"빅뱅(대폭발)이란 무엇인가?"
딱딱! 안녕하세요. 지식연구소 딱따구리입니다.반갑딱:)
이번주제는 우주가 처음 거대한 폭발로 인해 만들어졌다고 설명하는 이론, 빅뱅이론에 대해서 다뤄보겠습니다.
그럼 우주가 어떻게 생겨나게 되었는지 같이 알아볼까요?
대폭발(大爆發, 영어: Big Bang 빅뱅)은 천문학 또는 물리학에서, 우주의 처음을 설명하는 우주론 모형으로, 매우 높은 에너지를 가진 작은 물질과 공간이 약 137억 년 전의 거대한 폭발을 통해 우주가 되었다고 보는 이론입니다. 이 이론에 따르면, 폭발에 앞서, 오늘날 우주에 존재하는 모든 물질과 에너지는 작은 점에 같혀 있었다고 합니다. 우주 시간 0초의 폭발 순간에 그 작은 점으로부터 물질과 에너지가 폭발하여 서로에게서 멀어지기 시작했습니다. 이 물질과 에너지가 은하계와 은하계 내부의 천체들을 형성하게 되었습니다. 이 이론은 우주가 팽창하고 있다는 에드윈 허블의 관측을 근거로 하고 있습니다. 또한 그는 은하의 이동 속도가 지구와의 거리에 비례한다는 사실도 알아냈습니다. 이는 은하가 지구에서 멀리 떨어져 있을 수록 빠르게 멀어지고 있음을 의미합니다. 정상우주론을 제외하면 아직 거의 유일한 과학적 우주 탄생 이론입니다.
벨기에의 로마 가톨릭 사제이자 천문학자인 조르주 르메트르는 우주의 기원에 대하여, 후에 대폭발 이론이라 불리게 되는 추측을 하였는데, 그는 이것을 "원시원자에 대한 가설"이라 불렀습니다. 이 모형의 틀은 알베르트 아인슈타인의 일반 상대성 이론과 단순화 가정(공간의 균질성과 등방성과 같은)을 기반으로 합니다. 이것의 지배방정식은 알렉산드로 프리드만에 의해 공식화되었습니다. 르메트르가 1927년에 제시한 대로, 에드윈 허블이 1929년 멀리 떨어진 은하들의 거리가 그것들의 적색 편이와 비례하다는 것을 발견했습니다. 1964년에는 우주의 극초단파를 연구하는 천문학자들이 우주에서 초단파 잡음이 난다는 사실을 발견했습니다. 이 초단파 잡음은 어떤 한 영역에서 나오는 것이 아니라, 우주의 모든 곳에서 발생했습니다. 이 초단파 잡음은 초기 대폭발에서 남겨진 복사 잡음으로 추정되고 있습니다. 만일 현재 은하단들 사이의 거리가 점차 멀어지고 있다면, 과거에는 모두가 서로 가까이 모여있었을 것입니다. 이러한 발상은 결국 극도로 밀집되고 극도로 뜨거웠던 시점이 과거에 존재했을 것이라는 추측으로 귀결되었고, 이 이론과 비슷한 상황을 재현하고 확인하기 위해 커다란 입자 가속기가 만들어졌지만, 입자 가속기는 결국 이러한 고에너지영역을 조사하는 데 기능적 한계를 나타냈습니다. 대폭발 이론이 최초의 팽창 이후 우주의 일반적인 변화에 대해 설명해낼 수 있다 하더라도, 팽창 직후와 연관된 아무런 증거도 없이는 이러한 기본적인 상황에 대해 어떠한 입증도 할 수 없습니다. 우주를 통틀어 보이는 빛에 대한 관측 결과는, 대폭발 핵합성에 충분히 논리적으로 설명된 예측, 즉 우주 처음 몇 분 간의 급속한 팽창과 냉각 속에서 발생한 핵반응으로부터 형성된 빛에 대한 계산과 거의 맞아 떨어졌습니다.
영국의 천문학자 프레드 호일은 "대폭발"(영어: Big Bang 빅뱅)이라는 단어를 1949년 어느 라디오 방송에서 처음 언급했습니다. 그가 주장했던 정상우주론(우주가 밀도를 일정하게 유지한 채 물질이 계속 생성되면서 팽창한다는 이론)을 본인이 별로 중요히 여기지 않는다는 이야기가 퍼지자, 호일은 이를 강하게 부정하고 방송에서의 언급은 단지 두 우주론의 가장 큰 차이점을 설명하기 위해 사용한 단어일 뿐이라고 일축했습니다. 호일은 나중에, 가벼운 원소로부터 무거운 원소가 형성되는 항성 핵합성 과정을 이해하기 위해 연구에 매진했습니다. 1964년 우주 마이크로파 배경을 발견하고, 그것의 스펙트럼(각 파장으로부터 계산 된 복사량)으로부터 흑체 곡선을 그려낸 후, 이 증거를 들어 대부분의 과학자들은 과거 대폭발 시나리오가 발생한 것이 확실하다고 믿게 되었습니다.
