저는 천문학이나 물리학 전공자는 아니지만 한 번 글을 써봐요. 제 지식은 천문학 관련 교양과목에서 수강한 것이 전부이지만, 용기 내서 한 번 가장 기본적인 내용을 적어보려고 합니다. 비 전공자가 적는 만큼 깊은 내용은 불가능합니다.(ㅠㅠ) 자유게시판에 올리는 첫 글이라 매우 긴장되네요.



1.        팽창하는 우주.

초창기 천문학에서는 우주는 무한하며 정적인 형태를 가진다고 보았습니다. 우주가 무한해야 한다고 생각한 이유는 바로 ‘중력’때문인데, 그 이유는 만약 우주가 유한하다면 이 ‘중력’에 의해 우주가 붕괴(collapse)할 것이기 때문입니다. 이를 간단히 설명하면 우주 내부의 별들은 공간 전체에서 중력의 영향을 받겠지만 우주의 가장 바깥 부분에서는 우주의 안쪽 방향으로만 중력을 받게 될 것입니다. 즉, 우주 바깥으로는 중력이 작용할 수 없으므로 최외각에 있는 별은 중력에 의해 우주 내부로 끌려갈 수 밖에 없고, 이로 인해 점차적으로 우주는 ‘중력’에 의해 한 점으로 모일 수 밖에 없기 때문입니다.

하지만 이런 정적인 우주론은 허블의 발견에 의해 부정됩니다. 허블은 우리 은하 외부의 은하의 존재에 대해 많은 관심을 가졌고, 이들의 거리를 측정하고 싶어했습니다. 그런데 이러한 은하들을 관찰하면서 허블은 놀라운 사실을 발견합니다. 우리 은하가 아닌 외부의 은하에 존재하는 별들의 스펙트럼을 살펴보면 한결같이 붉은색으로 쏠려있다는 사실을 말이죠. 이러한 현상을 ‘적색편이(redshift)’라고 하는데 이를 이해하기 위해 도플러 효과를 간단히 설명하겠습니다.

도플러 효과란 파동원과 관찰자의 상대속도에 의해 파장이 변하는 현상을 말합니다. 이러한 현상을 이해하기 위해 소방차의 사이렌을 가장 많이 사용하는 데, 경험적으로 소방차가 가까워질 때는 높은 음이 멀어질 때는 낮은 음이 들린다는 사실을 알 수 있습니다.

http://mirror.enha.Kr/wiKi/%EB%8F%84%ED%94%8C%EB%9F%AC%20%ED%9A%A8%EA%B3%BC

이러한 도플러효과에 의해 물체가 가까워지면 파장은 짧아지고, 반대로 멀어지면 파장은 길어지게 됩니다. 이는 해당 별이 가까워진다면 측정된 파장의 스펙트럼이 짧은 파장인 푸른색 쪽으로 치우쳐 나타날 것이고, 해당 별이 멀어진다면 반대로 긴 파장인 붉은색 쪽으로 치우쳐 나타날 것입니다. 그런데 위에서 밝혔듯 외부은하의 별들은 하나같이 붉은색 쪽으로 치우쳐 있었음을 알게 됩니다. 따라서 외부 은하는 한결같이 우리 은하로부터 멀어지고 있다는 것을 알 수 있습니다. 이로 인해 우주가 팽창한다는 것을 알 수 있게 되었습니다.



2.        빅뱅이론

만약 우주가 팽창하고 있다면 분명 그 시작점이 있을 것이므로 우주의 시작점이 있을 것이라는 추측할 수 있을 겁니다. 그런데 그 힘의 근원은 아직 알 수 없었습니다. 이런 상황에서 조지 가모프란 사람이 빅뱅 우주론을 주장하게 됩니다. 그런데 이 ‘빅뱅(big bang)’이라는 이름은 팽창우주를 주장하는 쪽이 아닌 ‘정상우주론’을 주장하는 프레드 호일이라는 사람에 의해 붙여진 이름입니다. 그는 가모프가 주장한 대폭발 이론을 비아냥거리기 위해 이 ‘빅뱅’이라는 이름을 사용했는데 오히려 이 이름이 유명해져서 이 대폭발을 대표하는 이름이 되어 버렸습니다.

