빅뱅 | 두 번째 이야기

▶ 빅뱅 우주론 vs 정상상태 우주론

 

▩ 1940년대 거의 동시에 나타난 빅뱅 이론과 정상 우주론은 둘 다 결정적인 증거가 없어 그 후 격렬한 논쟁이 계속되어집니다.

 

 당시 영국의 본디, 골드, 호일이 내세운 정상우주론이 폭넓게 수용되고 있었습니다. 우주는 시간/공간에 상관없이 계속 그 형태를 유지하고 있다는 이론입니다. 우주 생성 초기부터 같은 형태를 계속 유지하며 끝없이 존재한다는 것이죠.

 

 시작도 끝도 없으며, 우주가 팽창해 밀도가 작아지면 스스로 새로운 물질을 형성해내 같은 밀도를 계속 유지한다는 주장입니다. 빅뱅 이론과 대비되는 이론이죠.

 

▩ 1946년 프리드먼의 제자인 러시아 태생 미국 물리학자 가모브(George Gamow, 1904~1968)는 우주가 고온 고밀도 상태였으며 급격하게 팽창했다는 논문을 발표합니다.

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 이에 따르면 우주의 온도는 탄생(빅뱅) 1초 후 1백억℃, 3분 후 10억℃, 1백만 년이 됐을 때는 3천℃로 식었다고 한다.

또, 우주 초기에는 온도가 너무 높아 무거운 원자들은 존재할 수 없었다고 하는데, 이때 생긴 수소와 헬륨이 현재 우주 질량의 대부분을 차지한다고 설명한다.

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 즉, ‘초고온 초고밀도의 물질이 한 점에 모여 있다가 갑자기 ‘빵’ 하고 폭발해 오늘의 우주를 만들었다’고 가정한 것입니다.

 

▩ 1948년 미국의 물리학자 랄프 앨퍼(Ralph Alpher, 1921~2007)와 로버트 허먼(Robert Herman, 1914~1997)은 초기 우주의 흔적인 우주배경복사가 우주 어딘가에 남아 있으며, 그 온도는 영하 268℃일 것이라고 예언합니다.

 

 그는 대폭발과 함께 방출되었던 엄청난 열과 복사선의 흔적인 우주 배경 복사선이 남아 있을 것이라고 예견합니다. 그러나 불행하게도 이 주장은 당시에 완전히 무시되었습니다.

 

▩ 1949년 호일은 BBC 라디오 방송 토론회 도중 가모프와 앨퍼의 우주이론을 ‘빅뱅이론’이라고 불렀습니다.

 

당시 호일은 ‘빅뱅’이란 용어를 조롱하는 투로 말했다고 합니다. 하지만, 이 용어는 짧고 강하고 기억하기 쉬워 순식간에 대중들에게 각인되면서 공식용어로 굳어졌습니다. 빅뱅이론의 가장 강력한 비판자가 유명하게 만들어준 것은 아이러니가 아닐 수 없습니다.

 

▩ 1950년 전파망원경을 이용해 퀘이사들이 처음 발견됩니다.

 

 당시에는 어떤 천체가 강한 전파를 내는지 가시광에서 확인할 수가 없지만 여러 실험을 통해서, 이러한 전파원이 매우 작은 각크기를 가지고 있다는 사실이 밝혀냅니다. 그런데, 당시에는 이상한 넓은 방출선을 많이 포함하고 있었던 이 스펙트럼을 이해하기가 힘들었죠.

 

▩ 1962년 드디어 획기적인 발견이 이루어집니다.

 

 호주 파크스 망원경을 이용해서 퀘이사를 관측했고, 이를 이용하여 마침내 미국 캘리포니아 헤일 망원경으로 대응되는 가시광 천체를 찾아내고 그 스펙트럼을 얻을 수 있게 됩니다.

 대폭발 때 형성되었을 것으로 여겨지는 천체로서 은하의 수백 배에 이르는 에너지를 방출하고 있는 퀘이사 같은 천체가 발견되면서 대폭발론을 뒷받침하게 됩니다.

 

▩ 1965년 미국 벨 연구소의 연구원 펜지아스와 윌슨은 위성통신용 고감도 안테나로 원인 불명의 전파를 포착했습니다.

 

 분석한 결과 우주의 모든 방향에서 균일하게 절대 온도 3.5도에 해당하는 우주 배경 복사선의 검출이였습니다. 이것이 바로 앨퍼가 예언한 초기 우주의 잔재이자 빅뱅의 메아리라는 것을 밝힌 것이죠.

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 ‘우주배경복사’는 우주를 구성하는 물질이 내는 복사파로

빅뱅이론이 우주론의 표준이론이 되게 한 강력한 증거가 되었다.

 펜지어스와 윌슨은 이 발견으로 노벨상을 수상했다.

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▩ 1967년 프레드 호일을 포함한 연구팀은 무거운 원소들은 매우 뜨거운 별의 중심부에서 합성된다는 사실을 발견하게 합니다. 이는 빅뱅 초기 우주에서는 헬륨까지만 만들어진다는 사실을 간접적으로 증명해줌으로써 빅뱅 우주론에 힘을 실어주게 됩니다.

 

 빅뱅 우주론은 우주의 대부분을 차지하고 있는 수소와 헬륨이 우주 생성 초기에 어떻게 생성되었는지를 잘 설명해줍니다. 하지만 빅뱅 우주론을 비판하던 사람들은 빅뱅이 탄소, 철, 질소 같은 원소들이 어떻게 탄생하는지 설명해주지 못한다며 빅뱅 우주론을 비판합니다.

 

 하지만, 이 문제는 빅뱅 우주론을 강하게 반대하던 프레드 호일에 의해서 해결되게 됩니다. 프레드 호일을 포함한 연구팀은 무거운 원소들은 매우 뜨거운 별의 중심부에서 합성된다는 사실을 발견하게 됩니다. 이는 빅뱅 초기 우주에서는 헬륨까지만 만들어진다는 사실을 간접적으로 증명해줌으로써 빅뱅 우주론에 힘을 실어주게 되죠.

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빅뱅 우주론은 우주가 부피가 상승하고 질량이 일정하므로 밀도와 온도는 감소한다.

정상 우주론은 우주가 부피가 상승하고 질량이 증가하므로 밀도와 온도는 일정하다.

 

※ 현재는 빅뱅 이론의 증거가 관측됨에 따라 빅뱅 우주론이 인정되고 있습니다.

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▩ 1979년 앨런 구스(Alan Guth)가 개발한 인플레이션이론이 빅뱅이론의 약점을 상당부분 보완해주고 있습니다.

 

 우주 초기 자연계에 존재하는 네 가지 근본힘 중 강력(strong force)이 초힘(super force)으로부터 분리되어 나오면서 발생한 에너지가 빅뱅 후 10^-35초에서 10^-32 초의 짧은 시간에 우주의 크기를 약 1040배이상 팽창시켰다고 합니다.

 

 10^-6 초에서 1초 사이 양성자와 중성자 같은 중입자를 포함하여, 강입자가 형성될 수 있을 때까지 우주가 식어가는 동안, 우주는 쿼크-글루온 플라스마로 이루어져 있었다고 합니다.

 

 인플레이션이론의 핵심은 우주가 아주 초기 단계에 짧은 시간 동안 굉장히 빠른 속도로 팽창하는 상태였다는 것입니다.