빅뱅에서 인류까지 03 빅뱅

행정 전문가가 들여다 본 기원 탐구 이야기

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빅뱅

  1929년, 미국 캘리포니아주 윌슨산 천문대에서 근무하던 천문학자 허블(Edwin Powell Hubble, 1889~1953, 미국)이 기존의 우주 관념을 뒤바꿀 역사적인 발표를 하였다. 우주 공간의 은하단*들이 서로 멀어지고 있다는 사실을 발표한 것이다. 더구나 더 멀리 있는 것들은 서로 더 빨리 멀어지고 있다며, 우주가 팽창하고 있다고 발표했다. 팽창우주론을 증명하는 순간이었다.**

  허블의 발표가 있기 전까지의 우주는 정적인 상태이자 고정된 형태의 우주였다. 시간과 공간과 상관없이 우주는 항상 일정한 형태를 유지하고 있다는 정상우주론(定常宇宙論-고정된 우주)의 시대였다. 하지만 허블의 발표 이후, 천문학계는 활발한 논쟁의 장으로 접어들게 된다. 거기에 더해 1956년, 가모프(George Gamow, 1904~1968, 미국, 러시아 태생)의 빅뱅이론이 발표됨에 따라 정상우주론과 팽창우주론 간의 논쟁은 더욱 치열한 국면으로 치닫게 된다. 그러나 20세기 중반에 이르러, 팽팽하게 이어지던 두 우주론 간의 논쟁도 팽창우주론의 압도적인 승리로 막을 내리게 되었다. 1964년 팽창우주론―빅뱅이론―의 직접적 증거라 할 우주배경복사의 존재가 밝혀졌기 때문이다.

  빅뱅(Big Bang)은 말 그대로 큰 폭발, 대폭발이라는 의미다. 최초의 어느 한순간 한 점에서 대폭발이 일어나며 우주라는 공간이 생겨나고 시간이 시작되었다는 게 빅뱅이론의 핵심이다. 그리고 이 이론은 결정적인 두 가지 증거로 인해 사실임이 확인되었다. 그 두 가지 결정적인 증거인 은하단 간의 거리가 멀어지고 있다는 것에 대한 이야기와 우주배경복사에 대한 이야기는 뒤에서 살펴보기로 하고 먼저 빅뱅의 순간으로 거슬러 올라 가보자.     

[*은하단(銀河團)은 은하들의 집단을 의미한다. 수백 개에서 수천 개에 이르는 은하들이 모여 있다. 수십 개에서 수백 개의 은하단들이 모여 초은하단을 이루기도 한다.]

[**1922년에 러시아의 수학자 프리드만(Friedman)이, 1927년에 벨기에의 신부 르메트르(Lemaitre)가 각각 팽창우주론을 발표하였다. 허블은 관측자료를 이용해 우주가 팽창하고 있다는 것을 증명하고 확인하였다.]

  빅뱅의 순간이다. 138억 년 전 어느 순간, 극초고온이자 극초고밀도이던 한 점이 폭발하였다. 아직까지도 그 점이 무엇이었는지, 그 점이 어디서 왔는지, 빅뱅 이전에 도대체 무슨 일이 있었는지는 알지 못하고 있다. 하지만 여하튼 그렇게 폭발이 일어났다. 그리고 지극히 짧은 시간이 흐른 후, 힘(force)과 물질이 생겨났고, 그것들이 팽창하면서 공간이 생겨났다. <시간> 편에서 이야기했듯 그 물질과 공간에서 엔트로피가 증가하게 되면서 시간이 시작되었다. 우주가 막 탄생하는 순간이었다.

  우주가 기본적인 모습을 갖추는 데는 많은 시간이 필요하지 않았다. 우주가 현재의 모습을 갖추기까지는 138억 년이라는 장구한 시간이 필요했지만, 빅뱅 후 3분이라는 짧은 시간 만에 수소와 헬륨, 원자핵 같은 기본 물질이 만들어졌다. 우주적 관점에서는 지극히 짧은 시간이라 할 38만 년이 흐른 후에는 수소와 헬륨의 원자핵, 전자, 빛(광자, 光子)들이 마구 섞여 있던 잡탕 상태의 우주가 맑아지면서 우주의 얼개가 갖추어졌다.

