우주는 어떻게 탄생했을까요? 많은 과학자들이 이 문제에 대해 연구했지만 아직 정확한 답은 나오지 않았어요. 하지만 우리는 우주가 팽창한다는 사실과 빅뱅이 있었다는 사실을 알고 있죠. 그렇다면 과연 어떤 일이 있었기에 지금의 우주가 만들어졌을까요? 이번 시간에는 이러한 궁금증을 해결하기 위해 빅뱅이론에 대해 알아보려고 해요.
빅뱅이란 무엇인가요? 빅뱅 이론은 1929년 미국의 천문학자 에드윈 허블이 발견한 외부은하의 스펙트럼 관측 결과로부터 시작되었어요. 당시 사람들은 은하까지의 거리가 멀수록 적색편이가 심해진다는 사실을 몰랐어요. 그래서 멀리 떨어진 은하일수록 빠른 속도로 멀어지고 있다고 생각했죠. 그러나 실제로 관찰해보니 모든 은하가 같은 속도로 멀어지고 있었어요. 이를 설명하기 위해 아인슈타인은 ‘우주상수’라는 개념을 도입했어요.
즉, 중력이라는 힘이 존재하면 공간이 휘어져야 하는데, 실제로는 그렇지 않다는 거죠. 결국 아인슈타인의 주장은 틀렸고, 이후 새로운 가설이 등장하게 됩니다. 그게 바로 오늘날 정설로 받아들여지는 ‘빅뱅 이론’이에요. 빅뱅 이전에는 무슨 일이 있었나요? 빅뱅 이전에는 물질과 반물질이 서로 쌍소멸하면서 빛조차 빠져나올 수 없는 초고온 상태인 ‘초고밀도 에너지 영역’이 있었다고 합니다.
이때 발생한 엄청난 폭발에너지가 현재 우주를 구성하는 입자들을 생성했다는 게 빅뱅 이론의 골자입니다. 또한 이렇게 만들어진 입자 중 일부가 다른 입자와 결합하며 원자핵을 형성했고, 이것이 별과 행성 등 다양한 천체를 만들었다고 보고 있어요. 빅뱅 후 초기 우주는 어땠나요? 빅뱅 직후 1초 동안 우주는 엄청나게 뜨거웠어요. 온도가 무려 100억°C나 됐죠. 그러다 약 10-43초 사이에 갑자기 급랭했는데, 이로 인해 쿼크(quark)라고 불리는 소립자가 생겨났어요. 그리고 양성자와 중성자가 만들어지고, 전자와 양전자가 생겼죠.
특히 수소원자핵 4개가 모여 헬륨원자핵 한 개를 만드는 핵융합 반응이 일어나면서 태양계의 재료가 될 원소들이 만들어지기 시작했답니다. 지금으로부터 138억 년 전 일어난 대폭발 덕분에 지구상의 생명체가 살 수 있게 된 셈이죠. 앞으로 인류가 풀어야 할 숙제는 무궁무진하지만, 먼 옛날 일어났던 사건임에도 불구하고 여전히 신비로운 부분이 많아요. 우주 초기에는 수소와 헬륨 등 가벼운 원소들이 만들어졌고, 이 때 만들어진 원소들을 가지고 별과 은하가 탄생했습니다. 그리고 지금으로부터 약 150억년 후엔 모든 물질이 한 점으로 응축되어 블랙홀이 되고, 결국 소멸하게 됩니다. 이렇게 영원히 팽창하다가 다시 수축하면서 새로운 우주가 탄생하는데 이를 `빅 크런치`라고 합니다.
빅크런치 이후 새롭게 만들어지는 우주는 현재 우리가 알고 있는 우주와는 다른 모습이겠죠? 이번 주제는 137억년 전 일어난 폭발인 ‘빅뱅’입니다. 우주배경복사란 무엇인가요? 우리가 살고 있는 지구 밖에서는 어떤 일이 일어나고 있을까요? 많은 과학자들은 아직까지도 외계 생명체나 지적생명체가 존재하는지 연구하고 있습니다. 하지만 대부분의 사람들은 여전히 우주 바깥 세상에 대해 궁금해 하고 있죠. 그래서 최근 들어 관측 기술이 발달함에 따라 우주 배경 복사라는 미지의 영역을 발견하였습니다. 우주 배경 복사는 말 그대로 우주 전체에 퍼져있는 빛을 말합니다.
그렇다면 왜 하필 우주 전체에 퍼져있는 빛을 말하는 걸까요? 그것은 마치 라디오 전파처럼 특정 지역에만 나타나는 게 아니라 멀리 떨어진 곳에서도 똑같이 나타나기 때문입니다. 즉, 어디에서나 똑같은 온도를 가진 빛이라는 뜻이죠. 왜 우주배경복사가 균일할까요? 과학자들은 처음에 우주 공간에 떠다니는 입자로부터 나오는 빛이라 생각했습니다. 그러나 실제로 관찰해보니 아무 방향으로나 고르게 퍼져 있었습니다. 이것은 중력과는 상관없이 모두에게 같은 에너지를 갖는다는 의미이고, 따라서 원자핵 주위를 도는 전자 역시 일정한 궤도를 돌고 있다는 결론을 내렸습니다.
또한 이러한 결과는 아인슈타인의 특수상대성이론과도 일치한다는 것을 알게 되었습니다. 이로 인해 우주 초기에 있었던 사건 중 하나로 추측되는 인플레이션 이론이 힘을 얻게 되었고, 마침내 1979년 미국 펜실베이니아 대학의 에드윈 허블 교수가 “허블의 법칙”을 발표하기에 이르렀습니다. 어떻게 하면 우주배경복사를 직접 눈으로 볼 수 있나요?
현재까지는 지상에서 아주 먼 천체에서만 희미하게 관측되고 있지만, 앞으로는 점점 더 가시광선 영역 내에서의 관측이 가능해질 것입니다. 만약 그렇게 된다면 인류는 최초로 우주 생성 당시의 정보를 얻을 수 있게 될 것입니다.
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