<고개 드는 정상이론>
대폭발이론에서 문제점이 야기되자 정상이론이 다시 고개를 들고 있는 것은 사실이다.
그 중에서도 가장 주목받고 있는 이론은 신정상이론이다. 캘리포니아대학교의 제프리 버비지와 막스플랑크천체물리학연구소의 할톤 아프 박사들이 제기한 것으로 우주에는 어떤 시작도 없었고 따라서 종말도 없을 것이며 물질이 계속적으로 창조된다고 가정하고 있다.
이 새로운 모형에서 물질은 우주 안으로 그냥 튀어 들어가는 것이 아니라 많은 ‘작은 폭발들’을 통해 들어간다.
정상우주론 외에도 빅뱅이론에 대항하는 이론들은 여러 개다. 플라스마 우주론, 차가운 대폭발이론, 크로노메트린 우주론과 혼돈에 기초한 우주론과 같은 것이다. 플라스마 우주론은 균일한 플라스마로 시작해서 간단하고 자연적인 방법으로 우주에서 보여 지는 것과 유사한 대규모 구조를 만들어낼 수 있다는 설명이다.
스티븐 호킹 박사가 제안하는 양자 우주론도 있다.
우주론들은 시초 상태에 따라 여러 가지의 형태로 나타날 수 있으므로 우주의 초기 조건 또는 경계조건을 결정하는 일이 중요한 의미를 주게 된다. 이 초기 조건에 양자우주론을 도입하자는 것이다.
초기의 우주는 일반상대성이론에 의하면 특이점이 된다는 것은 앞에서 설명했다. 따라서 특이점을 피하기위해서라도 양자론의 도입이 필요한데 그는 우주를 하나의 파동함수로 표현한다.
여하튼 현재 대세를 이루고 있는 빅뱅이든 정상우주론이든 우주의 미래에 대해서도 두 가지 가설이 제기되어 있다.
첫째는 대폭발에 의해 주어진 운동에너지가 인력에 의한 위치에너지보다 커서 질량을 영원히 먼 곳으로 흩어 버린다(open cosmos). 그런 열린 우주는 가스, 먼지, 그리고 왜성의 재로 가득 차 기온이 절대온도인 0도인 ‘빅칠(Big chill)' 된다. 둘째는 운동에너지가 질량의 인력을 이기기에는 충분하지 못해서 임계 상태에 도달한 후 다시 수축하기 시작하여 결국 ‘빅 크런치(Big crunch)’가 발생한다는 것이다.
팽창하는 우주가 계속적으로 팽창하거나 응축하느냐는 우주의 질량에 따라 달라진다. 우주의 팽창을 저지할 수 있는 밀도를 임계밀도(10-29g/cm³)라고 하는데 측정에 의하면 우주의 평균밀도는 임계밀도보다 훨씬 작은 것으로 밝혀지기도 했다.
이것은 우주는 계속 팽창할 것이라는 것을 의미한다. 이 경우 중력으로 서로 묶여져 있는 우리 국부은하군에 있는 것들을 제외한 모든 은하들이 우리의 하늘에서 사라진다는 것을 의미한다고 배리 파커 박사는 설명했다.
그러나 우주가 팽창한다는 계산에 사용된 평균밀도는 현재의 관측기술에 의존하고 있는데다가 우리에게서 아주 먼 곳이나 블랙홀 같은 곳에 숨어 있을 질량은 배제되어 있으므로 정확한 결과라고 할 수 없다는 지적도 있다. 더구나 우주에 가장 많이 존재하는 것으로 알려져 있는 소립자인 중성미자도 작은 질량을 갖고 있다는 것이 밝혀져 이들의 질량을 모두 합했을 때의 결과는 아직 모른다는 학자들의 설명이다.
