우주의 기원

1. 개요

 

빅뱅(Big Bang) 우주론은 오늘날 관측되는 우주의 팽창성을 토대로 추정되는 우주의 기원 가설로, 약 137억년 전, 아무것도 없는 곳에 아주 작은 우주의 씨앗이 태어났습니다. 태어나는 동시에 급격하게 팽창(인플레이션) 해, 계속해서 대폭발한 것입니다. 이것을 "빅뱅"이라고 합니다.

 

이 우주에 ‘흔들림’이라는 은하 형성의 작은 씨앗이 발견된 것은 미국의 벨 연구소가 1965년, 멀리 우주의 모든 방향으로부터 오는 마이크로파의 전파 잡음(우주 배경 복사라고 부른다)을 관측한 것으로 시작됩니다. 파장 1mm 당이 가장 강하고 온도로 환산하면 절대 온도 2.7도 (영하 270도)에 깨끗하게 갖추어져 있습니다. 이것으로, 옛날의 우주는 밀도가 높아 뜨거웠지만, 폭발에 의한 팽창으로 영하 270도까지 식어 왔다고 생각되어, 이것으로부터 빅뱅 우주설이 높게 평가되게 된 것입니다.

 

현재 관측되는 우주 팽창 속도는 1메가파섹당 초속 68~74km입니다. 즉, 관찰자로부터 1메가파섹(326만 광년) 떨어져있는 물체는 약 초속 70km의 속도로 멀어지는 것으로 보인다는 의미입니다. 관찰자로부터 먼 물체일수록 더 빨리 멀어지는 것으로 보이는 것은 우주 전체가 팽창하므로 당연한 일이며 지구에서 뿐 아니라 어디에서든 마찬가지입니다. 여기서 "물체가 멀어지는 것으로 보인다"는 표현을 썼지만 실제로는 공간(우주 자체)이 팽창하는 것입니다. 그래서 "멀어지는" 속도가 광속을 넘어설 수도 있습니다. 질량이 있는 물체는 빛보다 빠를 수 없는 거 아닌가? 라고 생각할 수 있으나, 빛이 지나가는 공간 자체가 늘어나며 상대속도가 늘어나는 거라서 물리법칙을 거스르지 않습니다.

 

2. 빅뱅 우주론 증거의 발견

1) 우주배경복사

빅뱅 우주론의 최대 증거로, 우주배경복사는 과거 우주의 온도가 수천 도에 달할 정도로 뜨거웠고, 물질의 분포 또한 은하나 별이 형성되지 않은 매우 균일한 상태였다는 것을 말해주고 있습니다. 특히 우주배경복사의 패턴을 정밀 분석하면 현재의 표준 우주론과 놀라울 정도로 정확하게 들어맞는 것을 알 수 있으며 이로부터 탄생한 우주 거대 구조와 바리온 음향진동 등의 부가적인 현상들은 현재의 우주와도 무수히 많은 교차검증이 이루어졌습니다.

실제로 우주 모든 방향에서 2.7K의 온도에 해당하는 우주배경복사가 관측된 것은 우주가 과거에 뜨거웠고, 매우 균일한 상태였다는 것을 직접적으로 보여주는 증거로서 빅뱅 우주론이 정설로 자리잡는 데 가장 결정적인 역할을 했습니다.

 

2) 우주 초기에 관측되는 퀘이사를 비롯한 생성 중인 은하들

퀘이사는 6억 광년에서 300억 광년 사이 범위에서 발견되는 밝은 점광원이자 전파원입니다. 준성이라고도 합니다.

퀘이사는 먼 거리에서 발견되는 매우 활동적인 초대질량 블랙홀을 포함한 특이 은하의 한 종류입니다. 우주에서 가장 밝은 단일 천체 중 하나이며 그 밝기는 최대 태양의 700조 배에 달하기도 합니다. 1960년대 처음으로 발견되었을 당시에는 블랙홀의 존재나 에너지 생성 매커니즘이 규명되지 않았기 때문에 수수께끼의 천체로 여겨지곤 했습니다.