  이제 우리는 빅뱅 직후 무슨 일이 있었는지 알아보기 위해 연대표(年代表)가 아닌 초간표(秒間表)를 살펴볼 것이다. 너무나도 짧은 시간에 엄청나게 중요한 사건들이 많이 전개되었기 때문이다. 폭발이 있고 나서 10-43초라는 극도로 짧은 시간이 흘렀다. 이 순간을 플랑크 시기라 부른다. 플랑크 시기는 아무것도 진행되지 않고, 아무것도 이루어지지 않은 시기였다. 심지어 ‘우주의 법칙’조차 채 정립되지 않은 ‘무(無)’의 시기라고도 볼 수 있다. 후술할 다른 시기(era)들이 각각 그 시기들의 특징에서 비롯되어 이름이 지어진 데 반해, 무의 시기이던 플랑크 시기는 한 물리학자의 이름을 따 지었을 뿐이다.

  그로부터 10-35 초의 순간까지도 모든 것이 그대로였다. 단지 상상할 수 없을 정도의 높은 온도 즉 에너지만 있는 상태였을 뿐이었다. 그러나 이때부터 서서히 힘이 생성되고 분리되기 시작했다. 먼저 중력이 분리되고, 강력, 전자기력, 약력이 순서대로 분리되면서 우주의 네 가지 기본 힘이 서서히 갖추어지기 시작한 것이다. 이 시기는 아직 물질이 생성되지 않은 상태였기 때문에 대통일 시기라고 부른다.      

  10-32 초가 되면서 우주의 온도는 1조 도로 식게 된다. 이때 남은 열에너지가 팽창에너지로 작용하게 되면서 우주가 급격히 팽창하게 되었던 것이다. 한편 이 무렵 쿼크(quark)와 반쿼크가 만들어지기 시작했다. 그리고 이 쿼크와 반쿼크에 의해 우주급 행운을 불러올 기적 같은 우연이 시작된다. 10-12 초에 이르러 빛 에너지가 물질과 반물질(쿼크와 反쿼크)로 나눠졌다가 다시 빛으로 융합하는 과정을 반복하면서, 물질과 반물질이 융합해서 빛으로 되돌아갈 때 10억 쌍 중 하나꼴로 쿼크 즉 물질이 남게 되는 우연이 일어났던 것이다. 이 우연이 연속적으로 일어나며 물질이 본격적으로 만들어지기 시작했다. 10-6~10-4초가 되면서부터 쿼크가 서로 결합해 하드론(hadron, 강입자-强粒子)이라는 입자를 만들기 시작한다. 이 하드론 역시 쿼크가 그러했듯 물질과 반물질(하드론과 反하드론)로서의 생성, 소멸 과정을 거치면서, 팽팽하던 숫자상의 균형이 하드론 즉 물질 쪽으로 기울게 되었다.

  결과는 엄청났다. 우주가 물질이 지배하는 공간으로 된 것이다. 이 하드론에서 원자핵이 태어나고 그것들이 모여 별이 생성되었기 때문이다. 그리고 그 별들이, 우리가 알고 있는 모든 물질들을 만들어 냈기 때문이다. 결국 지금 우리가 보고 만지는 모든 것들은 하드론의 후예들이다. 솟아오른 바위도, 초록을 뽐내는 나무도, 지저귀는 새도, 서로 부대끼며 살아가는 수많은 사람들도 모두 하드론의 후예다.

  드디어 우주의 초 나이가 1초가 되었다. 전자와 반전자(양전자)가 생성되고 소멸하면서 쿼크와 하드론의 과정을 그대로 답습하며 전자들이 우주에 살아남게 되었다. 그리고 우주의 분 나이가 3분이 되어가면서 핵 합성이 이루어지기 시작했다. 우주의 온도가 100억 도로 떨어지고, 핵융합이 일어나면서 9:1의 비율로 수소와 헬륨의 원자핵이 생성되었다.

