빅뱅 우주론이 거쳐온 길부터 암흑물질의 중요성까지

1. 빅뱅과 외계 문명을 연구한 자들, 노벨물리학상을 수상하다.

인류는 지금껏 지구를 중심으로 우주를 이해하려고 했다. 그러나 현대 빅뱅 우주론을 통해 우주는 지구 중심으로 돌아가지 않는다. 우주는 자신의 시간과 역사를 가지고 나아가고 있으며, 거기다 지구는 이 큰 우주 속에서 아주 작은 먼지같은 것이라고 알게 되었다. 그럼 어떻게 이런 우주에서 현재 우리 인간만 문명을 가진 것으로 보이는가?

2019년 노벨물리학상 수상자. 좌측부터 물리우주론의 이론적 발견의 공적을 세운 피블스 교수, 태양과 같은 항성을 공전하는 외계 행성을 발견한 마요르 교수 및 켈로 교수 (출처 : theguardian.com)

2019년 노벨물리학상은 두 부분으로 나눠졌는데, 첫 번째는 우주론, 두 번째는 외계행성 발견이다. 총 3명의 학자가 노벨물리학상을 수상하게 되었는데, 물리우주론의 이론적 발견의 공적을 세운 피블스 교수, 태양과 같은 항성을 공전하는 외계 행성을 발견한 마요르 교수와 켈로 교수가 각각 노벨상을 수상하게 되었다. 빅뱅 우주론에서는 우리 우주가 4차원 우주 시공간으로 본다. 그 우주에서 외계 행성에 대한 연구도 활발히 이뤄지고 있는데, 이런 우주에서 외계 행성을 탐구한다는 것은 곧 우리를 다시 돌아볼 수 있는 계기가 된다. 여기서 '빅뱅 우주에서 우리 인류는 유일한 존재인가?'라는 질문이 지속적으로 이뤄지고 있고, 이에 대한 연구 결과를 보여준 세 학자들에게 노벨상이 수여되었던 것이다.

 

2. 빅뱅 우주론의 역사

연도	핵심 인물 및 단체	연구
1925	알베르트 아인슈타인	일반상대론 발표
1927	조르주 르메트르	르메트르 법칙 주장
1929	에드원 파월 허블	허블-르메트르 법칙 확인
1948	조지 가모프, 랠프 애셔 앨퍼, 로버트 허먼	우주배경복사 예측
1964	아노 앨런 펜지어스, 로버트 우드로 윌슨	우주배경복사 우연히 발견
1978년	아노 앨런 펜지어스, 로버트 우드로 윌슨	노벨물리학상 수상 (우주배경복사 발견)
1989~1993	NASA	COBE -> 우주배경복사 관측
1990~(2025)	허블 우주 망원경	허블 울트라 딥 필드 발견 다양한 초신성, 성운 발견 우주팽창설 입증 우주의 나이 추정치 증가 블랙홀, 외계행성 직접적 관측 성공 ...
1998	마크 암스트롱(Mark Armstrong)	SN 1998aq(la형 초신성) 관측 -> 가속팽창우주 증거
2001~2010	NASA	WMAP -> 우주배경복사 온도의 미세한 차이 측정
2006	존 매더, 조지 스무트	노벨물리학상 수상 (우주배경복사의 비등방성과 흑체 형태 발견)
2009~2013	ESA	플랑크(Planck) -> 우주배경복사의 비등방성 매핑
2011	솔 펄머터, 브라이언 슈밋, 애덤 리스	노벨물리학상 수상 (초신성 관찰을 통해 우주 팽창 속도가 가속됨을 발견)
2019	제임스 피블스	노벨물리학상 수상 (암흑물질, 암흑에너지 등 우주론의 이론적 발견)

1915년, 알베르트 아인슈타인이 일반상대론을 발표했고, 이후 1929년, 에드원 파월 허블이 우주가 팽창하고 있다는 것을 관측으로 확인해 허블-르메트르 법칙(구칭, 허블 법칙)을 정립했다. 그러고나서 1948년 우주 전체를 채우고 있다는 빛이 있다는 우주배경복사론이 등장했는데, 이는 1976년 발견되어 우주배경복사라는 이름으로 세간에 알려지게 된다. 이로 인해 빅뱅 우주론이 점점 입증되어 가고 있었다. 그러다 1990년대부터 2000년대까지의 다양한 관측 결과를 통해 우주는 팽창하고 있다는 것을 확인하게 되었다. 이런 업적 덕택에 노벨물리학상 우주론 부문에서 지금껏 4번(1978, 2006, 2011, 2019)이나 상을 받게 되었다.

빅뱅우주의 역사 (출처 : astro.kasi.re.kr)

이를 종합해보면, 처음에 빛이 나오지 못하는 과거가 있었는데, 어느 순간 빅뱅이 일어났으며, 그때 일어난 우주 배경 복사를 지금에서야 관측할 수 있게 되었다. 그리고 빅뱅이 일어난 뒤 우주는 점차 가속팽창하며, 별, 은하 등 다양한 천체를 만들며 발전해왔다.

 

3. 빅뱅의 증거 - 우주 배경 복사

2001년 WMAP가 찍은 우주배경복사 (출처 : NASA)

우주 배경 복사(CMBR)은 관측 가능한 우주의 전방향에서 동일하게 관측되며(등방성을 가지며), 거의 균일하게 우주를 가득 채우고 있는 마이크로파 전자기 복사를 말한다. 그 스펙트럼은 2.725K의 흑체복사에 극히 잘 일치하고 있다는 특징이 있다.

 

우주 배경 복사는 아주 균일한데 왜 이렇게 색깔차가 많이 나는 것처럼 보이는 걸까?