여기서 말한 ‘정상우주론’이란 다음과 같습니다. 이 이론은 우주에서의 천체는 움직이더라도, 혹은 우주가 팽창하더라도 그로 인해 감소된 밀도를 우주 내에서 새로운 물질을 생성을 통해 그 빈 공간을 메워 일정한 밀도를 유지하게 된다는 것입니다. 즉, 우주 내부의 작은 변화는 있을지라도 거시적으로는 변화가 없다는 것입니다. 이 이론은 빈 공간에서 어떻게 새로운 물질이 생성되는 지 명확히 설명하지는 못했습니다. 이 정상우주론은 명확한 근거에 의해 주장되었다기 보다는 우주는 원래부터 존재했고 우주는 무한하다는 철학적인 사고에서 시작되었다고도 볼 수 있을 것입니다.

그렇다면 이 ‘빅뱅’의 증거는 어디서 찾을 수 있을까요? 위에서 말했던 조지 가모프는 우주 내에서 많이 발견되는 헬륨에 주목하여 이를 근거로 대폭발을 주장했습니다. 외부의 젊은 항성이나 은하, 그리고 태양의 수소와 헬륨의 질량비를 살펴보면 약 3:1정도로 매우 일정하다는 것을 알 수 있습니다.(태양의 경우에는 전체 질량에 대해서 수소는 73.46%, 헬륨은 24.85%를 차지하고 있습니다.) 그렇다면 이 질량비가 의미하는 것은 무엇일까요?

.빅뱅우주론자들에 의하면 우주 초기 조건에서 양성자를 형성하는 것이 중성자를 형성하는 것보다 약 7배 쉽다는 것을 밝혀냈습니다. 이로 인해 초기 우주는 (중성자 1개) : (양성자 7개) 의 비율로 두 물질을 만들어 냈습니다. 이를 중성자를 n 양성자를 p로 간단히 표시하면 다음과 같습니다.

n p  :  p p   p p   p p
n p  :  p p   p p   p p

수소는 양성자 하나와 전자 하나로 구성되어 있고, 헬륨은 내부 핵은 양성자 둘과 중성자 둘로, 외부에는 두 개의 전자로 구성되어 있습니다. 즉 위의 조건에서는 헬륨 1개당 수소가 12개가 생성되게 됩니다. 그런데 중성자와 양성자의 질량은 거의 비슷하고, 전자의 질량은 두 물질의 약 1/1800배로 매우 가벼운 물질이므로 두 물질의 질량비는 약 1:3이 되게 됩니다.

위에서 밝혔듯 젊은 항성이나 은하, 그리고 태양을 살펴보면 수소와 헬륨의 질량비는 3:1이 됩니다. 물론 헬륨은 항성 내부에서 합성됩니다. 하지만 이제 타오르기 시작한, 즉 수소를 이용하여 이제 막 헬륨을 만들기 시작한 젊은 별들조차도 이 비율을 가지고 있습니다. 따라서 이 헬륨들은 항성 외부에서 만들어졌다고 밖에 볼 수 없는 것입니다. 하지만 헬륨을 형성하기 위해서는 엄청난 고온 고압조건이 필요합니다. 그런데 현재의 우주의 평균온도를 살펴보면 약 3K, 즉 섭씨 - 270도의 매우 낮은 온도입니다. 정상우주론자들의 주장에 따르면 과거나 현재나 현재의 우주와 크게 다르지 않으므로 우주 내부에서는 헬륨이 합성될 수 없습니다. 따라서 초기 우주는 엄청난 고온 고압 조건에서 시작했다고 봐야 할 것입니다.