우주에 존재하는 중성미자는 초기우주의 우주배경 중성미자뿐만 아니라, 초신성 폭발에 의한 방출, 태양과 같은 별 내부에서 일어나는 핵융합 반응에 의한 방출, 원자력발전소에서 핵붕괴에 의한 방출, 격렬한 반응을 일으키는 천체에서 고에너지 중성미자의 방출, 우주에서 날아 온 우주선이 지구 대기의 분자와 충돌해 생성하는 중성미자 등으로 다양하다.
중성미자는 우주의 생성에 매우 중요한 역할을 하는 요소이다. 미국의 천체 물리학자 존 바콜은 태양의 핵융합 반응에서 일어나는 중성미자가 1초 동안 지표면에 1제곱미터당 약 100억개가 도달하리 만큼 많이 방출된다고 계산했다. 이는 중성미자가 지구상에서 매 초당 수백억 개가 엄지 손톱만한 면적을 통과한다는 것을 뜻한다.
초신성은 폭발과 함께 중심부에서 중성미자가 대량으로 방출되는 데 이는 중성미자가 에너지를 방출하는 방법 중에 하나이다. 중성미자는 물질과 거의 반응하지 않기 때문이다. 김수봉 박사는 중성미자가 없었다면 별은 죽고 싶어도 폭발할 수 없을 것으로 설명했다.
중성미자는 1930년 파울리 박사가 ‘관측할 수 없는 중성미립자’의 존재 가설을 제기했고 1956년에 라이네스와 코웬에 의해 원자로에서 검출했다. 라이네스는 1995년에 노벨물리학상을 수상했는데 그것은 그의 논문이 나온 지 40년이 지나서이다.
물론 우주의 미래를 예측하는 데 꼭 임계밀도만을 사용하는 것은 아니다. 이 외에도 우주 팽창의 감속률을 측정하는 방법이 있는데 이 계산에 의하면 우주는 닫힌 우주라는 결론을 얻을 수 있다. 이 결론에 의하면 우주는 앞으로 50억 년 이상 팽창하다가 멈춘 후 다시 한 점을 향해 응축하기 시작한다는 것이다.
이것은 윤회론적인 측면으로 볼 때 사람들에게 다소 위안을 주기 때문에 많은 학자들이 선호한다. 그것은 현 우주가 언젠가 수축된다면 또 다시 폭발할지도 모르기 때문이다. 이 말은 현재의 우주가 몇 번째로 만들어졌는지 모른다는 뜻으로 우리가 이미 예전에 여러 번 존재한 적이 있을지도 모른다는 것을 의미한다. 죽으면 아무 것도 없다는 두려움 속에 사는 인간으로서 위안이 되지 않을 수 없지만 아직 확증된 이야기가 아님을 독자들은 잘 알고 있을 것이다.
<원천적으로 다시 시작하자>
대폭발이론의 시초는 허블에 의한 후퇴속도가 거리에 따라 선형으로 증가한다는 것을 기반으로 한다. 다시 말해 멀리 떨어져 있는 은하일수록 더 빨리 후퇴하고 있다는 것이다. 허블의 우주 팽창이 중요한 의미를 갖는 것은 그렇게 팽창할 수 있도록 충분한 에너지를 공급한 어떤 종류의 최초 폭발에 대한 생각을 곧바로 연상케 만들기 때문이다.
여하튼 퀘이사는 대폭발이론에 결정적인 문제를 주었는데 중심에 거대한 블랙홀을 갖고 있는 은하의 일종이면 어느 정도 학자들이 지적한 문제점을 해결할 수 있다.
퀘이사가 매우 밝은 것도 거대한 블랙홀을 갖고 있는 은하 중에 하나가 또 다른 것과 충돌하면 그 중심에 있는 블랙홀이 다른 은하에서 나온 가스에 의해 연료를 ‘공급받음’으로서 밝아진다는 것이다. 따라서 우리가 퀘이사라고 부르는 것은 이들 초기은하들의 밝은 핵이라고 볼 수 있다고 배리 파커 박사는 말했다.
