마이크로파 우주배경복사 (빅뱅 우주설의 강력한 증거)

[아놔 키스트]

정상 우주모델

우주에 존재하는 원소들의 조성은 항성 진화 과정에서 보여지는 원소들의 함량비를 관측함으로써 우주의 전체적인 화학조성을 설명할 수 있다. 대표적으로 태양 광구의 화학조성을 살펴보면 다음과 같다.

[1]

우주에서 가장 풍부한 원소가 수소이며, 헬륨이 약 10분의 1로 그 다음이다. 수소는 태초부터 있었던 물질로서 우주가 시작된 빅뱅으로부터 얼마 지나지 않아서 전 우주적으로 합성되었을 것으로 추정된다. 현재 보이는 대부분의 헬륨도 역시 빅뱅에서 직접 만들어 졌지만, 나머지 부분은 별 내부에서 수소 핵융합의 결과로 만들어 진 것이다. 수소나 헬륨에 비해 리튬과 베릴륨, 붕소 등의 함량은 매우 작은 것을 볼 수 있는데, 여기엔 두 가지 이유가 있다. 이들 원소는 핵반응 사슬에서 나타나는 최종 산물이 아니면 또한 이들은 양성자와 충돌하면 쉽게 깨진다는 점 때문이다. 리튬과 베릴륨은 특정 온도에서 양성자와 충돌하여 쉽게 붕괴된다. [2]

1946년 가모브는 원소들의 이와 같은 우주함량비를 깊이 생각하고 있었다. 갓 태어난 고밀도의 우주는 매우 뜨거워야 하며, 이 당시 핵융합 반응이 격렬하게 일어났을 것임을 깨닫고, 가모브는 우주 초기에 일어난 일련의 핵융합 반응으로부터 여러 원소들의 전 우주적인 함량비 곡선을 설명할 수 있다고 제안하였다.

그러나 알퍼와 허민의 자세한 계산 결과에 따르면, 가모브의 제안에는 오류가 있음이 밝혀졌다. 그들은 기존의 원자핵에 양성자나 중성자를 그저 하나씩 추가해서 더 무거운 원자핵을 합성하는 데에는 심각한 걸림돌이 있다는 사실을 깨달았다.

초기우주의 격렬한 핵융합 반응 모델의 오류뿐만 아니라 당시 또 다른 문제가 있었다. 당시엔 현재로부터 대략 허블시간 이전에 존재했던 고온 고밀도의 우주라는 개념 자체에 커다란 문제가 있었으며, 또한 초기 우주에서 그런 격렬한 사건이 일어났다는 증명은 어디에서도 찾을 수 없어 당시 빅뱅모형은 비과학적이라고 생각했다.

허블이 제안한 허블상수의 역수인 허블 시간은 대체적인 우주의 나이가 될 수 있으나, 이 값은 방사성 연대 측정 결과에 의해 측정된 지구의 나이에 고작 수분의 일에 불과할 뿐이었다. 1940년대 후반까지도 측정된 허블 시간은 여전히 곤혹스러울 정도로 우주의 나이는 젊었다.

1946년 캠브리지 대학에서 본디와 골드, 그리고 호일은 이러한 구미에 맞지 않는 가모브의 빅뱅우주과 허블 시간에 대한 대안을 찾으려 시도하였다. 1948년과 1949년에 발표한 논문들에서 그들은 정상우주모델을 제안하였다.

이 모델은 우주론적 원리를 시간으로도 확장하여, 우주가 등방적이고 균질하다는 것 외에, 모든 시간에서 똑같이 보인다는 주장을 담고 있었다. 정상우주는 시작도 끝도 없이, 무한히 늙었고, 또 정상우주가 팽창하면서 물질들이 끊임없이 생성되어 현재 수준의 우주평균밀도가 유지된다. 이 모델에서는 허블시간을 우주의 특성 나이라기 보다는 물질 생성의 특성 시간이 된다고 해석하면서, 허블 시간 문제를 해결하였다. 하지만, 물질의 새로운 출현에 대해서는 답변되지 않았다. [3]

우주배경복사의 발견

알퍼와 헤르만이 우주가 5K으로 냉각되었고 현재 흑체복사로 가득차있다고 예견하고 16년지 지난 후, 프리스턴 대학의 디케와 그의 박사후 연구원인 피블스는 무의식적으로 그들의 작업을 뒤이었다.

