<빅뱅 이후>
빅뱅 이후를 설명하는 것은 비교적 수월하다. 우주의 역사를 담은 필름을 거꾸로 돌려보면 여섯 단계의 중요한 사건들과 만난다.
각 단계에서 우주는 근본적인 변화를 겪는데 이를 ‘냉각’이라 부른다.
① 10^-43초 : 이 기간을 양자역학의 아버지인 막스 플랑크의 이름을 따서 ‘플랑크 시간’이라 부르는데, 탄생으로부터 이때까지 모든 힘은 하나였다. 물질의 입자들은 가장 기본적인 모습을 하고 있었고 단일한 힘을 매개로 하여 상호작용을 하고 있었다.
② 10^-33초 : 강력이 전자기 약력과 결합하고 중력이 혼자 남는다. 이 단계에서 두 가지 중요한 사건이 일어나는데 하나는 우주가 소립자만한 크기에서 커다란 레몬만한 크기로 팽창한다. 이 과정을 인플레이션이라 부른다. 이때 반물질은 물질과 충돌하면서 소멸해 가고 그 과정에서 방사선을 만들어낸다. 이 단계의 냉각을 설명하는 대통일장이론을 규명하여 실험해보면 어떤 결과가 나올지 예측할 수 있다고 생각하지만 아직 현대의 과학은 그런 단계에는 못 미치고 있다.
③ 10^-10초 : 약력과 전자기력이 햡쳐져 전자기 약력이 된다. 이때의 온도는 가속장치를 통해 인공적으로 만들어낼 수 있으므로 많은 자료들이 축적되고 있다.
④ 1천만분의 1초에서 3분 : 우주의 기본 입자들 즉 양성자, 중성자, 전자 기타 모든 종류의 입자들이 거대한 소용돌이 속의 상태가 된다. 1천만 분의 1초가 되었을 때 즉 우주가 충분히 식었을 때 쿼크들이 결합하여 기본 입자들을 만들어냈다. 그 전까지는 렙톤과 쿼크밖에 없었고 그 후에는 핵을 구성하는 모든 기본 입자들과 렙톤이 존재하기 시작했다.
⑤ 3분 : 핵이 탄생한다. 그전까지는 우주 안에 기본 입자들만 있었고 양성자 하나와 중성자 하나가 뭉쳐서 핵을 만들려 해도 다른 입자들이 끊임없이 충돌해 왔기 때문에 결합을 유지할 수 없었다. 3분이 지난 후에야 핵은 비로소 안정을 얻었다고 볼 수 있다. 대폭발에서 탄생한 핵은 수소, 헬륨, 리듐의 핵뿐이며 나머지 원소들의 핵은 나중에 별 안에서 만들어졌다.
⑥ 50만 년 : 전자와 원자핵이 영구히 결합되어 원자를 이루었다. 그 전까지는 전자가 어떤 핵 주변 궤도에 들어가도 다른 입자와의 충돌에 의해 튕겨져 나가곤 했다. 즉 50만 년 이전까지의 물질은 자유로이 돌아다니는 전자와 핵의 형태로만 존재했는데 이런 상태를 플라즈마라 부른다.
앞의 숫자들과 내용은 일반인들이 이해하기 어려운 것은 사실이다. 그러므로 우리의 우주가 단 한 순간에 만들어졌다는 개념만 이해하면 충분하다. 구스의 이론에 의하면 우주는 지름이 수천억 광년에서 무한 사이의 어떤 값이 될 정도로 광대하고 별과 은하와 다른 복잡한 계들이 만들어질 준비를 완전히 갖추고 있다고 설명된다. 여하튼 이러한 기본 원리에 의해 우리 지구를 비롯한 우주는 존재할 수 있게 되었다고 설명된다.
이를 풀어서 설명하면 다음과 같다.
랄프 앨퍼(Ralph Asher Alpher, 1921〜2007)는 빅뱅 이후 우주는 계속 식어가면서 우주의 온도가 100만 K(절대온도)로 내려간다. 이때 물질은 플라즈마 상태로 원자핵과 전자가 서로 결합하지 못하고 서로 뒤섞여 있는 상태를 말한다. 음전하를 띤 전자들은 양전하를 띤 원자핵과 전기적 인력으로 서로 결합하려 하나, 우주의 온도가 너무 높아서 움직이는 속도가 너무 빠르기 때문에 서로 결합하지 못하고 서로 튕겨내어 버리고 말기 때문이다. 하지만 우주는 팽창과 더불어 계속 식어가고 있었으므로 어느 시점에서 이들은 서로 결합하여 안정된 중성원자인 수소와 헬륨을 형성할 수 있다. 랄프 앨퍼는 우주의 온도가 3,000K로 식었을 때 이러한 일이 일어나는데 빅뱅으로부터 약 30만년이 지났을 무렵으로 예측했다.
