 형성하고 있을 수 있다고 합니다. 이 블랙홀은 우주론에서 풀리지 않은 가장 큰 문제 중 하나인 암흑 물질을 설명할 수 있습니다.
일반적으로 블랙홀은 물질이 작은 공간으로 압축된 시공간 영역입니다. 암흑물질은 빛을 반사하거나 흡수하지 않는 물질이다. 우리는 은하계와 기타 우주 구조에 대한 중력 영향 때문에 그것이 존재한다는 것을 알고 있습니다.
그것은 은하계를 하나로 묶는 "접착제"로 볼 수 있지만 근본적인 수준에서 그것이 무엇으로 구성되어 있는지는 알 수 없습니다. 대부분의 물리학자들은 암흑물질이 아직 발견되지 않은 아원자 입자로 구성되어 있다고 생각합니다.
그러나 빅뱅 이전의 고대 블랙홀도 이에 해당합니다. 그것들은 어둡지만 질량도 가지고 있습니다. 이는 정확히 요구되는 특성입니다.
나는 새로운 논문에서 이 아이디어를 탐구했습니다. 물론 유물 블랙홀이라는 개념은 빅뱅 자체에 대한 재고도 필요합니다.
거의 한 세기 동안 우주론자들은 우주의 역사를 이 단 하나의 극적인 순간으로 거슬러 올라갔습니다. 하지만 아마도 이것이 시간의 절대적인 시작은 아닐 수도 있습니다. 어쩌면 빅뱅 이전에도 우주가 있었을지도 모릅니다.
이 시나리오에서는 우주가 팽창하기 전에 붕괴되었습니다. 빅뱅은 두 단계 사이의 전환을 나타냅니다.
빅뱅 모델은 놀랄 만큼 성공적이었다. 이는 초기 우주의 잔광인 우주 마이크로파 배경을 설명하고 놀라운 정확도로 은하계의 대규모 분포를 예측합니다.
그러나 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서는 밀도가 무한해지고 알려진 물리 법칙이 무너지는 지점인 특이점이기도 합니다.
많은 물리학자들은 이것을 물리적 현실이 아니라 뭔가 빠졌다는 신호로 해석합니다. 특이점은 물리적인 물체라기보다는 수학적 경고에 가깝습니다. 특이점은 우리의 현재 이론으로는 우주의 가장 초기 순간을 설명할 수 없다는 사실을 알려줍니다.
쾅하는 소리가 아니라 바운스하는 소리
한 가지 대안은 탄력 있는 우주론입니다. 이 그림에서 우주는 빅뱅 이전에 수축 단계를 거쳐 극도로 높지만 유한한 밀도에 도달합니다. 특이점으로 붕괴되는 대신 반등하여 새로운 확장 단계를 시작합니다.
바운싱 모델은 수십 년 동안 연구되어 왔으며 종종 중력이나 이국적인 새로운 성분에 대한 수정이 필요했습니다. 그러나 우리의 연구는 중력과 양자역학(가장 작은 규모에서 자연을 지배하는 법칙)의 효과를 지속적으로 고려할 때 표준 물리학 내에서 바운스가 일반적인 솔루션으로 발생할 수 있음을 보여줍니다.
표준 우주론에서 빅뱅은 초기 우주가 급속하고 기하급수적으로 팽창하는 기간을 겪는 기간으로 빠르게 이어집니다. 인플레이션이라고 알려진 이 단계는 이전 구조의 모든 흔적을 효과적으로 지웁니다.
AI가 생성한 블랙홀 이미지. 튀는 우주에서는 상황이 다릅니다. 우리 연구에서 우리는 90미터보다 큰 물체가 붕괴에서 확장으로의 전환 과정에서 살아남을 수 있다는 것을 발견했습니다. 이로 인해 이전 우주 시대의 정보를 전달하는 "유물"이 남게 됩니다. 이러한 유물에는 블랙홀, 중력파 및 밀도 변동이 포함될 수 있습니다.
양자 물리학은 이것이 어떻게 가능한지에 대한 강력한 단서를 담고 있습니다. 양자 이론의 초석인 파울리 배제 원리에 따르면, 물질은 극도로 높은 밀도에서 "퇴화"됩니다. 이 물질은 열이 없어도 추가 압축에 저항하는 압력을 생성합니다.
우리 모델에서는 유사한 효과가 우주 규모에서도 작용합니다. 이는 우주가 완전히 붕괴되지 않는 이유와 반동 전이나 도중에 형성된 구조가 팽창 단계까지 살아남을 수 있는 이유를 설명할 수 있습니다.
