빅뱅 우주론

이석영 교수의 < 모두를 위한 빅뱅우주론 강의>에서

우리는 알 수 없는 것으로부터 빅뱅에 도달했다. 빅뱅 우주론이 힘을 얻게 된 것은 에드윈 허불 Edwin Hubble의 관측 결과 때문이다. 그는 캘리포니아의 윌슨 산 천문대에 취직해, 그동안 뿌였게 보여서 성운(우리 은하에 속한 기체 구름)이라고 여겨왔던 것들의 대다수가 외부 은하임을 밝혀냈다.

이후 태양이 우리 은하의 중심이 아니라 우리 은하의 주변부를 도는 1,000억 개의 별들 중 하나라는 것을 알게 되었고, 우주 그 자체라고 믿었던 우리 은하 역시 수많은 은하들 중에 하나라는 사실을 발견했다. 허블의 법칙(적색 이동이 거리에 비례한다 )에 따르면 더 멀리 있는 은하일수록 더 빨리 우리 은하로부터 멀어져 가고 있는 것이다. 시공간이 팽창하고 있다는 것이다.

빅뱅에 기반한 팽창 우주론에 따르면 과거로 갈수록 우주의 크기는 작아지고 온도는 높아진다. 우주의 크기와 온도는 정확히 반비례한다.

빅뱅은 시공간의 탄생이다. 하지만 빅뱅의 순간을 정의할 수는 없다. 왜냐하면 그 순간에는 시공간이 없었을 뿐만 아니라 양자역학적으로 볼 때 물리학이 정의할 수 있는 시간의 밖에 있기 때문이다. 이 한계시간을 가리켜 '플랑크 시간'이라고 한다.

플랑크 시간은 인간이 가지는 지식의 한계이다.

빅뱅과 더불어 수소와 헬륨이 만들어졌다.

급팽창 이후 우주는 입자를 구성할 수 있을 정도로 온도가 낮아진다. 이때 원자핵을 포함한 강입자가 만들어졌다. 이러한 입자들은 아마도 빛으로부터 만들어졌을 것이다.

에너지, 질량, 온도는 서로 연관되어 있다.

1 전자볼트의 에너지 = 1만 도의 온도 = 10의-35승 kg의 질량

수소의 경우

약 10의 -27승 kg의 정지 질량 = 10억 전자볼트의 에너지 = 10조 도의 온

우주의 대표적인 강입자로는 양성자와 중성자가 있다.

중성자는 위 쿼크 1 개 + 아래 쿼크 2개로 이루어져 있고, 양성자는 up quark 2개 + down quark 1개로 이루어져 있다.

그런데 아래 쿼크가 위 쿼크보다 질량이 조금 더 크기 때문에 중성자는 양성자보다 0.1% 정도 질량이 더 크다.

이 질량 차이를 E=mc^2으로 계산하면 100만 전자볼트가 된다.

1 전자볼트는 섭씨 1만도 정도의 온도에 해당되므로, 100만 전자볼트는 섭씨 100억 도에 해당하는 에너지 차이가 생긴다

양성자와 중성자의 결합으로 원자핵이 만들어지므로 이 시기를 우주 물질의 탄생기라고 볼 수 있다

빅뱅 3분 후 핵 합성이 이루어진다. 4개의 수소가 헬륨으로 핵융합된다

중성자는 양성자보다 0.1% 많은 질량을 가지며 전기적으로 중성인데, 자연 상태에서 원자핵을 이루지 않고 홀로 있는 경우에는 불안정해서 양성자로 변환된다. 이때 중성자와 양성자의 질량 차에 해당하는 약 100만 전자볼트의 에너지가 방출된다.

우주의 나이가 1만 년이 되는 순간 이후는 '물질의 시대'라고 부른다

우주 팽창 때문에 일어나는 도플러 효과로 인해 광자가 많은 에너지를 잃고 온도가 낮아져서, 이제는 빛보다 물질이 우주 에너지의 더 큰 비중을 차지하게 되기 때문이다.

지금까지 알려진 바로는 우주에는 수소 원자 하나당 약 10억 개의 광자가 늘 있어왔다

1~37만 년 동안 우주는 플라스마 상태였다. 수소 원자핵, 헬륨 원자핵, 자유 전자 등이 플라스마 상태, 곧 물질과 빛이 엉킨 우주였다. 이 플라스마 우주가 진동을 하며 만든 현상이 우주 배경 복사다

1957년 프레드 호일은 마거릿 버비지와 제프리 버비지, 윌리엄 파울러와 함께 탄소를 포함한 무거운 원소들 모두가 1억 이상의 고온을 가진 별의 중심부에서 만들어졌다는 사실을 발견했다

케플러의 법칙, 중력장 중심으로부터 멀어질수록 공전 속도가 줄어든다.

