우주탄생이론 - 빅뱅의 증명

[白山 김기수]

빅 뱅 입 증.. 노벨상 수상                

올해 노벨물리학상은 그 동안 하나의 이론으로 받아들여졌던 빅뱅을 관측과 측정으로 입증한

미국학자들에게 돌아갔다. 천재물리학자 스티븐 호킹으로 대변되는 빅뱅이론은 우주가 작은

한 점에서 폭발하듯 탄생했다는 내용이다.

우주생성초기에 대폭발이 일어나면서 파장이 아주 짧은 방사선이 사방으로 방출되는 이른바

우주배경 복사현상(CBRㆍCosmic Backgroud Radiation) 있었을 것이라고 예측하고

있다.

미 항공우주국의 존 레넌 박사와 캘리포니아 대학의 조지 스무트 교수는 우주로 쏟아 올린 관측

장비를 통해서 바로 이 우주배경복사의 특징이 관측된다. 그 결과 우주배경복사는 물체가 뜨거

운 상태에서 특정한 파장의 방사선을 방출하는 흑체복사의 특성을 띠며 방향에 따라 온도가

다르다는 점이 확인됐다. 빅뱅 이론에서 예측했던 가설이 관측 결과와 정확히 맞아 떨어진

것이다.

스웨덴 왕립과학원은 이 연구가 현대우주론이 정밀과학으로 발전하는 데 크게 기여했다면서

이들 두 학자를 노벨물리학상 수상자로 선정했다. 2006년 노벨 물리학상을 수상한 조지 스무트

미국 UC버클리대 교수(62)는 우주가 빅뱅에 의해 탄생했다는 것을 증명해낸 우주 물리학자다.

그는 1992년 과학위성인 ‘우주배경복사탐사선(COBE) 코비'를 통해 우주 배경복사(우주 생성

초기 단계에서 일어난 복사파)의 미세한 편차를 발견하고 이를 마이크로파 형태로 정확하게

측정했다. 이 실험은 그동안 이론으로만 존재해온 '빅뱅우주론'을 뒷받침하는 결정적인 증거가

됐다. 영국의 스티븐 호킹 박사는 이 연구를 두고 '금세기최고의 과학적 발견' 이라고 평가했다.

▶우리가 라디오 주파수를 맟출때 아무 방송이 없는 대역을 옴겨갈때 치직거리는 소리를 듣는

경우가 있고 또 TV가 정규 방송시간을 끝내고 아무 방송이 없는 시간에 화면이 치직거리거

나 뭔가  화면이  움직이는 것을 볼 수가 있는데 이것이 바로 우주에서 날아오는 "우주배경

복사파" 인것이다.  이는 미국과학자에 의해 우주신호 탐지 전파망원경으로 작업하던 중(처음

에는 어떤 모르는  노이즈, 또는 망원경에 살고있던 비둘기들의 배설물로 인한 노이즈로

보았었다)우연히 발견하게 되고 이는 곧 현대물리학의 최대 발견이라는 수식어가 붙고 노벨

물리학상을 수상하게 되었다.

[우주탄생이론 빅뱅의 증명]

우주 탄생 이론 '빅뱅' 증명여부 촉각      [서울경제] 2008년 10월 22일(수) 오후 06:17

지난 9월10일 가동에 들어간 유럽입자물리연구소(CERN)의 거대강입자가속기(LHC)가

전세계 과학자들의 이목을 집중시키고 있다. 헬륨가스 누출로 LHC의 가동이 일시적으로

중단되기는 했지만 내년부터는 정상적인 가동에 들어갈 수 있을 것으로 전망된다.

현재 LHC와 관련해 가장 큰 관심을 모으고 있는 것은 신(神)의 입자로 알려진 힉스입자와

블랙홀이다. 운이 좋다면 아무도 상상하지 못했던 물질이 발견될 수도 있다. 우주의 비밀을

풀어줄 단초가 제공되는 것이다.  

'거대강입자가속기' 내년부터 본격 충돌실험 :

초당 1억번 양자 충돌자료 각국 대학 컴퓨터로 보내 분석

소립자 질량 결정 힉스입자 발견·블랙홀 생성될지 큰 관심거리.

