‘빅뱅 뒤 급팽창’… 138억년전 우주탄생의 증거 찾아

[횡설수설/정성희]빅뱅의 증거

 

 

성경은 태초에 말씀이 있었다고 하지만 과학자들은 태초에 폭발이 있었다고 말한다. 이 폭발은 그야말로 ‘빅뱅’이다. 무(無)에서 특이점 하나가 폭발해 짧은 순간에 엄청나게 팽창한다. 얼마나 빠르게 팽창했느냐 하면 ‘10의 37제곱분의 1초’에 시작해 ‘10의 32제곱분의 1초’ 즈음에 우주는 10의 20제곱에서 30제곱으로 커졌다. 1분이 지나 우주의 지름은 수천 조(兆) km에 이르고 3분이 흘렀을 때 우주에 존재하는 모든 물질의 98%가 만들어졌다.

▷1965년 미국 뉴저지 주 벨연구소에서 대형 통신 안테나를 활용할 방법을 찾던 연구원 아노 펜지어스와 로버트 윌슨은 이상한 잡음 때문에 실험을 할 수가 없었다. 난방 파이프에서 나는 것 같은 소음이 어디선지 끊임없이 들려왔다. 이 ‘잡음’이 빅뱅의 흔적인 우주 배경 복사(CMBR·Cosmic Microwave Background Radiation)였다. CMBR가 뭔지도 몰랐던 전파연구원들은 이 발견으로 1978년 노벨 물리학상을 받았다.

▷미국 매사추세츠공대(MIT)의 과학자 앨런 구스에 따르면 빅뱅 후 ‘10의 43제곱분의 1초’에 중력이 출현했다. 만일 중력과 전자기력 등 물리학의 힘이 없었다면 물질 덩어리와 별은 생기지 않았고 우주는 가스와 어둠만이 가득했을 것이다. 빅뱅은 과학자라면 누구나 받아들이고 있지만 지금까지도 ‘빅뱅이론’으로 불렸다. CMBR가 빅뱅의 잔광(殘光)이자 우주팽창의 흔적으로 알려졌음에도 빅뱅을 입증하기에는 여전히 부족했기 때문이다.

▷하버드-스미스소니언 천체물리연구센터가 탐지에 성공한 ‘중력파(gravitational wave)’가 바로 부족한 부분을 연결하는 ‘잃어버린 고리’다. 잔잔한 물에 손가락을 넣으면 물결이 일듯, 초기 우주 팽창에서도 중력파가 일정한 패턴을 그리며 우주의 모양을 만들어 갔을 것이라고 학자들은 추정했다. 이번에 발견한 것이 바로 ‘B-모드 패턴’이라는 이름의 중력파 패턴이다. 우주 기원의 비밀을 풀 이번 발견을 보며 과학의 위대함을 새삼 느끼게 된다.  <정성희 논설위원, 동아일보>

  

美하버드-스미스소니언 “아인슈타인이 주장한 중력파 흔적 발견”

 

←

138억 년 전 우주를 탄생시킨 대폭발(빅뱅) 직후 초기 우주가 급격히 팽창했다는 이론인 ‘인플레이션’을 뒷받침하는 결정적인 단서가 발견됐다. 21세기의 가장 중요한 과학적 발견 중 하나라는 평가가 나온다.
미국 하버드-스미스소니언 천체물리센터는 17일(현지 시간) 인터넷으로 전 세계에 생중계된 기자회견에서 인플레이션 이론을 뒷받침하는 직접적인 증거를 찾았다고 발표했다.

인플레이션 이론은 ‘빅뱅’ 직후 ‘1억분의 1억분의 1억분의 1억분의 1초’보다 더 짧은 시간(10-37초부터 10-32초 사이)에 초기 우주가 ‘1억 배의 1억 배의 1만 배’ 내지 ‘1억 배의 1억 배의 1억 배의 100만 배’로 커지는 급팽창을 겪었다는 이론이다. 1980년 앨런 거스 미국 매사추세츠공대(MIT) 교수가 처음 발표했고 이 이론을 뒷받침하는 간접적 증거가 이어지면서 주류 이론이 됐지만 30여 년 동안 직접 증거는 발견되지 않았다. 이번에 연구팀은 남극에 있는 바이셉2(BiCEP-2) 망원경으로 3년간 관측한 ‘우주배경복사’에서 이 이론을 증명할 직접 증거인 중력파를 최초로 확인한 것이다.

