우주의 미래와 종말 (빅 프리즈/Big freeze) 진행 과정

우주의 미래와 종말 (빅 프리즈/Big freeze) 진행 과정

빅 프리즈는(Big freeze) 빅 크런치와 반대되는 개념의 우주 종말로, 상상할 수 없는 오랜 시간동안 우주가 끝없이 팽창하면서 엔트로피가 극도로 높아지고 결국 모든 입자가 붕괴하고 아원자 입자만 남게 되는 우주 종말 시나리오 중 하나입니다.

우주가 팽창하는 만큼 평균 온도와 밀도는 계속 내려가며 절대영도(0K)에 근접할 것이기에 빅 프리즈라는 이름을 얻었으며, 현재 정설로서 가장 지지받는 우주 종말 시나리오입니다.

빅 프리즈 기준으로 우주의 탄생부터 우주의 종말까지의 진행 과정을 나무위키와 유튜브 영상을 참조로 내용을 정리해보겠습니다.

"For the first time in its life, the universe will be permanent and unchanging.
Entropy finally stops increasing because the cosmos cannot get any more disordered.
Nothing happens, and it keeps not happening, forever."
"생애 처음으로 우주는 영원하고 불변하게 됩니다. 우주는 더 이상 무질서해질 수 없기 때문에 엔트로피는 마침내 증가하길 멈추게 됩니다. 아무 일도 없을 것이고, 일어나지도 않을 겁니다. 영원히."
- 브라이언 콕스, 영국의 물리학자

1. 빅뱅 ~ 현재

※ 우주의 탄생(빅뱅) 영상

(1) 빅뱅 : 약 137억 9900만 년(±210만 년) 전

※ 우주 탄생 ~ 현재 시점까지 영상

(2) 우주 천체와 은하 생성

(3) 태양계와 지구 생성

(4) 생명의 탄생

(5) 인류의 등장

2. 현재 ~ 미래

※ 우주의 미래 영상

① 현재 / 홀로세(Holocene Epoch) 또는 인류세(Anthropocene epoch)

인류의 눈부신 기술 발달과 그에 따른 환경파괴가 공존하는 시대. 이로 인한 지구 생태계의 파괴, 많은 동식물의 멸종이 진행되고 있는 상황

② 항성의 시대(Stelliferous Era)

(1) 2,000 ~ 3,000년 : 기후 변화와 같은 지구 환경 변화

(2) 3,000년 : 지자기역전

- 3,001년 1월 1일 - 제주 사라봉공원 타임캡슐이 개봉된다.
- 31세기 중: 21세기에 쓰레기 매립지에 버려진 플라스틱 쓰레기가 분해된다.
- 3,473년 1월: 시헌력 출범 이후 최초의 윤 12월이 생긴다.
- 4,000년: 온실가스 배출량에 변화가 없다면 지구온난화가 심해져 빙하는 모두 녹아버리는 것은 물론 적도와 중위도 지역은 사람이 살 수 없어질 것이다. 지구의 세차운동으로 계절이 한 달씩 늦춰질 것이다.

(3) 5,000년 : 해수면 상승

(4) 10,000년 : 사하라 사막의 열대화

(5) 20,000년 : 별자리 소멸 시작

- 27,000년 - 아레시보 메시지가 최종 목적지인 구상성단 M13에 도달할 것이다.

(6) 40,000년 : 보이저1호, 글리제 445 항성에 도착

(7) 60,000년 : 간빙기의 끝

(8) 100,000년

- 지구의 하루가 1초 증가한다. 따라서 지구의 자전 주기는 86,165초(23시간 56분 5초)가 된다.

- 극대거성 큰개자리 VY는 초신성 폭발을 일으킬 것이다.

- 슈퍼화산이나 기후를 바꿀 슈퍼 소행성이 충돌할 가능성이 높다.

- 하늘에 있는 별모양이 지금과 많이 달라진다.

(9) 200,000년 : 초대형 화산폭발

(10) 500,000년 : 새로운 군도 출현, 빙하기 시작

(11) 1,000,000년 : 석조 유석 침식, 소멸, 아폴로 우주인 발자국 소멸

- 128만2천 년 - 글리제 710이 태양계에 0.220 ± 0.051 광년 거리까지 접근하여 밤하늘에서 가장 밝은 별이 된다. 약 10,000 분의 1 확률로 1,000AU 안쪽으로 접근할 가능성이 있으며 그 경우 지구를 비롯한 태양계 행성들이 궤도를 이탈할 수도 있다

(12) 2,000,000년 : 베텔게우스 초신성 폭발

(13) 6,000,000년 : 최상의 조건 하에 보존된 21세기에 생성된 DNA에 있던 정보가 완전히 소실된다.