서울경제 파퓰러사이언스 10월호 www.popsci.co.kr

우주탄생 ‘비밀의 문’을 열다     2008년 3월 20일(목) 3:03 [동아일보]

한미일 연구진, 물리학 최대 수수께끼 풀 단서 찾아 ‘네이처’ 발표

우주 탄생의 신비를 풀 새로운 문이 한국 과학자를 포함한 국제 연구진에 의해 열렸다. 국제연구

그룹인 ‘벨(Belle)’은 빅뱅 이후 현대 우주를 탄생하게 만든 ‘물질과 반물질의 비대칭성’ 문제에

대한 새로운 증거를 찾았다고 과학학술지 ‘네이처’ 20일자에 발표했다. 벨 그룹에는 최영일 성균

관대 물리학과 교수를 비롯해 고려대 경상대 경북대 서울대 연세대 한양대 과학자들이 참여했

으며 해외에서는 일본 고에너지 연구소와 미국 프린스턴대 등 55개 기관이 참여했다.

물질과 반물질의 비대칭성 문제는 물리학계 최대 수수께끼 중 하나로 1960년대 제기된 후 아직

해결되지 않았다. 빅뱅 이후 물질과 반물질이 만들어졌는데 이론상 반물질과 충돌해 모두 소멸

해야 할 물질이 어떻게 살아남아 현재의 우주를 만들었느냐는 것이 핵심이다. 최 교수는 “일본

에 있는 전자-양전자 충돌가속기를 이용해 B-중간자라는 입자를 대상으로 실험한 결과 이 입자

에서 물질과 반물질의 붕괴 과정이 각각 다른 현상, 즉 비대칭성을 확인했다”고 밝혔다.

물리학자들은 물질과 반물질의 비대칭성이 확인되면 빅뱅 이후 물질 일부가 반물질과의 충돌에

서 살아남아 현재 우주를 만들 수 있다고 주장해 왔다.중간자는 가장 작은 입자인 소립자 2개가

모여 만들어진 것이다. 최 교수는 “예전에는 입자의 성질에 상관없이 비대칭성이 같을 것으로

예상했으나 이번 실험 결과 전하를 띤 입자와 중성의 같은 입자에서 비대칭성이 각각 7%와 ―

10%로 달라지는 특이한 현상을 발견했다”고 말했다. 그는 “이번 연구는 우주의 탄생을 엿볼

수 있는 새로운 단서”라며 “물질과 반물질의 관계를 정확히 밝혀낸다면 빅뱅 이후 우리가 살고

있는 우주가 만들어진 과정을 자세히 알 수 있을 것”이라고 설명했다. 

우주 거대 자기장 기원 밝혔다   동아사이언스 입력2008.05.16 03:03  

“은하단 생성과정 충격파 발생 탓”

우주를 뒤덮고 있는 거대 자기장의 기원을 한국 과학자들이 밝혀냈다. 류동수 충남대 천문우주

과학과 교수와 강혜성 부산대 교수, 조정연 충남대 교수는 우주 거대 난류와 거대 자기장의 기
원을 밝혀냈다고 15일 밝혔다. 이 연구는 미국 과학전문지 ‘사이언스’ 16일자에 발표됐다. 논
문의 제1저자와 교신저자는 모두 류 교수가 맡았다. 우주에서 은하가 많이 모여 있는 지역을 은
하단이라고 한다. 은하단 사이의 공간은 우주의99% 이상을 차지하는데 아주 적은 양의 물질
과 거대 자기장 등으로 채워져 있다. 그동안 거대 자기장이 어떻게 만들어졌는지는 알려지
지 않았다. 류 교수는 “빅뱅 이후 은하계와 은하단이 만들어지는 과정에서 우주충격파가
발생하며 이 충격으로 은하단 바깥의 물질들이 격렬하고 불규칙한 난류 운동을 벌인다는
것을 알아냈다”며 “그 결과 우주 전체를 덮은 거대 자기장이 만들어진다”고 설명했다.
연구팀은 슈퍼컴퓨터를 이용한 시뮬레이션으로 이 같은 사실을 밝혀냈다. 슈퍼 컴퓨터를 이용
해 계산했을때 우주 자기장의 평균 세기는 지구 자기장의 1억분의 1에 불과했지만 우주 공간이
굉장히 방대하다는것을 감안하면 아주 강한 자기장으로 해석된다. 우주 공간에 따라 자기장
이 강한 곳도 있고, 약한 곳도 있다. 류교수는 “이렇게 만들어진 우주 자기장은 은하단의
모양이나 우주의 진화에 많은 영향을 준다”며 “우리 은하 바깥의 우주 공간은 물질뿐만 아니
라 자기장과 우주선 등이 복잡하게 얽혀 난류 운동을 하고 있는 플라스마 상태로 보인다”고 밝
혔다.

