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[우주론] 쉽게 보는 우주론-우주배경복사(CMB)와 초기우주
글쓴이 : 정호익 별님  (115.♡.223.112) 날짜 : 2015-05-18 (월) 18:45 조회 : 3445
 많은 분들이 '우주론'이라는 분야에 대해 관심을 가지고 있는 것 같습니다. 그러나 막상 많은 분들은 우주론에 대해 몇 가지 오해를 하고 있거나, 우주론에 대해 쉽게 접근하고 배워보지 못하는 것 같습니다. 그러한 목적에서 저는 블로그에 '쉽게 보는 우주론'이라는 이름으로 연재를 하기 시작하였고, 그 첫 글은 '우주배경복사'를 다루기로 하였습니다. 저도 아직 비전공자이고 학생신분이다보니.. 우주론 글을 쓰는데 한계가 있지만, 제가 아는 선에서 다른 분들께 '자세히' '정확하게' '쉽게' 글을 쓰기로 하였습니다. 
빅뱅우주론과 우주의 역사, 우주거대구조에 이르기까지.. 
'쉽게 보는 우주론'은 아직 1편밖에 연재되지 않았지만, 이외 우주론에 대한 정보를 알고 싶으시다면 다음 제 블로그를 방문해주셔서 조금씩 정보를 얻어가는 것도 좋을 것 같습니다. 부족하지만, 즐거운 마음으로 읽어주시면 좋겠습니다.
(오류는 hij0513@naver,com 으로 남겨주시면 감사하겠습니다.) 

블로그-http://blog.naver.com/hij0513

<제1편- 우주배경복사(CMB)와 초기우주

우주가 정말 팽창하고 있는 중이라면, 과거의 우주는 현재보다 상대적으로 작았을 것이다. 팽창 과정 중에서 우주가 특별히 열을 잃거나 어지 않는다면 우주의 온도는 팽창할수록 낮아진다. 즉, 우리는 우주가 우주 초기에는 매우 뜨거웠을 것이라 예상을 할 수 있다.

빅뱅 우주론을 최초로 제안한 학자는 조지 가모브였다. 그는 정적이지 않은 우주를 주장했던 것으로 유명한 프리드만의 제자로 홀로 그의 스승의 뜻을 받들어 '정적이지 않은 우주론' , '팽창하는 우주론'을 발전시켜 '빅뱅 우주론'을 내세우게 된다. 그의 사고 실험에 의하면 초기 우주는 매우 작아서 상대적으로 밀도가 높을 뿐만 아니라 온도도 높다. 그렇기 때문에 입자들이 모두 빠르게 움직이며 매우 혼란스럽고 어지러웄을 것이라 생각하였다. 특히 온도가 수백만 도씩 되던 초기에는 우리가 알고 있는 모든 원자가 이온화되어 원자핵과 전자들이 분리되었기 때문에 부피당 입자의 수가 많았다. 이러한 우주에서는 빛조차 자유롭게 다니지 못하며 다른 입자들과 무수히 충돌하고 부딪혔을 것이다. 이러한 초기 우주는 광자조차 쉽게 못 다니고 굉장히 혼란스럽고 불투명했을 것이다. 그러나 우주가 계속 팽창하는 순간부터는 우주의 단위 부피당 입자의 수가 줄고 온도가 낮아져 입자도 천천히 움직이게 된다. 그리고 최종적으로 지금처럼 빛이 자유롭게 다니는 투명한 우주가 완성되었을 것이다. 


