빅뱅 | Cosmos Banter

우주는 뜨겁고 밀도가 높은 상태에서 팽창해 왔다

빅뱅 이론은 우주가 매우 뜨겁고 밀도가 높은 초기 상태에서 팽창하며 식어 왔다는 설명이다. 오늘날 관측한 은하의 움직임, 우주에 남아 있는 빛, 가벼운 원소의 양이 이 설명을 뒷받침한다.

우주의 나이는 현재의 표준 우주 모형으로 계산하면 약 138억 년이다. 당시의 우주에는 별과 은하가 없었다. 우주가 식으면서 원자가 만들어졌고, 이후 중력으로 가스가 모여 별과 은하가 형성되었다.

약 138억 년 관측 자료와 표준 우주 모형으로 추정한 우주의 나이
처음 몇 분 헬륨 등 가벼운 원소의 원자핵이 만들어진 시기
약 38만 년 후 원자가 형성되고 빛이 멀리 이동할 수 있게 된 시기
세 가지 주요 근거 우주 팽창, 우주배경복사, 가벼운 원소의 비율

은하 사이의 거리가 멀어지고 있다

멀리 있는 은하의 빛을 분석하면 파장이 길어진 정도를 측정할 수 있다. 이를 적색편이라고 한다. 대체로 먼 은하일수록 적색편이가 크며, 이는 우주가 팽창하면서 빛의 파장도 늘어난다는 설명과 맞는다. 단순히 은하가 붉게 보이는지만 비교하는 것은 아니다.

이 팽창을 과거로 되짚으면 우주의 물질은 지금보다 좁은 공간에 모여 있었고 온도도 높았다는 결론에 이른다. 팽창에는 특정한 중심이 없다. 어느 은하를 기준으로 삼아도 충분히 큰 규모에서는 은하 사이의 거리가 평균적으로 멀어진다. 다만 중력으로 묶인 태양계나 은하 내부가 같은 방식으로 늘어나는 것은 아니다.

우주 팽창은 은하 사이의 거리가 커지는 현상이다.

빅뱅을 폭발에 비유하면 한 지점에서 물질이 사방으로 날아간다고 오해하기 쉽다. 빅뱅 이론이 설명하는 것은 우주 전체의 팽창과 온도 변화다.

초기 우주의 빛이 지금도 관측된다

초기 우주에서는 빛이 자유 전자에 자주 부딪혀 멀리 이동하기 어려웠다. 빅뱅 후 약 38만 년이 지나 우주가 식자 전자와 원자핵이 결합해 원자를 이루었다. 그때부터 멀리 이동할 수 있게 된 빛이 오늘날 우주배경복사(CMB)로 관측된다. 우주가 팽창하는 동안 파장이 길어져 지금은 마이크로파 영역에서 측정된다.

COBE 위성은 우주배경복사의 스펙트럼을 측정했다. 결과는 약 2.725 K의 물체가 열평형 상태에서 내는 빛의 분포와 매우 가깝다. WMAP과 Planck 위성은 하늘 방향에 따라 나타나는 미세한 온도 차이도 측정했다. 이 차이에는 훗날 은하가 형성되기 전 물질의 분포에 관한 정보가 담겨 있다. 우주배경복사는 빅뱅 직후 약 38만 년이 지난 우주를 보여 준다.

처음 몇 분: 양성자와 중성자가 결합해 헬륨 등 가벼운 원자핵을 만든다.
약 38만 년 후: 전자가 원자핵과 결합하고 빛이 멀리 이동하기 시작한다.
이후 수억 년 동안: 가스가 중력으로 모이며 첫 별과 은하가 형성된다.
약 138억 년 후, 현재: 팽창한 우주에서 초기의 빛을 마이크로파로 관측한다.

헬륨의 양으로 초기 우주를 검증한다

양성자 하나는 그 자체로 가장 흔한 수소의 원자핵이다. 초기 우주의 처음 몇 분 동안에는 양성자와 중성자가 결합해 헬륨 원자핵 등을 만들었다. 이를 빅뱅 핵합성이라고 한다. 계산에 따르면 이 과정 뒤 보통 물질의 질량은 대략 수소 75%, 헬륨 25%로 나뉘며, 이 비율은 별에서 크게 가공되지 않은 물질의 관측과 잘 맞는다.

중수소의 양도 핵합성 계산을 검증하는 중요한 자료다. 중수소는 양성자 하나와 중성자 하나로 된 원자핵을 가진 수소다. 다만 리튬-7은 계산한 양과 오래된 별에서 측정한 양이 일치하지 않아 연구가 계속되고 있다. 탄소와 산소 같은 무거운 원소는 주로 나중에 별 내부의 핵반응을 통해 만들어졌다.

우주의 시작은 아직 밝혀지지 않았다

팽창과 냉각 뒤 가스가 모이고 별과 은하가 형성되는 과정은 오늘날의 우리은하와 태양계로 이어진다. 빅뱅 이론은 이 긴 변화를 설명하지만, 우주가 왜 존재하게 되었는지까지 밝혀낸 이론은 아니다.

아주 이른 시기에 극히 짧은 급팽창이 있었다는 인플레이션 가설은 우주가 큰 규모에서 고르게 보이는 이유 등을 설명한다. 그러나 무엇이 그 급팽창을 일으켰는지는 확인되지 않았다. 우주의 팽창률도 가까운 천체로 측정한 값과 우주배경복사에 모형을 적용해 추정한 값 사이에 차이가 남아 있다. 관측 오차인지 이론에 보완이 필요한지 연구 중이다.

특이점은 계산에서 밀도 같은 물리량이 무한대로 커져 현재 이론으로 설명하기 어려워지는 지점을 뜻한다. 블랙홀에서 말하는 특이점과 빅뱅을 거슬러 올라갈 때 등장하는 특이점은 모두 현재 이론의 적용 한계를 생각하게 한다. 수학적 계산에 특이점이 나온다는 것만으로 실제 우주가 무한히 작은 한 점에서 시작했다고 확인할 수는 없다. 빅뱅 이전에 무엇이 있었는지도 아직 확정된 답이 없다.

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