초기의 우주, 우주 물질과 빅뱅이론에 대하여

안녕하세요. 아시타 메타버스입니다. 앞으로의 포스팅은 평소에 관심이 많았던 우주에 대해 이야기를 해볼겁니다.

우주는 그 자체로도 매우 신비롭고 알 수 없지만 많은 궁금증을 갖게 합니다. 다만 이 우주를 이해하기 위해선 

많은 물리학 지식과 천문학 지식을 가져야만 이해하기 쉽고 관련 정보를 검색해보면 너무 어렵게만 느껴집니다

때문에 궁금한 이들을 위해 조금이라도 재미있고 쉽게 우주에 관한 이야기들과 정보를 공유하겠습니다.

 

 

초기의 우주

먼저 종교에서 말하는 우주는 크게 두 가지로 분류할 수가 있습니다. 신이 우주를 창조했다는 창조설 또는 우주는 탄생과 사멸 없는 채 영원히 계속되는 영원불멸설이 있습니다. 여러 나라의 신화나 문화에서도 우주가 무에서 유로 창조되었다는 식의 이야기는 많이 찾아볼 수가 있습니다. 그리스 신화에서도 우주는 혼돈 속에서 탄생한 것으로 되어있습니다.
중국의 창조 설화에서는 태초의 우주가 알에서 시작되었다고도 합니다. 이 우주적 알 속에서 반고라는 소년이 태어난 후에는 반고가 받들고 있는 부분은 하늘, 딛고 있는 부분은 땅이 되었고 그가 숨을 거두며 그의 피와 두 눈과 목소리는 각각 강과 태양과 달, 천둥이 되었다고 합니다. 이처럼 무에서 우주가 창조되었다고 여기는 창조 설화는 세계 다른 문화권 곳곳에서도 나타납니다. 하지만 이런 창조 신화들과는 대조되는 주장들이 있었죠. 바로 불교와 힌두교의 우주관은 달랐습니다. 그들은 우주는 태어나지도 소멸되지도 않는 시간을 초월한 존재라고 말하고 있습니다. 그 속의 각각의 개개인이 영위하고 있는 삶 중에 가장 높은 수준인 열반은 우주와 물아일체 된 영원불멸 상태로 수많은 명상 수행 끝에 도달 가능하다고 합니다. 또한 힌두교 힌두 문학의 대표적 저술 중 하나인 마하푸라나 mahapurana 에는 "만일 신이 이 세상을 창조했다면, 그는 세상을 창조하기 전에 대체 어디 있었다는 말인가? 시간과 마찬가지로 이 세상은 어느 날 갑자기 창조되지 않았으며, 시작도 끝도 없이 영원히 그곳에 존재한다."라고 한 것과 같이 우주가 누구에 의해 창조된 것이 아닌 그저 그곳에 있는 것이라 주장하는 바입니다. 지금처럼 관측장비나 과학이 많이 발달하지 못한 과거에서는 현재는 과학적 근거로 설명이 가능한, 예를 들면 우주의 자전 공전에 의한 자연현상을 미신, 즉 샤머니즘 쪽으로의 접근으로 대하는 경우가 매우 많았지만 이제는 고대의 창조 신화들은 그저 옛날이야기로 접어두고  현재는 관측위성들과 중력파 감지기, 초고속 슈퍼컴퓨터, 인터넷, 간섭계, 등등 강력한 장비들로 조금 더 과학적으로 설득력이 있고 놀라운 이론들이 나타나기 시작했습니다.

 

 

