우주의 역사

1610년 인류의 역사에서 인간의 우주관에 가장 큰 변화를 가져오게 한 사건이 있었다. 이탈리아의 갈릴레오 갈릴레이가 작은 천체 망원경으로 우주에 있는 천체를 관측하여 거대 우주의 비밀을 최초로 밝혀낸 것이다. 그 이전에 코 페르니쿠스가 지동설을 주장하여 인간 중심의 우주관을 획기적으로 바꾼 것도 매우 중요한 의미를 가지고 있으나 지동설의 대상인 태양계는 우주의 미미한 한 부분에 불과하므로 오늘날 우리가 알고 있는 거대 우주와는 거리가 멀다. <IMG src="https://img1.daumcdn.net/relay/cafe/original/?fname=http%3A%2F%2Fnereuser.com%2Fbbs%2Fdata%2Fgallery%2F00266399.jpg" border=0> 새 행성발견 갈릴레오가 사용한 망원경은 오늘날의 관점에서 보면 장난감 같이 간단한 도구였으나 사람의 눈보다는 훨씬 좋은 성능을 가지고 있었기 때문에 맨 눈으로 볼 때보다 훨씬 먼 우주를 관측할 수 있었다. 그러나 갈릴레오가 본 우주의 한계도 우리 은하를 벗어나지 못했다. 20세기에 이르러 천문학자들은 대형망원경 등의 관측시설과 발달된 천체물리를 이용하여 우리 은하를 벗어나 거대 우주를 탐사하게 되었다. 그 결 과 거대 우주의 구조와 상태를 이해하게 되었다. 나아가 우주의 전 역사를 밝혀냈으며 우주의 미래도 예측할 수 있게 되었다. 우주의 시작에는 빅뱅(대폭발)이 있었다. 대폭발 후 우주는 팽창하면서 점점 식어가고 있다. 우리는 과거에 비하여 매우 차가운 우주 속에서 살고 있다. 이제 우주의 과거, 현재 그리고 미래를 살펴보자. 우주의 과거와 미래 우주도 나이가 있을까? 만약 그렇다면 우주의 나이는 어떻게 알아낼 수 있으며, 또 그 나이 동안 우주는 어떻게 살아왔을까? 인류의 역사를 추적하 는 것도 어려운데 하물며 우주의 역사를 밝혀내는 것이 가능할까? 놀랍게도 오늘날 천문학자들은 이 질문들에 대하여 답할 수 있을 뿐만 아니라, 우주의 미래까지도 예측 할 수 있다. 우주의 현재 모습과 상태를 알면 우주의 역사를 밝혀낼 수 있으며 과거와 현재를 알면 미래를 예측하는 것도 가능하다. 우주의 현재 20세기에 과학의 비약적인 발전과 함께 인류는 우주의 구조와 상태에 관하여 많은 사실을 알아냈다. 그 중에서 우주의 역사를 알아내는 데 가장 중요한 단서가 되는 것은 다음 세 가지를 들 수 있다. 첫째는, 우주가 팽창하고 있다는 점이다. 이는 은하들이 우주적 규모에서 보면 서로 멀어져가고 있다는 사실로부터 알아냈다. 우주의 시공간이 팽창하고 있고 은하들은 이 팽창에 실려 서로 멀어지고 있는 것이다. 우주가 팽창하고 있다는 사실로부터 우주는 과거로 갈수록 점점 작아지고 어떤 순간에는 크기가 영이었을 것이라는 점을 추정할 수 있다. 이는 우주가 태어난 시점이 있다는 것 즉 우주가 나이가 있다는 것을 의미한다. 우주의 나이는 우주의 팽창률(=허블 상수)을 측정하여 알아낼 수 있으며 현재까지의 연구 결과에 의하면 우주의 나이는 대략 150억년으로 알려져 있다. 둘째는, 오늘날 우주는 마이크로파로 된 빛으로 가득차 있다는 점이다. 이 마이크로파는 온도가 영하 270도인 매우 차가운 빛으로서 전 우주에 균일하게 분포하고 있으며 우주 마이크로파 배경복사라고 불린다. 우주 배경복사는 다른 천체에서 나오는 빛에 비하여 매우 미약하기 때문에 찾아내는 것이 매우 어려우나 미국의 천문학자들이 1964년에 고성능의 전파망원경을 이용하여 발견하였다. 