대재앙에서 살아남기
우리는 유물 블랙홀이 발생할 수 있는 두 가지 주요 경로를 식별합니다.
첫 번째는 직접 생존입니다. 우주 붕괴 단계에서 생성된 조밀한 물체와 섭동(밀도 또는 중력의 변동)은 바운스 후에도 지속될 수 있습니다.
두 번째 경로는 더욱 흥미롭습니다. 수축하는 동안 물질은 중력에 의해 자연스럽게 뭉쳐서 오늘날 은하계를 호스팅하는 후광과 유사한 구조를 형성합니다. 튕겨진 후에는 효율적으로 블랙홀로 붕괴될 수 있습니다.
수축 단계의 은하와 별은 사실상 블랙홀로 붕괴되어 상세한 구조가 대부분 지워지지만 질량은 보존됩니다.
이 블랙홀은 암흑물질일 수 있을까? 수십 년 동안 주요 후보는 기본 입자였지만 광범위한 검색에도 불구하고 아무것도 발견되지 않았습니다.
유물 블랙홀은 강력한 대안을 제공합니다. 반사가 충분히 생성된다면 암흑 물질의 상당한 부분(아마도 지배적인 부분)을 구성할 수 있습니다.
이 아이디어는 최근 몇 년간 가장 흥미로운 관찰 퍼즐 중 하나와 연결될 수도 있습니다.
JWST(James Webb Space Telescope)는 초기 우주에서 때때로 "작은 빨간 점"이라고 불리는 작고 극도로 붉은 물체의 집단을 밝혀냈습니다. 이러한 천문학적 원천은 빅뱅이 발생한 지 불과 몇억 년 후에 예상외로 거대하고 빛나는 것으로 보입니다.
많은 천문학자들은 이것이 빠르게 성장하는 블랙홀, 아마도 오늘날 은하계 중심에서 발견되는 초대질량 블랙홀의 씨앗과 관련이 있다고 의심합니다. 그러나 그들의 존재는 표준 우주론 내에서 설명하기가 어렵습니다. 어떻게 그렇게 거대한 물체가 그렇게 빨리 형성될 수 있었나요?
유물 블랙홀은 자연스러운 설명을 제공합니다. 만약 튕겨 나온 직후에 거대한 씨앗이 이미 존재했다면, 초기 우주는 처음부터 시작할 필요가 없을 것입니다. 초거대 블랙홀은 새로 형성된 물체가 아닌 고대 생존자로부터 자랄 수 있습니다.
이런 의미에서 JWST는 이미 바운스 전 유물의 후예를 엿보고 있을지도 모릅니다.
새로운 우주론적 틀
종합적으로 말하자면, 바운스 시나리오는 우주론의 여러 오랜 문제를 해결하는 통일된 방법을 제공합니다.
- 빅뱅 특이점은 양자 전이로 대체됩니다. 이러한 전환은 두 개의 서로 다른 시공간 영역 사이의 수학적 연결인 '아인슈타인-로젠 다리' 개념과 관련될 수 있습니다.
- 인플레이션은 반등 근처의 역학에서 자연스럽게 나타납니다.
- 암흑에너지는 유한한 우주의 전지구적 구조와 관련될 수 있습니다.
- 암흑 물질은 유물 블랙홀로 구성되어 있을 수 있습니다. 아마도 우리 우주는 하나로 시작되었을 것입니다.
- 중력파는 이전 우주 단계의 신호를 전달할 수 있습니다.
- 초거대 블랙홀은 최근 JWST 관측과 일치하는 고대 기원을 가지고 있을 수 있습니다.
아직 해야 할 일이 많이 남아있습니다. 이러한 아이디어는 중력파 배경부터 은하 조사 및 우주 마이크로파 배경의 정밀 측정에 이르기까지 데이터를 기준으로 테스트되어야 합니다.
그러나 가능성은 심오합니다. 우주는 한 번 시작된 것이 아니라 반등했을 수도 있습니다. 그리고 오늘날 은하계를 형성하고 있는 어두운 구조는 빅뱅 이전 시대의 유물일 수 있습니다.
엔리케 가즈타나가(Enrique Gaztanaga), 포츠머스 대학교 우주론 및 중력 연구소 천체물리학 교수
이 기사는 크리에이티브 커먼즈 라이센스에 따라 The Conversation에서 재출판되었습니다. 원본 기사를 읽어보세요.
