우주탄생신비를 밝힌 노벨물리학상수상자

[진리여행]

한겨례 신문] 노벨 물리학상, 매터.스무트 공동수상

우주탄생 비밀 밝히는데 기여

올해(작년2006년)의 노벨 물리학상은 우주탄생의 비밀을 밝히는데 기여한 미국 항공우주국(나사) 고다드 우주비행센터의 존 C. 매터(60)박사와 버클리 캘리포니아대의 조지 F. 스무트(61)교수에게 돌아갔다.

스웨덴 왕립과학원은 3일“우주 극초단파 배경복사가 흑체복사의 형태를 띠고 있으며 방향에 따라 고르지 않은 이방성을 띠고 있음을 발견한 공로로 이들에게 노벨 물리학상을 수여하기로 결정했다”고 발표했다.

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지난 여름 ‘우주의 시공과 생명’이라는 타이틀로 6주 동안 파노라마 강연을 해주신 박문호 박사님이 강연에 앞서 수강생들에게 미리 부탁하신 것이 있습니다.

"우주배경복사(CMB/Cosmic Microwave Background)"
"스펙트럼(Spectrum)"
"스페이스타임(Spacetime)"

이 세가지 화두를 매 시간 생각하라고 강조 하셨습니다. 강의시간에 계속 되풀이한 내용도 우주론이 신화나 가설이 아닌 측정 가능한 정밀과학 영역이 되었다는 것이었죠. 더불어 우주의 전역사를 이해하는데 중요한 CMB가 무엇인지 알기 위해서 꼭 읽어야 할 책으로 추천해 주신 ‘우주의 역사’를 기억하시죠?

[강좌안내 게시판 1117번]

우주의 역사---조지 스무트---("빅 뱅"에 조지 스무트의 연구 내용이 소개됨/"빅뱅" 과 함께 꼭 읽어야 할 책/"수유-너머가 뭔가요?---> 아무도 기획하지 않은 자유를 읽으시길..." 마찬가지로 "CMB 가 뭔가요?--->조지 스무트의 우주의 역사를 읽으시길.../30년간 CMB 측정을 위한 인간의 노력)     

1965년 펜지아스와 윌신이 처음 배경복사를 측정한 이래 30년동안 CMB측정의 노력을 아끼지 않았던 천문학자. 바로 금년 노벨 물리학상 수상자인 조지 스무트가 저자 입니다. 박사님이 사진을 통해 조지 스무트의 CMB 관측의 노력을 자주 설명해 주신걸 기억 하실겁니다. 남극에서 헬륨을 가득채운 기구실험을 통해 CMB 관측을 시도했지만 번번히 실패하고 맙니다. 그 후 공군의 협조를 받아 U-2 정찰기를 이용해 계속 CMB 관측을 시도합니다. 측정결과가 한층 정밀해지긴  했지만 인공위성이 CMB를 측정하기 위한 유일한 방법이라는 생각을 하게 됩니다. 마침내 인공위성을 이용한 우주배경복사 검출기에 대한 제안서를 제출하게 됩니다.

 

 2003년 12월 사이언스지 선정 10대 과학성과 중 1위로 우주배경복사(CMB)관측이 선정된 직후 국내에는 거의 알려지지 않은 CMB 관측 성과를 2004년 3월 화요토론회 강연에서 처음 언급하셨던 걸로 기억합니다. 이번 여름 강좌에서도 CMB 관측위성인 WMAP에 대해서 언급하시면서 천문학자들이 CMB를 10만분의 1수준으로 관측한 결과로 전인류가 알게된 사실을 두 가지로 요약해 주셨습니다.

1. 우주의 나이는 1백 37억년이다.

2. 인류가 그 동안 알고 있던 우주는 이번에 밝혀진 결과의 4%에 불과하다. 나머지 96%가  인류가 정체를 모르는 암측 물질과 암흑 에너지로 이뤄져 있다. 천문학자들 사이에서 암흑물질을 찾는게 연구의 핵심주제로 자리 잡았다.(단지 중력으로만 관측 가능하다./ 원자로 이뤄지지 않았다고 추정하고 있다).

강좌 첫날 역대 노벨 물리학상 수상자 목록을 나눠 주시며 우주론에 대한 초기 성과들을 살펴봤던 기억나시죠. 노벨상에 선정되기 위해선 두 가지 조건을 만족해야 합니다. 살아있는 사람의 이론이어야 하고, 모든 사람이 공감할 수 있도록 증명된 이론이어야 합니다. 역대 수상자들의 성과들을 조합해 보면 다음 번엔 누가 어떤 성과로 수상자 명단에 이름을 올릴 것인지 예측 가능하다는 말씀도 하셨죠. 6주 강연의 결론도 우주론은 더 이상 가설과 신화가 아니라는 것이었습니다. 이번 노벨 물리학상의 결과에 힘입어 문화와 인식작용에 의해 조장된‘특이함’으로서의 우주의 신비는 사라지고, 측정 가능한 정밀과학의 영역으로 다가오고 있습니다.

