빅뱅우주론 우주 빅뱅

"모든 것의 최초에 상상할 수 없을 만큼 아름다운 불꽃놀이가 있었습니다. 그 후에 폭발이 있었고, 그 후에는 하늘이 연기로 가득 찼습니다."

-조르주 르메트르, 1933년 윌슨 산 천문대 세미나 발표

 

빅뱅 출처 : NASA-JPL

 

 

지금까지 우주의 탄생에 대한 여러 가지 가설과 주장이 있었지만, 현재 우주 탄생 이론 중에서 가장 유력하게 받아들여지는 빅뱅이론에 대해서 자세하게 알아보도록 하겠다. 

 

빅뱅이론이란?

1927년에 조르주 르메르트라는 물리학자의 주장에서 파생된, 우주가 약 140억 년 전에 일어난 대폭발로부터 생성되었다는 우주 탄생에 관한 이론이며, 또한 우주 팽창에 대한 답을 제시해준다. '현재 우주가 계속 팽창한다면, 태초에는 한 점에서 시작되지 않았을까?'에서 시작된 논의가 빅뱅 우주론의 핵심이다. 조르주 르메르트가 빅뱅이론과 관련된 주장한 당시에는 과학계에서 받아들여지지 않았다. 하지만, 세월이 지난 지금, 여러 연구결과들로 뒷받침되는 증거를 통해서 현재는 우주의 기원을 설명하는 가장 유력한 이론이 되었다. 

빅뱅이론의 여러 증거들

빅뱅이론을 뒷받침하는 증거는 여러 가지가 있지만, 정규 교육과정에서 나오는 증거들만 따로 정리해보았다. 

 

1. 우주 배경 복사

 

 빅뱅이론을 뒷받침해주는 가장 크고, 유명한 증거이다. 우주 배경 복사에 대한 예측은 과거로 거슬러 올라가서, 1948년 알퍼, 허먼, 가모프는 우주가 고에너지 상태에서의 대폭발로 생성되었다면, 우주를 가득 채운 평형상태의 빛이 존재했을 것이라고 가정했으며, 이는 시간이 흐른 현재 전 우주에 절대온도 5K의 흑체복사로 흔적을 남겼을 것이라고 예측했다.

 

 이 예측 후로 약 16년이 지난 1964년에 전파 검출기로 우주에서 온 전파의 발생원에 대한 관측을 하던 도중, 특정한 전파가 계절, 시간, 방향에 상관없이 계속 검출되는 현상을 발견했고(맨 처음에는 비둘기 둥지 또는 비둘기 똥에 의한 잡음이라고 생각했다고 한다. 하지만 비둘기와 둥지가 없었어도 이 현상은 지속되었다.), 연구하던 도중 이가 1948년에 빅뱅의 흔적으로 지목된 우주 배경 복사임을 알게 되었고 이를 발표했다. 실제로 이 전파 검출기에 탐지된 미지의 잡음은, 3.5±1.0K의 온도를 가지고 있었고 이는 여러 검증을 통해서 우주 배경 복사로 확인되었다. 그리고 이후에 이 발견은 빅뱅이론을 지지하는 가장 강력한 증거가 되었다.

 

팬지어스와 윌슨이 우주배경복사를 발견한 전파탐지기. 출처 : NASA

 

2. 우주에 존재하는 수소와 헬륨의 질량비

 

수소핵융합반응, 출처 : 네이버 두산백과

 

현재 우주에 존재하는 모든 원소 중에서 수소가 차지하는 질량의 비율은 75%이고, 헬륨이 차지하는 질량의 비율은 약 25%이다.(나머지 원소들은 다 합쳐도 1%가 채 되지 않는다) 현재 우주에서 헬륨을 만들 수 있는 방법은, 별에서 일어나는 수소핵 융합 반응을 통한 것이다. 하지만 이 방법으로는 우주 전체에 있는 원소의 질량 중 25%를 차지하는 헬륨을 다 만들어 낼 수는 없다. 빅뱅이론이 옳다고 주장했던 가모프에 따르면, 우주의 탄생 당시에 고압력, 고온도, 고에너지 환경에서 이런 가벼운 원소들을 만드는 핵융합 반응이 일어났다. 우주가 생성되고 1초도 되지 않은 시간 동안 이런 핵융합 반응이 지속되다가, 나중에 우주의 온도와 압력이 지속적으로 떨어지다가 핵융합 반응이 더 이상 일어날 수 없는 환경이 되었을 때, 수소와 헬륨의 질량비가 결정되었다. 또한, 이를 토대로 수학적으로 계산했을 시에, 빅뱅 초기에 생성된 수소와 헬륨의 질량비는 3:1이었다. 그리고 이는 나중에 과학자들이 관측으로 확인한 값과 일치했다. 

 

3. 대부분의 은하에서 관측되는 도플러 효과에 의한 적색 편이

 

우리은하. 출처 : ESO

 

외부 은하를 관측했을 때, 대부분의 은하들로부터 관측되는 적색편이는 우주 팽창을 지지하는 증거이다. 이를 통해서 우리 은하를 기준으로 다른 은하들이 얼마나 빠르게 멀어지는지 확인할 수 있다. 한편 이를 통해서 확인해봤을 때, 먼 곳에 존재하는 은하일수록 더 빠르게 멀어진다는 허블의 법칙은 우주 팽창을 지지해준다. 또한, 우주 팽창의 정도를 확인해봤을 때, 우주가 균일하게 팽창하는데 이는 아주 먼 과거에는 은하들이 한 점에 존재했었다는 점을 알려주고, 이를 통해서 빅뱅 우주론을 뒷받침해준다.