1964년 피블스는 빅뱅으로부터 남겨진 흑체복사는 약 10K 정도의 온도를 지닐 것이라고 계산하였다. 그러나, 알퍼와 헤르만과는 달리 디케는 잔여복사를 찾는데 관심이 있었고, 그는 이 우주배경복사가 가까이 있는 뉴저지주의 홀름델의 벨 연구소에서 일하고 있던 두 명의 전파천문학자들이 발견하였다는 사실을 알지 못했다. [4]

1964년 벨연구소는 뉴저지 홀름델의 크로퍼드 힐에 색다른 전파 안테나를 가지고 있었는데, 그 안테나는 인공위성 에코를 이용해 통신을 하기 위해 세워졌으나, 극히 약한 잡음을 갖는 6미터 나팔형 반사기라는 안테나의 특성 때문에 전파천문학을 위한 유망한 기기가 되었다. 두명의 천문학자 아르노 펜지어스와 로버트 윌슨은 은하수의 평면으로부터 벗어난 방향에서 방출되는 전파의 강도를 측정하기 위해 이 안테나를 사용하기 시작했다.

펜지아스와 윌슨은 이 거대한 안테나를 이용하여 우리은하로부터 오는 전파잡음을 측정하고자 했다. 그렇기 때문에 그들의 장치 내부에서 생길 수 있는 어떠한 전기잡음이라도 모두 확인하는 것이 결정적으로 중요한 일이었다.

펜지어스와 윌슨은 이 안테나 구조에서는 잡음이 거의 생기지 않을 것으로 기대했다. 그들은 이를 검토하기 위해 비교적 짧은 7.35cm 파장에서 관측을 시작했는데, 이 파장에서는 우리은하로부터 오는 전파잡음은 거의 무시될 수 있을 것이라고 예상했다. 이 잡음은 지구의 대기로부터 만들어지는 약한 잡음으로 안테나가 가리키는 방향에 의존하기 때문에 대기의 잡음 기여율을 빼면 이 잡음은 무시할 수 있을 것이라 기대했다. 때문에 그들은 은하의 전자잡음이 감지될 수 있으리라고 기대되었던 거 긴 21cm 부근의 파장에서 은하를 조사할 생각이었다.

그러나 1964년 봄, 놀랍게도 펜지어스와 윌슨은 7.35cm의 파장에서 방향에 무관한 상당한 양의 초단파잡음이 잡힌다는 것을 알게되었다. 이 초단파잡음은 방향과 아무 관련이 없다는 사실로부터 은하수로부터 오고있는 것이 아니라, 우주의 훨씬 더 큰 부분에서 온다는 것을 아주 강하게 암시하고 있었다. [5]

펜지어스와 윌슨은 안테나가 생각보다 많은 잡음을 내고 있는 것이 아닌지 재고할 필요성을 느끼고 잡음을 제거하려 했다. 펜지아스와 윌슨이 안테나를 청소하고, 틈새와 못자국들에 테이브를 붙이고 또 혼 내부에 둥우리를 친 두 마리의 비둘기들을 하는 등의 1년간의 노력에도 불구하고 신호에 끊임없이 나타나는 잡음을 제거할 수 없었다.

그들은 3K 흑체복사가 이런 혼신을 야기할 것이란 것을 알았지만, 펜지아스가 피블스의 10K 배경복사 계산소식을 알기까지는 어떤 가능한 원인에 대해서도 알지 못했었다. 펜지아스는 디케에게 전화를 걸어, 그를 홀름델에 초청하였고, 1965년에 흩어져 있던 퍼즐조각들이 최종적으로 맞추어지게 되었다.

펜지아스와 윌슨은 우주에 가득차있는 흑체복사를 발견하였는데, 그 복사는 전자기파의 마이크로파 영역에서 1.06mm의 피크파장을 지니고 있었다.

