솔직히 저는 어릴 적 팽이를 돌리다가 이런 생각을 한 적이 있습니다. 팽이가 서 있을 때는 쓰러지는데, 돌면 왜 안 쓰러지는 걸까요? 그 의문을 아버지께 물었더니 "돌고 있으니까 힘이 생기는 거야"라는 답이 돌아왔지만, 당시에는 전혀 납득되지 않았습니다. 나중에 각운동량이라는 개념을 배우고 나서야 그 팽이의 비밀이 풀렸고, 더 큰 질문으로 이어졌습니다. 지구도 돌고, 태양계도 돌고, 은하도 돈다면 우주 자체도 돌고 있지 않을까요? 이 질문은 실제로 천문학자들이 진지하게 고민하는 주제였습니다.
괴델의 회전 우주 모델과 각운동량
우주가 통째로 회전하는지에 대한 논의는 수학자 괴델(Kurt Gödel)이 아인슈타인의 장 방정식을 기반으로 회전 우주 모델을 만들면서 본격화되었습니다. 여기서 장 방정식(Einstein Field Equation)이란 시공간의 휘어짐과 물질·에너지의 분포 관계를 설명하는 일반상대성이론의 핵심 수식입니다. 괴델은 우주가 더스트(dust)라는 유체로 가득 차 있고, 이 우주가 특정 방향으로 회전한다고 가정했습니다.
제가 이 이론을 처음 접했을 때 가장 흥미로웠던 부분은 프레임 드래깅(frame dragging) 개념이었습니다. 프레임 드래깅이란 블랙홀처럼 거대한 천체가 회전할 때 주변 시공간을 함께 끌고 도는 현상을 의미합니다. 실제로 이 현상은 중력파 관측을 통해 검증되었으며, 우주 전체에도 적용될 수 있다는 것이 괴델 모델의 핵심입니다(출처: 한국천문연구원).
다만 실제 우주가 회전한다면 그 각속도는 극도로 느립니다. 한 바퀴 도는 데 약 5천억 년이 걸릴 정도입니다. 이는 우리 은하에서 가장 가까운 안드로메다 은하까지의 거리가 250만 광년에 불과하기 때문에, 10년이나 20년 관측만으로는 회전을 확인하기 어렵다는 뜻입니다. 솔직히 말하면 이 정도 시간 규모는 인간의 관측 한계를 훨씬 넘어서는 것이라 직접 확인은 사실상 불가능합니다.
CMB 쿼드루폴 축의 악의 축 현상
우주 배경 복사(Cosmic Microwave Background, CMB)는 빅뱅 이후 약 38만 년이 지난 시점에 형성된 전자기파로, 우주 전역에서 균일하게 관측됩니다. 플랑크 위성이 2010년대 초반 약 5~6년간 관측한 CMB 데이터를 푸리에 변환(Fourier Transform)으로 분석한 결과, 흥미로운 패턴이 발견되었습니다. 푸리에 변환이란 복잡한 파형을 여러 단순한 사인·코사인 함수의 합으로 분해하는 수학적 기법입니다.
CMB 온도 분포를 구면조화함수(Spherical Harmonics)로 분해했을 때, 쿼드루폴(quadrupole, 4극자)과 옥타폴(octapole, 8극자) 성분에서 명확한 축이 나타났습니다. 여기서 쿼드루폴이란 우주를 네 조각으로 나눴을 때 뜨거운 부분과 차가운 부분이 교대로 배치되는 패턴을 의미합니다. 문제는 이 축이 우리 태양계 원반에 거의 수직(약 89도)으로 정렬되어 있다는 점입니다.
제가 이 내용을 처음 접했을 때 가장 놀라웠던 건, 우주 배경 복사가 만들어진 시점은 빅뱅 이후 38만 년인데 우리 태양계는 그로부터 100억 년 후에 형성되었다는 사실입니다. 논리적으로 따지면 우주가 태양계를 신경 쓸 이유가 전혀 없는데, 왜 이런 정렬이 나타나는 걸까요? 천문학자들은 이를 '악의 축(Axis of Evil)'이라 부르며, 아직까지 명확한 설명을 내놓지 못하고 있습니다(출처: 한국물리학회).
