빅립이론과 빅뱅이론의 함의

[러브인]

빅립이론과 빅뱅이론의 함의

빅립이론

우주는 어떻게 탄생했나? 우주의 나이는 얼마인가? 우주는 무엇으로 이루어져 있나? 미래에 우주는 어떻게 될까?

밤하늘의 별을 보면 누구나 이런 질문을 떠올리게 된다. 그러나 그동안 천문학자들에게 이런 질문을 하면 우물쭈물하거나 잘 모른다고 대답하기 일쑤였다. 그러나 2003년부터 천문학자들이 자신 있는 대답을 내놓기 시작했다. 우주배경복사 관측위성 WMAP가 맹활약하면서 우주의 수수께끼를 풀어내고 있기 때문이다. WMAP 위성의 관측 결과는 천문학이 이루어낸 가장 중요한 진전 가운데 하나라고 볼 수 있다.

미항공우주국이 2001년 6월에 발사한 800㎏짜리 작은 위성은 우주의 모든 방향에서 오는 우주배경복사를 관측하고 있다. 우주배경복사는 빅뱅(big bang)이 일어나고 38만 년 뒤 물질과 빛이 처음 분리될 때 나온 ‘태초의 빛’이다. 이 빛은 빅뱅의 잔해로 여태까지 남아 우주 어느 방향을 보든 절대온도 273도로 우주를 거의 균등하게 가득 채우고 있다. 말하자면 은하와 별은 우주배경복사 위에 떠 있는 작은 배라고도 볼 수 있다.

우주배경복사의 존재는 빅뱅 이론을 처음 만든 러시아계 미국 과학자인 조지 가모프가 1940년대에 예언했다. 정말 빅뱅 이론대로 우주가 초기에 작은 불덩어리에서 출발했다면 그 잔해가 우주 전체에 퍼져 있을 것이라는 게 그의 생각이었다.

1965년 미국 벨연구소의 펜지아스와 윌슨은 위성 통신용 뿔형 안테나를 만들어 실험을 하다가 우연히 우주배경복사를 발견했다. 이들은 1978년 노벨상을 수상한다. 하지만 우주배경복사는 1990년대에 들어와서야 정확한 모습이 드러났다.

미항공우주국의 코비위성은 1992년에 우주의 모든 곳을 관측해 우주배경복사 지도를 만들었다. 그 결과 우주배경복사는 전체적으로는 균일하지만 마치 물결처럼 곳곳에 미세한 온도의 차이가 존재한다는 것이 밝혀졌다. 아기 우주의 미세한 에너지 차이는 에너지가 물질로 변환되면서 물질의 밀도 차이를 만들어냈고 밀도가 높은 곳에서 별이 만들어지기 시작해 오늘날의 은하와 별이 된 것이다.

2001년 6월에 발사돼 지상 150만km 상공에 떠 있는 WMAP 위성은 우주배경복사가 얼마나 적색편이가 됐는지 정밀하게 관측하는 것이 주임무였다. 적색편이란 어떤 물체가 멀어질 때 물체가 내는 빛이 원래의 빛보다 붉어지는 현상이다. 멀어져 가는 기차의 기적소리가 원래 음보다 낮아지는 것과 같은 원리다. 적색편이를 관측하면 태초부터 현재까지 우주의 팽창 속도를 알 수 있다.

천문학자들은 관측 자료를 종합해 시간이 흐를수록 우주의 팽창 속도가 빨라지고 있다는 사실을 확인했다. 현재의 우주는 우주거리의 기본단위인 1Mpc(메가파섹·1Mpc은 약 326만 광년)당 초속 71km의 속도로 팽창하고 있다. 326만 광년의 거리가 1년 뒤에는 빛이 2시간 동안 간 거리만큼 늘어나게 되는 것이다.

팽창 속도를 알면 우주의 나이도 계산할 수 있다. 하나의 점이었던 우주가 점점 팽창 속도가 빨라져 지금 크기의 우주가 되는 데 걸린 시간을 계산할 수 있기 때문이다. 그동안 천문학자들은 우주의 나이를 100억-150억 년으로 어림잡아 왔으나 이번에는 137억 년(오차범위 2억 년)이라는 정확한 결론에 도달했다. 지구의 나이를 46억 년이라고 정확히 쓰듯이 앞으로는 우주의 나이도 137억 년이라고 써야 할 것이다.

