우주의 타임라인

빅뱅. 쌍생성과 쌍소멸. 맑은 우주

우주의 타임라인

우주라는 친구의 타임라인을 구경해보겠습니다. 소셜 네트워크에서 추억이 담긴 사진들을 시간 순으로 나열해주는 것을 타임라인이라고 합니다. 우주가 태어나서 137억살의 우주가 되기까지 모습을 알아보겠습니다.

 

쌍생성과 입자 생성
쌍소멸과 반입자 소멸

우주가 시작되었습니다.(온도는 10의 28제곱 켈빈)

137억년 전, 시간도 공간도 없는 한 점에서 폭발과 함께 우주가 시작되었습니다. 좁은 공간에 모든 물질과 에너지가 밀집되어 있었으므로 초고온, 초고밀도, 초고에너지 상태였습니다. 에너지가 충분한 환경에서 쌍생성과 쌍생성이 일어나 빛과 입자가 탄생했습니다. 쌍생성이란 빛이 사라지며 한 쌍의 기본입자가 생성되는 과정입니다. 이때 하나는 입자, 다른 하나는 반입자가 생성됩니다. 이렇게 기본입자인 쿼크와 렙톤이 만들어진 것입니다. 아직 양성자나 중성자와 같은 핵자는 없습니다. 원자도 없습니다.

쌍소멸은 쌍생성의 역과정으로 입자와 반입자가 만나 소멸하며 빛이 생성되는 과정입니다. 우주가 팽창하며 온도가 낮아져 에너지를 많이 필요하는 쌍생성 과정이 먼저 멈췄습니다. 쌍소멸과정은 잠시동안 더 일어났으며 입자와 반입자가 쌍을 이뤄 모두 사라지게 됩니다. 다행히  10억개 중에 1개정도로 반입자의 개수보다 입자의 개수가 더 많아 반입자는 모두 사라졌지만 입자는 살아남을 수 있었습니다. 이때 남은 입자들이 지금 우리의 우주를 이루게 되었습니다. 만약 입자와 반입자의 개수가 똑같았다면 쌍소멸로 모두 사라지고 물질이 남지 않았을지도 모릅니다.

양성자:중성자
개수비 7:1

핵자가 형성되었습니다.(빅뱅 10의 -6제곱 초 후, 온도는 10의 13제곱 켈빈)

쿼크 3개가 모여 양성자와 중성자를 형성합니다. 위쿼크 2개와 아래쿼크 1개가 모여 +1e의 전하를 갖는 양성자를 만들고, 위쿼크 1개와 아래쿼크 2개가 모여 전하를 띠지 않는 중성자를 만듭니다. 양성자와 중성자는 서로 바뀌는 교환반응이 일어납니다. 중성자에서 양성자로의 변화가 더 많이 일어나 중성자와 양성자의 개수비는 7대 1이 됩니다. 초기 우주에서 양성자와 중성자의 개수비가 결정된것입니다.

팽창하며 계속 차갑게 식어가는 우주에서 에너지가 충분하지 않아 만들기 쉬운 양성자가 더 많이 형성되었습니다. 에너지를 흡수하는 과정인 양성자에서 중성자로의 변화는 일어나기 더 힘들었습니다. 이는 질량의 차이때문에 발생합니다. 위쿼크와 아래쿼크의 질량은 거의 같지만 아래쿼크의 질량이 조금 더 큽니다. 질량이 클 수록 에너지가 더 많이 소모되며 만들기 어렵습니다. 양성자가 중성자 바뀌면 위쿼크 하나가 아래쿼크로 바뀌는 것으로 더 질량이 커져야하고 에너지를 필요로 합니다. 반대과정은 더 가벼워지는 과정으로 에너지를 방출합니다.

