물질의 기원


(1) 물질은 우주진화로 생겨났다

초기의 우주는 고온·고밀도의 상태였고 물질의 모습은 현재의 것과는 매우 달랐다. 현재의 우주에서는 복사에너지보다 물질의 정지에너지가 더 크지만, 수축상태에서는 복사에너지가 지배적이었다. 그 시기의 복사온도는 팽창 개시 후의 시간을 초라고 하면=10K로 주어진다. 여기서 가 1sec이면 온도는 100억K가 되고 광자의 평균에너지는 약 1MeV가 되며, 선이 우주를 가득히 채우고 있게 된다. 그보다 이전에는 더 고온이었고, 원자핵 등은 모두 녹아버리기 때문에 존재할 수 없었다. 또한 온도가 10MeV 이상이 되면 양성자·중성자 같은 핵자도 녹아서 그 구성요소인 쿼크의 상태로 흩어져 있었을 것으로 생각된다. 이와 같이, 초기에는 오늘날의 물질이 존재할 수 없었다는 점에서 알 수 있듯이 이들 물질도 우주진화의 과정에서 형성된 것이다.

(2) 물질의 발생

온도가 10GeV인 시기 이전에는 시간·공간의 구조 자체가 오늘날과는 달랐을 것으로 생각되지만, 이 시기 이후에는 팽창하는 우주가 되었다. 그 과도기에 시공의 일그러짐에 의한 에너지가 기원이 되어 물질이 생겨났다고 생각된다. 처음에는 입자와 반입자(反粒子)의 수가 같았다. 그러나 현재의 우주에는 반물질(反物質)로 구성되어 있는 천체는 없고, 중입자(양성자·중성자 등을 말한다)와 반중입자는 비대칭이 되어 있다. 온도가 10MeV로 내려갔을 때 쿼크·반쿼크는 중입자·반중입자로 변하는데, 만약 그 수가 같으면 양성자와 반양성자의 존재량도 같아져서 현재의 우주 모습을 설명할 수 없게 된다. 그러나 10GeV의 시대에 쿼크와 반쿼크의 수에 1/100억 정도의 차가 생기게 되었다. 만약 이러한 차가 생기지 않았으면 물질과 반물질이 함께 소멸되어 천체를 만드는 물질이 전혀 존재하지 않게 되었을 것이다. 따라서 물질의 기원에서 중입자수 생성은 중요한 사건이다. 이 시기에는 또 자기단극자(磁氣單極子)가 형성되었다고 생각된다. 온도가 10MeV까지 내려가면 쿼크가 핵자(양성자·중성자)와 반핵자로 되고, 20MeV일 때 쌍소멸이 일어나서 중입자수만큼의 핵자만 남고 반핵자는 완전히 소멸되어 버린다. 온도가 1MeV 정도일 때 중성미자가 물질과 작용하지 않게 되고, 곧 전자쌍도 소멸되어 양성자와 같은 양의 전자만 남는다. 이 시기 이후부터 원자핵이 존재할 수 있게 되었다. 양성자와 중성자가 결합하여 중수소가 되고, 중수소에서 헬륨이 형성되는 핵반응이 계속된다. 이 핵융합반응으로 핵자의 약 10％가 헬륨이 되고, 약 3분 뒤에는 이 핵융합이 끝난다. 현재의 우주에 존재하는 헬륨과 중수소는 이때 형성된 것이라고 생각된다. 한편 헬륨·중수소보다 무거운 원소는 별의 진화·폭발에 의해 나중에 만들어졌다.

(3) 우주의 갬

온도가 4000K, 시간이 약 10만 년 뒤의 단계가 되면, 그때까지 이온화되어 있던 원자가 중성화된다. 따라서 그때까지 물질과 흑체복사의 상호작용을 중개하던 자유전자가 소멸되고, 흑체복사는 자유로이 전파된다. 비유하자면 그때까지 흐려 있던 우주가 ＜맑게 갠＞ 것이다. 이 이후에는 우주 전체로서의 열평형은 성립되지 않고, 장소에 따라 자유로운 온도를 취하게 되었다. 관측되는 우주배경복사가 10 이하의 정밀도로 등방적인 것은 ＜맑게 갠＞ 시기의 온도가 매우 균일했다는 증거이다.

출처: Daum