디케, 피블스와 프리스톤대학의 동료들은 이 결과를 바탕으로 즉시 빅뱅을 강하게 지지하는 우주마이크로파배경복사 이론을 다룬 논문을 천체물리학보에 한쌍의 동반 논문을 발표하기로 결정했다. 펜지어스와 윌슨은 그 동반 논문으로 “4080MHz에서 안테나 온도초과현상의 측정”이라는 신중한 제목을 붙여 개제하였다. 그들은 간단히 “효과적 천정잡음 온도의 측정은.. 예측보다 3.5K 더 높은 값을 주었다.”라고 보고했고, 우주론에 관해서는 “이 관측된 초과 잡음온도에 대한 한 가지 가능한 설명은 닽은 호의 동반 논문에서 디키, 피블스, 롤, 윌킨스에 의해 주어졋다”라는 말 이외에는 우주론에 관한 언급을 피했다. [6]

우주배경복사 발견의 의미

펜지어스와 윌슨이 발견한 이 초단파 복사는 무엇인가? 우리가 우주배경복사를 관측할 때 우리가 실제로 보고있는 것은 무엇인가?

우주배경복사의 일반적인 성질을 이해하기 위해 이제는 지금까지 사용해온 전자기파로서의 고전적인 복사상을 버리고, 복사가 광자로 되어 있다는 현대적인 양자적 견해를 택하는 것이 좋다. 보통의 관파는 함께 퍼져나가는 막대한 수의 광자를 포함하고 있다. 그러나 파동열차로 운반되는 에너지를 아주 정확히 측정하려고 하면 측정값은 항상 양의 정수배가 된며, 이것을 광자 한 개의 에너지로 간주한다. 광자들은 0의 질량과 0의 전하는 갖지만 그것들은 실재하며, 각 광자는 일정한 에너지와 운동량, 그리고 스핀도 가지고 있다.

이러한 광자가 현재의 우주를 관통하는 여행을 한다면 광자에게는 아무런 일도 일어나지 않는다. 이는 다시말해 우주공간의 어떤 물질이라 하더라도 이 물질은 광자들이 우주의 나이의 상당한 부분동안 산란되었거나 흡수되지 않고 여행할 수 있을 만큼 투명해야 함을 의미한다. [7]

분광학적 방법으로 측정된 먼은하들의 적색편이는 우주가 팽창하고 있음을 말해준다. 이를 거꾸로 해석하면 우주의 내용물은 한때 지금보다 훨씬 더 압축되어 있었을 것이며, 우주는 매우 고온과 고압의 상태에 있었을 것이라고 예측가능하다. 이런 상황에서는 앞서 언급한 광자들 처럼 우주를 거침없이 여행할 수 없었을 것이다.

아주 초기 우주의 뜨거운 환경속에 있는 많은 전자들은 우주배경복사 광자들을 차단하며, 짧은 거리를 여행해도 곧바고 산란시켜 광자의 여행은 방해받는다. 자유전자들에 의한 광자의 산란에 의하여 전자들과 광자들은 열적평형을 유지하는데, 그 결과 이들은 같은 온도를 가지게 된다. 그러나, 우주 팽창 때문에 자유전자들의 개수밀도가 감소한다.

우주가 점차 냉각되며 불투명도가 바뀌며 우주는 투명해 진다. 이때가 우주의 나이가 약 백 만년이 지났을 때이다. 온도가 충분히 냉각되어 자유전자들이 수소핵과 핼륨핵과 결합하면, 복사와 물질은 따로 독립적으로 진화한다. 자유전자들이 사라진 결과 불투명도가 낮아져 복사와 물질은 분리되고, 광자들이 새롭게 투명해진 우주 전체를 방해받지 않고 자유롭게 배회하게 된다.

오늘날 관측하는 우주배경복사 광자들은 재결합 시기 동안 마지막으로 산란된 것을이라 볼 수 있다. [8]

이 결과는 정상우주론의 사망을 알이는 종소리가 되었다. 다른 파장에서 계속된 관측들에 의해 우주배경복사 스팩트럼의 형태가 흑체복사 스팩트럼이라는 것을 확인하면서, 빅뱅이론을 지지하는 천문학자들의 수가 증가한 반면, 정상우주를 지지하는 천문학자들의 수는 작아지게 되었으며, 동시에 우주의 초기 상태를 설명하기 위한 정밀한 우주론이 우주배경복사의 발견을 계기로 시작되었다.