흐린 우주. 원자핵 형성
양성자와 중성자 모임

빅뱅 3분 뒤, 원자핵이 형성되었습니다.(온도는 10의 8~9제곱 K)

양성자와 중성자가 모여 원자핵을 구성합니다. 양성자 1개는 수소 원자핵, 양성자 1개와 중성자 1개는 중수소 원자핵, 양성자 1개와 중성자 2개는 삼중수소 원자핵입니다. 양성자 2개와 중성자 2개가 모이면 헬륨 원자핵입니다. 수소 원자핵은 양성자 1개만 있으면 되기때문에 가장 먼저 쉽게 만들어 질 수 있었습니다. 수소핵에 중성자가 더해져 중수소핵이 되고 중수소핵이 2개 모여 헬륨핵을 이루는 과정을 거쳐야 하므로 헬륨핵은 수소핵보다 나중에 만들어졌고 더 조금 형성되었습니다.

양성자수와 같은 수만큼의 전자를 붙들게 되면 원자가 됩니다. 아직 우주의 온도가 높아 빠르게 돌아다니는 전자를 붙잡지 못합니다. 우주에는 전하를 띤 입자들이 충분히 많아 빛이 직진하지 못하고 계속 산란합니다. 때문에 가시광선으로 앞을 볼 수 없는 뿌연상태로 이때의 우주를 흐린우주, 안개낀 우주라 부릅니다.    

수소, 중수소, 삼중수소와 같이 양성자수는 같지만 중성자수가 다르면 동위원소라 합니다.  동위원소는 화학적 성질은 거의 같지만 중성자수 차이때문에 질량이 다릅니다.

중성자와 양성자의 개수비 7대1로 만들어진 것은 수소와 헬륨의 개수비가 12:1로 질량비는 3:1이 되는 결과를 낳습니다.

맑은 우주. 원자 형성
원자핵에 전자 구속됨

맑은 우주가 되었습니다.

빅뱅 38만년 뒤, 우주의 온도는 3,000K입니다. 계속 팽창하며 온도는 계속 낮아집니다. 빠르게 운동하던 전자가 원자핵에 구속되어 원자를 형성합니다. 전자와 원자핵이 뭉쳐 입자수도 줄어들고 중성 원자들이 생성되며 빛이 직진할 수 있게 되었습니다. 맑은 우주, 투명한 우주가 되었습니다.

빅뱅(우주 대폭발)시 에너지가 충분한 환경속에서 핵융합이 일어난 것을 빅뱅합성(빅뱅 핵융합)이라고 합니다. 양성자와 중성자가 뭉쳐 수소와 헬륨이 만들어졌고 극히 미량의 리튬과 베릴륨이 합성되었습니다. 더 큰 원자는 별과 함께 생성되었습니다.

2.7K
차가워지는 우주

현재 우주는 빅뱅 후 137억년이 되었으며 온도는 2.7K입니다.

별과 은하가 형성되면서 헬륨보다 무거원 원소가 함께 만들어졌습니다. 다양한 물질들이 현재의 우주와 우리와 같은 생명체를 이루었습니다.

우주의 생일을 정확히 알 수 없지만 만약 생일 촛불을 꽂아준다면 137억개를...

대폭발로 시작된
우주는 팽창중

Big Bang

우주는 큰 폭발과 함께 시작되어 계속 팽창하고 있습니다. 새로운 물질의 생성은 없으므로 우주 전체의 에너지와 질량은 일정하며 밀도와 온도는 낮아지고 있습니다. 우주는 지금도 팽창하고 있고 계속 차가워지고 있습니다.

인플레이션 이론

우주의 팽창 속도가 일정하지 않았다는 이론입니다. 빅뱅 초기 짧은 순간에 급격히 팽창이 이뤄졌을 것이라는 이론으로 빅뱅 이론에서 부족했던 부분을 해결해 당연하게 받아들여지고 있습니다.

우주 대폭발로 우주는 시작되었다. 빅뱅 초기 급팽창했으며 지금도 계속 팽창하고 있다.

허블 울트라 딥 필드는 먼 곳을 포착하여 약 130억 년 전 우주를 관측하였다.

Hubble Ultra-Deep Field (HUDF) image.  130억년 전 천체들의 모습을 통해 많은 정보를 알 수 있다.

끝을 알수 없는 이 거대한 우주도
한 점에서 폭발로부터 시작되었습니다.
우리도 지금은 많이 부족합니다.
내 꿈은 멀게만 느껴집니다.
기본부터 챙기고 꾸준히 나아가다보면
언젠가 저 멀리 도달해 있지 않을까요.