우주의 기원

우주의 기원

 

고대 이집트에서 발달한 천문학에서 20세기에 들어서면서 우주의 성립과 우주 에너지에 관한 현상을 연구하는 새로운 학문-우주 물리학이 탄생했습니다. 그러나 「우주는 무엇으로 이루어져 있다」 「우주의 시작은…」등의 소박한 질문에 대답할 수 있게 된 것은, 실은 꽤 최근의 일입니다. 하지만, 아직 우주의 96%는 수수께끼 많은 물질·에너지로 차지하고 있습니다.

우주의 가장자리에는 벽이 있다 - 먼 별빛은 옛날 것이다

먼저 우주의 전체상을 이미지화해 볼까요? 우주는 우리가 사는 지구나 화성 같은 행성들이 모여 태양계를 만들고, 이런 천체들의 집단이 은하계를 형성하고, 은하계가 수백이나 수천 개 모여 은하단을 만들고, 이것이 우주 전체로 연결되는 것입니다. 지상에 사는 우리가 볼 때 우주는 한없이 펼쳐져 있는 것 같습니다. 하지만 더 멀리에는, 그 또 저쪽에는 무엇이 있을까. 우주는 어디까지 계속될까? 이걸 생각하는 게 우주물리학인 거죠. 우주 해명의 단서가 되는 것이 멀리 빛나는 별빛.별빛이 우리 눈에 닿으려면 시간이 걸립니다. 우리가 그 빛을 보기까지 수천 년, 수만 년이 걸리는 먼 별들도 드물지 않습니다. 또한 지구에 닿을 때까지 그 별은 폭발해서 없어져 버렸을 가능성마저 있는 것입니다. 이렇게 먼 별빛, 더 먼 옛날 빛이라고 하듯이 우리는 우주의 역사를 거슬러 올라가 관찰하고 우주의 모습을 연구하고 있는 것입니다. 그러면 가장 멀리 빛은 어떠냐 하면 거기가 우주의 시작이고 우주의 끝. 이 벽 너머, 즉 우주의 시작 이전에 빛을 발한 별은 존재하지 않는 것입니다.

 

우주는 대폭발(빅뱅)로부터 태어났다

우주가 '빅뱅'이라는 대폭발에 의해서 태어났다고 들은 적이 있을 거예요.대략 137억 년 전, 아무것도 없는 곳에 아주 작은 우주 씨앗이 태어났습니다. 태어남과 동시에 급격히 팽창(인플레이션)하여 계속해서 대폭발한 것입니다. 이것이 '빅뱅'이라고 불립니다. 이 우주에 흔들림이라는 은하 형성의 작은 씨앗이 발견된 것은 1992년.발단이 된 것은, 미국의 벨 연구소가 1965년, 멀리 우주의 모든 방향으로부터 오는 마이크로파의 전파 잡음(우주 배경 복사라고 부른다)을 관측한 것으로부터 시작됩니다. 파장 1mm당 가장 강하고 온도로 환산하면 절대 온도 2.7도(영하 270도)로 깨끗하게 갖추어져 있는 것입니다. 이로써 아주 옛날 우주는 밀도가 높고 뜨거웠지만 폭발로 인한 팽창으로 영하 270도까지 차가워진 것으로 여겨졌고, 이로 인해 빅뱅 우주설이 높이 평가받게 된 것입니다. 그리고 미국 NASA가 쏘아올린 코비 위성이 1992년 10만 분의 1도라는 우주 배경 복사 온도 '흔들림'을 발견했습니다. 이들을 해석한 결과 우주연령과 우주의 곡률 등이 판명되면서 우주물리학은 새로운 큰 걸음을 내딛게 된 것입니다. 그동안 우주는 무한한 과거에서 미래까지 팽창하고 있다는 정상팽창설을 주장했던 연구자들도 우주의 시작을 인정하지 않을 수 없게 된 것입니다. 이것으로, 드디어 우주의 가장자리(초기)부터 우주를 이야기하는 것이 가능하게 된 것입니다.

 

그 성과를 화학이나 물리 수업에서 배운 원소를 예로 들어 구체적으로 생각해 봅시다. 모든 원소는 우주에서 만들어집니다. 우주의 끝에서 안쪽을 본다는 것은 우주의 역사를 원소의 종류에 따라 볼 수 있다는 것입니다. 즉 가벼운 원소는 우주 초기에 만들어졌기 때문에 구석에도 있고 탄소 C를 만들려면 수천만 년, 수억 년이 걸리니까 좀 더 안쪽에 있고 철 Fe라면 별 안에서 만들어지지만 우라늄이나 플루토늄은 별이 폭발하지 않으면 만들어지지 않는 것입니다. 하지만 우주는 원소만으로 이루어진 것이 아닙니다.오히려 '다크메터(23%)'라든가 '다크 에너지(73%)'라 칭해지는 수상한 '암흑의 물질'이 있으며, 이들이 우주 전체의 96%를 차지하고 있는 것으로 2003년 WMAP 위성의 '흔들림'에 대한 더 자세한 관측을 통해 나타났습니다. '다크마터'라고 하는 것은 은하나 은하단에 모여드는 물질을 말합니다. 그런데 질량은 있는데 안 보이는 거죠. 돌아다니고 있습니다만, 빛을 내지 않고 적외선이나 X선 등으로도 관측할 수 없습니다. 하지만 이것이 없으면 조금 전의 '흔들림'이 성장하여 은하를 형성할 수 없습니다. 최근 들어 우주의 탄생부터 오늘날까지의 행보를 예측할 수 있게 되었지만, 우주의 대부분을 차지하는 '암흑의 물질'의 정체 규명에는 유감스럽게도 이르지 못했습니다. 우주물리학 분야에서 앞으로 해명해야 할 문제가 산적해 있음을 이해할 수 있을 것입니다.