[1] Grevesse and Sauval, Space Sci. Rev., 85, 161, 1998
[2] Bradly W. Carroll, Dale A. Ostlie, An introduction to Modern astrophysics 2ed Part2, Pearson, 2009, 450-451
[3] Bradly W. Carroll, Dale A. Ostlie, An introduction to Modern astrophysics 2ed Part3, Pearson, 2009, 370-372
[4] Bradly W. Carroll, Dale A. Ostlie, An introduction to Modern astrophysics 2ed Part3, Pearson, 2009, 374-375
[5] Steven Weinbug, The First Three Minutes, Yang Moon, 1994, 76
[6] Steven Weinbug, The First Three Minutes, Yang Moon, 1994, 89
[7

아인슈타인의 중력이론을 따라가다 보면...

필연적으로 만날수밖에 없는것이

블랙홀과 빅뱅 특이점입니다.

즉 일반상대성 이론에서 예측한 필연적인 결과란 것이지요.

이러한 수학적 결과를 두고1964년 까지  물리학자들간의 수많은 논쟁과

학문적 토론이 벌어졌고 다만 그 결과에 대해서는 아무도

확정적으로 답변하지 못하였습니다.

그러다가 미국의 벨 연구소에서 우주에서 날아오는 수많은 전파들을

수집 연구하던 두 과학자에 의해 (아르노 펜지어스   로버트 윌스)

우연히 발견된 것이지요.

다시말해서 빅뱅우주설은 어떤 주장이 아니라

아인슈타인의 일반 상대성이론에 의해서 예측되었던

블랙홀과 빅뱅 특이점이  마이크로파 우주배경복사

(쉽게 이야기하면 빅뱅 대폭팔에 의한  대 화재의 타고 남은 재라고 할수 있습니다)

로 인해 가설로만(수학적으로) 입증되었던 빅뱅의 증거들이

현실적으로 물리적 증거로서 우연히 발견된것이지요.

즉 (일반상대성 이론의 해)수학적으로만 예측되었던 것이

물리적 증거로서 나타난 것입니다.

공부해서 남 줍시다....^^:

블랙홀의 존재는 최근에 밝혀졌죠.

즉 모든 은하계의 중심에는 블랙홀이 있고

그 블랙홀의 중력에의해 은하계가 존재할수 있는 것입니다.

저보고 블랙홀을 직접 보았느냐고 물으신다면...

직접 못봤습니다....^^:

[아놔 키스트]

중력이 무엇이냐고 물으신다면....

"눈물의 씨앗이라고 말하겠어요"

왜 유독 나에게만 중력이 강력하게 작용하였는지 ...ㅠㅠ

[아놔 키스트]

써니뱅크님 나오세요.......

아~아 마이크 시험중 톡! 톡!

써니뱅크님 왜 나에게만 중력이 강력하게 작용하는지

설명좀 해주세요....

이것은 물리이론을 뛰어넘는 초 현실적 사건입니다.....^^:

[dmsgkgh]

나도 한마디
아놔 키스트 님
평소에 자석을 너무 많이 드셨나 보네요
농담이구요
나름대로 우리 모두는 중력이 작용합니다
그런데 그걸 느끼는 것은 양 어깨입니다
살아가는게 고달퍼서 축 늘어지는 어깨...
아놔님 나도 무지 많이 느끼고 살아 간답니다
그리고 소주 한잔 하믄 좀 덜 느겨지구요

노래 한구절 ,,,,,...
이 풍진 세상을 만낫으니 너에 희망은 무엇이냐
부귀와 영화를 .....

[아놔 키스트]

저는 그 정도가 아니라...

신체구조의 변형까지 겪었습니다.

즉 제 자신의 키가 원래는 185cm는 되어야 한다고 생각하는데

중력의 영향을 너무 많이받아 그것이 안돼걸랑요...

쫌 많이 부족합니다...ㅎㅎ

[유성]

디엠에스지케이지에이치님.,... 참말로 웃기신다~~ㅎㅎ