대폭발 이론은 우주의 구조에 대한 연구와 고잘로부터 만들어졌습니다. 1912년 베스토 슬라이퍼는 한 나선 은하의 도플러편이를 처음으로 계산해냈고, 곧 거의 모든 은하들이 지구로부터 멀어지고 있음을 발견했습니다. 그는 이 사실로부터 우주론적 의미를 찾으려 하지는 않았는데, 당시엔 이러한 '성운'들이 과연 우리 은하 바깥의 '개별 은하'인가 아닌가에 대해서 논쟁이 매우 활발했기 때문입니다. 10년 뒤, 러시아의 우주론자이자 수학자인 알렉산드르 프리드만은 알베르트 아인슈타인의 일반 생대성 방정식으로부터, 아인슈타인이 당시에 옹호했던 정적 우주 모형에 반하는, 우주는 팽창하고 있을 수 있음을 보이는 프리드만 방정석을 도출해냈습니다. 1924년, 에드윈 허블이 계산해 낸 가장 가까운 '성운'의 엄청난 거리는, 이러한 천체들이 결국엔 다른 은하였다는 것을 알려줬습니다. 1927년, 벨기에의 물리학자이자 로마 가톨릭교회의 사제였던 조르주 르메트르는, 프리드만의 방정식만으로 성운들의 후퇴가 우주의 팽창에 기인하고 있음을 예견했습니다.
1931년 르메트르는 더 나아가, 시간의 흐름에 따른 명백한 팽창은, 과거로 갈수록 우주가 수축하고 결국에는 우주의 모든 물질이 하나의 점인 "원시 원자"로 모여, 시간과 공간이 존재하지 않는 시점이 있었다는 것을 보여준다고 언급하였습니다.
1924년 초, 허블은 윌슨 산 천문대에 설치된 100인치(2,500mm) 구경의 후커 망원경을 사용하여, 우주 거리 사다리의 시초라 할 수 있는 원거리 계산법을 개발하였습니다. 이로써 그는, 대부분 슬라이퍼에 의해 이미 적색 편이가 계산된 은하들의 거리를 추산할 수 있었습니다. 1929년 허블은 허블의 법칙으로 알려진, 거리와 후퇴 속도와의 관계를 발견해냈습니다. 르메트르는 우주원리를 통해, 이미 이러한 발견을 예견한 바 있습니다.
1930년대에만 해도, 밀른 모형과 진동 우주(프리드만이 처음 제안했으나 알베르트 아인슈타인과 리처드 톨먼이 주장한), 그리고 프리츠 츠비키의 지친 빛 가설을 포함한 여러 생각들은 허블의 관측을 뒷받침하는 비정상 우주론으로 여겨졌습니다.
2차 세계대전 이후, 두 가지 차이점이 드러났습니다. 하나는 우주가 확장을 하게 된다면 새오운 물질이 생성될 것이라는 내용의 프레드 호일의 정상우주론으로, 이 모형에서 우주는 어느 시점에서나 거의 같은 상태입니다. 또 다른 하나는 르메트르의 대폭발 이론으로, 랄프 알퍼, 로버트 허먼과 협력하여 대폭발 핵합성(BBN)을 소개하였고 우주 마이크로파 배경을 예견한 조지 가모프가 지지하고 발전시켰습니다. 역설적이게도, 1949년 3월 있었던 BBC 라디오 방송에서 르메트르의 이론을 "이 대폭발 아이디어"라고 비꼬아 언급하여 결국 모두가 사용하는 명칭으로 만든 장본인은 바로 호일 이었습니다. 당분간은 이 두 가지 이론으로 사람들의 지지가 나뉘었지만, 결국 그때 가장 유력했던 정상우주론이 승리하였습니다. 그러나, 1964년의 우주 마이크로파 배경은 대폭발 이론을 우주의 기원과 진화를 설명하는 데 가장 훌륭한 이론으로 자리잡게 하였습니다. 우주론에 관련된 최근의 연구 중 상당수는 대폭발 이후 은하들이 어떻게 형성되었는지, 초창기의 우주가 갖고 있는 물리적 특성이 무엇인지 이해하기 위한 것이거나, 기존의 이론과 관측 결과를 일치시키기 위한 것이 많았습니다.
대폭발 우주론은 1990년대 후반, 발달된 망원경 기술의 결과인 허블 우주 망원경과, COBE나 WMAP과 같은 위성으로부터 모은 방대한 자료의 분석과 더불어 큰 발전을 이루었습니다. 우주론자들은 이제 대폭발 모형의 많은 변수들에 대한 거의 정확한 계산값을 갖게 되었고, 더 나아가 이전에는 예상하지 못했던, 우주의 팽창이 더 가속화되고 있음을 발견하였습니다.
어때요? 우주가 어떻게 생겨났는지 알게되셨나요?
정리하자면 엄청난 고에너지를 가지고있는 물질과 공간이 한 점에서 폭발(팽창)되어 우주가 생겨나게 됐다는 말인 것 같습니다. 참으로 신기하지않나요? 폭발이 일어나기 전에는 무의 공간이었을텐데.. 그 공간을 얼마나 무서울까요?? 아무것도 보이지 않고 아무것도 없는 곳.. 상상만 해도 무섭습니다.
자. 이렇게 태초의 우주가 생겨나게 된 빅뱅이론에 대해 알아보았습니다.
다음 시간에는 천재적인 과학자, 일반 상대성이론을 제시한 알베르트 아인슈타인에 대해 알아보겠습니다.
그럼 오늘도 좋은하루보내시구요. 다음시간에 만나요 딱딱:)
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