근데 가모브는 이러한 과정, 우주가 투명해지는 것이 '순간적'으로 이루어졌다고 생각하였다. 우주 팽창 과정 중에서 온도가 특정 온도로 낮아지면 자유 원자핵들이 모두 동시에 자유 전자와 결합하여 단위 부피당 입자 수가 반으로 줄어들기 때문이다. 이러한 결합을 'recombination(재결합)'이라 부른다. 근데 이 용어 자체가 잘못된 것이..뭐 학계에서 이렇게 쓰니까 쓰는 건데.. 실제로 '재(re)'라 할 수 없다. 여러 우주론 책에도 이가 언급 되어 있다. 과거 초기우주에는 운이 좋아서 전자와 원자핵이 결합을 하더라도 금방 고에너지 광자들이 부딪혀 전자들이 잃기에 마련이다. 그래서 recombination이 아니라 the first combination(최초의 결합)이라 부르는게 맞다. 근데 이건 학게에서 용어로 이렇게 쓰고 약속이 된 것이니.. 재결합이라 쓰자. 빅뱅 우주론도 사실 정상상태우주론의 핵심 인물인 프레드 호일이 대폭발우주론을 비꼬기 위해 쓴 조금 그런 용어다(?) 어쨋건 이야기가 많이 새었는데, 우주가 투명해지기 시작했다는 것은 온도가 내려가  원자핵과 전자 사이의 결합을 막던 고온의 광자들의 힘이 약해졌다는 것을 의미한다. 이 순간 빛과 물질이 분리되었다. 이를 decoupling(대분리)라고 부른다. 이 순간부터 빛 입자들이 자유롭게 우주를 싸돌아 다니기 시작한다. 랠프 앨퍼라는 조지 가모브의 제자가 있었는데, 이 제자의 이론에 의하면 당시 우주의 온도에 해당하는 광자들은 우주가 무지막지하게 팽창한 오늘날의 시점에 관찰한다면  빛은 우주 팽창을 거슬러 여행했기 때문에 도플러 적색 이동을 겪고 에너지를 잃어서 절대 온도 5도 정도의 미미한 에너지를 가진 광자처럼 보일 것이라 주장하였다. 이 이론이 옳다면 광자는 관측자 입장에서 볼 때 우주 전방향에서 동시에 출발해서 날아온 것 처럼 보여야 한다. 관측자가 보았을 때 그 광자가 공과 같은 면에서 함께 출발했다고 말할 수 있겠다. 이러한 면을 'surface of last scattering(최후의 산란면)'이라 하는 것이다. 그리고 이렇게 오랜 세월 날아와 우리가 관측할 것이라고 예측한 빛을 'Cosmic microwave background(radiation)' , '우주배경복사'라고 하는 것이다. 


이러한 우주배경복사는 펜지어스와 윌슨이라는 학자가 최초로 발견하였다. 1960년대 초반, 그들은 벨 연구소에서 TV에서 가끔 아무 것도 없는 화면에 잡음이 흘러나오는 것, 통화 중 잡음 등에 대해 제거하는 기술을 연구하고 있었다. 이러한 잡음을 개선함으로써 통신 기술을 개선하고, 천문 관측에도 유용한 결과를 도출해낼 수 있었기 때문이다. 이러한 잡음의 원인은 참으로 많다. 그들은 전자 회로 상의 문제점이나 안테나의 노후화, 새똥까지 치워가며 온갖 노력을 하였으나 알 수 없는 잡음들과 직면할 수 밖에 없었다. 그래서 그들은 처음에 '아.. 우리가 모르는 미지의 천체에서 이러한 잡음이 오는 것인가.' 라는 생각을 하였으나, 그들이 연구를 하고 알아본 결과.. 이러한 잡음은 '우주, 하늘 모든 방향'에서 나오는 것이였다. 방향에 간계 없이 동일한 성질을 '등방성'이라고 한다. 이후 프린스턴 대학의 천문학자 디케와 피블스가 우주 전역으로 오는 이상한 신호를 찾기 위해 조그마한 안테나를 세우고 있다는 사실을 둘은 알게 된다. 그리고 이 둘이 프린스턴의 두 학자에게 전화를 해본 결과 그들은 그들 자신이 '대발견' 을 하였다는 것을 알게 되었다. 이 공로로 1978년 이들은 노벨 물리학상을 수상하게 된다. 이로써 '빅뱅 우주론'의 타당성에 대해 다시 한 번 증명하게 되었고, 천문학계와 물리학계에서 처음에는 '미친 이론'으로 욕을 먹던 빅뱅 우주론이 '타당성 있는 이론'으로 성장하는 계기가 되었다. 


이들이 관측한 CMB는 약 절대 온도 3도에 해당하는 에너지를 가지고 있었는데, 놀랍게도 가모브의 예측과 놀랍도록 가까운 값이였다.

