태초의 우주, 빅뱅 이론과 증거

오늘은 천문학을 주제로 신비로운 기원에 대해 알아보겠습니다.

우주의 시작은 수 세기 동안 인류를 매료시킨 주제입니다. 사람들은 모든 것이 어떻게 시작되었고

우주가 존재하게 된 원인은 무엇인지 알고 싶어 했습니다.

이 블로그 게시물을 통해 우리는 우주의 시작을 좀 더 알아보고 생각해 보는 시간이 되었으면 합니다.

 

1. 태초의 우주

우주의 시작은 과학사에서 가장 흥미롭고 신비로운 사건 중 하나입니다.

태초의 우주는 뜨겁고 밀도가 높으며 빠르게 팽창하는 특이점이었습니다.

이런 상태를 '초기 특이점 initial singularity'이라고 합니다.

이것은 우리가 존재한다고 알고 있는 모든 것, 즉 물질, 에너지, 시간, 공간이 상상할 수 없을 정도로 

존재하는 모든 것을 하나의 점으로 존재했던 곳입니다.

존재하는 모든 것을 품고 있던 이 초기 특이점은 원자보다도 작았고, 우주의 이것 외에 다른 것이 존재하지 않았습니다.

만약 이 개념을 이해할 수 없다면, 그건 이 개념 자체가 이해할 수 없는 것이기 때문입니다.

그 누구도 완전히 이해하지 못하고, 사실 우주의 역사를 거슬러 올라가서 초기 특이점 상태로 돌아가면 우리가 알고 있는 과학의 법칙이 본질적으로 무너집니다.

초기 특이점은 대략 120 ~ 150억 년 전에 발생한 빅뱅으로 알려진 우주적 사건에서 출현한 것으로 여겨집니다.

이것은 초기 단계의 우주를 이해하는 데 매우 중요하며 이 사건으로 인하여 새로운 별들이 만들어지고 팽창하기도 하는 지금의 이 역동적인 우주를 탄생시켰습니다. 

 

 

2. 빅뱅 이론에 관하여

빅뱅은 우주의 기원에 관한 가장 잘 알려지고 널리 받아들여지는 과학 이론 중 하나입니다.

우선 빅뱅 이론이란 무엇인지 알아봅시다.

빅뱅 이론은 우주가 약 138억 년 전에 특이점으로 알려진 작고 밀도가 높은 점에서 시작되었다고 제안합니다.

이 특이점은 믿을 수 없을 정도로 뜨겁고 밀도가 높았다가 갑자기 확장되어 오늘날 우리가 알고 있는 우주의 창조로 이어졌습니다. 우주가 팽창함에 따라 냉각되어 아원자 입자가 원자, 별, 은하를 형성할 수 있게 되었습니다.

한마디로 빅뱅은 이론입니다. 하지만 굉장히 많은 증거로 지금까지 입증되고 있습니다.

그러나 이 중에서 우주의 팽창은 이론이 아니라 관찰할 수 있는 현상입니다. 시간이 지날수록 우주가 팽창한다는 것은 시간을 거꾸로 돌리면 우주의 역사를 추적할 수 있는 것이고, 이로 인해 우주가 하나의 점에서 시작했다는 것을 상상할 수 있습니다.

이 하나의 점은 모든 물질과 에너지가 한 점으로 압축된 무한 밀도의 점에서 시작되었습니다.

그러다가 이 점은 폭발과 함께 급속히 팽창하기 시작했고, 시간과 공간의 생성으로 이어졌습니다.

이를 빅뱅이라고 합니다.

빅뱅이 일어난 직후에도 우주는 여전히 빽빽하게 채워져 있어서 모든 것이 에너지 덩어리 형태로 존재했을 것입니다.

하지만 우주가 급속도로 팽창하면서 냉각되고 다른 물리적 변화도 일어났습니다.

이는 액체 상태의 물이 냉각되면서 고체 얼음으로 변하는 과정과 유사하다고 볼 수 있습니다.

빅뱅으로 인하여 우주가 계속 팽창함에 따라 온도가 낮아져 아원자 입자가 원자, 별, 은하를 형성할 수 있게 되었습니다.

시간이 지남에 따라 중력은 물질을 서로 뭉치게 하여 행성, 달, 그리고 기타 천체를 형성하게 되었습니다.

 

 

3. 빅뱅의 증거

빅뱅 이론을 뒷받침하는 중요한 증거 중 하나는 마이크로파 배경 복사입니다.

이 방사선은 빅뱅의 잔광으로 여겨지며 우주 전체에서 감지됩니다.

이에 대해 좀 더 자세히 알아보겠습니다.

20세기 초에 빅뱅을 탐구하던 천문학자와 물리학자 들은 초기 우주가 굉장히 많은 물질과 함께 뭉쳐져서 매우 뜨겁게 밀집해 있었기 때문에 핵반응이 모든 곳에서 한꺼에 일어났을 것이라고 추론했습니다.

핵반응은 입자 형태의 방사선을 방출합니다.

만약 이 모든 것이 사실이라면, 우리는 빅뱅에 의한 방사선의 잠열을 우주 곳곳에서 탐지할 수 있어야 합니다. 천문학자와 물리학자 들은 몇십억 년이 지난 지금쯤은 이 방사선이 절대온도 0도 보다 조금 높은 온도로 냉각되어야 한다고 예측했습니다.

그러나 20세기 초 천문학자들은 방사선을 탐지할 기술이 없었습니다.

그래서 당시에는 빅뱅 이론이 괜찮은 이론으로는 여겨졌지만 증명되지는 못했습니다.

수십 년 후인 1965년에 태양계 넘어에서 오는 고주파 전파(radio wave)를 탐지할 수 있는, 극도로 민감한 망원경이 발되었습니다. 이 전파 망원경으로 탐지한 우주 전파는 모든 방향과 모든 각도로 동시에 방출되는 등방성(isotropic)의 파였습니다. 게다가 방사선 온도는 절대온도 0도보다 약 2.7도 높았는데, 이것은 이론적 추정치와 굉장히 가깝습니다.

이 방사선은 현재 우주 마이크로파 배경 방사선으로 알려져 있으며, 빅뱅이 발생했다는 증거로 여겨집니다. 

과학자들은 또한 우주가 여전히 팽창하고 있음을 나타내는 멀리 떨어진 은하에서 빛의 적색 편이를 관찰했습니다.

또 다른 빅뱅의 증거로는 우주의 헬륨과 수소와 같은 가벼운 원소가 풍하다는 사실은 빅뱅 이론의 예측과 일치하고 있습니다.

 

이번 게시글에서는 빅뱅 이론에 대해서 알아보았습니다.

우주의 시작을 설명하려는 다른 이론들이 많이 있지만 현재 빅뱅 이론이 가장 널리 받아들여지고 있습니다.

앞으로 기술이 발전하고 더 많은 정보가 과학적으로 발견됨에 따라 우주의 시작에 대한 우리의 이해는 계속 발전할 수 있지만 그때까지 빅뱅 이론은 당분간 우리에게 우주의 시작을 이해하는데  근본적인 부분으로 남아있을 것입니다.