  이렇게 3분의 시간이 지나며 우주의 질서를 관통하는 기본 힘과 우주를 구성하는 기본 물질이 만들어졌다. 하지만 우주는 아직 막힌 공간이었다. 빅뱅 후 10-32 초 무렵부터 비록 우주가 팽창하기 시작했지만 모든 것들이 걸쭉한 수프에 갇혀 있었기 때문이다. 대폭발로부터 38만 년이라는 시간이 지날 때까지의 우주는 수소와 헬륨의 원자핵들, 전자들, 빛(광자, 光子)들이 마구 섞여 있는 수프 같은 상태였던 것이다. 빛조차도 그 수프를 뚫지 못하고 좁은 우주 속에 갇혀 있었다. 그러다가 38만 년이 지나면서 또 다른 한 편의 드라마가 펼쳐졌다. 전자가 양성자와 결합하기 시작한 것이다. 우주의 온도가 3,000도로 내려가면서 전자들의 활성도가 낮아지게 되고, 양성자와의 결합이 용이하게 되었기 때문이다. 전자라는 걸쭉한 죽이 말끔하게 정리되면서 우주는 맑은 세상이 되었다. 그제서야 드디어 갇혀 있던 빛의 입자, 즉 광자가 사방으로 뻗어가기 시작했다. 빅뱅 당시 빛 에너지에서 전래된 광자가 전 우주에 고르게 퍼져 나가기 시작한 것이다. 바로 이 빛이 앞에서 이야기했고 뒤에서도 이야기할 우주배경복사의 전신(前身)이다. 그리고 빅뱅 후 3억 년이 지나자 최초의 별이 탄생하고, 10억 년이 지나면서 은하가 만들어졌다. 아주 작은 한 점으로부터 시작된 우주가 서서히 제 모습을 갖추기 시작한 것이다.

  138억 년의 시간이 흐른 지금, 우주는 더욱 커졌고 더욱 복잡해졌다. 이 순간에도 우주는 빛에 가까운 속도로 팽창해 가면서 상상도 할 수 없을 만큼 거대해지고 있다. 한편, 태어나고 죽기를 반복하는 과정에 온갖 물질들을 토해내며 우주 공간을 풍요로 가득 채워 준 별들과, 빛조차 빠져나가지 못하도록 심술을 부리는 블랙홀들과, 또 그것들을 울타리에 묶어둔 채 위용을 뽐내는 수많은 은하들과, 그것들의 집합체인 은하단들, 각종 성간물질과 암흑물질, 그리고 그 사이에서 작용하는 온갖 원리와 법칙들 등등. 우주는 완전히 복잡해져 버렸다.

  우리는 조금 전 138억 년 전의 일이던 빅뱅으로의 시간여행을 다녀왔다. 마치 조금 전에 일어난 일을 실제로 본 것처럼 묘사하며 말이다. 여기서 의문이 생긴다. 빅뱅이라는 사건은 실제 있었던 일일까? 있었던 일이라 하더라도 그것을 지금 어떻게 알 수 있을까?

  있었던 일이 맞다. 그리고 알 수 있는 방법이 있다. 팽창우주 내지 빅뱅이론은 두 가지 결정적인 증거가 있다고 앞서 말한 바 있다. 은하단 간의 거리가 멀어지고 있다는 사실과, 우주배경복사의 발견이 그 증거라며 말이다. 그렇다면 이제 은하단 간의 거리가 멀어진다는 사실은 어떻게 증명된 건지, 그리고 그것이 의미하는 게 뭔지, 우주배경복사란 게 무엇이며 그것이 왜 빅뱅이론의 증거가 된다는 건지 알아보자.

