태초에 빛은 없었다!!!… 빅뱅 후 38만년 지나 한줄기 빛

 

 

 

 

2014-03-21 03:00:00 편집

 

태초에 빛은 없었다!!!… 빅뱅 후 38만년 지나 한줄기 빛

 

 

 

17일 미국 하버드-스미스소니언 천체물리센터는 남극에 있는 바이셉2(BiCEP2) 망원경으로 우주배경복사를

관찰한 결과, 우주가 빅뱅 후 급격히 팽창했다는 ‘인플레이션’ 이론을 뒷받침하는 ‘중력파’를 찾아냈다고 발표

해 전 세계 과학계를 흥분시켰다.

重力波는 質量이나 運動에 變化가 있을 때 發生하는 波動으로, 천체가 충돌하거나 폭발하는 천문학적 수준의

사건뿐만 아니라 우리가 주먹을 쥐었다 폈다 하는 사소한 일로도 생긴다. 그만큼 世上은 重力波로 가득 차 있

지만 重力파는 物質과 거의 相互作用하지 않기 때문에 지금까지 檢出이 어려웠다.

바이셉2 공동연구팀이 發見한 重力波는 빅뱅으로 탄생한 우주가 빅뱅으로부터 10의 마이너스 37승 초 후부터

10의 마이너스 32승 초까지 찰나보다 더 짧은 瞬間의 급팽창 過程에서 나온 ‘原始重力波’다. 빅뱅 후 38만 년

이 흐른 뒤에야 宇宙에는 ‘빛’이 생겼는데, 이때 發生한 最初의 빛이 宇宙背景輻射가 됐다. 最初의 빛은 原始

重力波가 만든 歪曲된 時空間을 通過했기 때문에 그 흔적이 宇宙背景輻射에 고스란히 남게 됐다. 연구팀이

찾아낸 우주배경복사 속 原形 편광 패턴이 바로 最初 빛의 흔적이다.

○ 太初에 ‘빛’은 없었다

이번 연구결과로 밝혀진 것은 138억 년의 우주 역사 중 아주 짧은 瞬間에 불과하다.

우리가 알고 있는 우주는 138억 년 전 大爆發이라고 부르는 ‘빅뱅’에서 시작됐다.

宇宙는 自然界에 存在하는 4가지 힘인 電磁氣力과 重力, 弱한 相互作用하는 힘(弱核力)과 强한 相互作用

하는 힘(强核力)이 모두 '하나'로 統一된 이른바 ‘大統一의 時代’를 겪은 뒤 급팽창하기 시작했다. 이때

時空間은 빛보다도 빠른 速度로 팽창했다. 하버드-스미스소니언 천체물리센터 연구팀이 그 證據를 찾아낸

우주 ‘인플레이션’의 시기다.

사실 빅뱅 이론의 초기 모델에는 인플레이션 단계가 포함돼 있지 않았다. 당시 빅뱅 이론에서는 우주가

‘상대적으로 서서히’ 팽창해서는 오늘날처럼 균등한 우주가 존재할 수가 없다는 풀기 힘든 문제에 부딪혔다.

그러다 1980년 앨런 구스 미국 매사추세츠공대(MIT) 교수가 우주가 빛보다도 빠른 속도로 급팽창했다는

‘인플레이션’ 이론을 제안함으로써 빅뱅 이론은 급물살을 타기 시작했다. 빅뱅으로부터 약 3분 뒤, 급팽창을

마친 宇宙에서는 水素와 헬륨, 리튬 같은 輕粒子들이 만들어지기 시작했다. 宇宙를 構成하는 物質의 99%

이상이 이 급팽창 過程에서 생겨났다.

聖經에서는 빛이 마치 宇宙 生成  初期부터 있었던 것처럼 表現되고 있으나, 實際로 宇宙에서 빛이 태어난

것은 빅뱅 後 38萬 年이나 흐른 뒤다. 이전까지는 宇宙의 密度가 너무 높고 뜨거워 빛이 그 사이를 뚫고 나올

수가 없었던 것이다. 우주가 충분히 식고 밀도가 낮아지면서 빛 粒子인 光子는 비로소 直進運動을 하기 시작

했고 이때 最初의 빛이 宇宙에서 깨어났다.

이 最初 빛의 흔적이 바로 宇宙背景輻射다. 우주배경복사를 통해 우주가 완벽하지는 않지만 均一하다는

事實이 밝혀졌다. 아주 약간의 불균일 덕분에 우주에서 銀河와 별이 만들어지는 것이 可能했다. 빅뱅으로

부터 4억 년이 흐른 뒤의 일이다.

이석천 고등과학원 물리학부 박사는 “인류가 예측하는 우주 역사의 굵직한 흐름은 이론과 실험값이 잘

맞아떨어지고 있다”며 “우주에 대한 이해가 올바른 방향으로 가고 있다는 증거”라고 설명했다.

○ 우주의 96%는 여전히 ‘베일 속’

우주의 탄생과 進化를 꼼꼼히 설명할 수 있는 현대 천체물리학도 회의론자들의 시각에서 보면 여전히

커다란 빈틈이 있다. 오늘날 주류 이론으로 자리 잡은 우주론이 정상 작동하려면 暗黑에너지와 暗黑물질이

있어야 하는데, 이들의 存在가 여전히 직간접적으로 증명된 적이 없기 때문이다. 천체물리학 이론에 따르면

우리가 알고 있는 物質들은 宇宙 全切를 構成하는 物質의 4% 정도에 불과하며, 아직 發見되지 않은 暗黑

物質이 22%, 暗黑에너지가 나머지 74%를 차지한다. 이 때문에 회의론자들은 우주를 설명하기 위해 우리가

알지 못하는 96%를 끌어왔다고 비판하고 있다.

그러나 대부분의 연구자들은 지금까지 현대 천체물리학이 우주를 잘 설명해왔고, 실험결과들이 이를 증명

해주는 만큼, 暗黑物質과 暗黑에너지 역시 存在할 것이라 믿고 이를 찾기 위한 시도를 끊임없이 하고 있다.

2013년 ‘힉스 粒子’를 發見한 유럽입자물리연구소(CERN) 역시 暗黑物質을 찾기 위한 대대적인 실험 설비

업그레이드에 들어갈 예정이다.

하버드-스미스소니언 천체물리센터 연구팀이 이번에 宇宙背景輻射波에서 重力波의 直接證據를 찾아냈지만

重力波를 直接 檢出한 것은 아니다. 現在 重力波를 直接 檢出하기 위한 연구가 미국과 이탈리아, 독일 등을

중심으로 계속되고 있다.

이형목 한국중력파연구협력단 단장(서울대 물리천문학부 교수)은 “2015년에 미국의 라이고(LIGO) 重力波

檢出機 업그레이드가 완료되면 감도가 기존의 것과 비교해 10배 이상 높아지기 때문에 重力波를 직접 검출

할 수 있을 것으로 기대된다”며 “중력파를 직접 검출하면 우주를 이해하는 데 도움이 되는 것은 물론 아인슈

타인의 일반상대성이론을 증명하는 가장 極的인 瞬間이 될 것”이라고 밝혔다.

:: 우주배경복사(宇宙背景輻射·cosmic background radiation) ::

우주배경복사는 宇宙 全切를 가득 채우며 고르게 퍼져 있는 超短波 領域의 電磁氣波로서 빅뱅 이론의 가장

중요한 증거 중 하나다. 1965년 미국 전파천문학자 아노 펜지어스와 로버트 윌슨이 발견해 1978년 노벨

물리학상을 수상했다.

이우상 동아사이언스기자 idol@donga.com

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