그 후의 우주에서 일어난 일을 다음과 같이 설명한다. 우주에는 원자 외에 또 다른 구성 성분이 있었는데 바로 빛이다. 빛은 전하를 띤 입자들과 쉽게 상호작용을 하므로 빛은 플라즈마 상태에서는 얼마 진행하지 못하고 전자에 흡수되었다가 다시 재방출되는 과정을 끊임없이 되풀이한다. 이러한 상태는 한치 앞을 내다볼 수 없는 안개 속과 같은데 원자핵과 전자가 서로 결합하자 플라즈마는 사라지고 우주는 기체 상태의 중성입자로 가득하게 된다. 빛은 기체 속의 중성입자들과는 상호작용하지 않으므로 빛은 자유롭게 우주공간을 떠돌게 되며 이 빛은 우주의 팽창과 더불어 파장이 계속 길어지게 되었다.
랄프 앨퍼는 원자핵과 전자가 결합하는 순간에 방출된 빛의 파장은 대략 1μm 정도였는데 현재는 1mm 정도일 것으로 예측하였다. 그리고 우주의 온도는 5K로 떨어졌을 것으로 예측하였다. 이것은 인간의 눈으로 보이지 않는 마이크로파영역이다.
그런데 전자와 원자핵의 결합은 우주의 모든 곳에서 일어났기 때문에 이 빛은 우주에 가득해야 하고 모든 방향에서 오고 있어야 한다. 알퍼는 이 빛은 오늘날에도 우주를 떠돌고 있으므로 이 빛을 검출한다면 빅뱅이 있었음을 증명할 수 있다고 주장했다. 이 빛을 우주배경복사(CMB, cosmic microwave background radiation)라고 한다.
그렇다면 실무적으로 어떻게 지구와 같은 행성이 만들어질 수 있는가? 학자들은 현재 두 다지 가설을 제시한다.
새로 탄생한 별(항성)을 둘러싼 가스와 먼지의 소용돌이 속에서 탄생한 최초의 행성은 태양계의 목성과 토성처럼 가스로 이루어진 거대 행성이다. 대부분의 천문학자들은 행성이 원반형 먼지 구름 속에 있는 돌덩어리들에서 점진적으로 성장함으로써 서서히 형성되었다고 추정한다.
과정은 매우 간단하다. 먼저 미세한 먼지 알갱이들이 달라붙어 더 큰 알갱이를 형성하고 이것이 충돌하며 더 큰 덩어리가 된다. 이런 성장과정에서 마침내 지구 질량의 10배가량 되는 단단한 중심핵이 된다. 중심핵은 강력한 중력으로 먼지 구름 속의 가스를 흡수해 가스로 뒤덮인 거대한 행성이 된다는 것이다. 일반적으로 이런 식으로 행성이 형성되는 데에는 몇 백만 년이 걸릴 수 있다고 생각한다.
두 번째 가설은 행성이 만들어지는데 몇 백만 년이나 걸리지 않는다고 주장한다. 그것은 행성의 성장에 필요한 가스가 그렇게 오래 남아 있지 못하므로 보다 빨리 성장해야 한다는 것이다.
많은 젊은 별들 주위에는 행성을 만드는 재료인 가스를 앗아갈 수 있는 강렬한 복사선을 가진 별들이 있다. 그 때문에 거대 행성은 가스가 사라지기 전에 서둘러 생성되지 않으면 행성이 만들어질 수 없다는 것이다.
이 이론에 의하면 중력 때문에 가스와 먼지로 이루어진 원반형 구름이 붕괴해 맨 위에 보이는 밝은 덩어리로 표현된 높은 밀도의 구름을 형성한다. 각 구름이 수축하면서 고형물질이 중심으로 모여들어 몇 천 년에 걸쳐 중심핵이 형성된 다음 구름의 나머지 물질이 수축하면서 거대 기체 행성이 형성된다는 것이다. 이런 경우 행성이 만들어지는 시간은 100만 년 미만이다.