이 CMB의 온도를 지구 위에서 정밀하게 관측하기에는 분명 한계가 있기 때문에 NASA는 COBE(코비) 인공위성을 띄워 온도가 낮은 우주공간에서 정밀한 관측을 시도하였다. 그 때 측정된 온도는 절대 온도 2.725도 였다. 그리고 놀랍게도 파장에 따른 에너지 분포, CMB 스펙트럼이 정밀한 흑체 복사 곡선을 나타냈다. 코비의 관측 데이터는 우주 배경 복사의 에너지-파장 곡선이 이론적으로 예측한 플랑크 흑체 복사 곡선과 일치한 다는 것을 보여주었다. 열역학 이론과 자연에서 관측된 결과가 이렇게 정밀하게 관찰되는 경우는 매우 드물기 때문에 이것만으로도 우리는 충분히 놀랄 만 하였다.코비는 또한 온도가 하늘의 위치에 따라 10만분의 1 정도 다르다는 사실도 알려 주었다. 그 10만분의 1 온도 변이가 137억년의 시간을 거치며 우주의 거대구조를 만들었음을 알게 한다. 즉 10만분의 1의 변이를 발견한 것은 우주거대구조 씨앗의 발견이었던 셈이라 할 수 있다. 당연히, 이러한 코비의 관측 성과로 NASA의 존 매더박사는 2.725도의 정밀한 우주 배경 복사를 관측하여 빅뱅우주론을 증명한 것으로, 코비를 공동 설계한 캘리포니아 주립 대학의 스무트 교수는 10만분의 1의 변이를 발견함으로써 우주거대구조의 씨앗을 발견한 성과로 2006년 노벨물리학상을 받는다.



위) 코비가 관측한 CMB


위) 코비가 관측한 우주배경복사 스펙트럼. 이론적 흑체 복사와 완벽 일치한다.


학자들은 COBE에서 끝내지 않고, 2001 년에  윌킨슨 우주배경복사 비등방성 탐사 위성(WMAP)을 쏘아 올렸다. COBE 위성은 지구 근처에서 위성 궤도를 돌았는데 이가 지상보다는 나앗겠지만 여전히 태양,지구,달이 뿜어내는 적외선과 전파의 방해로부터는 자유롭지 못한 것이 사실이다. 그래서 WMAP는 지구에서 멀리 떨어지면서도 역학적으로 안정된 위치인 태양-지구 중력계의 라그랑주 2 지점으로 보냈다. 즉 태양과 지구의 인력과 태양을 공전하는 WMAP의 원심력이 균형을 이루는 역학적으로 안정된 스팟인거다. 실제로 우리가 WMAP을 라그랑주 2 지점까지 보내기 위해 flyby 항법으로 달의 중력을 이용해 보냈다. 이를 위해 뭐 달과 충력하지 않기 위해 무수한 계산과 노력을 하고, 우주에 쏘아올려 6개울을 기다렸다. 그리고 WMAP은 COBE가 이룩한 두가지 업적(CMB의 온도와 불균일도의 측정)을 검증해 빅뱅 우주론의 변수를 알아내는 역할을 하였고, WMAP이 전파로 본 하늘은 아주 작은 불균일성의 깨알들로 이루어져 있는데 이 불균일도를 자세히 분석하면 우주의 과거와 미래,현재를 알 수 있다. 즉 다시 말해 우주의 진화를 예측하고 있는 것이다. 



위) WMAP이 관측한 CMB


그리고 ESA에서는 플랑크 위성을 발사하여 CMB에 대한 정밀한 연구를 하고 있기도 하다. 플랑크 위성은 WMAP보다 우주의 물질 밀도, 암흑에너지 등의 우주론적인 정보들을 더욱 더 세부하게 알려주고 있다. 



위) 플랑크 위성의  CMB


관측 위성(기기)에 따른 CMB



결론적으로 요점을 말하자면,

빅뱅 우주론은 '우주배경복사' 라는 결정적인 증거를 가지고 있다. 이외에도 증거가 있는데 이에 대해 차후 다루어보기로 한다.

여기서 중간에 '암흑에너지'와 '암흑물질'이 나오는데, 이는 많은 분들이 의아해하는 부분이고 관심있어하는 부분이기 때문에 

2편에서는 이 미지의 것들에 대해 논하고자 한다.



 

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