[우주 자기장을 형상화한 모습:충남대 제공]
 

그들이 지하 700미터로 내려간 까닭은?    한겨레기사등록 : 2008-05-19 오후 06:03:35

강원도 양양의 점봉산 기슭에 있는 양양 양수발전소 지하 700미터에서는 우주의 비밀을
찾는 실험이 진행 중이다. 지하 700미터와 우주의 비밀… 잘 어울릴 것 같지 않은데 도대체
무슨 실험을 하고 있는 것일까?

지난 세기에 과학자들은 우주를 이루고 있는 가장 작은 소립자가 쿼크주1임을 밝혀내고 그
들 사이에 작용하는 기본 힘에 대해 이해하게 되었다. 쿼크로부터 양성자와 중성자를 만들
고 양성자와 중성자로부터 핵이 만들어 진다. 그리고 핵이 전자와 결합하여 원자를 만들고
원자들은 우리가 알고 있는 거시적인 물질을 만들어 내고 다시 커다란 천체와 우주를 만들
어 내는 일련의 과정을 설명해 주는 것이다. 그러나 역시 과학자들은 이렇게 잘 알고 있는
물질이 우주를 이루고 있는 모든 것의 고작 4%정도에 불과하다는 것도 알게 되었다. 우주
를 이루고 있는 대부분은 도대체 무엇이란 말인가?

지금으로부터 약 70년 전, 츠비키(Zwicky)라는 천문학자는 다른 은하들의 운동을 관측하던
중 그 은하들이 예상 보다 매우 빠른 속도로 움직이고 있다는 것을 발견한다. 은하들이 중
력에 의해서만 영향을 받는다면 은하들의 속 도는 중력을 주는 물질, 즉 은하단의 전체질
량에 의해 결정될 것이다. 따라서 은하의 별들의 회전 속도는 눈에 보 이는 별들의 질량만
고려하면 은하의 중심에서 거리가 멀어질수록 느려져야 한다. 그러나 관측 결과는 회전 속
도 가 거리에 관계없다는 것이다. 그는 이렇게 빠른 속도를 설명하기 위해서는 눈에 보이
는 은하들 이외에도 눈에 보 이지 않는 질량이 있어야만 된다는 것을 제안하였다.

이 후에 많은 증거들이 발견되었다. 특히 각 은하에 속해 있 는 별들의 회전속도는 암흑물
질의 존재 없이는 설명할 수 없다. 또한 별이 거의 보이지 않는 은하의 외곽에 있는 가스들
의 회전 속도도 암흑물질의 존재가 아니고는 설명할 수 없을 정도로 빠른 것이다. 보다 최
근의 우주 관측은 우주의 구성이 암흑에너지 70%, 암흑물질 25% 그리고 우리가 알고 있는
보통물질이 그 나머지에 불과하다는 것 을 알려주고 있다. 츠비키가 존재를 이야기한지 70
년이 지났지만, 암흑물질이 무엇인가에 대한 정체는 아직도 밝혀지지 않고 있다.

우주 평균 밀도의 25%나 차지하는 암흑물질의 정체가 아직 규명되지 않고 있다는 것은 과학자
들에는 아킬레스건과도 같은 것이다. 쿼크까지 알아낸 현대 과학이 우주를 이루고 있는 대
부분이 무엇인지 모르고 있다는 것은 사람의 몸의 대부분을 이루고 있는 물에 대해서 전혀
모르는 것과 다를 바가 없기 때문이다. 다행히도 최근의 이론은 암흑물질에 대해서는 액시
온주2이나 윔프(WIMP)주3 등 아직까지 발견되지 않은 소립자를 구체적인 후보로 제시하고
있다. 다른 은하와 마찬가지로 우리 은하내부에도 암흑물질이 많이 있는데 관측을 토대로
계산하여 보면 태양의 근처, 즉 지구에서 암흑물질의 밀도는 약 3 입방 센티미터에 양성자
가 한 개 정도씩 있는 정도로 존 재할 것으로 예상된다. 암흑물질 입자의 질량에 따라 다르
지만 속도를 고려하면 대략 손톱만한 면적으로 초당 수 십 만 개의 암흑물질 입자가 지나
간다고 이해하면 될 것이다. 이렇게 많이 지나다녀도 반응을 하지 않으니 그 존 재를 알기
가 어려울 수밖에 없다. 다행스럽게도 이들이 보통의 물질을 이루고 있는 소립자들과 매우
드물기는 하 지만 반응을 하기 때문에 이들 입자를 검출할 가능성이 있다는 것이 물리학자
들에게는 큰 희망이라고 할 수 있다.