보스 박사는 현재 태양형 별(항성)들 중 약 10퍼센트에 거대 행성이 있을 정도로 상당히 흔하다는 것을 볼 때 원반형 먼지 구름이 사라지는 속도보다 더 빨리 행성이 형성되었을 수도 있다는 설명이다. 물론 어느 쪽이 보다 정확한지는 알려지지 않았다.
한편 블랙홀 연구에서 기존의 이론에 배치되는 결과들이 근래 잇따라 발표되어 물리학계를 온통 벌집 쑤셔 놓은 듯 시끄럽게 만들고 있다.
미국의 하버드-스미소니언 천체물리학센터 루디 실드 박사는 주변 모든 물질을 삼키는 블랙홀들이 우주에 촘촘히 박혀 있을 것이라는 기존 이론은 블랙홀 자리에 자성을 띤 이상한 플라스마 덩어리들이 떠다닌다는 이론으로 대체돼야 할 것이라고 주장했다. 한 마디로 기존의 블랙홀 이론은 틀렸다는 것이다.
실드 박사는 지구에서 90억 광년 떨어진 곳에 있는 퀘이사를 관측하는 과정에서 블랙홀 이론의 맹점을 발견했다고 주장했다. 퀘이사들은 중심부에 블랙홀이 있는 것으로 알려져 있지만 실드박사는 14개의 천체망원경으로 이 퀘이사 구조를 관찰한 결과 중심부 주변의 물질 원반에서 폭 4천AU(지구-태양간 평균 거리로 1억5만 킬로미터)의 거대한 구멍을 발견했다.
실드 박사는 이런 구멍은 강력한 자장에 의해 거대한 물질이 튕겨 나올 때만 생길 수 있다고 설명한다. 문제는 블랙홀에는 자기장이 없다는 점이다. 그러므로 그는 MECO(자기권 항구붕괴 물체)라는 고밀도 플라스마 덩어리가 이런 역할을 한다고 추정했다.
물론 케임브리지 대학의 길모어 박사는 실드 박사의 발표는 설득력이 없다고 반박했다. 그는 2005년 우리 은하의 중심부에 존재하는 블랙홀을 직접 관측하는 획기적인 실험이 성공했음을 상기시켰다.
한편 유럽과 미국의 과학자들은 유럽우주국(ESA)의 지구궤도망원경인테그랄(Integral, 국제감마선천체물리실험실)을 사용해 근거리 초질량블랙홀 수를 집계한 결과 블랙홀 수가 예상보다 훨씬 적은 것으로 드러났다고 밝혔다. 그들은 지금까지 발견된 숨은 블랙홀의 수는 우주 배경 X선 복사의 크기에 비하면 단 몇 퍼센트에 불과하다고 말했다. 물론 자신들이 찾지 못했다고 해서 반드시 블랙홀이 존재하지 않는다는 뜻은 아니라고 설명했다.
그동안 많은 물리학자들이 정설로 인정한 블랙홀 이론조차 공격받고 있다는 것은 우주의 생성에 수많은 연구과제들이 산적해 있음을 보여준다.
<130억 년 전 고대 은하 발견>
우주가 약 138억 년 또는 141억 년 전에 탄생했다는 빅뱅 이론에 따르면 우주 형성 초기에 생긴 ‘고대’ 은하들이 현재도 존재할 가능성이 있다. 학자들이 이런 은하 찾기에 몰두했는데 영국 더럼대학의 카를로스 프렌크 교수는 우리 은하 주변을 도는 작은 위성 은하들이 우주 형성 초기에 생긴 은하라는 증거를 발견했다고 발표했다. 학자들이 이들 발견에 환호하는 것은 한마디로 130억 년 전 ‘우주의 창’을 발견했다고 평가할 수 있기 때문이다.
‘우리 은하 뒷마당에서 우주를 형성한 바로 그 첫 무리의 은하 중 일부를 발견한 것은 지구에 살았던 첫 인간의 유해를 발견한 것과 같은 맥락이다.’
프렌크 교수는 우리 은하와 안드로메다은하 주위를 도는 작은 은하들의 ‘광도함수(luminosity function)’에 주목했다. 은하는 기원과 진화에 따라 절대등급 항성의 분포가 다른데 광도함수는 그 분포를 나타내는 것이다. 프렌크 교수는 이 광도함수에 따라 이 은하들을 분류한 결과, 뚜렷하게 두 부류로 나뉘어짐을 발견한다.
