우주의 탄생, 그리고 우주배경복사

1. 우주는 어떻게 탄생했을까?

 

이 세상에 존재하는 물질의 기본 재료는 최초의 대폭발, 빅뱅 직후 약 3분에 걸쳐서 생성되었다. 이를 두고 '최초의 3분'이라고 한다. 태초의 빛이라고도 불리는 우주배경복사 역시 이때 생성되었다. 이 빛의 발견은 빅뱅 우주론을 입증하며 20세기 천문학에서 가장 중요한 관측으로 꼽힌다. 최초의 폭발 이후 약 38만 년이 지났을 때를 빛과 물질 분리의 시기라고 부르는데 지금의 우주는 이 시기보다 약 1천 배가 커졌고 당시 출발한 빛의 파장은 약 1천 배 늘었으며 온도는 약 1천 배 낮아졌다. 이 빛은 오늘날 지구에서 절대온도 3도(섭씨 영하 약 270도)의 우주배경복사로 관측되는데 우리가 관측할 수 있는 가장 오래된 빛이라고 할 수 있다.

 

 

 

2. 우주배경복사

 

20세기 천문학에서 가장 중요한 관측상 성과로 꼽히는 '우주의 팽창'과 '우주배경복사'의 발견은 대폭발 우주론이 현대 표준 우주론으로 자리 잡는 데 크게 기여했다. 아인슈타인의 이론에는 이미 우주가 팽창할 수 있다는 가능성이 내포되어 있었는데 우주가 팽창하고 있다는 사실을 처음 관측한 사람은 허블이었다. 더 멀리 있는 은하일수록 더 빨리 우리로부터 멀어진다는 것이다. 은하는 별, 성간 물질, 암흑 물질 등이 중력으로 묶여 있는 거대한 천체이다. 우주가 팽창하고 있다면 마치 영화 필름을 되감듯이 시간을 거슬러 올라갔을 때 모든 시간과 공간이 소멸하는 우주의 시작점에 도달할 것이다. 약 138억 년 전일 것으로 추정되는 이 시점에서 '대폭발'이 있었다. 여기서부터 우리가 살고 있는 우주가 시작되었고 초기의 급팽창 이후 팽창을 거듭 해 오면서 현재에 이르렀다. 초기 우주의 온도와 밀도는 아주 높았다. 대폭발 이후 이 고온• 고밀도의 조건 속에서 우주를 이루는 물질의 기본적인 재료들이 약 3분에 걸쳐서 생성되었다. 이를 두고 보통 최초의 3분'이라고 말한다. 대폭발 후 38만 년 정도가 지났을 때를 빛• 물질 분리의 시기라고 부르는데 이 시기에는 중성 수소 원자가 대거 생성되면서 우주가 투명해졌다. 이때 우주의 온도는 절대온도로 약 3천 도(섭씨 약 2700도)인데 이때 만들어진 빛은 흡수되거나 산란하지 않고 자유롭게 우주 공간을 누볐다. 이때 지금의 우리를 향해 떠난 절대온도 3천 도의 빛은 우주의 나이, 약 138억 년 동안 여행을 하게 된다. 우주가 팽창하면 우주의 온도와 밀도가 감소하게 된다. 예를 들어 우주의 크기가 두 배 커지면 온도는 두 배 떨어지고, 우주가 열 배 커지면 온도는 열 배 낮아진다. 현재의 우주 크기는 빛과 물질 분리 시기에 비해서 약 1천 배가 늘어났고 이때 출발한 빛의 파장도 약 1천 배 늘어났다. 따라서 에너지가 감소하게 되었고 온도도 약 1천 배 낮아진 장파장 저에너지의 빛으로 바뀌게 되었다. 이 빛은 오늘날 지구에서 절대온도 3도(섭씨 영하 270도)의 '우주배경복사'로 관측되는데 우리가 관측할 수 있는 가장 오래된 빛이라는 점에서 '최초의 빛'이라고 부른다.