3.        빅뱅이론의 근거 – 우주 배경 복사

  조지 가모프는 이러한 빅뱅을 주장하면서 이에 대한 근거가 되는 우주배경복사의 존재를 예견했습니다. 하지만 당시의 측정장치로는 이를 찾아내기 힘들었고, 정상우주론자들에 의해 대폭발 이론은 없어질 뻔 했습니다. 하지만 이 배경복사는 우연히 발견됩니다.

천문학자인 펜지아스와 윌슨은 최초의 통신위성인 에코1호를 추적하고 있었습니다. 그런데 지속적으로 들려오는 잡음 때문에 많은 어려움을 겪었습니다. 그런데 이 잡음을 살펴보니 이 파장이 우주의 모든 방향에서 항상 일정하게 지구로 들어오고 있다는 사실을 알게 됩니다. 이 후 이 잡음의 실체가 우주 전체에 퍼져 있는 파장이라는 사실을 알게 되고, 이 파장의 정체가 우주배경복사였음을 알게 됩니다.

그렇다면 이 우주배경복사가 의미하는 것이 무엇일까요? 이 특별한 파장은 위에서 말했듯이 우주의 모든 방향에서 일정하게 발견됩니다. 정상우주에서는 이러한 복사파가 발견되어야 할 이유가 없습니다. 이를 이해하려면 복사파가 무엇인지 설명해야 하겠네요. 이 복사파를 이해하기 위해서는 흑체복사라는 것을 이해해야 합니다. 여기서 흑체란 빛을 흡수하기만 하고 반사하지는 않는 가상의 물체를 말합니다. 이 흑체는 빛을 반사하지 않음에도 불구하고 외부로 복사파를 방출합니다. 그런데 이 복사파에서 가장 많은 양을 차지하는 파장의 길이는 온도에 따라 변합니다. 온도가 높을수록 더 높은 에너지인 짧은 파장을, 온도가 낮을수록 더 낮은 에너지인 긴 파장을 많이 내놓게 됩니다. 그런데 우주에서 발견되는 이 우주배경복사는 약 3K, 섭씨-270도에 해당되는 흑체가 내놓는 파장과 동일합니다. 만약 정상우주론이 옳다면 우주 전체에 균일하고 광범위하게 존재하는 복사파에 대해 설명할 수 없습니다.

빅뱅우주론자들에 따르면 우주는 매우 뜨거운 상태, 3,000K이상의 온도에서는 전자의 운동에너지가 너무 높아 원자핵(수소나 헬륨의 원자핵을 말합니다.)에 구속되지 못하는 상태로 존재하게 됩니다. 우주배경복사의 근원인 빛(광자) 즉 전자기파는 전자(대전된 입자)와 상호작용하여 외부로 빠져나가지 못하게 됩니다. 그러다가 우주가 계속 팽창하면서 우주의 온도가 3,000K 이하로 떨어지게 되면 전자가 원자핵에 구속되어 물질들이 전기적으로 중성이 되고 이 전자기파를 구속할 수 없게 되면서 이 빛이 외부로 빠져 나가게 된다고 합니다. 이러한 시기를 빅뱅우주론자들은 투명한 우주라고 표현합니다. 이 전자기파가 외부로 빠져 나갈 당시에는 매우 높은 에너지를 가진 파장이었지만 우주는 지속적으로 팽창했고 그로 인해 우주의 온도는 현재의 3K까지 낮아지게 되면서 이 전자기파의 파장도 길어진 것입니다. 따라서 이 배경복사는 대폭발의 흔적이라고 말할 수 있는 것입니다.





지금까지 부족한 지식으로 최대한 많이 설명하려고 노력했지만 제 능력으로는 이게 한계네요. 자세한 설명은 다른 능력자분이 해주시길 바라면서(ㅠㅠ) 글을 마칩니다. 빅뱅이라는 우주의 탄생이론을 이해하는데 도움이 되었으면 좋겠습니다. 틀린 부분 지적해 주시면 감사하겠습니다(__).