 강좌를 들으며 다소 생소했던 초기 우주에 대한 역사를 어렴풋이 이해하게 되었습니다. 그리고 바로 지난주에 CMB 측정으로 인해 우주론이 추측이 아닌 정밀과학의 영역이라는 것이 놀랍습니다. 이번 강좌에서 접했던 키워드들의 30% 이상이 현재 천문/우주 분야의 선두그룹에서 진행되고 논의되는 것들이 아니었다면 노벨 물리학상 수상자가 누군지? 증명된 성과가 인류에게 어떤 의미를 부여하는지 큰 관심을 갖지 않았을 것입니다. 아무도 예측 못했지만 그간의 강좌에서 학습한 맥락이 우주론의 실체과 함께 했다고 생각하니, 마치 우리반이 엄청난 과학적 발견에 동참한듯한 기분이 드네요.

알려지지 않은 96% 우주!

COBE위성, WMAP 위성의 뒤를 이어 유럽연합에서 2007년 경에 프랑크 위성을 발사한다고 합니다(우주를 이해하는데 CMB의 정밀 측정이 얼마나 중요한지 짐작할 수 있습니다). 또 다른 우주의 실체가 확인되겠죠. 앞으로 펼쳐칠 새로운 우주론이 더욱 궁금해 집니다. 박문호 박사님이 끊임없이 학습하고 이야기하는 것도 알려지지 않은 미지의 영역에 대한 갈증이 아닐까요? 오늘 부터라도 내가 진정 궁금해 하는 질문이 무엇인지 찾아보고 오래오래 마음속에 키우려 합니다.

조지 스무트의 우주의 역사에서 우주배경복사(CMB)관측의 노력을 보여주는 부분을 발췌 했습니다.

이것은 역사적 발견이 아니라면 세기적 발견임에는 틀림없다.

---스티븐 호킹----

검출기는 60도 떨어져 있는 하늘의 두 지점에서 오는 우주배경복사를 측정하면서 동시에 그 값을 비교했다. 그러나 전 하늘의 복사선을 조사하기 위해서는 위성이 지구를 100회나 돌아야 했다. 차별 마이크로파 검출기는 1990년 4 월에 처음으로 전 하늘에 대한 기초적인 조사를 마쳤다. 첫 번째 분석에서는 3 천분의 1 정도 수준에서 아무런 우주배경복사의 변화가 드러나지 않았다.

두 번째 조사에서는 1만분의 1 수준에서도 아무런 변화가 보이지 않았다. 과학 저술가 마커스 차운은 이 측정을 “기록적인 지루함”이라고 말했다.  코비의 차별 마이크로파 검출기는 1990년에서 1991년 사이에 지속적으로 더 많은 자료를 수집해서 1991년 12월에 처음으로 전 하늘의 지도를 작성했다. 이 지도를 작성하기 위해서 7 천만 번의 측정을 수행했다.

마침내 10만분의 1 수준에서 변화가 나타나기 시작했다. 다시 말해 우주배경복사의 최고점 파장은 코비가 어느 방향을 보고 있느냐에 따라 0.001% 차이를 보이고 있었던 것이다. 이것은 초기 우주에 밀도의 파동이 있었다는 것을 증명하기에 충분했고 그 후에 우주에서 일어났던 은하계의 생성을 위한 씨앗이 되기에 충분했다. 펜지아스와 윌슨이 우주배경복사를 처음으로 검출한 이후 50년이 지나서야 기다렸던 변화를 찾아낸 것이다.

암흑물질은 그 특성상 복사에 의해서는 아무런 영향을 받지 않고 중력에 대해서만 반응을 일으켜 눈에 보이는 일반 물질보다 훨씬 빨리 구조를 형성하기 시작했다. 눈에 보이는 물질은 광자의 강력한 흐름과 싸워야 했기 때문에 쉽게 응집되지 못했다. 인플레이션 이전의 우주에서 양자 요동에 의해 형성된 우주의 등고선에 따라 틀이 형성된 암흑물질은 중력의 영향으로 빅뱅 이후 1만년이 지나자 이미 응집하기 시작했다.

빅뱅 이후 30만 년 이 지나자 물질과 복사가 분리되고 눈에 보이는 일반물질(바리온)이 생성되어 암흑물질에 의해서 이미 형성된 구조로 끌려갔다. 눈에 보이는 물질이 응집하면서 항성과 은하들이 형성되었다. 이렇게 만들어진 멋진 이미지는, 평상시는 보이지 않던 거미줄에 밤새 이슬이 맺혀 아침 햇빛을 받아 뚜렷한 모습을 드러내는 것과 마찬가지 이치이다.

우리가 밤하늘에서 관찰하는 은하의 가느다란 거미줄 망은 우주라는 거미줄에 반짝거리는 이슬이며, 눈에 보이는 물질이 인력에 의해서 암흑 물질에 끌려 눈에 보이지 않는 암흑물질의 구조 형태의 윤곽을 드러내는 것이다.

우주의 역사:조지 스무트