우주의 탄생, 빅뱅이론

 

우주의 탄생은 인류의 오랜 궁금증일 것입니다.

오늘은 우주 탄생에 대한 이론 중 하나인 빅뱅이론을 알아볼까 합니다.

 

“모든 것의 최초에 상상할 수 없을 만큼 아름다운 불꽃놀이가 있었습니다. 그 후에 폭발이 있었고, 그 후에는 하늘이 연기로 가득 찼습니다.” -조르주 르메트르(Georges Lemaître), 윌슨산 천문대 세미나(1933)

 

 

# 빅뱅이론이 뭘까?

빅뱅이론은 약 137억 9900만 년(±210만 년) 전에 발생한 대폭발을 시작으로 우주가 팽창했다는 이론입니다. 좀 더 상세히 설명하자면 현재 우주가 계속 팽창하고 있다는 점에서 착안하여 과거로 돌아가면 모든 것이 한 점에 모여 있었을 것이라 가정하고 그 점으로부터 팽창하여 현재 우주가 되었다는 가설입니다.

 

빅뱅이 발생했단 것이 현재 우주 탄생에 관한 이론 중에서 가장 유력하며, 계속해서 논의되고 있습니다. 최근에는 특이점에서의 급팽창 자체는 이견의 여지가 없지만, 빅뱅 이전에도 우주와 물질은 존재했고, 빅뱅으로 물질이 확장되어 나갔을 뿐이라는 이론이 한창 연구되고 있습니다. 빅뱅 이전에 물질이 존재했다고 가정해도 현재까지 발견된 관측적 증거를 거스르지 않기 때문에 충분히 가능성 있는 이야기라는 것입니다. 또한 이것이 빅뱅 이론에서 규명해야 할 빅뱅 이전의 상태에 대한 하나의 가능성이죠.

 

현재 관측되는 우주 팽창 속도는 11메가파섹당 초속 68킬로미터입니다. 즉 관찰자로부터 1메가파섹(326만광년) 떨어져 있는 물체는 초속 68킬로미터의 속도로 멀어지는 것으로 보인다는 의미입니다. 관찰자로부터 먼 물체일수록 더 빨리 멀어지는 것으로 보이는 것은 우주 전체가 팽창하므로 당연한 일이며 지구에서 뿐 아니라 어디에서든 마찬가지입니다. 참고로 여기서 "물체가 멀어지는 것으로 보인다."는 표현을 썼지만 실제로는 공간(우주 자체)이 팽창하는 것입니다. 때문에 "멀어지는" 속도가 광속을 넘어설 수도 있는 것입니다.

 

 

#빅뱅이론 변천사

1927년 벨기에 가톨릭 대학의 조르주 르메트르(Georges Lemaître)라는 물리학자 겸 신부가 처음으로 주장하였고 ,이것이 현재의 빅뱅 이론으로 발전하였습니다. 르메트르는 성직자였지만, 과학으로서의 우주론과 신앙으로서의 창조는 전혀 연관이 없다고 교황과 과학계를 설득했습니다. 당연히 처음부터 수용된 것은 아니며, 빅뱅 이론과 반대되는 정상우주론이 제기되어 한때 팽팽하게 대립했었습니다.

 

'빅뱅(Big Bang) 이론'은 의미를 풀어 보면 '대폭발/큰 쾅 이론'이란 뜻이며, 초기엔 태초의 화염구(primitive fireball) 정도로 불렸습니다. '빅뱅'이라는 단어는 정상우주론을 지지했던 물리학자 프레드 호일이 1949년 라디오 토크쇼에 출연해 팽창 우주론을 비꼬려고 '팽창우주론이란 거대한 생일 케이크 속에 들어 있던 스트리퍼가 '빵(Bang)!'하고 튀어나오는 것과 같은 식이군요'.라고 언급하면서 사용했던 것이 시초가 되었다는 설이 있는데, 프레드 호일이 한 라디오 프로그램에 출연하여 빅뱅이론을 비판하는 어조로 "그럼 우주가 맨 처음에 꽈광!(Big Bang)하고 생겨났다는 말이군요?"라고 한 데서 유래했다는 소문과 반대로 조롱할 의도 없이 그저 팽창우주론을 쉽게 설명하기 위해 사용한 말이라는 이야기가 있습니다.

 

 

# 빅뱅이론의 증거들

•우주배경복사

빅뱅 이론의 최대 증거입니다. 우주배경복사는 과거 우주의 온도가 수천 도에 달할 정도로 뜨거웠고, 물질의 분포 또한 은하나 별이 형성되지 않은 매우 균일한 상태였다는 것을 말해줍니다. 특히 우주배경복사의 패턴을 정밀 분석하면 현재의 표준 우주론과 놀라울 정도로 정확하게 들어맞는 것을 알 수 있으며, 이로부터 탄생한 우주 거대 구조와 바리온 음향 진동 등의 부가적인 현상들은 현재의 우주와도 무수히 많은 교차검증이 이루어졌습니다.

 

•우주 초기에 관측되는 퀘이사를 비롯한 생성 중인 은하들

퀘이사는 우주의 크기가 현재의 약 1/3 수준이었을 당시 가장 많이 활동했으며, 최근으로 올수록 점진적으로 그 발견되는 수가 줄어듭니다. 이는 과거 빅뱅 이후의 우주의 환경이 비교적 시간이 많이 흐른 뒤인 현재와 달랐다는 것을 말해줍니다.

 

•우주에 존재하는 수소와 헬륨의 질량비

현재 우주에 존재하는 대부분의 별들과 가스에서 발견되는 수소와 헬륨의 질량 비율은 3:1인데, 이는 빅뱅이 일어날 당시 식어가던 우주에서 핵융합에 의해 탄생한 원소의 비율과 일치합니다. 현재 우주에 존재하는 양성자의 개수는 중성자의 약 7배이며 이는 우주가 식어갈 때 결합 에너지가 낮은 쪽인 양성자로의 베타 붕괴가 역 베타 붕괴에 대해 우세를 점했기 때문입니다. 항성 핵융합에 의해 생성되는 중성자와 헬륨의 양은 빅뱅 핵융합에 비하면 매우 미미합니다.

 

•대부분의 은하에서 관측되는 적색편이 및 허블-르메트르 법칙

우주가 균일하게 팽창한다는 관측적 증거를 통해 과거에 은하들이 한 곳에 있었다는 것을 쉽게 유추할 수 있습니다.

 

•올베르스의 역설

빅뱅 우주론을 가정하면 올베르스의 역설은 자연스레 풀리게 됩니다.

 

•엔트로피의 법칙

엔트로피의 법칙을 부정하지 않는 이상, 우주의 수명에는 반드시 한계가 존재할 수밖에 없습니다. 우주에 끝이 존재한다는 것은 시작점도 존재해야 한다는 의미가 되죠. 과거 어느 시점에 최소 엔트로피를 가졌던 우주의 시작점이 있었기 때문에 우주는 현재의 모습을 유지하고 있는 것입니다. 우주의 부피가 증가하는 것이 엔트로피가 증가하는 것과 동치임을 알 수 있습니다.