그러나 WMAP위성이 밝혀낸 가장 중요한 점은 뭐니뭐니 해도 우주를 구성하는 물질과 에너지가 어떤 것인지 감을 잡게 해주었다는 점이다. 우주의 미래에 대해서는 2개의 유력한 시나리오가 있었다. 우주가 지금처럼 팽창하다가 결국은 다시 수축해 한 점으로 돌아간다는 빅크런치(big crunch) 시나리오와 영원히 지금의 속도로 팽창한다는 시나리오였다. 만일 우주의 밀도가 일정 수준보다 높다면 자체의 중력에 의해 수축하면서 붕괴해 빅크런치가 일어나게 된다. 그런데 이도 저도 아니고 팽창 속도가 빨라진다는 결론에 이르게 된 것이다.

우주의 팽창이 빨라지는 것은 중력과는 반대 방향의 힘인 ‘암흑 에너지’가 우주를 바깥에서 잡아당기고 있기 때문이다. 물질이나 빛은 우주가 팽창하면서 단위 부피당 에너지가 줄어들지만 이상하게도 암흑에너지는 우주가 팽창을 해도 단위 부피당 에너지가 늘 그대로이다. 그렇기 때문에 우주의 팽창 속도가 빨라지는 것이다.

암흑 에너지는 2001년 전 존재가 확인됐으나 전혀 정체를 몰라 가장 큰 우주의 수수께끼로 등장하고 있다. 하지만 WMAP 위성은 우주의 73%가 암흑 에너지로 이루어져 있고 23%가 암흑물질이라는 것을 밝혀냈다. 밤하늘의 별이나 행성처럼 원자로 이루어진 물질은 우주 전체의 4%에 불과했다.

그동안 천문학자들은 우주의 90% 이상이 암흑물질이고 중성미자를 유력한 암흑물질로 생각해 왔다. 그러나 위성관측을 통해 중성미자는 우주의 0.76% 미만인 것으로 밝혀졌다.

브레이크 없는 자동차처럼 우주가 가속 팽창하면 우주의 운명은 어떻게 될까. 미국 다트머스 대학 로버트 칼드웰 교수와 캘리포니아 공대 연구팀은 이렇게 팽창이 빨라지면 220억 년 뒤에는 우주가 산산조각이 나 결국 ‘빅립(big rip)’으로 최후를 맞을 것이라는 논문을 최근 발표했다. 립이란 찢어진다는 뜻이다.

칼드웰 교수는 빅립 6천만 년 전에는 은하가 해체되고, 3달 전에는 태양계에서 행성이 떨어져 나가며, 30분 전에는 지구가 폭발하고, 마지막 순간에는 원자마저 조각날 것이라는 시나리오를 내놓았다. 아직은 시나리오에 불과하지만 정말 이렇게 된다면 우주는 티끌에서 태어나 다시 티끌로 되돌아가게 되는 셈이다.

빅뱅이론

1920년대 A. 프리드먼과 A. G. 르메트르 신부에 의하여 처음으로 제안되었으며 1940년대 G. 가모에 의하여 체계화된 우주의 생성에 관한 이론이 바로 빅뱅이론이다. 이 이론은 H. 허블에 의한 우주팽창론과 우주배경복사인 절대온도3K를 가지는 마이크로파의 발견에 의하여 입증되었다.

이 이론을 간단하게 설명하면 다음과 같다. 200억 년 전에 고온의 고밀도 상태가 대폭발을 일으켜 빠른 속도로 팽창하며 온도가 내려가기 시작하였다. 최초에는 에너지가 빛의 형태로 존재하였는데 시간이 지나며 빛에서 물질과 반물질이 생성되었다. 이렇게 생성된 대부분의 물질-반물질 쌍은 곧 다시 충돌하여 빛으로 돌아갔지만 빠르게 팽창하는 우주에서 물질과 반물질의 불균일한 분포에 의하여 물질과 반물질이 따로 존재할 수 있게 되었다. 즉 우리가 살고 관측하는 우주는 물질로 이루어진 세계이다. 우주 멀리 어느 곳에는 반물질로 이루어진 세계가 존재할 지도 모른다.