 

미국 항공우주국 VASA에서 1989년에 발사한 코비 인공위성으로 이 '최초의 빛'을 체계적으로 관측한 결과를 보면 초기 우주에는 물질들이 아주 균일하게 분포하고 있었던 것으로 보인다. 그런 데 거의 균일하고 동방*3에 가까운 초기 우주에도 한 곳과 다 꽃 사이에 미세한 밀도 차이가 있었다는 것이 추가로 파우치였다. 이러한 미세한 밀도 분포의 차이가 벌과 은하 형상에 4 한 비밀의 열쇠였다. 미세했던 밀도 차이는 우주가 팽창하고 진화해 가면서 점점 더 심화하였고, 밀도가 큰 곳을 중심으로 가스 구름이 중력 불안정으로 수축을 시작하면서 별과 은하가 형성되기 위해 시작했다. 대폭발 후 몇억 년이 지났을 때의 일이다. 가장 강력한 대폭발 우주론의 증거가 바로 이 우주배경복사의 발견인데 1948년에 구소련 출신의 미국 물리학자, 조지 가모 보는 초기 우주의 고온• 고밀도 상태에서 나온 열복사가 지금도 존재할 것이라고 예측했다. 참고로 모든 물체에서는 전자기파가 방출되는데 이를 복사라고 한다. 열복사는 특히 물질 내에 있는 입자들의 열적 요동 때문에 방출되는 전자기파를 일컫는다. 1965년에는 벨 연구소에서 일하던 펜지어스와 윌슨이 우연히 우주배경복사를 발견했는데 두 사람은 이 발견으로 1978년, 노 벨 물리학상을 받게 되었다. 당시 프린스턴 대학교의 천문학자들도 우주배경복사의 존재를 확신하고 특수 안테나까지 제작하면서 치밀한 관측 준비를 하고 있었다고 하니 그들이 벨 연구소의 발견 소식을 듣고 얼마나 허탈했을지 짐작이 가고도 남는다.

 

 

 

3. 우주론

우주론은 우주와 그 안의 질서를 연구하는 학문이다. 1959 년에 전문학자를 대상으로 한 조사에서는 대폭발 우주론 big ban Boy와 정상 상태 우주 핸드폰 sly Sure comigy을 지지하는 비율 이 33 대 24였다. 정상 상태 우주론은 우주가 처음부터 줄곧 아무 변화 없이 지금의 모습과 같았다고 보는 견해이다. 그런데 우주배경복사가 관측된 이후인 1980년에는 69 대 2로 벌어졌다.

 

대폭발 우주론이 우주배경복사를 설명할 수 없었던 정상 상태 우주론을 압도하고 표준 우주론의 지위를 굳힌 것이다.
1989년에 발사된 코비 위성으로 보다 정밀한 관측이 수행되고 나서는 대폭발 우주론에 대한 신뢰는 더 두터워졌다. 사실 우주 배경복사는 우리 눈으로 직접 확인할 수 있다. 텔레비전을 켜고 빈 채널을 보라. 이때 보이는 수신기 잡음의 1퍼센트 정도는 우주배경복사에 의한 것이다. 대폭발 우주론에 의하면 우주가 지속해서 팽창함에 따라 우주배경복사 온도도 감소해야만 한다. 그렇다면 과거의 어느 순간에 우주배경복사의 온도를 재면 현재 우리가 지구에서 측정한 값인 절대온도 3도, 즉 섭씨 영하 약 270도보다 항상 높아야 할 것이다. 예측되는 온도도 쉽게 계산할 수 있다. 예를 들 면, 우주가 현재 크기보다 두 배 작았을 때의 온도는 현재 온도보다 두 배 큰 절대온도 6도 정도가 되어야 한다. 인도의 천문학자인 슈리라 낸드가 이끄는 연구팀은 칠레에 위치한 유럽 남천 문대 소속 직경 8.2미터의 VLT 망원경에 고성능 분광 관측 장치인UVES를 부착한 결과, PKS 1232+0815라는 퀘이사에 대한 아주 정밀한 스펙트럼을 얻었다. 그런데 이 퀘이사와 지구 사이에 존재하는 어떤 은하 내의 가스 구름 때문에 생긴 탄소의 흡수선도 이 스펙트럼에 같이 나타났다. 이 흡수선을 분석해서 우주의 크기가 지금보다 약 2.34배 작았던 과거의 우주배경복사 온도를 구했는데, 절대온도 6도에서 14도 사이로 밝혀졌다. 이것은 대폭 발 우주론이 예측하는 값 절대온도 9도와 일치한다. 우주배경복사의 온도가 과거에 더 높았다는 사실을 관측상으로 보여 준 중요한 결과라고 할 수 있다. 이들의 관측 결과는 〈네이처〉 2000년 12월호에 실렸다.' 이 관측 결과 때문에 대폭발 우주론은 표준 우주론으로서의 위치가 더욱 견고해졌다. 하지만 한편으로는 프린스턴 대학교의 좋은 보컬 교수의 말처럼 전혀 예상하지 못한 결과가 나와서 모든 것을 처음부터 다시 생각해야 하는 '흥미로운' 상황이 생겼더라면 어땠을까 상상해 본다.