별은 어떻게 탄생하는가

별은 은하 원반의 기체 구름에서 탄생한다.

고온 기체는 응집하지 않아 별 탄생에 기여하지 않는다

나선 은하의 경우 주로 원반 위의 기체가 태양 질량의 100만 배 정도 되는 무리를 이루어 분자 구름을 만드는데, 별은 그 분자 구름에서 태어난다. 원자들이 기체 구름 안으로 모여드는 과정에서 중력적으로 마찰을 겪어 위치 에너지를 잃고 다른 중성 원자들과 만나 분자 구조를 형성한다. 분자구름의 중심부는 절대온도 10도, 약 섭씨 -263도 정도로 극저온의 환경을 가지게 된다

이렇게 극저온 환경일 때 분자 입자들은 열 에너지로 인한 운동이 줄어들어 점점 서로의 중력만을 세게 느끼게 된다. 자체 중력이 충분히 커진 일부 영역에서 중력 수축이 일어난다. 이때 엄청난 양의 위치에너지가 열 에너지로 바뀌면서 그 영역의 온도가 급격히 상승한다. 이 온도는 수축하는 영역의 질량에 비례한다

수축하는 영역의 질량이 태양 질량의 7% 정도보다 큰 경우, 중력 수축을 통해 얻을 수 있는 열 에너지가 1000만 도 이상의 온도에 달하므로 수소를 태워 헬륨을 만드는 핵융합 반응을 시작할 수 있다

비로소 별이 탄생하는 것이다

이렇게 탄생한 별은 왜 빛나는가?

별은 중심부에서 수소를 태워 헬륨으로 바뀌는 과정에서 에너지를 얻고 방출한다.

별은 대부분 빅뱅 핵 합성으로 만들어진 수소와 헬륨으로 구성되어 있다.

1930년대에 한스 베테는 4개의 수소가 융합해 1개의 헬륨을 만드는 과정에서 막대한 에너지가 나온다는 것을 이론적으로 알아냈다.

수소핵 4개가 융합해 연소되는 과정에서 헬륨 1개가 만들어진다. 그런데 헬륨 원자핵 질량은 그 원료인 4개 수소 원자핵 질량의 합에 비해 0.7%가 작다. 이 질량 차이에 해당하는 에너지가 E=mc^2식으로 계산한 에너지로 별의 에너지원인 것이다. 별이 빛나는 이유다.

별이 수소를 다 연소하면 헬륨을 태워 탄소를 만들면서 삶을 지속한다. 탄소를 태운 후 더 이상 원소를 태우기에 온도가 부족한 단계로 접어들어, 빛나는 별의 생을 마감 한다. 이때 중심부는 백색 왜성으로 수축해 매우 밀도가 높고 작은 모습을 갖게 된다

태양보다 질량이 10배 이상 큰 별들은 수소 - 헬륨 - 탄소 - 산소의 연소과정을 거쳐 별의 중심부가 태울 수 있는 원소가 고갈된 다음 급격히 중력 수축하며 온도가 다시 높아진다. 수 초간의 짧은 시간 동안 여러 핵반응이 연쇄적으로 일어나 산소로부터 규소, 황, 철 등을 만든다. 이 짧은 시간 동안, 빅뱅이 만든 수소와 헬륨 그리고 작은 별들이 만드는 탄소와 산소를 제외한 우주에 있는 거의 모든 무거운 원소가 만들어진다.

이때 발생한 엄청난 핵융합 에너지는 별이 중력적으로 감당할 수 없으므로, 결국 초신성 폭발이 일어난다.

초신성은 자신이 만든 대부분의 원소를 우주에 퍼뜨린다. 우주에서 발견되는 모든 철은 초신성에서 만들어졌다.

원자번호 26번 철을 중심으로 수소 등 더 가벼운 원소는 양성자를 얻어 철이 되려고 하고, 철보다 더 무거운 원소들은 양성자를 나눠 철이 되려고 한다.

빅뱅, 백색왜성, 초신성 폭발로 주기율표의 원소가 만들어졌다. 우리 몸은 CHOSPN 등으로 이루어져 있고, 태양의 수소핵 융합으로 빛 에너지를 받아 생명이 되었다. 따라서 우리는 모두 별(빛)의 후손이라고 봐야 한다. 아울러 우주와 하나의 끈으로 연결되어 있다