[밤하늘의 물리학] Chapter 6. 빅뱅 우주론으로 알아보는 우주의 탄생과 미래

hunhani (65) in kr • 7 years ago (edited)

안녕하세요. 훈하니 @hunhani입니다.

오늘은 빅뱅 우주론으로 알아보는 우주의 탄생과 미래에 대해 살펴보겠습니다. @oldstone 님께 천체물리학을 쉽게 설명해주는 글을 부탁받았습니다. @oldstone 님께 이번 시리즈를 헌정합니다.

대문을 제작해주신 @leesol 님께 감사드립니다.

빅뱅 이라고 하면 아래 친구들이 더 익숙하죠?

물론 이 친구들이 아닌, 진짜 빅뱅 우주론에 대해 알아보겠습니다.

빅뱅 우주론?

우주가 고온 고밀도의 한 점에서 거대한 폭발로 형성되었다고 주장하는 이론입니다. 프리드만의 팽창 우주론을 발전시켜 우주의 시작부터 현재까지의 변화 과정을 체계적으로 밝히고 있습니다. 빅뱅은 1948년 조지 가모프, 랄프 앨퍼, 로버트 허만에 의해 처음 예견되었으며, 실제로 아노 앨런 펜지어스와 로버트 우드로 윌슨이 빅뱅의 잔여 우주 배경 복사를 실험적으로 관측하여 1978년 노벨상을 수상한 바 있습니다. 우주가 팽창한다는 사실이 알려진 후 조지 가모프가 화학 원소의 기원을 연구하던 중에 빅뱅 우주론의 근거를 최초로 찾아냈고 이 때문에 그는 빅뱅 이론의 창시자라고 불리는데요. 그러나 정작 조지 가모프가 직접 빅뱅이라는 단어를 사용한 적은 없습니다. 정상 우주론을 주장하던 프레드 호일이 라디오 방송에 출현하여 팽창 우주론에 대한 이야기를 하던 중 "팽창 우주론이 맞다면 우주는 콰과광!!(Big Bang)하면서 태어났겠네요?" 라면서 조롱하면서 빅뱅이라는 말이 처음 사용되었고 이후 정설로 받아들여지면서 빅뱅 우주론이라는 이름이 붙었지요. 어이없게도 정상 우주론을 주장하는 과학자가 빅뱅이라는 이름을 사용하여 팽창 우주론에 기여한 셈이죠.

붕괴의 역반응은 대폭발

빅뱅 우주론을 상상해보는 방법은 다음과 같습니다. 이 우주 전체의 경계가 축소되는 지역에 갇히게 되면 특이점이 발생하는데요. 이는 붕괴하는 항성의 경우이죠. 실제 항성의 붕괴로부터 특이점의 존재가 입증됩니다. 휘어지는 시공간 좌표에서 시간을 역행하는 방향으로 생각해보겠습니다. 공간에 밀집된 물질을 시간을 통해 되돌아본다면? 그리고 그 곳에도 특이점이 존재한다면? 붕괴의 역반응은 대폭발 즉, 빅뱅입니다!

우주의 탄생

빅뱅 우주론은 우주는 모든 물질과 에너지가 모인 한 점에서 거대한 폭발로 시작되었으며 이 거대한 폭발, 즉 빅뱅의 순간 우주의 시간과 공간이 만들어지고 팽창이 일어나기 시작했음을 말해줍니다. 따라서 팽창하는 우주의 시간을 거꾸로 돌려보면 과거의 우주는 매우 작았겠지요. 우주에서는 물질과 에너지가 새로 만들어지거나 사라지지 않으므로 초기의 우주는 작은 공간에 우주에 있는 모든 에너지와 물질이 들어 있어 온도와 밀도가 매우 높았을 겁니다. 우주가 팽창을 함에 따라 온도와 밀도가 감소한 것이죠.

빅뱅의 과정

빅뱅 후 약 3분이 지난 후 원자핵이 처음 만들어졌고, 빅뱅 후 약 38만 년에 처음으로 원자핵과 전자가 결합하여 중성 원자가 되었습니다.

초고온, 초고밀도 상태 → 빅뱅(대폭발) → 팽창
우주의 밀도: 시간이 지남에 따라 점점 감소.
우주의 온도: 우주 팽창에 따라 식으므로 점점 감소.
우주의 총량: 우주에서 물질과 에너지가 새로 생기거나 사라지지 않으므로 변함없이 일정.

우주의 미래

닫힌 우주, 평평한 우주, 열린 우주에 대해서는 Chapter 2. 정적인 우주와 동적인 우주에서 알아보았죠? 우주에 있는 물질들 사이에 중력만 존재한다면 우주의 팽창 속도는 점차 느려질 것입니다. 중력이 우주의 팽창을 막는 브레이크 역할을 하는 셈이죠. 그러나 우주 자체에 팽창하게 하는 힘(척력)이 존재한다면 우주는 등속으로 팽창할 수도 있고 심지어 점점 빠르게 팽창할 수도 있습니다. 최근의 초신성 관측에 의하면 우주는 가속 팽창하고 있는 것으로 밝혀졌는데요. 과학자들은 우주를 팽창하게 하는 척력의 정체를 찾고 있습니다. 우주의 미래는 어떻게 될까요? 만약 우주가 수축하여 종말을 맞이한다면 우주의 모든 물질은 밀도가 무한대인 한 점으로 수축하겠지요. 반대로 우주가 팽창하여 종말을 맞는다면 우주 공간은 더 이상 빛을 내지 않는 물질들만 느슨하게 퍼진 채 차갑게 식어갈 것입니다.