희미한 빛을 가진 첫 번째 무리의 은하는 우주 생성 대폭발(빅뱅) 이후 약 38만년이 지난 뒤 시작된 ‘암흑시대’에 형성되었고, 이보다 더 밝은 빛을 내는 은하들로 구성된 두 번째 무리는 수억 년 뒤에 형성된 것으로 보인다는 것이다.
우주 암흑시대는 냉각기로, 우주의 첫 원자인 수소 형성과 연관돼 있다. 수소 원자가 모여 가스 구름이 되고 점차 냉각되면서 빅뱅 때 만들어진 암흑물질의 작은 덩어리와 결합해 궁극적으로 별을 만든다. 이렇게 첫 무리의 은하들이 형성되면서 1억년가량 지속한 암흑시대는 끝난다.
프렌크 교수는 첫 무리의 은하들은 우주가 아직 암흑시대에 갇힌 상태에서 강력한 자외선을 내뿜으므로 쉽게 관측된다고 설명했다. 이들 은하가 방출한 자외선은 원자에서 전자를 분리하는 이온화 작용으로 우주에 남아있는 수소 원자를 파괴하고, 이로 인해 수소의 냉각이 어려워지면서 더 이상 별을 만들지 못하고 수십억 년 간 은하 형성도 중단됐다는 것이다.
그러나 이후 ‘재이온화(reionisation)’ 현상이 일어나면서 은하 형성도 다시 이어진다. 수소가스와 결합한 암흑물질의 질량이 커져 이온화된 수소가스가 다시 냉각 작용을 할 수 있게 되면서 우리 은하를 비롯해 더 밝은 은하들이 생기게 되었다는 것이다.
이 연구에 따라 천문학자들은 고대 은하들이 우주 도처에 퍼져있으며 현재 우리가 볼 수 있는 밝은 은하보다 훨씬 더 많을 것으로 추정했다. 한마디로 빅뱅의 증거가 생각보다 많은 곳에서 발견될 수 있다는 뜻이다.
우주에 대한 인간의 지식이 한정되어 있다는 것은 수학공식처럼 딱 부러지게 결론내릴 수 없다는 점이다. 빅뱅이후 우주가 언제 형성되기 시작했느냐는 질문에도 계속 여러 가지 주장이 제시된다.
다쿠야 하시모토(Takuya Hashimoto) 일본 국립천문대 연구원은 칠레 아타카마 사막에 있는 전파망원경 군집(ALMA)을 이용해 매우 먼 거리에 있는 은하(MACS1149-JD1)를 관측하면서 이때 발생한 산소의 흔적이 133억 년 전(혹은 빅뱅 이후 5억년 뒤)에 방출돼 지구에 도달했다고 발표했다. 그는 그 증거로 파장이 10배 이상 늘어났다고 제시했다. 한마디로 은하에 이전에 생각했던 것보다 훨씬 빠른 세대의 별들이 존재했다는 것이다.
빅뱅 이후 한 동안은 우주에 산소가 없었다. 그러나 최초 별들의 융합 과정에서 산소가 생성된 뒤 이 별들이 죽을 때 방출됐다. 이것은 빅뱅이 시작된 지 5억 년에 이미 초기 세대 별들이 존재했으며 이들이 산소를 방출했다는 것을 의미한다.
이들 자료를 근거로 하시모토 박사는 초기의 별들이 언제 형성됐는지를 추적했다. 그는 NASA의 허블 우주망원경과 스피처 우주망원경이 확보한 적외선 데이터를 사용해 은하의 초기 역사를 재구성했다. 그에 의하면 빅뱅 후 2억5000만년 뒤에 별의 형성이 시작됐다고 발표했다. 한마디로 은하들이 현재 우리가 직접 탐지할 수 있는 것보다 일찍 존재했다는 증거라는 뜻이다.
빅뱅 이론에 치명타를 안긴 우주 나이 문제도 새로 검토되기 시작했다.
빅뱅 이론이 갖고 있는 치명적인 문제점은 허블의 법칙으로부터 계산한 우주의 나이가 당시 알려져 있던 지구의 나이보다 더 젊었기 때문이다. 그런데 팔로마 산에 설치된 200인치 헤일 망원경으로 통해 독일계 천문학자 발터 바데(Walter Baade, 1893-1960)는 안드로메다 은하까지의 거리가 허블이 추정했던 거리보다 2배로 늘어나 약 200만 광년이 된다고 발표했다. 이것은 빅뱅 학자들에게 복음이 되었는데 안드로메다 은하까지의 거리가 다른 은하까지의 거리를 재는 척도로 사용되기 때문이다.