  도플러 효과(doppler effect)라는 말을 들어봤을 것이다. 도플러 효과란 사전적으로는 어떤 파동의 파동원과 관찰자의 상대 속도에 따라 진동수와 파장이 바뀌는 현상을 말한다. 어려운 말 같지만 우리는 일상에서 도플러 효과를 자주 접하고 있다. 움직이는 자동차의 경적 소리 변화가 그것이다. 경적을 울리며 자동차(파동원)가 나(관찰자)에게 다가올 때는 소리(파동)와 음이 점점 커지고 높아지다가, 내가 서 있는 위치를 통과한 후 멀어져 갈 때는 소리와 음이 점점 작아지고 낮아지는 현상이다. 실생활에서, 또는 영화를 보면서 자주 경험해 보는 현상이다. 자동차가 다가올 때는 단위 시간당 소리가 압축되어 들리게 된다. 그리고 실제로도 파동이 압축된 관계로 소리의 주파수가 올라가면서 소리의 음과 크기가 높아지게 되는 것이다. 자동차가 멀어질 때는 반대로 소리가 옅어지게 되어 음과 크기가 낮아지게 된다. 이것이 소리의 도플러 효과다. 그런데 소리에서 뿐만 아니라  빛에서도 도플러 효과를 볼 수 있다. 다만 빛의 경우, 그것을 사람의 맨눈으로는 직접 관찰하기가 곤란하다는 점이 다르다. 또 도플러라는 용어 대신 ‘편이’라는 용어를 사용한다는 점이 다르다.

  편이(偏移)란 천체 등의 광원이 내는 빛의 스펙트럼선이, 파장이 긴 쪽으로 이동하게 되는 현상을 말한다. 빛을 내는 광원*이 관측자로부터 멀어지면 스펙트럼선이 빨간색 쪽으로 이동하게 된다. 이것을 특히 적색편이(赤色偏移, redshift)**라고 한다. 어떤 천체의 스펙트럼을 분석했을 때 적색편이가 관찰되면 그 천체가 우리로부터 멀어지고 있다는 뜻이 된다.

  앞에서 이야기한, 허블이 은하단들 간의 거리가 멀어지고 있는 것을 확인했다는 게 바로 적색편이 현상을 발견하였다는 의미다. 즉 우주가 팽창하고 있다는 사실을 확인한 것이다. 재미있게도 그때까지 정상우주론을 강력하게 주장하던 아인슈타인조차도 적색편이 현상의 발견 앞에서는 자신의 주장을 굽히지 않을 수 없었다고 한다. 이 확인은 오늘날 팽창우주론의 확인을 넘어 팽창우주론과 빅뱅이론의 결정적인 증거로 채택되고 있다.

[*光源, 빛을 내는 물체, 천체물리학에서 말하는 광원은 결국 항성이나 은하, 은하단을 말하는 것이다.]

[**적색편이의 반대 개념은 청색편이(靑色偏移, blueshift)이다. 광원이 관측자와 점점 가까워질 때 나타나는 스펙트럼의 변화이다.]    

  한편 1956년 조지 가모프는, 팽창우주론을 기반으로 한 빅뱅이론을 발표하면서 ‘우주배경복사(cosmic microwave background)’의 존재를 단언하였다. 빅뱅이 있었던 건 분명한 사실이므로 빅뱅 당시의 잔광(殘光)이 우주 곳곳에 균질하게 퍼져 있을 거라며, 행운이 따라주거나 인류의 전파검출 기술이 발전하게 된다면 우주배경복사를 반드시 발견하게 될 것이라고 예견했던 것이다. 그로부터 10년도 채 지나지 않아 가모프의 예견은 현실이 되었다.