우주배경복사는 우주 전체를 가득 채우며 고르게 퍼져 있는 초단파 영역의 전자기파로 빅뱅 이론의 가장 중요한 증거 중 하나다. 또 중력파란 잔잔한 수면에 돌을 던졌을 때 사방으로 퍼져 가는 물결처럼 질량 변화 때문에 시공간에 생기는 파동을 뜻한다. 물속에 풍선을 넣고 매우 빠르게 공기를 불어넣으면 물과 닿은 풍선 표면의 모든 곳에서 수면파가 발생하는 것처럼, 초기 우주가 급격히 팽창했다면 모든 방향으로 중력파를 발생시켰을 것이라고 과학자들은 예측해 왔다.

중력파는 알베르트 아인슈타인이 약 100년 전인 1916년에 발표한 일반 상대성 이론으로 그 존재가 일찌감치 예측됐지만 물질과 상호작용을 거의 하지 않아 오늘날까지 발견되지 않았다. 중력파를 간접적으로 찾아낸 미국 물리학자 조지프 테일러와 러셀 헐스가 1993년 노벨 물리학상을 수상할 정도로 중력파의 발견은 천체물리학계의 숙원이었다.

 

쾌거 이룬 과학자들 17일(현지 시간) 미국 하버드-스미스소니언 천체물리센터에서 열린 기자회견에서 연구원들이 웃고 있다. 왼쪽부터 클럼 프라이크, 제이미 복, 차오린 쿼, 존 코백 연구원.

 

이번에 연구팀은 급팽창으로 발생한 중력파가 빛의 속도로 확산되면서 시공간에 뒤틀림 현상을 일으켰고 이 때문에 우주배경복사에 독특한 원형 편광 패턴을 만들었다는 점을 확인했다. 현재 망원경으로 관찰이 가능한 가장 오래된 시점인 빅뱅 이후 38만 년 뒤에 생긴 우주배경복사 속에서 중력파의 흔적을 찾은 것이다.

연구팀은 이번 연구 결과의 신뢰수준을 5.9시그마(σ)로 밝혔다. 99.999999636%의 정확도를 의미하며, 2012년 8월 유럽입자물리연구소(CERN)가 “힉스 입자를 찾았다”며 밝힌 신뢰수준인 5시그마(정확도 99.999943%)보다 더 정확하다.

이번 연구 성과에 세계 과학계는 크게 주목하고 있다. 연구단장 존 코백 하버드-스미스소니언 천체물리센터 부교수는 “중력파가 만든 신호를 탐지하는 것은 오늘날 우주론에서 가장 중요한 목표 중 하나”라며 “수많은 사람의 엄청난 노력으로 이 지점까지 도달했다”고 의미를 설명했다. 송영선 한국천문연구원 창의선도과학본부 선임연구원은 “우주의 초기값을 알게 된 만큼 추후 연구로 인플레이션이 어떻게, 왜 발생했는지도 알 수 있을 것”이라며 “이번 연구결과로 가설뿐이었던 우주의 역사를 인플레이션부터 지금까지 상세히 기술할 수 있게 됐다”고 설명했다.

미국 뉴욕타임스와 워싱턴포스트, 영국 BBC 등 외신들은 이번 발견을 대대적으로 전하고 있다. 인플레이션 가설을 처음으로 제창했던 거스 교수는 “진실이 드러나는 순간, 정말 감동적이었다”고 감탄했다. BBC는 이 발견에 결함이 발견되지 않는다면 노벨상은 확정된 것이라고 평가했다. 다만 일각에서는 신중론도 제기된다. 임명신 서울대 물리천문학부 교수는 “엄청난 성과인 건 분명하지만 과거 CERN의 오페라 팀이 뉴트리노가 빛보다 빠르다는 실험 결과를 성급하게 발표했다가 나중에 오류 가능성을 인정했던 사례가 있는 만큼 이번 연구 결과도 신중하게 접근할 필요성이 있다”고 말했다.  <2014.03.19. 이우상 동아사이언스 기자>