우주 배경 복사 분석에서 중요한 개념 중 하나는 파워 스펙트럼(power spectrum)입니다. 파워 스펙트럼이란 각 주파수 성분이 전체 신호에 얼마나 기여하는지 보여주는 그래프입니다. 쿼드루폴 성분은 파워 스펙트럼에서 가장 큰 규모의 진동에 해당하며, 이 성분에서 나타나는 비정상적인 정렬은 우연으로 보기 어려운 통계적 유의성을 가집니다.
은하 회전 방향의 비대칭성
우주가 회전한다면 그 각운동량은 은하 형성 과정에도 영향을 미쳤을 것입니다. 실제로 은하 회전 방향에 대한 연구에서 흥미로운 결과가 나왔습니다. 초기에는 슬론 디지털 스카이 서베이(Sloan Digital Sky Survey) 데이터를 바탕으로 갤럭시 주(Galaxy Zoo) 프로젝트가 진행되었습니다. 일반인들이 직접 은하 이미지를 보고 시계 방향인지 반시계 방향인지 투표하는 방식이었는데, 초기 결과는 시계 방향이 더 많다는 것이었습니다.
하지만 이후 검증 과정에서 휴먼 바이어스(human bias)가 발견되었습니다. 동일한 은하 이미지를 거울처럼 뒤집어 다시 투표시켰더니 반대 결과가 나온 것입니다. 이는 사람들이 무의식적으로 특정 방향을 선호한다는 것을 보여주었고, 당시에는 "비대칭은 없다"는 결론이 내려졌습니다.
그런데 최근 제임스 웹 우주망원경(JWST) 데이터를 활용한 새로운 연구에서는 다시 비대칭이 발견되었습니다. 초기 우주(빅뱅 이후 약 10억 년)의 은하 260개를 분석한 결과, 반시계 방향으로 도는 은하가 시계 방향보다 약 2배 많았습니다. 이는 우연으로 보기 어려운 비율입니다. 딥러닝(deep learning) 기술을 활용하면 인간의 편향 없이 은하 회전 방향을 분석할 수 있는데, 여기서 딥러닝이란 인공신경망을 이용해 패턴을 학습하고 분류하는 기계학습 기법입니다.
저는 개인적으로 이 결과가 초기 우주의 각운동량 분포와 관련이 있을 가능성에 주목합니다. 만약 우주 전체가 미세하게나마 회전했다면, 초기 은하 형성 과정에서 그 흔적이 남아있을 수 있기 때문입니다. 다만 이 가설을 확증하기 위해서는 더 많은 샘플과 정밀한 통계 분석이 필요합니다.
주요 관측 증거를 정리하면 다음과 같습니다:
- CMB 쿼드루폴 축이 태양계 원반과 거의 수직으로 정렬
- 초기 우주 은하의 회전 방향 비대칭(2:1 비율)
- 프레임 드래깅 현상의 실제 관측 확인
결국 우주가 회전하는지는 아직 명확히 밝혀지지 않았습니다. 현재 천문학계의 표준 우주론은 우주가 등방하고 균일하다는 코페르니쿠스 원리(Copernican Principle)를 전제로 합니다. 여기서 코페르니쿠스 원리란 우주에서 특별한 위치나 방향은 존재하지 않는다는 원칙입니다. 하지만 CMB 쿼드루폴 축이나 은하 회전 비대칭 같은 관측 결과는 이 원리에 도전장을 내밀고 있습니다. 만약 우주가 정말 회전한다면 암흑 에너지나 암흑 물질의 추정량도 달라질 수 있어, 우주론 모델 전체가 수정되어야 할 수도 있습니다. 어릴 적 팽이를 돌리며 품었던 소박한 의문이, 결국 우주의 근본 구조를 묻는 질문으로 이어진 셈입니다.