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|  | 현대의 우주론 |  | |
| 1920년대 말에 허블이 우주가 팽창하고 있다는 것을 발견한 이후 동적인 우주의 연구가 일반 상대론을 토대로 표준 모형 우주론이 개발되기 시작한다. 이미 허블의 발견 이전부터 아인슈타인은 자신의 장방정식이 동적인 우주를 나타낸다는 것을 알았고 프리드만도 팽창하는 우주의 해를 몇 가지 발견한 상태였다. 하지만 우주가 정적일 것이라는 믿음때문에 아인슈타인은 자신의 방정식에 우주항을 삽입하였고 허블에 의해 우주팽창의 실험적 증거가 관측될 때까지는 많은 사람들은 우주가 정적이라는 것에 아무런 의심을 할 수가 없었다.
오늘날의 빅뱅 모델과 유사한 우주모델을 최초로 주장한 사람은 조르주 앙리 르메트르였다. 그는 자신의 이론을 ˝원시원자에 대한 가설˝ 이라고 불렀고 우주가 단일한 원시양자(원자)에서 태어났다고 주장했다. 그는 당시의 화제거리였던 양자론과 열역학으로부터 시간과 공간의 개념이 정적인 것이 아니며 시간과 공간의 개념은 본원적인 양자가 충분한 숫자의 양자로 분리된 이후에 실질적인 의미를 가진다고 하였다.
르메트르의 원시원자 가설은 그의 스승인 에딩턴에게 수용되었고 인기가 높았지만 과학적인 검증의 뒷받침이 없었기 때문에 그의 주장은 틀렸음이 밝혀졌다.
1940년대 초에는 원자핵에 대한 사실이 많이 알려져 있었다. 조지 가모프는 이를 바탕으로 우주의 중심체가 되는 물질과 복사를 일반 상대론에 적용시켜 우주의 진화에 대한 연구를 하기 시작했다. 그는 1948년에 알퍼 베테와 함께 후일 알파 베타 감마 이론으로 불려지는 공동 논문을 발표한다. 이 논문에서 가모프는 태초에는 우주가 아일럼(ylem : 원시물질)으로 이루어져 있었다고 주장한다. 그리고 전 우주에 있는 모든 원소는 빅뱅 이후 20분 동안 생성되었다고 한다.
이 이론은 수소와 원자의 기원에 대해서는 쉽게 설명할 수 있지만 그보다 무거운 원소에 대해서는 설득력 있는 해명을 하지 못했다. 알퍼와 허먼은 그 후에도 현대 우주론의 기반이 되는 중요한 논문을 또 발표했다. 그들은 우주가 극도로 뜨거운 창조의 불덩어리로 시작하였으며 팽창하는 과정에서 복사 즉 열이 지속되었지만 점차 약해졌을 것이라고 생각했다. 수백억도의 온도에서 탄생한 우주는 시간이 흐르고 공간이 팽창함에 따라 점차 식어갔다. 그들은 오늘날 우주의 온도를 절대온도 약 5도로 추정했다. 알퍼와 허먼의 논문에는 빅뱅의 분명한 증거인 우주 배경 복사의 예측이 들어 있었다.
우주 배경 복사의 관측은 1964년 우연한 기회에 펜지아스와 윌슨에 의해 이루어졌다. 그들은 홀름델 안테나를 이용해서 에코 1호와의 통신을 방해할 수 있는 노이즈 레벨을 측정하고 있었는데 전혀 예상치 않게 지속적인 극초단파 복사(파장 7.35㎝)를 발견했다. 그 복사는 균일하게 절대 온도 3.5도였다. 그들은 어떤 방법으로도 안테나에서 그 잡음을 없앨 수 없었으며 결국 그 전파신호는 하늘의 모든 방향으로부터 온다는 것으로 결론지었다. 이것은 빅뱅의 흔들릴 수 없는 증거가 발견된 것이었다.
폴 디랙은 특수상대성 이론과 양자역학을 통일시키려는 노력을 통해, 1929년 반물질의 존재를 주장했다. 물질이 에너지에서 탄생했을 때, 똑같은 양의 반물질도 함께 생성되었다는 것이다. 따라서 우주에는 똑같은 양의 물질과 반물질이 존재해야 한다는 것이다. 하지만 현대 우주론의 관점에서 볼 때 물질-반물질의 비대칭성은 다음과 같이 설명될 수 있다.
빅뱅 이후 처음 백만 분의 일초 동안에 일어난 과정을 통해 물질이 반물질에 비해 약간 많게 되었다. 그런 다음 물질과 반물질은 상호 소멸을 일으키면서 막대한 양의 에너지를 방출했다. 이 과정에서 근소한 차이로 많은 물질이 살아 남아 우주를 형성하게 되었다는 것이다. 물질-반물질 소멸과정에서 나온 거대한 에너지는 우주 배경 복사 광자의 형태로 증명된다. 여기에서 바리온은 우주광자에 비해서 십억개에 한개꼴이었다. 현재의 우주는 거의 배타적으로 물질로만 이루어져 있을 것이고 우주광자와 바리온의 비율은 10억 대 1 정도가 될 것이다. 이런 사실은 오늘날 실험적으로 확인되었다.