이제 물질과 반물질에 대하여 알아보기로 하자. 물질의 기본 단위는 분자이며 분자는 원자로 이루어져 있다. 원자를 좀 더 자세히 들여다보면 양성자와 중성자들이 모여 있는 원자핵과 그 주위를 돌고 있는 전자로 되어있다는 것을 알 수 있다. 지금까지 언급된 양성자, 중성자, 전자 및 여러 중간자들 즉 소립자들이 우리가 알고 있는 입자이며 입자와 성질이 다른 반입자도 존재하며 연구실에서 만들어지고 있다. 이런 세계를 상상하여 보자. 반양성자와 반중성자들로 이루어진 반원자핵 주위를 양전자가 공전하며 반 중간자들이 핵을 유지하는 핵력을 공급하는 즉 반원자 반 분자 그리고 반물질이 모여 이루어진 반우주가 존재할 지도 모른다.

빅뱅(Big Bang) 또는 대폭발이론은 천문학 또는 물리학에서, 우주의 처음을 설명하는 우주론 모형으로, 매우 높은 에너지를 가진 작은 물질과 공간이 약 150억 년 전의 거대한 폭발을 통해 우주가 되었다고 보는 이론이다. 2001년에 발사된 우주배경복사탐사선(WMAP)이 수집한 자료를 분석한 결과에 따르면 우주는 137억 년 전에 빅뱅이 있었고 수천억조 분의 1초도 안 되는 짧은 시간에 엄청난 팽창을 일으킨 것으로 추측된다.

빅뱅이론의 문제점 

빅뱅 우주론에 따르면 우주의 역사 즉, 최초의 대폭발로부터 현재까지 경과한 시간은 약 백억 년 내지 백오십억 년이라고 한다. 은하가 1회 자전하는 데는 약 2억 년 걸리므로, 이 기간 동안 은하는 대략 50회 남짓 자전한 것으로 된다. 고속으로 회전하는 형상을 띠고 있는 은하의 모습치고는 그 수치가 매우 작다.

팽창의 증거

분광법: 별과 별이 일정 주기로 겹쳤을 때, 내보내는 적외선의 스펙트럼으로 도플러 효과로 알아내는 방법이 있다.

역학적으로 계산할 수 있다. 만유인력과 구심력을 통해서 태양의 질량을 알 수가 있다. 즉, 지구의 공전속도와 태양에 잡혀 회전하는 구심력을 통해서 태양 질량을 알 수 있다.

      만유인력 F=GMm/r2                구심력 F=mv2/r

M:태양질량 m:지구질량 G:만유인력상수 v:공전속도 r:태양과 지구의 거리

두 힘을 같다고 놓으면 태양 질량을 얻을 수 있다. 이런 원리로 태양계 무게를 알면 은하 중심의 무게를 알 수 있고, 우리 은하에 있지 않은 임의의 별 하나의 위치를 우리 은하와의 거리를 관측한 후 멀어지는 속도를 측정하는 방법도 있다.

다른 방법은 임의의 어떤 우주공간 지점에 온도를 측정하는 방법이다. 최초 대폭발시 어떤 온도가 존재 한다면, 시간과 공간도 이때부터 생긴 것이다. 온도는 넓이가 넓어질수록 떨어지고, 대폭발시 온도는 일정한데, 우주공간은 넓어지고 있기 때문에, 온도가 내려가는 것이다.

현재 별에서 나오는 빛의 스펙트럼을 조사해보면 적색편이가 보이는데, 이는 우주가 팽창하고 있다는 이론을 뒷받침하는 증거다. 허블의 법칙은 이를 정량화한 것으로, 우주가 팽창하는 속도는 거리에 비례함을 수식을 통해 정리했다. 허블의 법칙을 통해서, 시간을 거슬러 올라가 보면 우주가 작은 크기였다는 것을 추론할 수 있다.

우주의 팽창속도는 대략 초속 50만 킬로미터이다. 우주가 검게 보이는 이유도, 빛의 속도로 돌아가 반사되어 돌아온 빛이 없기 때문이다.

[빛내림]

빅립이론과 빅뱅이론은 상호 보완적으로 공존한다. 빅립이론과 빅뱅이론의 공존의 법칙은 우주존재의 법칙이다. 우주는 끈임없이 변화하지만 우주 자체는 새로운 우주를 창조하고 소멸시킨다. 다만 전 우주는 불생불멸의 법칙으로 움직일 뿐이다. 그런 점에서 전 우주는 창조가 아니라 진화적 개념으로 이해할 수 밖에 없다.....