(14) 8,000,000년 : 호주 대륙이 현재 위치보다 7,000km 위에 있게 되며 아시아 대륙에 근접할 것이다.

(15) 10,000,000년 : 화성의 위성 파괴, 화성에 고리 형성

(16) 30,000,000년 : 토성의 고리 소멸

(17) 50,000,000년 : 아프리카와 유라시아 대륙이 충돌해서 지중해가 봉쇄되고 지금의 히말라야와 비슷한 산맥이 생성된다. 또한 극지방의 빙하가 북쪽으로 옮겨가 녹음으로써 해수면이 75m 상승한다.

(18) 100,000,000년 : 호주 대륙이 아시아 대륙 끝인 필리핀, 베트남, 중국 남부와 충돌하고 일본 남부와 스칠 것이다. 또한 대서양이 닫혀진다.

(19) 200,000,000년 : 아프리카-유라시아와 아메리카가 합쳐져 새로운 초대륙이 탄생할 것이다. 태양계는 우리 은하의 중심을 기준으로 한 바퀴 공전하여 지금의 위치로 돌아온다.

(19) 360,000,000년 : 하루가 24시간에서 25시간으로 늘어날 것으로 추정된다.

(20) 400,000,000년 : 태양의 밝기 증가

(21) 600,000,000년 : 광합성 중단

(22) 800,000,000년 : 모든 식물 멸종

(23) 2,000,000,000년 : 바다 증발, 우리은하와 마젤란 은하가 충돌

(24) 3,000,000,000년 : 모든 생물 멸종

(25) 4,000,000,000년 : 태양 팽창, 우리은하와 안드로메다 은하가 충돌한다.

(26) 6,000,000,000년 : 태양의 적색 거성화

(27) 7,000,000,000년 : 중심핵의 수소를 모두 쓴 태양이 급속한 팽창을 시작하여 현재 지름의 450배까지 커지고 이 과정에서 수성, 금성, 지구가 태양에 흡수되어 소멸하게 된다.

(28) 10,000,000,000년 (100억년) : 태양 백색왜성화, 행성상 성운 형성

(29) 100,000,000,000년 (1000억년) : 대략 이 시기에 태양계가 해체될 것으로 예측된다. 태양은 백색왜성이 되며 질량을 잃었기 때문에 행성, 위성과 같은 천체들이 외계 항성의 간섭을 받기 쉽게 되어 태양계 천체들이 밖으로 튕겨나가기 때문. 지구가 태양의 적색거성화에서 살아남았다고 해도 결국에는 떠돌이 행성이 되고 만다.

(30) 10,000,000,000,000년(1조년)

- 모든 중소 은하들은 하나로 통합되었다.

- 밀코메다 은하에 있는 먼지와 구름의 양이 모자라서 더이상 새로운 별이 탄생되지 않을 수 있다.
- 우주가 이 시점에서 지금(21세기)보다 10^26배 팽창한다.

(31) 10,000,000,000,000년 (10조년) : 별이 연료를 다 소모하고 죽어감, 더이상 새로운 별이 나타나지 않음

③ 축퇴의 시대 (Degenerate Era)

(1) 100조 (10^14) 년 : 마지막 적색왜성이 죽어감

(2) 900조 (9x10^14) 년 : 백색왜성이었던 태양이 흑색 왜성으로 완전히 식는다.
(3) 1경 (10^16) 년 : 얼어붙은 별마저도 연료를 소진하여 핵융합을 멈출 것으로 예상된다.
(4) 1,000경 (10^19) 년 : 은하계가 해체되고 천체들이 은하계를 벗어나 우주 공간으로 영원히 떠나게 된다.
(5) 1해 (10^20) 년 : 만약 지구가 끝까지 태양계 외부로 튕겨나지 않고 살아남았다면, 이 시점에서 흑색 왜성이 된 태양과 충돌하게 된다. 중력파 형태로 공전 에너지를 잃고 궤도가 좁아지기 때문이다.
(6) 1,000자 (10^27) 년

- 백색왜성의 흑색왜성화, 더 이상 빛을 내지 못하고 별의 구성요소가 분쇄되어 재처럼 남아있는 상태

- 아직 은하를 탈출하지 못한 물질들을 블랙홀이 흡수내며 빛을 냄

(7) 100양 (10^30) 년 : 블랙홀 외의 천체가 대부분 더 이상 에너지를 내지 않게 된다. 이 시점까지 인류 혹은 다른 문명이 살아남아 있다면 항성에서 에너지를 얻을 수 없기에 남아있는 물질을 이용해 인위적 핵융합을 해야 하고, 신체를 구성할 물질조차 부족해진다면 사용할 수 있는 에너지원은 블랙홀의 회전 에너지 뿐이다.