절대온도로 봤을 때 약 2.725K 온도를 쫙 뿌리는데 그 온도에서 우주 배경 복사는 10만 분의 1 차이로 약간 어둡고 약간 밝은 차이가 있다. 즉, 우주 배경 복사에서 가장 뜨거운 부분과 가장 차가운 부분의 차이는 2.725K 기준으로 10만분의 1 차이도 되지 않는다. 그럼 이 정도 작은 차이는 무시해도 되지 않을까라고 생각할 수 있겠지만, 사실 그 작은 차이에서 새로운 정보가 숨어있다는 것을 이론적으로 규명했고, 관측으로 확인되었다.

우주배경복사를 찍은 COBE, WMAP, 플랭크 위성과 그들이 찍은 사진의 화질 (출처 : NASA)

대략 138억 년 전 일어난 것으로 보이는 빅뱅이 남긴 고대의 빛을 측정하기 위해 다양한 위성들이 쓰였었다. 우선 1989년 발사된 COBE는 빅뱅 이론을 뒷받침하는 임무의 증거로 고대에서 온 빛의 아주 미세한 변화를 관측했고, 그 결과 존 매더, 조지 스무트는 2006년 노벨물리학상을 받게 된다. 비등방성이라 불리는 이러한 변형은 NASA의 WMAP를 통해 더욱 선명하게 관측되었다. 2001년에 시작된 WMAP의 임무는 우주의 팽창(인플레이션)데 대한 강력한 증거를 발견했는데, 이 우주 팽창은 우리 우주의 크기가 극적으로 확장되었을 때의 우리 우주의 초기 시대였으며, 더 좋은 화질로 우리 우주의 기본적인 특징들을 전보다 더 잘 측정할 수 있었다.

2013년에 플랑크 위성이 찍은 우주배경복사 (출처 : ESA)

2009년 ESA 주관하에 발사된 플랑크(Planck)는 우리가 우주에 대해 알고 있는 것을 정밀하고 미세하게 조정하면서 가장 최신 버전의 우주 배경 복사 사진을 찍어왔다. 그 사진이 바로 위에 찍힌 사진이다.

평평하지 않은 우주를 갖는 것은 현재의 우주와 비교해 우리가 우주배경복사(CMBR)에서 본 것 사이에 왜곡을 일으키게 될 것이다. (출처 : NASA)

어쨌든 블랙홀 주위에서 빛이 휘어나간다. 이를 우주 전체로 확대해서 봤을 때, 우주에서 빛이 우리에게 오는 동안 휘어질 수 있다. 이것이 아인슈타인이 제시한 상대성 이론이다. 우주 어디를 보더라도 이와 같이 저 멀리서 오래 전에 한 작은 공간에서 출발한 그 빛이 우리에게 올 땐 빛이 휘어져 온다. 이는 휘어진 정도에 따라 넓은 영역으로 확대된 것처럼 보이거나 원래 보다 더 좁아져서 관측되거나 아니면 평평하게 직진해서 와 왜곡이 생기지 않을 수도 있다.

이 말이 다른 방향을 보면 다르게 보인다는 말이 아니다. 3차원 공간에서 어느 곳을 보더라도 그렇다는 것이며, 우리가 살고 있는 우주는 단순한 3차원 공간이 아니라는 말이다. 무언가 다른 공간을 설정하던지 빛의 경로를 새롭게 생각해야 할 수도 있다. 그래서 실제로 관측된 우주 배경 복사 사진 자체도 왜곡이 될 수 있으니 과학자들은 이 점을 염두에 두고 우주 배경 복사를 연구했다. 그 결과!

 

4. 암흑물질

우주의 구성 요소 비율 (출처 : tamilastronomy.in/)

우주는 보통물질(normal matter) 5%, 보통물질과 비슷한 성질을 가져 은하 주위에 분포하는 암흑물질 26%, 우주 진동을 채우고 있는 암흑에너지 69%로 이뤄져있다는 것을 밝혀냈다. 여기서 암흑물질은 보통물질처럼 중력에 반응하지만, 빛과 반응을 하지 않아 측정을 아직 하기 힘들다. 이들은 은하 내부 빈 공간을 채우며, 이는 이전 관측 기록보다 중력이 더 커진다는 말이다. 그러면 자연스레 별의 운동이 빨라지게 된다. 반면, 암흑에너지는 은하들 사이 우주 진공을 채우는 에너지로 진공 자체의 성질을 가진다.

암흑물질이 많은 은하(우측)이 암흑물질이 적은 은하(좌측)보다 빨리 돈다. (출처 : tenor.com/ru)

과거에 암흑물질이 덜 축적되어 있던 때의 은하보다 지금 현재 은하 중심부의 암흑물질 밀도가 더 높다. 그렇다면 그 은하는 더 빨리 회전하게 된다. 그런데 왜 우리 인간은 암흑에너지와 암흑물질의 존재를 느끼지 못할까? 정답은 암흑에너지와 암흑물질 모두 밀도가 매우 작기 때문이다.

	지구	태양	암흑물질	암흑에너지
밀도	~ 5.5g/cm³	~ 1.4g/cm³	~ 10^(-24)g/cm³	~ 7*10^(-30)g/cm³ ~ 양성자 4개/m³

단순히 g/cm³ 당만 보면 암흑물질과 암흑에너지의 밀도는 매우 작다. 그러나 은하 전체 범위로 본다면 암흑물질의 비중이 크고, 우주 전체 범위로 보면 암흑에너지의 비중이 크기 때문에 우주 단위에서는 암흑물질과 암흑에너지는 매우 중요하다!