1970년대 말엽에 고전적인 빅뱅이론은 비교적 질서정연하게 우주의 탄생과 진화과정을 설명하였다. 150억년 전에 있었던 원시적 사건이 벌어진 다음 중력은 평균보다 높은 밀도를 가진 영역(우주의 씨앗)을 형성해서 그 곳에서 은하가 서서히 응축하게 만들었다. 만약 그렇지 않았다면 우주는 중간상태의 밀도로 균질한 상태를 유지했을 것이다. 그래서 우주는 이렇게 거미줄 같은 은하들이 드문드문 존재하는 상태였다.
쌍극 비등방성의 관측으로 은하계가 회전하고 있고 또 600㎞/s의 속도로 우주 속에서 이동하고 있다는 것을 알게 되었다. 그 결과 거대한 질량을 가지는 천체의 존재를 예측하게 되었고 마침내 거대 중력원(Great Attracter)을 발견했다. 이는 우주의 구조가 우리의 생각과는 달리 균질하지 않으며 그 구조도 복잡해지는 것을 의미한다.
1986년 발레리드 래퍼런트, 마가렛 겔러 그리고 존 허츠라는 매우 획기적인 논문을 발표한다. 그들은 은하가 우주 공간 속에 거품 모양으로 분포하는 경향이 있다는 사실에서 한걸음 더 나아가 그보다 훨씬 더 큰 대규모 구조가 존재한다는 증거를 발견했다. 그 대규모 구조는 크기가 수백억 광년에 이르는 것이었다. 그레이트 월(Great wall)이라는 은하로 이루어진 거대한 벽은 수천의 은하로 이루어진 매우 복잡한 구조를 가지고 있다. 그레이트 월과 같은 거대한 질량 집중과 균형을 이루기 위해서 다른 한 편으로는 거대한 공동(Great Void)이 존재한다. 그 중에서 가장 유명한 것이 목동자리에 있는 그레이트 보이드인데 그 직경이 무려 1억 광년이나 된다.
관찰과 이론의 양 측면에서 발견된 여러 가지 증거를 토대로 현재의 우주가 오랫동안 우리가 생각했던 것보다 훨씬 더 불균일한 구조를 가지고 있음을 분명히 알 수 있다. 그러나 은하단 초 은하단 그리고 이보다 훨씬 더 큰 대규모 구조들이 보이지 않는 암흑 물질을 동반할 것으로 믿기 때문에 이것이 사실이라면 실제 질량의 집중도는 그 몇 배가 되는 셈이다. 따라서 이러한 구조 속에 얼마나 많은 암흑 물질이 존재하는가의 여부가 우주의 불균일성의 정도를 결정하게 될 것이다.
우주배경복사의 관측 결과를 토대로 초기 우주에 나타났던 원시 주름이 매우 작았다는 사실을 알고 있다. 그 주름은 중력의 영향으로 물질이 합쳐지고 구조를 형성하게 된 씨앗이다. 편차가 아주 작았기 때문에 만약 오늘날의 우주구조가 빅뱅 이후 150억년 동안 형성되었다면 우주 속에 형성된 물질의 양은 한계가 있을 것이다. 만약 우주가 임계 밀도에 가까운 평균 밀도를 가지고 있으면 일부 지역은 실질적으로 1보다 큰 오메가 값을 가진 반면 다른 지역은 그보다 작았을 것이다. 오메가 값이 1보다 큰 지역은 궁극적으로 수축해서 우주의 구조를 형성하고 밀도가 보다 작은 지역은 공동이 되어 오늘날의 우주와 같은 거품 모양의 구조를 이루게 되었을 것이다. 따라서 오메가 값이 1에 가까울수록 우주는 오늘날 관측되는 모습에 가까운 구조를 가지는 것이다.
1979년 앨런 구스는 인플레이션이론을 주장했다. 이 이론은 우주론의 매우 중요한 세 가지 문제를 해명해 준다. 첫번째로 인플레이션 이론은 우주배경복사의 균질성으로 밝혀진 극도로 균일한 초기 우주가 어떤 과정을 거쳐 현재 우주에서 명백히 드러난 불규칙한 구조로 진화할 수 있었는지 설명할 수 있다. 두번째로 이 이론은 자기단극자를 비롯해서 초기 우주의 가설상 잔해가 발견되지 않는 이유를 밝혀 준다. 또한 우주가 회전하지 않는 이유, 우주의 편평성과 균질성이 상실된 이유 그리고 심지어는 아인슈타인의 우주항이 완전히 허구가 아니라는 사실까지 밝혀냈다. 게다가 인플레이션 이론은 우주가 지금까지 생각했던 것보다 훨씬 거대하다는 것을 알려준다.
1992년 조지 스무트는 우주배경복사의 온도편차를 발견했다는 발표를 하였다. 그는 시차 극초단파 복사계(DMR)라는 장비를 만들어 실험을 하였다. 극도의 정밀도를 요구하는 이 실험은 무수한 방해 전파와 열원 때문에 지구 표면에서는 우주배경 복사의 온도편차를 발견할 수 없었다. 그는 신념과 끈질긴 노력 끝에 코비 위성을 통하여 절대온도 10만분의 3이라는 극히 미세한 우주배경복사의 온도편차를 발견했다. 이것은 인플레이션 이론과 함께 현재 우주가 탄생하게 된 과정을 명쾌하게 설명을 해준다.
by http://starnspace.new21.org/html/preindex.htm |
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