(8) 1간 (10^36)년 : 양자역학에 따르면 원자들이 붕괴하며 모든 물질이 파괴됨

(9) 100구 (10^34) ~ 100정 (10^42) 년

- 양성자가 반감기를 맞이한다. 이 이후로도 10^34 ~ 10^42년마다 양성자가 반감되며, 이에 따라 블랙홀 외의 모든 천체들은 점차 가벼워지다 마지막에는 수소로 이루어진 가스 구름 형태가 되어 소멸하게 된다.

- 중성자별의 경우 별을 구성하고 있는 중성자들의 축퇴 상태가 풀리면서 일제히 베타 붕괴하여 폭발할 가능성이 있다.

④ 블랙홀의 시대(Black Hole Era) - 양성자 붕괴가 일어날 경우

(1) 2간 (2×10^36) ~ 3재 (3×10^44) 년 : 원자들이 모두 소멸하게 되어 아원자 입자와 블랙홀만 남게 된다. 국부 은하군의 모든 질량이 뭉쳐 하나의 거대 블랙홀이 된다. 양성자보다 안정한 다른 입자 기반으로 갈아타거나, 양성자를 충분히 계속 만들어낼 방법을 찾아내거나, 다른 평행 우주로 탈출하지 못한 문명은 흔적도 없이 멸망하게 된다. 여기서부터 블랙홀의 시대가 시작된다. 이 시점에서, 은하는 거대한 초대질량 블랙홀을 중심으로 다른 블랙홀들이 공전하는 구조가 된다.

(2) 2,000재 (2×10^47) 년 : 태양 질량만큼의 블랙홀이 호킹 복사로 증발하는 데 소요되는 시간이다.

(3) 0.334구골 (3.34×10^99) 년 : 2022년 기준 발견된 가장 무거운 초대질량 블랙홀인 TON 618이, 각운동량이 없다고 가정할 때(슈바르츠실트 블랙홀) 호킹 복사로 증발하는 데 필요한 시간이다.

⑤ 암흑의 시대(Dark Era)

(1) 1000만 구골 (10^107) 년 : 태양 질량의 20조 배 정도 되는 블랙홀이 소멸된다. 이 시점에서 우주의 마지막 블랙홀이 소멸되고, 어떤 천체도 없는 우주를 아원자 입자들만이 떠돌게 된다. 이 시점부터 암흑의 시대(Dark Era)가 시작된다.

(2) 10^200 년 : 대통일 이론에서 예측한 양성자 붕괴가 존재하지 않고 양자 요동에 의해 생겨나는 초미세 블랙홀로 인해 양성자 붕괴가 일어날 경우 예상되는 양성자의 반감기이다. 만약 이럴 경우, 양성자가 붕괴하지 않는 시나리오 중에서 1065 년 후에 일어나는 일(양자 터널링으로 인한 입자 재배열)을 겪게 된다.

(3) 10^1,000~10^3,244 년 : 우주가 열적 죽음을 맞이한다. 엔트로피가 최대가 되어 더 이상 증가할 수 없기에 처음으로 엔트로피의 증가가 멈춘다. 시간이 흘러도 어떤 사건도 일어나지 않을 것 같지만 이 사건 후에도 입자들의 랜덤운동에 의하여 새로운 빅뱅 혹은 새로운 만물이 탄생하리라고 보는 의견이 많다. 그래서 이후로도 시간은 의미를 상실한다고 해석하는 것은 잘못됐다.

(4) 10^10^(10^56) 년 (푸앵카레 재귀시간) : 양성자가 붕괴된다는 전제 하에 남아 있는 입자들이 무작위로 운동하다가 우연히 기적적으로 한 점에 모여 새로운 빅뱅이 일어나기까지의 예상 시간. 우주의 모든 입자들이 진정으로 무작위로 움직인다면 긴 시간에 걸쳐 모든 가능한 상태를 거칠 것이고, 그 중 한 점에 모두 모이는 상태도 언젠가 올 것이다. 또한 비슷한 원리로 비교적 적은 양의 입자들이 한 점에 모이면 개별 행성, 항성, 은하 등의 물체가 무에서 생성되는 것도 가능하다. 빅뱅을 거쳐 다시 우주와 문명이 재창조되는 것도 가능성이 있다. 심지어 현재의 우주도 과거의 우주가 죽음을 맞이한 후 탄생한 것이라는 의견도 있다. 이렇게 된다면 빅뱅-우주의 죽음-빅뱅-우주의 죽음이라는 것이 무한반복인 셈.