이는 모든 은하까지의 거리가 2배로 늘어나 우주의 크기도 2배로 늘어난다는 것을 뜻한다. 그러므로 우주의 나이도 두 배인 36억년으로 늘어나게 되었다. 이후 우주의 나이는 55억년, 100억년으로 늘어났고 현재는 약 137.98억 년 즉 약 138억 년 또는 141억 년으로 설정한다. 더 이상 우주의 나이가 별들의 나이보다 어리다는 문제점이 해결된 것이다.
제2차 세계대전이 끝나자 레이더 기술이 급속히 발전하여 우주관측에 활용되었는데 이를 통해 우주에는 강한 전파를 방출하는 은하들이 있다는 사실을 알게 되었다. 이를 전파은하라고 하는데 마틴 라일(Martin Ryle, 1918〜1984)은 전파은하들이 거리에 따라 어떻게 분포하는지를 알면 어떤 우주모델이 옳은지 알 수 있을 것으로 생각했다.
그는 1961년 5,000개의 전파은하 목록을 작성하고 그 분포를 조사한 결과 전파은하들은 거리가 멀수록 더 많이 분포하고 있었다. 이러한 결과는 과거와 현재의 우주가 똑같다고 주장하는 정상우주모델과 대치되는 것이었다.
1963년 마틴 슈미트(Maarten Schmidt)는 라일 박사가 작성한 전파은하 목록의 273번째 전파원(3C273)의 스펙트럼을 분석하여 이 전파원이 24억 광년 거리에 있는 퀘이사(Quasar, QUASi-stellAR radio source)임을 확인했다. 퀘이사는 초기 은하의 핵이라는 것이 추후에 밝혀지며 이후 새롭게 발견되는 수많은 퀘이사들 대부분 수십억 광년 너머에 위치하고 있었다. 이러한 사실은 퀘이사가 수십억 년 전에 존재했던 천체라는 것을 의미하며 초기의 우주가 현재의 우주와 매우 달랐다는 것을 입증하는 것이다. 퀘이사의 발견으로 많은 우주학자들이 정상우주모델보다 빅뱅모델을 지지하는 쪽으로 옮겨갔다.
우주를 향한 전파관측은 계속되어 1964년 마침내 결정적인 증거를 찾아낸다. 벨연구소의 아르노 펜지아스(Arno Allan Penzias)는 나팔모양의 전파안테나를 이용해 전파잡음을 연구하던 중 우연히 하늘 전역에서 들어오는 전파잡음을 발견하였는데 그것이 우주배경복사였다.
펜지아스가 발견한 우주배경복사의 온도는 3.5±1.0K (최근 WMAP 관측결과는 2.7K)였고, 파장은 7.3cm였다. 이는 1948년에 랄프 앨퍼가 예측한 결과와 거의 일치했다. 마침내 앨퍼가 빅뱅의 증거로 예측했던 우주배경복사가 발견된 것이다.
우주배경복사의 발견은 우주가 빅뱅으로 시작되었다는 사실을 증명하는 결정적인 증거였고 그 공로로 펜지아스는 윌슨 등과 함께 1978년도 노벨 물리학상을 수상한다. 한편 빅뱅 이론을 처음 제창한 가모프는 1968년에 사망하여 노벨상수상자가 되지 못했지만 빅뱅의 증거를 처음 예측했던 랠프 앨퍼가 공동수상자가 되지 못한 것은 노벨상의 미스터리 중 하나이다.
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참고문헌 :
「우주 초기 ‘고대’ 은하 확인…”130억년 전 우주 창(窓) 열려”」, 연합뉴스, 2018.08.20.
「또 다른 지구를 찾아서」, 팀 아펜젤러, 내셔널지오그래픽, 2004년 12월
「대폭발의 메아리」, 김충섭, 네이버캐스트, 2009.12.04
「빅뱅 2억5천만년 뒤에 별 형성됐다」, 김병희, 사이언스타임스, 2018.05.17.
https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%9A%B0%EC%A3%BC%EC%9D%98_%EB%82%98%EC%9D%B4
『거의 모든 것의 역사』, 빌 브라이슨, 까치, 2005
「블랙홀 존재 의구심 연구 잇따라」, 과학과 기술, 2006년9월
『과학의 열쇠』, 로버트 M, 헤이즌 외, 교양인, 2008
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