퀘이사는 우주의 크기가 현재의 약 1/3 수준이었을 당시 가장 많이 활동했으며, 최근으로 올수록 점진적으로 그 발견되는 수가 줄어들고 있습니다. 이는 과거 빅뱅 이후의 우주의 환경이 비교적 시간이 많이 흐른 뒤인 현재와 달랐다는 것을 말해주고 있습니다.

 

3) 엔트로피의 법칙

물체의 열적 상태를 나타내는 물리량의 하나로 흔히 일반인들에게 무질서도라고 알려져 있기도 합니다. 통계역학으로 엔트로피가 미시상태의 수에 대응된다는 것이 밝혀졌습니다. 엔트로피에 대해 기술한 것이 열역학 제2법칙이며, 자연현상의 물질의 상태 또는 에너지 변화의 방향을 설명합니다.

엔트로피의 법칙을 부정하지 않는 이상, 우주의 수명에는 반드시 한계가 존재할 수밖에 없습니다. 우주에 끝이 존재한다는 것은 시작점도 존재해야 한다는 의미가 됩니다. 과거 어느 시점에 최소 엔트로피를 가졌던 우주의 시작점이 있었기 때문에 우주는 현재의 모습을 유지하고 있는 것입니다.

 

4) 우주에 존재하는 수소와 헬륨의 질량비

현재 우주에 존재하는 대부분의 별들과 가스에서 발견되는 수소와 헬륨의 질량 비율은 3:1인데, 이는 빅뱅이 일어날 당시 식어가던 우주에서 핵융합에 의해 탄생한 원소의 비율과 일치합니다. 현재 우주에 존재하는 양성자의 개수는 중성자의 약 7배이며 이는 우주가 식어갈 때 결합 에너지가 낮은 쪽인 양성자로의 베타 붕괴가 역베타 붕괴에 대해 우세를 점했기 때문입니다. 항성 핵융합에 의해 생성되는 중성자와 헬륨의 양은 빅뱅 핵융합에 비하면 매우 미미합니다.

 

5) 올베르스의 역설

천문학에 관련한 역설. 올버스의 역설이라고도 불립니다. 한 마디로 '밤하늘은 왜 어두운가?'라는 질문입니다.

위 질문을 처음 보는 사람 입장에서는 당연한 사실에 대해 의문을 가지는 게 뜬금없어 보일지 모르겠지만 독일의 천문학자 '하인리히 빌헬름 올베르스는 당대 지식인들이 믿던 우주의 기본 원리가 누구나 쉽게 볼 수 있는 어두운 밤하늘과 상충됨을 간단한 사고실험을 통해 증명했고, 이는 올베르스의 역설이라고 불리게 되었습니다.

 

6) 적색편이 및 허블, 르메트르 법칙

속도, 거리법칙이라고도 합니다. 조르주 르메트르가 1927년에 처음으로 주장하였으나 당시 학계에서 별로 주목을 받지 못한 프랑스 학술지에 프랑스어로 투고했기 때문에 널리 알려지지 못했습니다. 그러다 2년 후 미국의 에드윈 파월 허블이 발표한 논문을 바탕으로 널리 알려지게 되었습니다. 적색 편이는 광원에서 출발한 빛이 관측자에 도달하기까지의 시간 동안 발생한 우주 팽창에 의해 발생하며 그 양은 광원의 후퇴속도에 (대략적으로) 비례합니다. 한마디로 하자면 외부은하의 후퇴속도가 외부은하들까지의 거리에 비례한다는 것입니다.

우주가 균일하게 팽창한다는 관측적 증거를 통해 과거에 은하들이 한 곳에 있었다는 것을 쉽게 유추할 수 있습니다.

 

3. 이것들을 해석한 결과, 우주 연령이나 우주의 곡률 등이 판명되어, 우주 물리학은 새로운 큰 한 걸음을 내딛게 되었습니다. 지금까지 ‘우주는 무한의 과거부터 미래까지 팽창하고 있다’라는 정상팽창설을 주장하고 있던 연구자도, 우주의 시작을 인정하지 않을 수 없게 되었습니다. 이제 마침내 우주의 끝(초기)에서 우주를 말할 수 있게 되었습니다.