우주의 에너지는 보존되므로 우주가 과거에 작았을 때에는 이 우주 배경복사가 현재에 비하여 매우 뜨거웠을 것이다. 즉 우주는 태어났을 때 온도가 매우 높았다. 한편 우주 배경복사의 온도는 정밀하게 측정해보면 하늘에서의 위치에 따라 십만 분의 일 도 정도로 미세하게 변한다. 우주 배경복사 온도의 공간적인 변화는 밀도 변화를 나타내므로 이는 우주 초기에 밀도가 높고 낮은 지역이 있었다는 것을 의미하며 이 중 밀도가 높은 지역에서 후에 은하와 은하단 등이 태어났을 가능성이 있다. 셋째는, 오늘날 관측되는 천체들의 화학적 성분을 살펴보면 칠십여 퍼센트가 수소로 이루어져 있고 약 25%는 헬륨으로 그리고 약간은 헬륨보다 무거운 원소들로 이루어져 있다는 점이다. 무거운 원소들은 일반적으로 무거운 별의 내부에서 만들어지며 헬륨과 가벼운 원소들은 별의 내부보다 더욱 뜨겁고 밀도가 높은 환경에서 주로 만들어진다. 따라서 헬륨과 가벼운 원소는 별이 만들어지기 훨씬 이전에 즉 우주의 초기에 온도와 밀도가 매우 높을 때 만들어졌을 것이다. 위의 세 가지 사실은 우주의 현재 모습에 대한 중요한 특징을 단적으로 잘 보여준다. 즉 우주는 현재 팽창하고 있으며 수소, 헬륨, 무거운 원소 등의 물질로 된 천체와 우주 배경복사로 이루어져 있다. 우주의 과거 위의 세 가지 사실로부터 우주의 과거를 대략적으로 추정해 볼 수 있다. 우주는 태초에 한 점으로부터 시작했으며 이때 온도와 밀도가 매우 높았다 . 이 작은 우주는 폭발하여 계속 팽창하였으며 수소와 헬륨 그리고 가벼운 원소가 우주 초기에 만들어졌다. 초기에 뜨거웠던 우주 배경복사는 우주가 팽창하면서 온도가 점점 낮아졌고 오늘날 영하 270도의 마이크로파가 되었다. 초기에 밀도가 높았던 지역은 점점 자라서 후에 은하와 은하단으로 만들어졌다. 우주의 과거를 설명하는 이 이론은 뜨거운 대폭발(Hot Big Bang) 우주 모형이라고 하며 이 모형은 오늘날 우주의 기본적인 표준모형으로 받아 들여지고 있다. 이 모형을 이용하여 알아낸 우주의 역사를 시간별로 좀더 자세히 살펴 보면 다음과 같다. (1) 플랑크 시기 : 우주가 태어난 최초의 순간은 상상할 수 없을 정도로 뜨거운 빛으로 가득 찼으며 크기는 한 점에 불과했을 것이다. 그러나 자세한 상황은 현대 물리학으로써 설명을 못하고 있고 우리가 오늘날 과학적으로 설명할 수 있는 시간은 우주의 나이가 10-43초 (플 랑크 시간이라고 함)보다 클 때부터이다. (2) 초팽창(inflation)시기 : 크기가 10-23cm이던 우주가 10-35초에서 10 -32초까지의 매우 짧은 동안에 급격히 팽창하여(이를 초팽창이라고 함) 무려(?) 10cm정도의 크기가 되었다. (3) 원자핵 합성 시기 : 우주가 태어난 지 3분정도 되면 온도가 10억도 이하가 되며 이때까지 수소(75%)와 헬륨(25%) 그리고 소량의 가벼운 원소가 만들어졌으며 이 원자핵들은 후에 은하와 별의 재료로 쓰이게 된다. (4) 물질과 빛의 분리 시기 : 우주의 나이가 50만년 정도 되었을 때 온도는 3000도 정도되며 그 동안 서로 얽혀 있던 물질과 빛이 분리되어 빛이 빠져 나오기 시작하였다. 이때부터 우주는 투명해졌으며 이때 빠져 나온 빛이 오늘날 우리가 보고 있는 우주 마이크로파 배경복사이다. (5) 은하와 별의 형성 시기 : 나이가 10억 년에서 20억 년 되었을 때 수소와 헬륨을 재료로 하여 은하, 은하단들이 만들어졌으며 은하가 진화하면서 별들이 태어났다. 