문제는 이렇게 암흑물질이 반응하려는 것을 보려면 지하 깊이 들어갈 수밖에 없다는 것이
다. 암흑물질의 반응이 워낙 드물기 때문에 사람이 살아가는데 지장이 없을 정도로 작은
환경 방사능조차 암흑물질을 찾는 연구자들에게는 너무나 극복하기 어려운 배경잡음 신호
가 되기 때문이다. 특히 우주에서 날아오는 방사능인 우주선입자는 지구의 대기에서 핵반
응을 하여 이차 입자들을 만들어 낸다. 이들 이차 입자 중 뮤온주4입자는 지표면까지 도달
하는데 가로세로 약 30㎠의 면적에 초당 1개씩 날아온다. 이렇게 많이 날아오는 뮤온입자
는 드물게 다른 물질과 반응하여 중성자를 만들어 낸다. 불행하게도 중성자가 만들어 내는
신호는 암흑물질의 신호와 구분할 수 없는 것이 큰 문제이다. 다른 환경방사능은 여러 가
지 차폐시설을 사용하여 제거할 수 있지만, 뮤온이 차폐체나 검출기에 반응하여 생기는 중
성자를 차폐할 방법이 없다. 따라서 그 근원이 되는 뮤온을 줄이는 방법이 필요하다. 뮤온
을 줄이는 방법은 지하로 들어가서 뮤온이 암석과 반응하면서 줄어들기를 바라는 것이다.
지하 700미터 정도 들어가면, 뮤온이 지상보다 10만분의 1 정도로 줄어들어 암흑물질 신호
를 볼 수 있을 정도로 적어진다.

세계적으로 미국, 유럽, 일본 등 십 여 곳에서 전용 지하 실험실을 마련하고 지하 깊은 곳에
암흑물질을 검출할 수 있는 첨단 실험 장비(검출기)를 설치하고 암흑물질의 반응에서 나오
는 신호를 찾는 실험을 진행하고 있다. 우리나라에서는 전용실험실을 마련할 수는 없었지
만 다행히도 국내기업의 도움으로 양양의 양수발전소 지하 700m 실험실에서 외국의 실험
과 경쟁력이 있는 실험 장비를 개발하고 설치하여 암흑물질을 찾는 연구를 수행 중이다.
머지않아 우리나라가 세계 최초로 암흑물질의 정체를 밝혀낼 수 있길 희망한다.

글 : 김선기 서울대 물리천문학부 교수(암흑물질탐색연구단장) , 출처 : 과학향기

암흑물질탐색연구단 바로가기 : http://dmrc.snu.ac.kr/

주1) 쿼크 (quark) : 물질의 기본적인 구성입자로 추측되는 원자구성입자의 하나. 1964년
       M.겔만과 G.츠바이히가 존재를 발견하여 쿼크라고 명명했다.

주2) 액시온 (axion) : 전하를 가지지 않고, 매우 적은 질량을 가진 것으로 추정되는 가상의 입자.

주3) 윔프 (WIMP : Weakly Interacting Massive Particles) 우주가 생성된 직후에 생성된 것
       으로 추측되며, 다른 입자와 반응하지 않아 검출이 어렵다.

주4) 뮤온 (muon) : 광속에 가까운 속도로 지면에 도달하는 우주선(cosmic ray)에 의해 생성되
       는 입자.

[박순정]

빅뱅이라면 고도 정밀한 구조를 어떻게
설명하는가.
빅뱅으로 우연히 정확한 구조를 이룬다는
것인가. 의문의 연속이다.