그런데 퀘이사가 정말 은하의 밝은 핵이라면 허블법칙에 따라 해당하는 점들이 은하들의 선을 따라 놓여 있어야 한다. 그런데 수천 개의 퀘이사의 경우 산탄총으로 발사된 것처럼 무차별로 분파되어 있었다. 이것은 과거부터 현재까지 벌여왔던 적색이동으로 거리를 측정하는 것이 문제가 있을지도 모른다는 개연성까지 제기했다.
대부분의 퀘이사와 은하는 우주의 전혀 다른 지역에 놓여 있다. 대부분의 퀘이사는 멀리 깊숙한 곳에 있으며 부근에는 어떤 것도 없다. 그런데 다행히도 깊숙한 우주의 사이에 작은 중첩지역이 있다. 그러므로 퀘이사와 은하로서 그것들이 서로 가까이 있는지를 확인할 수도 있다.
그런데 예상치 못한 측정결과가 나왔다. 즉 두 물체가 서로 가까이 있는데도 불구하고 크게 다른 적색이동을 갖는다는 것이다. 이것은 만약 퀘이사와 우주가 연결되었다면 심각한 문제가 된다. 그것은 퀘이사들이 은하들과 같은 관계 즉 허블 관계를 만족시키지 않는 것이 도플러 효과에 기인한 것이 아닐지도 모른다는 점이다.
이와 같은 문제점이 제기된 것은 1970년에 맥도널드연구소에 있었던 댄 위드만에 의해서이다. 그는 은하인 NGC4319와 마카리얀 205가 너무나 가까이 있는 것을 발견하고 연결되어 있다고 확신했는데 적색이동에 의하면 완전히 다르게 나타났다. 퀘이사는 후퇴속도가 초속 21,000킬로미터인데 반해 은하는 1700킬로미터였다. 상식적인 의미에서 빅뱅이론에 따른 우주론적 해석이라면 연결되어 있는 두 천체는 같은 후퇴속도를 가져야만 한다.
그러므로 후퇴속도가 다르다는 것은 퀘이사가 은하의 시선을 따라 그 뒤편에 있다고 볼 수 있다. 1971년 퀘이사의 빅뱅에 의한 우주론적 적색이동에 회의를 갖고 있는 마운트윌슨과 팔로마 천문대에 있었던 할톤 아프(Halton Arp)가 이 문제에 도전했다. 그는 두 천체가 같은 방향으로 가까이 있기 때문에 일어난 광학적 착각이 아니라고 확신했다. 이것은 매우 심각한 문제를 제기한다.
그의 설명이 옳다면 퀘이사에 대한 도플러 해석에 문제가 있으며 빅뱅이론에 큰 타격이 되지 않을 수 없다. 즉 적색 이동이 팽창하는 우주 속력을 나타내는 믿을 수 있는 지표가 될 수 없다면 그것은 곧바로 대폭발 이론의 심장부를 찌르는 일이기 때문이다. 은하들이 빠른 속도로 서로 멀어져 가는 것이 아니라면 그런 운동을 확립시킬 대폭발 이론도 필요하지 않다. 아프의 주장에 대해 여러 학자들이 그의 측정에 문제가 있다고 반박했다. 그들은 아프가 주장한 은하와 퀘이사를 엄밀 측정한 결과 두 천체가 연결되어 있다는 어떠한 특징들을 발견하지 못했다고 주장했다.
학자들이 그의 발표에 벌떼처럼 달려들자 아프는 스코틀란드 로얄천문대의 닐 프래트 교수 등과 협조하여 직접 등광도 지도를 만들어 자신의 주장이 옳다는 것을 발표했다. 그는 정확하게 퀘이사 방향에 있지는 않지만 자신이 만든 등광도 지도에서도 연결다리를 볼 수 있다고 반박했다. 방향이 약간 다른 것은 은하의 회전 때문이라고 결론지었다.