무거운 별의 내부에서는 무거운 원소들이 만들어지고 이 원소들은 별이 초신성으로 폭발하면서 성간물질이 되었다. 이 원소들은 후에 생명체의 재료로 쓰였다. (6) 태양계의 형성 시기 : 나이가 46억년 되었을 때 태양이 태어났고 태양의 주위에 태양계가 형성되었다. (7) 생명체의 탄생 시기 : 35억년쯤 되었을 때 지구에 최초의 생명체가 나타났으며 여러 종류의 생물 시대를 거쳐 지금으로부터 400만년쯤 전에 인류의 조상이 등장하여 오늘에 이르고 있다.   우주의 미래 우주의 미래는 과연 어떻게 될까? 현재 우주의 평균 밀도의 값을 정확히 알면 우주적 규모에서의 미래를 예측할 수 있다. 우주의 평균 밀도가 어떤 특정한 값(=임계 밀도)보다 낮으면 우주는 영원히 팽창을 계속하며 점점 식어갈 것이다. 반대로 우주의 평균 밀도가 임계 밀도보다 높으면 우주는 언젠가 팽창을 멈추고 수축하게 되고 나중에는 한 점으로 모이게 된다. 이렇게 되면 우주의 대폭발이 거꾸로 된 과정으로서 대파국(big cr unch)이 일어나며 우주의 시초와 같은 상황이 벌어진다. 오늘날 천문학자들은 우주의 미래를 예측하기 위하여 우주의 평균밀도를 정확히 측정하고자 많은 노력을 기울이고 있으나 아직 확실한 답은 알려져 있지 않다. 현재까지 알려진 바에 의하면 미래에 대파국이 일어날 가능성은 거의 없고 우주는 팽창을 계속할 것이다. 그러나 인류와 지구의 존재에 관련하여 더욱 중요한 것은 우주적 규모보다 작은 규모 즉 태양계 규모에서의 미래이다. 즉 먼 미래보다 가까운 미래가 더 중요하다. 발등에 떨이진 불부터 꺼야하지 않겠는가? 태양계 규모에서는 두 가지를 생각할 수 있다. 첫째는 태양의 미래와 관련이 있고 둘째는 태양계의 방랑자인 소행성이나 혜성의 충돌과 관련이 있다. (태양의 미래) 하늘에서 아름답게 반짝이는 별들은 영원 무궁한 것이 아니라 진화를 한다. 시간이 지나면서 온도와 크기, 밝기 등이 많이 변한다. 태양도 평범한 별중의 하나이다. 현재의 항성 진화 연구에 따르면, 태양이 약 70억년 후에 크기가 현재의 170배 정도나 되는 거인별이 된다. 그러면 지구는 태양계에서 현재의 위치로부터 바깥으로 밀려나게 된다. 이 때가 되면 지구에는 생명이 존재하는 것이 불가능하다. (아마겟돈) 1998년에 상영된 아마겟돈이나 딥임팩트와 같은 영화를 보면 소행성이나 혜성이 지구로 다가오는 장면이 나오고 영웅과 같은 사람 들이 소행성이나 혜성이 지구에 충돌하여 지구가 멸망하는 것을 방지하게 된다. 소행성이나 혜성이 지구에 떨어지는 것은 영화에서만 나오는 것이 아니라 실제로 일어날 수 있다. 오늘밤에 떨어질 수도 있다. 그러나 지구에 큰 피해를 줄 정도로 큰 소행성이나 혜성은 매우 가끔 떨어진다. 지구상에서 공룡을 사라지게 한 10킬로미터 크기의 소행성이 지구에 떨어진 것은 6500만년 전이다. 이와 같이 우주의 먼 미래는 어둡다. 그러나 걱정할 필요는 없다. 왜냐하면 천문학적 숫자로 표현하는 먼 훗날의 이야기이기 때문이다. 인류의 멸망은 우주와 함께 할 가능성이 별로 없다. 식량과 자원의 고갈, 환경의 파괴, 전쟁 등 여러 가지 이유로 해서 인류는 그보다 훨씬 이전에 지구상에서 사라질지도 모른다. 그러나 우주의 시간은 인류의 존재와 무관하게 계속 흐를 것이다. 출처 : 이 명 균 (서울대학교 천문학과)