우주의 물질

우주의 물질엔 어떤 것들이 있을까요? 먼저 WMAP 위성이 관측한 자료를 보면, (WMAP 위성이란 우주론의 창시자인 데이비드 윌킨슨의 이름을 따와 이름을 지은   2001년 발사된 위성.) 우리의 눈으로 확인할 수가 있는 시각적 물질들(별, 은하, 행성, 산 등등)은 모든 우주를 구성하는 총 물질과 에너지의 4%밖에 되지 않는다고 합니다. 그리고 4%는 수소와 헬륨으로 대부분 구성되어 있습니다. 그렇다면 나머지 96%의 물질은 무엇일까요? 아마 눈에 보이지 않는 물질로 구성되어 있다는 뜻이겠죠. 그리고 현재로서의 관측 결과는 23%가 '암흑물질 (dark matter)로 이루어져 있다고 합니다. 암흑물질은 눈에 보이진 않지만 빛의 궤적에 변형을 일으키는 특성을 가져 광학적인 방법으로 존재를 알 수가 있었습니다. 그러나 더 놀라운 사실은 앞서 얘기한 우리의 주위에서 찾아볼 수 있는 수소와 헬륨 4%와 암흑물질 23% 을 더한 27%를 제외한 73%가 암흑 물질로 이루어져 있다는 사실을 WMAP 위성이 보낸 관측자료로 인해 알 수 있었습니다. 이 암흑에너지의 정체는 대체 무엇인지 아직 규명되지 않았다고 합니다. 인류가 우주에 대해 많은 연구와 사실들을 밝혀냈다고 생각했는데 아직도 우주의 73%나 모르는 것이 있다는 사실이 참 놀랍습니다. 앞으로도 암흑에너지의 정체를 밝혀내는 것이 우주의 발견에 크게 중요한 일이 될 것임이 틀림없습니다.

 

 

빅뱅 이론

벨기에의 조지 르메트르는 우주론에 관해 여러 가지 지식을 가진 성직자였다고 합니다. 그는 1927년 우주가 '초원자 superatom'상태에 있다고 주장했습니다. 초원자 상태란, 우주가 초고온, 초밀도의 상태로 후에 갑작스러운 폭발과 함께 팽창하였다는 것입니다.
소설가 '포'도 초원자의 개념에 관해 이야기한 적이 있습니다. 그는 초창기의 우주 물질들이 서로 강하게 잡아당기고 있어서 아주 좁은 곳에서 초고밀도 상태로 응축되어 있다고 생각했어요. 르메르트는 지속해서 끈질기게 초원자 상태의 폭발과 팽창했다는 이론을 주장하였고 그리고 후에 그 주장을 뒷받침할 결정적 단서가 발견됩니다. 넘쳐나는 아이디어와 재기 넘치는 농담으로 물리학계의 광대로 통한 가모브는 핵물리학, 우주론, DNA까지 연구하던 천재였습니다. 그는 우주는 어둠으로 뒤덮여있고 팽창한다는 정도만 알려져 있던 당대에 빅뱅의 흔적을 찾아다니고 있었습니다. 가모브는 초기우주에서의 가벼운 원소들을 탄생시키는 핵반응 과정을 규명해 냈습니다. 현재 핵합성이라고 통용되는 과정은 우주 물질의 양을 계산할 때 매우 용이하게 사용되고 있습니다. 그는 자기의 학생들과 이런 논리를 주장하였는데 "창조의 순간 우주는 초고온 상태에서 양성자와 중성자가 뭉쳐있다가 어느 날부터 핵융합반응이 일어났고 수소(H) 원자는 헬륨(He) 원자로 변환되었는데 이는 별 내부 또는 수소폭탄을 만드는 과정과 같다" 양성자들이 엄청난 고온 상태에 있게 되면 결합하게 되어 헬륨을 생성하고 수소원자핵과 헬륨원자핵들은 충돌하며 그로 인해 리튬(Li)과 베릴륨(Be)이 생성되며 이러한 과정들의 반복으로 주기율표의 원소들이 탄생했다고 가설 지었습니다. 가모브의 주장으로는 헬륨(우주 질량의 25%)은 빅뱅의 고열로부터 만들어졌습니다. 그리고 실제로 현재 존재하는 별과 은하의 성분이 25%가 헬륨이며 나머지 약 75%는 수소 그리고 매우 극소량으로 나머지 원소들이 차지하고 있음을 알 수 있습니다. 하지만 가설을 통해 계산하는 과정에서 가벼운 원자핵들은 설명이 가능하나 무거운 원소를 만들어내는 과정은 도통 설명할 수가 없었고 가모브의 이론에는 점점 설득력이 없어지기 시작했습니다.