그러나 그의 거듭된 주장에도 불구하고 다른 천문학자들은 두 천체 사이에 어떤 물리적 연결이 없다고 다시금 확인했다. 문제는 이와 같이 은하와 퀘이사가 거의 연결되어 있는 것처럼 보이는 예가 하나뿐이 아니라는 점이다. 캘리포니아대학교의 제프리 버비지 박사는 퀘이사-은하 쌍 500개의 목록을 작성했다. 이것은 천문학자들이 무시하기에는 많은 숫자라고 강조했다.
이에 고무된 아프 박사는 퀘이사 마카리얀 205가 은하 NGC 4319로부터 축출되었다고 설명했다. 그리고 퀘이사의 시선속도가 빅뱅이론에 의한 것이 아니라면 설명될 수 있다가 주장했다. 즉 퀘이사 모두가 은하로부터 축출되었다면 퀘이사와 은하가 서로 인접해 있는데 아무런 문제가 없다는 설명이다.
아프 박사는 다른 은하와 연결된 은하도 예로 들었다. 적색이동이 크게 다른 은하들이 서로 연결되어 있는 것처럼 보이는 경우도 있다. 은하 NGC 7603의 경우 길고 밝은 연결판이 보이는데 둘 중 큰 은하의 적색이동은 다른 은하의 적색이동 값에 비해 절반에 불과하다. 이것은 5억 광년 밖에 떨어져 있지 않다는 것으로 NGC 7603이 교란되었다고 주장했다. 즉 작은 은하가 큰 은하로부터 축출되었다는 것이다. 물론 이 은하를 조사한 프린스턴대학교의 존 바콜은 두 천체가 연결되어 있지 않다고 반박했다.
여하튼 이러한 예가 계속 나타나자 학자들이 혼돈을 일으키지 않을 수 없었다.
당연히 적색이동에 대한 도플러 해석이 관건으로 떠오르자 퀘이사의 스펙트럼에 관한 연구들에 집중되었다. 학자들은 퀘이사에서 얻어진 초기의 스펙트럼들이 밝은 선 즉 방출선들만 보여주며 은하들은 일반적으로 어두운 선 즉 흡수선을 보인다는 것을 알고 있다.
퀘이사의 방출선은 보통 그 광원이 뜨거운 성운처럼 가열된 가스일 때만 발생한다. 그런데 후에 퀘이사 스펙트럼 역시 흡수선을 갖는데 놀라운 것은 대부분의 경우 이들 방출선과 흡수선이 동일한 적색이동을 갖고 있지 않았다. 동일한 천체로부터 다른 적색이동이 나타나는 것이다.
이런 현상에 학자들이 제시한 가설은 퀘이사와 태양 사이에 많은 수소 구름이 있는데 이것이 퀘이사에서 나온 빛으로 하여금 통과할 때 흡수선을 만들어낸다고 믿는다. 이들 구름들이 다른 거리에 놓여 있으므로 보통 리만의 숲(Lyman forest)라고 부른다.
이것은 아프 교수의 주장과는 달리 퀘이사가 대부분의 은하들을 지나 깊숙한 우주공간에 있다는 것을 설명해준다. 즉 퀘이사의 적색이동에 관한 도플러 해석을 뒷받침해주는 강력한 증거라고도 볼 수 있다.
퀘이사와 은하가 서로 연결되어 있는 것처럼 보이는 또 다른 이유로 중력렌즈 효과도 있다. 아인슈타인의 이론은 질량이 공간을 휘게 하므로 이 공간을 지나는 광선이 약간 비껴간다는 것으로 표현된다. 그러므로 만일 퀘이사가 어떤 은하의 바로 뒤편에 놓여 있다면 퀘이사의 광선이 은하를 지날 때 은하 주변에서 휘어진다는 것이다. 즉 중력렌즈화된 계에서는 가까이에 몇 개의 퀘이사가 놓여있는 것 같은 중심은하를 보게 된다는 것이다.
이런 설명에도 아프 교수는 승복하지 않는다.
