우주 배경 복사와 태초의 빛

우주 배경 복사와 태초의 빛

우주 배경 복사와 태초의 빛

밤하늘을 채우고 있는 별들을 보면, 별들은 빛으로 우리에게 그들의 정보를 주고 있습니다. 우리는 별빛이 가득한 우주를 바라보고 있는 것입니다. 그런데 우주 공간에는 별들이 발산하는 그 찬란한 빛들 외에, 또 다른 빛들도 존재합니다. 즉, 우주 그 자체가 만들어낸 빛, 우주가 형성되던 초기 고온과 고압의 우주 상태에서 만들어진 빛, 그 태초의 빛들이 바로 그것들입니다.

태초의 빛에 대한 빅뱅 우주론의 해석

137억 년 전, 우주의 태초에 빅뱅이 있었습니다. 우주는 팽창을 시작하였고 그 직후 우주의 나이 38만 년, 우주 137억 년 역사의 가장 초기에 해당되는 어느 순간, 우주 공간에는 빛이 생겨났습니다. 초기의 뜨거운 우주 속을 떠돌아다니던 고 에너지의 빛은 우주가 점점 팽창하고 식어감에 따라서, 점점 낮은 온도의 에너지 빛으로 변화되어갑니다. 그리고 그 태초의 빛은 현재 우주에 이르기까지 우주 시공간 속에서의 우주의 팽창을 함께 경험해 왔습니다. 이와 같은 시나리오가 우주 시공간 속을 떠돌아다니는 태초의 빛에 대한 빅뱅 우주론의 해석입니다.

빅뱅 우주론

1920년대 허블은 외부 은하들의 관측을 통해서 팽창하는 우주를 발견하였습니다. 그리고 팽창하는 우주의 이러한 관측적 사실은 아인슈타인의 상대성 이론을 이론적 배경으로 그 원리적 이해를 할 수 있었습니다. 팽창하는 우주에 대한 보다 근본적인 이론적 연구를 통해서 물리학자 가모브는 대폭발 빅뱅 우주론을 제창하였습니다. 우주는 빅뱅에 의해 형성되었다는 것입니다. 빅뱅 우주론은, 우주는 빅뱅 이후 팽창을 지속하며 시간에 따라 모습이 변화한다는 일종의 진화 우주론입니다. 그 이후, 천문 관측기기의 지속적인 발전과 더불어 다양하게 수행된 우주 관측의 증거들로부터 빅뱅 우주론은 현대 표준 우주론으로 자리 잡게 되었습니다. 빅뱅 우주론의 핵심적인 관측 증거로 우주 배경 복사라는 것이 있습니다. 우주 배경 복사는 우주 태초의 빛이 현재 어떤 상태인가를 말하는 것인데, 이 우주 배경 복사가 과연 무엇인지 한번 알아보겠습니다.

우주 배경 복사

밤하늘에는 수많은 별들이 있지만, 드넓은 우주 공간을 생각해 보면, 우주 공간은 텅 비어 있는 것이나 다름이 없습니다. 이러한 텅 빈 우주 공간을 우주의 배경이라고 합니다. 이 우주의 배경 공간에서 나오는 미세한 빛 에너지의 특성을 자세히 관측해 보면. 모든 공간에서 마치 절대온도 3도, 즉 섭씨온도 -270도의 온도를 갖는 물체가 미세한 빛 에너지를 내는 것과 같이 관측되는 현상을 확인할 수 있습니다. 즉, 현재 우주의 공간 온도가 절대 온도 3도, 즉 섭씨온도 –270도라는 뜻으로 해석할 수 있습니다. 이러한 낮은 온도에 해당하는 미세한 빛은, 파장이 약 1-2mm 정도 되는 마이크로 전파의 형태로 관측이 됩니다. 현재 우주 공간 전체를 살펴보면, 이러한 마이크로 전파 에너지가 전체 우주공간에서 매우 균질하게 관측되는데, 우리는 이것을 우주 배경 복사라고 합니다. 이러한 우주 배경 복사를 더욱 정밀하게 관측해 보면, 우주 전체적으로는 절대온도 3도의 매우 균질한 분포를 보입니다. 그런데 매우 미세한 차이, 즉 10만 분의 1 정도의 매우 미세한 요동 현상이 관측됩니다. 현재 우주 공간을 가득 채우고 있는 이 균질한 마이크로 전파 에너지, 절대 온도 3도에 해당되는 균질한 빛, 이 우주 배경 복사의 정체는 과연 무엇인가?

