빅뱅(대폭발)의 발견과 우주의 진화


(1) 진화우주와 정상우주

팽창하는 공간이라는 개념에 의하면 초기에는 고밀도였기 때문에 은하와 별이 존재할 수 없었다. 즉, 이들 천체는 모두 어느 시기 이후에야 형성이 가능해진 것으로 생각된다. 이러한 진화우주론에 대립하는 것이 정상우주론이다. 정상우주론에서는, 우주의 평균밀도는 팽창에도 불구하고 일정하며, 우주의 모습은 평균적으로 정상(定常)이라고 본다. 그래서 이것을 뒷받침하기 위해, 팽창에 따라 밀도가 감소한 만큼 물질을 생성하는 미지의 메커니즘을 가정한다.

(2) 3K흑체복사

1950년대부터 우주진화에 관한 2가지 설 사이에 여러 논의가 있었으나, 65년 우주배경복사의 발견으로 빅뱅이 확인되어 진화우주론이 옳다는 것이 거의 실증되었다. 이것은 마이크로파 인공위성에 의한 텔레비전중계용 안테나에 항상 일정한 잡음이 남는다는 사실이 계기가 되어 발견되었다. 그 잡음의 원인은 우주에서 등방적으로 들어오는 복사라는 것이 확인되었다. 이 복사에너지의 분포는 절대온도 약 3K(2.74K)인 흑체복사의 분포와 잘 일치하므로 3K흑체복사 또는 우주배경복사라고 한다. 이 복사의 기원은 진화우주의 입장에서 다음과 같이 보고 있다. 현재에는 먼 곳의 은하도 볼 수 있다는 점에서 알 수 있듯이 우주는 빛에 대하여 충분히 투명한 상태에 있다. 그러나 팽창우주의 초기에는 밀도가 높아서 빛이 자유로이 투과할 수 없는 불투명한 상태였다. 그 시대에는 물질로부터의 복사방출과 그에 의한 흡수가 평형상태를 이루었고, 물질의 온도에 따르는 흑체복사로 우주가 균일하게 채워져 있었다. 3K흑체복사는 이러한 과거의 흑체복사의 빛이 적색이동을 한 것이다. 92년에는 우주배경복사탐사위성 COBE에 의해 초기우주의 극히 미세한 온도차에 따라서 물질의 요동(fluctuation)을 보여주는 마이크로파지도가 작성됨에 따라 빅뱅우주론과 진화우주론의 강력한 증거가 되고 있다.

(3) 초고온에서 저온으로

우주배경복사의 온도가 측정됨으로써 과거의 우주에 있었던 우주물질의 온도 변천을 추정할 수 있게 되었다. 〔그림 5〕에는 팽창에 따른 우주의 밀도와 온도의 변화를 나타냈다. 우주의 상태는 이 그림의 오른쪽위(고온·고밀도)에서 왼쪽 아래(저온·저밀도)를 향해 진화되어 왔다. 이 그림에서도 알 수 있듯이 오른쪽 위의 부분은 매우 빠르게, 왼쪽아래로 올수록 느리게 진행한다.

(4) 1㎝에서 150억 광년으로

〔표 2〕는 과거로부터 현재에 이르기까지 팽창하는 우주에서 일어난 사건의 연표이다. 우주의 시대를 지정하는 양으로는 빅뱅 이후의 시간·온도와 현재의 우주에 비해 얼마 만큼 수축된 상태였던가를 알 수 있는 수축률을 나타냈다. 우주공간이 과거에 수축되어 있었다는 것은 현재 관측되는 150억 광년의 공간도 전에는 이 수축률만큼 작았다는 것을 뜻한다. 예를 들어 〔표 2〕의 ＜중입자수(baryon number;중입자수에서 반중입자수를 뺀 것으로, 소립자의 종류에 따라 결정되는 양의 하나이다) 생성＞의 시기에는 현재의 150억 광년의 공간이 1㎝라는 작은 공간으로 수축되어 있었다고 말할 수 있다.

출처: Daum