그는 한 쌍의 전파원이 서로로부터 멀어지고 있는 것처럼 보이는 이상한 퀘이사를 예로 들었다. 몇 달 뒤 당초에 예측한 곳에서 상당히 떨어져 있음을 발견했는데 놀라운 것은 그들이 광속의 몇 배로 움직여야 한다는 점이다. 아프는 이 현상을 간단하게 설명했다. 이러한 계들이 적색이동을 나타내는 것보다 훨씬 더 가까이 있다고 가정하면 모순없이 설명된다는 것이다.
여하튼 아프 박사는 가까이 있는 천체라도 다른 적색이동을 나타낼 수 있는데 그것은 오직 그 퀘이사에 매우 가까이 놓여 있는 물질의 서로 다른 운동에 기인한다는 것이다. 이것은 지금까지 설명된 대폭발이론 즉 우주가 팽창하고 있다는 것을 근원적으로 다시 고려해야 것을 의미한다.
일반적으로 아직까지 빅뱅이론에 대응할 만한 충실한 이론은 나타나지 않았다고 설명된다. 아프 박사와 그의 동료의 경우도 천체의 이동에 대해 상당히 이상한 경우와 아직 해석이 되지 않는 부분이 있는 것은 사실이지만 지금으로서는 적색이동에 대한 도플러 해석을 버릴 만큼 충분한 자료가 축적되었다고는 인정하지 않는다.
그럼에도 불구하고 빅뱅이론이 우주의 올바른 이론이라고 완벽하게 제시되지 않는 한 빅뱅이론을 완전한 우주론이라고는 주장할 수 없다는 의견은 있다. 그러므로 앞에서 설명한 호일 박사의 신정상우주론 외에도 가변우주상수 우주론, 광피로 우주론, 순환우주론 등도 나름대로 우주의 시작을 설명하는데 첨부되어 있다.
이와 같이 많은 우주론이 있다는 것은 그만큼 우주의 진실을 파악하는 것이 어렵다는 것을 의미하기도 하지만 한편으로는 도전의 장이 기다리고 있다는 것을 의미하기도 한다. 과연 빅뱅이론을 원천적으로 뒤엎을 수 있는 이론이 도출될 수 있는지 독자들도 도전해보기 바란다. 물론 그 성과는 노벨상이 기다리고 있을 것이다.
참고적으로 빅뱅이란 말은 빅뱅이론을 제창한 가모프가 아니라 이에 반대되는 선에 서있는 호일이 만든 것이다. 빅뱅이론에 가장 신랄한 비판자들 가운데 한 명인 호일은 가모프의 이론을 풍자라며 그런 이름을 부쳤다. 그런데 그의 이름은 빅뱅과 짝을 이룬다.
1993년에 빅뱅보다 더 나은 명칭을 명명하기 위해 국제명칭공모대회를 열었다. 이당시 과학저술가 티모시 페리스, 천문학자 칼 세이건, TV 기자 휴 다운스가 심사위원을 맡았는데 41개국에서 들어 온 13,099개의 명칭 중 빅뱅보다 나은 것은 하나도 없으므로 이후에도 계속 빅뱅으로 불린다.
참고문헌 :
「우주의 시작에서 마지막까지 표준우주모델 시나리오의 기틀 마련」, 김성원, 과학동아, 1993년 9월
「크게보면 같은 꼴-시작도 끝도 없다」, 박창범, 과학동아, 1995년 1월
「땅속에서도 별을 본다」, 김재완, 과학과기술, 2003년 6월
「중성미자로 우주생성 비밀을 푼다」, 김수봉, 과학과기술, 2005년 12월
「우주는 모든 물질이 한 점에 모여 일으킨 대폭발의 결과」, 박석재, 『신동아』, 2004년 신년호 특별부록
https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=3568055&cid=58941&categoryId=58960
『대폭발과 우주의 탄생』, 배리 파커, 전파과학사, 1996
『21세기에 풀어야 할 과학의 의문 21』, 존 말론, 이제이북스, 2003
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