우주 배경 복사의 정체

현대 우주론, 즉 빅뱅 우주론의 이론적 예측에 의하면, 우주 배경 복사를 나타내는 이 미세한 빛은 우주가 생겨난 직후 38만 년이 지난 당시, 최초로 전체 우주 공간에 퍼져나간 그 빛이 137억 년의 팽창을 거치면서 에너지가 매우 낮은 마이크로 전파 형태의 빛으로 변질되어 현재 우주공간에서 관측되고 있다는 것입니다. 즉, 우주의 가장 초기 공간의 모습이 지금 우리에게 변형된 모습으로 나타나고 있다는 것입니다. 팽창하는 공간 내에 있는 빛은 에너지가 점차 감소한다 라는 현상은 지난 시간에 빛의 특성을 이야기할 때, 우주 팽창에 의한 적색 이동 현상으로 설명을 한 바 있습니다. 다시 설명하면, 우주 빅뱅 직후 38만 년 시점에서 고온의 우주 공간을 채우고 있던 고 에너지의 빛이 137억 년 동안 팽창하는 우주 공간 속에서 저온의 저 에너지 빛의 형태로 바뀌어서 퍼져 있는 것이 우주 배경 복사인 것입니다. 우주에서 빅뱅의 가장 초기에 어떤 현상이 있었는지 빅뱅 우주론을 배경으로 해서 요약해보겠습니다. 빅뱅 바로 직후에는 뜨거운 물질과 빛이 섞여 있는 어둠과 혼돈의 플라스마 상태라고 이야기합니다. 이때의 빛은, 마치 안갯속과 같이 빛은 있으나 공간을 통과하지 못하는 상태입니다. 안개가 자욱한 날을 상상해봅시다. 안개 너머 분명히 저곳에는 무언가 있습니다. 그러나 그 무엇을 보여주는 빛은 안개에 뒤엉켜 공간을 자유롭게 통과하지 못합니다. 빛이 자유롭게 우리에게 전달되지 못하기 때문에 우리는 저 너머 무언가를 눈으로 확인할 수 없는 것입니다. 이런 유사한 상황을 생각하면 됩니다. 빛은 있는데 공간을 돌아다니지 못하는 상태, 그 상태가 빅뱅 바로 직후 우주의 상태입니다. 시간이 잠시 흘러 약 38만 년이라는 짧은 시간이 지나면, 우주가 약간 팽창하여 밀도가 낮아집니다 그리고 우주 공간의 절대온도가 약 3000도로 감소합니다. 그때가 되면 이 엉켜있던 물질과 빛이 분리가 됩니다. 마치 안개가 걷히면서 빛이 공간을 자유롭게 돌아다닐 수 있는 현상과 유사합니다. 이때, 빛이 우주가 형성된 이후 처음으로 우주공간을 자유롭게 돌아다닐 수 있는 빛이 되는 것인데, 온도 3000도의 물체가 내는 빛 에너지와 같은 형태가 되겠습니다. 그때 나온 빛이 이후 137억 년 동안 우주가 계속 팽창해옴에 따라, 이 빛은 우주가 계속 팽창함과 더불어 점점 더 온도가 낮아지는 파장으로 변질이 되는 것입니다. 그리고 지금 현재 우리가 살아가고 있는 바로 현재의 우주에서 전체 공간에 걸쳐 절대온도 3도에 해당되는 빛 에너지 즉, 마이크로 전파에너지로 우리에게 관측이 되는 것입니다. 잠시, 우주의 시간을 거꾸로 해서, 그렇다면 빅뱅 직후 빛이 처음으로 우주 공간을 자유롭게 움직이기 시작하는 38만 년의 시점 그 이전까지 우주에는 어떤 변화가 있었을까? 이때의 우주 초기의 현상을 요약해서 잠시 알아보겠습니다.