 

 

‘빅뱅후 급팽창’ 초기우주 생성과정 흔적 찾았다…세기의 발견

 

‘빅뱅’을 작은 규모로 재현한 ‘미니빅뱅’. 사진 제공 NASA

‘초기우주 생성과정 증거 역사적 대발견’

미국 과학자들이 138억 년 전 빅뱅 이후 우주가 생긴 과정 '우주 팽창'에 대한 직접 증거를 최초로 발견했다.
17일(현지시간) 스페이스닷컴은 미국 하버드-스미스소니언 천체물리센터가 빅뱅 직후 짧은 순간에 우주가 엄청난 속도로 급하게 팽창하면서 지금과 같이 균일한 우주가 형성됐다는 '팽창 이론'을 실험적으로 증명했다고 밝혔다.

'바이셉2' 프로젝트팀은 우주 배경 복사(Cosmic Microwave Background)의 편광 성분을 분석해, 초기 우주 급팽창의 흔적인 중력파의 패턴을 발견했다.

우주 배경 복사란 우주 전체에 일정하게 퍼져 있는 초단파 영역의 전자기파로, 우주의 시초인 빅뱅의 가장 중요한 증거 중 하나다. 우주 급팽창의 직접 증거인 중력파의 패턴은 중력파가 퍼져 나가면서 나타나는 고유한 뒤틀림 현상에서 착안한 것이다.

급팽창 당시 흔적이 중력파의 형태로 우주 전체에 퍼져 나갔고, 이 우주배경복사에 남겨진 특정한 패턴을 이번 연구팀이 탐지하는 데 성공했다는 것이다.

 

17일(현지시간) 138억년 전 빅뱅 직후 우주가 생긴 과정인 '우주 팽창(cosmic inflation)에 대한 직접 증거가 사상 최초로 발견됐다. 17일(현지시간) 스페이스닷컴에 따르면 미국 하버드-스미스소니언 천체물리센터는 빅뱅 직후 극히 짧은 순간에 우주가 엄청난 속도로 팽창하면서 지금과 같이 균일한 우주가 형성됐다는 '팽창 이론'을 실험적으로 증명했다고 밝혔다. 사진은 연구자들이 이번에 발견한 중력파 패턴. 사진=스페이스 닷컴

이번 연구는 남극에 설치된 관측 장비 '바이셉2'로 관측된 자료를 3년 간 분석한 결과를 토대로 나온 것이다. 1979년 앨런 구스 MIT 교수가 주장한 우주 팽창 이론은 빅뱅 우주론과는 약간 다른 이론이다. 빅뱅 이론이 순식간에 생겨나 팽창한 우주의 형성 과정이라면, 인플레이션 이론은 빅뱅이 일어난 직후 작은 우주가 순식간에 팽창했다는 것이다. 이후로도 우주는 급속도로 팽창하고 있지만, 이전에 비해서는 속도가 느리졌다는 것이 학계의 설명이다.

연구를 이끈 존 코박 하버드-스미스소니언 천체물리센터 부교수는 "이는 아마도 중력 웨이브가 우주를 가로질러 가는 직접적인 이미지일 것"이라며 "이 신호를 탐지하는 것은 현재 우주론에서 가장 중요한 목표 중 하나"라고 밝혔다.

아비 로엡 하버드대 천문학과 교수는 "이번 연구가 확인되면 지금까지의 발견 중 가장 중요한 지표가 될 것"이라며 "우주가 어떻게 시작됐고 우리가 왜 존재하게 됐는지 등 근본적인 질문에 대해 새로운 길을 제시해 주는 것이기 때문"이라고 평가했다.

초기우주 생성과정 증거 발견에 누리꾼들은 "이제 우리 초기우주가 어떻게 만들어졌는지 생성과정을 알 수 있는 것인가?", "초기우주 생성과정, 어렵지만 놀라운 발견", "초기우주 생성과정 빅뱅우주론과 다른 것인가?" 등 관심을 보였다. <2013.03.18. 동아닷컴 디지털뉴스팀>