우주론이란 그릇으로서의 시공과 내용물이 되는 천체를 융합한 전체로서의 우주 성질을 연구하는 학문분야이다. 예를 들어 우주의 역사와 미래, 우주가 무엇으로 되어있는가, 우주는 어디까지 확대되는가, 우주의 형태는 어떤 것인가 하는 물음에 과학적인 해답을 도출하는 것을 목적으로 한다.
20세기들어 우주론은 극적인 진보를 이룬다. 특히 천문학자 버블이 제창한 ‘우주팽창’의 발견과 펜지어스, 윌슨의 우주 마이크로파 배경복사의 발견은 가장 중요한 과학적 성과로 평가된다. 언뜻 우리들이 보는 우주는 영원히 불변하는 것인 양 생각하기 쉬운데, 실은 138억년 전에 상상을 초월하는 뜨거운 우주로서 탄생했고, 그 후 팽창을 계속하고 있다는 것을 알아내게 되었다. 즉, 우주도 인간과 같이 태어나고 성장을 계속하고 있다는 것이 확실해 진 것이다.
1980년대 들어 또 한번의 진보가 있었다. 통상, 질량을 지닌 물질간에는 만유인력이 작용하기 때문에 우주의 팽창에 브레이크를 걸게 되는데, 우주 초기에는 자동차 악셀을 밟듯이 우주가 가속적으로 팽창하던 때가 있었던 것이 아닐까라고 생각되게 된다.
138억년 전의 우주는 평평하고 길게 말린 봉과 같은 형태였을 것이라고 생각되는데, 이와 같은 형태가 되게하려면 돛이 달린 배에 강한 바람을 불어 표면이 팽팽해 질만큼 우주를 한번에 빠르게 팽창시킬 필요가 있다는 생각이다. 이와 같은 가속팽창을 실현하기 위해서는 부풀어 오른 후에도 밀도가 변화하지 않는 불사의 에너지를 상정하지 않으면 성립되지 못한다. 유감스럽게도 이 기원에 관한 의문은 지금도 풀리지 못했다.
그밖에도 우주에는 두 가지 커다란 수수께끼가 있다. 그것은 멀리있는 천체의 빛이 예상보다 어둡다는 것과 우주 질량의 대부분(약 80%이상)은 통상의 천체나 가스가 아니라는 것이다. 전자는 다크에너지라 불리우는 미지의 에너지이고, 후자는 빛을 방출하지 않는 다크마타라고 불리우는 미지의 질량을 가정함으로 해서 설명하는 것은 가능하다. 하지만 우주 표준모형의 틀을 뛰어넘는 물리학을 상정해야 할 필요가 생긴다. 예를 들어 입자가 아닌 이차원의 끈을 만물의 ‘근원’이라고 생각하는 끈이론은 미지의 소립자를 예언하는 초대칭성이론인 것이다. 이 이론은 20세기 후반에 고안되었지만 21세기에 들어선 현시점에서도, 어느 법칙이 옳은 것인지 자세한 것은 아무것도 모른다. 이처럼 우리들은 우주라는 매크로의 세계를 관찰함으로 해서 마이크로의 물리학을 검증할 수 있게 되는 것이다.
*콜드포인트의 발견
태고의 우주에서 밀도가 높은 지역은 서로의 인력으로 끌어 당겨져 보다 밀도가 높아지게 되고, 그렇게 점차 성장해 오늘날의 별과 은하 등의 구조가 형성되었다고 생각되고 있다. 이 구조는 시공을 약간 비틀게 되는데 그렇기 때문에 구조를 통과하는 빛이 지나는 통로나 에너지가 변화 할 수 있게 된다. 2004년에 발표된 논문에서 우주 마이크로파 배경복사의 온도 변화에 평균치와 비교해서 이상하리만치 온도가 낮은 ‘콜드 스팟’이 있다는 것을 발견하게 된다. 2006년에는 ‘초포인트설’이라는 것도 등장하는데, 이것은 영역내의 질량밀도가 우주 평균치에 비해서 20~30% 낮은 거대한 구조를 가리킨다. 형태는 거의 구형이고 반지름이 약 15억광년에 이른다. 우주가 가속 팽창할 때에 초포인트가 만들어 내는 중력 포텐셜의 수치는 서서히 작아지게 된다. 따라서 그곳을 통과하는 빛 에너지는 줄어들게 되고 온도는 눈에 띄게 낮아진 것처럼 보일 것이다. 2015년에 지구에서 약 30억광년 떨어진 곳에서 이와 같은 초포인트로 추정되는 관측결과가 발표되기도 했다. 왜 우주에는 이런 거대한 구조의 공간이 생기는 것이며, 왜 우주는 계속 팽창하는 것일까?
*중력렌즈로 보는 우주와 은하의 구조
멀리있는 천체의 빛이 시선방향에 있는 천체의 중력에 의해 왜곡됨으로 해서 본래의 상보다 밝게 보이거나, 상이 일그러지거나 하는 현상을 ‘중력 렌즈’라고 부른다.