  1964년 미국 뉴저지주 벨연구소에서 근무하던 펜지어스(Arno Allan Penzias, 1933~ , 미국, 독일 태생)와 윌슨(Robert Woodrow Wilson, 1936~ , 미국)은 커다란 소라 모양의 대형 안테나로 위성의 전파를 수신하면서 모종의 연구를 수행하고 있었다. 그런데 안테나에서 수신하고 있던 위성의 전파음에서 계속 잡음이 들리는 현상이 일어났다. 규칙적이면서 일정한 주파수를 띤 전파 잡음이 계속 발생했던 것이다. 이들은 위성의 순수한 전파음 만을 얻기 위해 갖은 노력을 기울였다. 심지어 안테나에 묻어 있던 비둘기 배설물과 둥지를 치우기까지 하면서 다른 전파의 간섭현상을 없애기 위해 노력했지만 소용이 없었다. 간섭현상이 일어날 만한 요소를 제거했을 뿐 아니라 주변에는 아무런 방해 전파가 없었는데도 같은 현상이 반복되자 이들은 심상찮은 예감을 하게 된다. 그 무렵, 마침 인근 연구소에서 우주배경복사를 연구하던 이론물리학자들에게 이런 사실을 얘기했고, 그들과 함께 이 같은 현상을 연구한 결과 엄청난 사실을 확인하게 된다. 하늘의 어느 방향에서나 균질하게 들려오는 신호, 바로 대폭발의 흔적인 우주배경복사임을 확인하였던 것이다.

  우주배경복사란 우주 전체에 걸쳐 아주 균질하게 남아 있는 빅뱅 당시의 잔광, 잔열이라 할 수 있다. 앞에서, 빅뱅 후 38만 년이 지날 무렵 전자가 양성자와 결합하여 우주 공간이 말끔하게 정리되면서 갇혀 있던 빛의 입자가 사방으로 뻗어갔다고 했었다. 수프가 걷히면서 우주 공간으로 골고루 퍼져 나가던 빛의 입자가, 지금도 우주 공간 곳곳에 균질하게 존재하게 되었다면서 말이다. 그 골고루 퍼져 나간 빛의 입자가 바로 우주배경복사다.

  빛(光, light)은 일상에서는 인간이 눈으로 볼 수 있는 가시광선만을 이르는 말이지만 물리학에서의 빛은 전자기파를 의미한다. 파장이 짧은 것은 감마선, 긴 것은 전파의 형태로 나타난다. 파장―주파수―에 따라 감마선-엑스선-가시광선-마이크로파-전파 순으로 나타나는 것이 넓은 의미의 빛이다. 빅뱅 당시 고온, 고에너지 상태에 있던 원시 빛은 시간이 지남에 따라 온도와 에너지가 떨어지게 되면서 마이크로파 형태로 남아 있게 되었는데 이것이 우주배경복사다. 라디오의 채널과 채널 사이에서 지지직거리던 전파음과 브라운관 TV 화면상에서 깜빡이던 점들이, 바로 우주배경복사가 음향과 화면으로 나타났던 것이다. 펜지어스와 윌슨은 훗날 우주배경복사를 발견한 공로로 노벨상을 수상하게 된다.

  적색편이 현상과 우주배경복사 존재의 확인으로 정상우주론은 자취를 감추게 되고 팽창우주론 내지 빅뱅이론은 오늘날 우주론의 정설을 넘어 확고부동한 사실로 자리매김하게 되었다.      

펜지어스가 전파를 수집하던 소라 모양 안테나(혼 안테나)

 

  미국의 천문학자 닐 디그래스 타이슨은 저서 ‘날마다 천체물리’에서 이렇게 갈파하고 있다.

   "우리가 주저없이 주장할 수 있는 것은, 우주에 시작이 있었으며 진화를 계속한다는 사실이다. 따지고 보면 우리 몸을 구성하는 원자 알갱이 하나하나의 기원을 140억 년 전에 있었던 대폭발의 순간에서부터 50억 년 이전에 폭발한 질량이 큰 하나의 별 내부에서 일어났던 열핵융합 반응으로까지 추적해 갈 수 있다. 그런 의미에서 우리 인간은 별에서 떨어져 나온 먼지에서 비롯한 생명이라 해도 과언이 아니다. 이 보잘것없는 존재가 이제 우주가 준 능력을 바탕으로 우주 자체의 시작과 진화를 캐물을 수 있게 됐다. 누가 뭐래도 이건 그저 시작일 뿐이다. 상상을 초월한 그 어떤 사건과 진화가 앞으로 또 어떻게 우주사와 인류사에서 전개될지 모르니까 말이다."