우주 초기의 현상

빅뱅 이전 상태의 시공간에 대해서 우리는 어떠한 정보도 얻을 수 없습니다. 이와 같이 정보의 교환이 불가능한 공간은 과학의 입장에서는 관심의 대상이 아닌 영역입니다. 즉, 존재하지 않은 영역으로 둡니다. 다만, 수학적 추측과 철학적 사고 같은 것들이 제외될 수는 없는 영역이지요. 빅뱅의 순간, 즉 우주의 시간 0초의 시점은 무의 상태에서 우주의 시간과 공간 그리고 물질과 에너지가 창조되는 바로 그 시점입니다. 그리고 빅뱅에 의해서 우주가 생겨나자마자, 급팽창 혹은 인플레이션이라는 매우 특별한 현상이 일어나면서 우주는 그 시간 이후 지금까지 팽창을 쭉 이어나가기 위한 시공간의 물리적인 초기 조건을 맞추게 됩니다. 급팽창 이후, 우주의 나이 3분에 이르기 까지 우주의 온도는 약 100억 도 정도까지 내려갑니다. 그렇지만, 여전히 엄청난 고온과 고압의 상태에서 물질들의 기본 입자들 즉 양성자, 전자, 알파 입자 같은 기본입자들을 만듭니다. 태초의 3분간 물질의 기본 입자를 모두 만드는 것입니다. 현재 우주를 구성하는 모든 물질들의 가장 기본적인 입자들은 이때 다 만들어집니다. 빅뱅 이후 3분이 지나면서 38만 년에 이르기까지 우주의 팽창이 지속되면서 공간의 크기가 증가하고 우주의 온도는 3000도 까지 내려갑니다. 그리고 우주 공간 내 입자의 밀도도 감소하면서 입자의 움직임도 점점 느려지게 됩니다. 이때 그동안 다른 입자들과 함께 혼돈의 상태로 섞여있던 광자, 즉, 빛들이 독립적으로 분리되어 우주 공간으로 자유롭게 퍼져나가게 됩니다. 우주는 빛과 물질이 분리된 투명한 상태가 되는 것입니다. 이러한 상황을 반영해서, 이 시기를 분리 시기라고 부릅니다. 물질로부터 분리되어 우주 공간으로 나온 빛은 이후 우주의 팽창과 함께 우주공간으로 퍼져 나가는 것입니다. 우주 형성 직후 38만 년의 시점으로 돌아와 보겠습니다. 우주의 나이 38만 년 이후에도 우주는 계속 팽창을 합니다. 물질로부터 분리된 3000도 온도의 에너지 복사에 해당하는 최초의 빛, 그 빛이 우주 공간으로 자유롭게 움직입니다. 그런데 이 빛은 우주 공간의 지속적으로 팽창함과 더불어, 원래 에너지 보다 파장이 긴 에너지의 빛으로 점점 변형됩니다. 137억 년이 지난 지금까지 팽창하는 우주 공간을 떠돌아다니던 빛은 파장은 수 mm의 크기를 갖는 마이크로 전파 형태로 변형되어 마치 절대 온도 3도의 온도를 가진 물체가 내는 빛 에너지의 형태로 현재의 우주 공간에 균일하게 산재되어 있을 것입니다. 바로 이러한 빅뱅 현상에 대한 이론적 원리를 적용해서, 가모브를 비롯한 물리학자들은 분리 시기 즉, 우주의 나이 38만 년에 우주에 가득하던 온도 3000도에 해당하는 태초의 빛은 우주의 팽창으로 인한 적색 편이 현상으로서, 우주의 나이 137억 년이 지난 현재 절대온도 3도에 해당하는 빛으로 변형되어서 마이크로 전파의 형태로 관측될 것이고, 바로 그 빛들은 현재 우주공간 전체에 등방적으로 균질하게 분포하고 있을 것이라고 예측하였습니다. 이때가 1948년입니다.