5월의 작은 선인장

오늘 올블로그를 돌아다니다가 보니 엠파스에 재미있는 기사가 떴다는 것을 알게 됐습니다.
우주에 지름 10억 광년이나 되는 빈 공간이 발견됐다는 기사죠.

설명을 위해 그림을 펌해옵니다.

큰 이미지의 하단부에 있는 네모박스를 확대한 것이 오른쪽 위의 칼라로 된 부분인데 칼라로 된 부분을 살펴보면 파란 색으로 되어있는 부분이 동공이라는 것입니다. 아무것도 없는 공간이라는 이야기죠. ^^

우주가 생겨난 직후에는 우주 속을 날아다니고 있던 광자들이 서로 충돌하여 무수히 많은 소립자들(전자, 중성자, 양성자 등등)을 쌍생성^[각주:1]으로 만들고, 이들이 다시 쌍소멸^[각주:2]로 광자로 돌아가는 일들이 매우 많이 발생하고 있었습니다. 그러나 우주는 팽창하고 있었고, 광자들은 서로 도플러 효과 때문에 다른 광자들의 에너지가 줄어든다고 느끼게 되죠. (이러한 도플러 효과는 지금도 관측되고 있습니다. 우주배경복사를 관측하면 매우 심하게 적색편이 현상을 일으키고 있다는 의미입니다.) 결국 어느 순간 광자들의 충돌로 소립자들을 쌍생성하기엔 에너지가 부족하게 되어 광자들이 서로 반응하여 쌍생성을 일으키지 않는 순간을 맞이하게 됩니다. 이 때 마지막으로 반응하지 않고 남아있게 된 빛을 우리는 우주배경복사라고 합니다. 그리고 쌍생성을 일으키지 않는 그 순간을 『최초의 3분간』이란 책을 쓴 스티븐 와인버그는 "우주가 갑자기 투명해졌다"라고 표현했습니다.

우리는 우주배경복사를 연구함으로서 우주가 갑자기 투명해진 순간의 우주를 연구할 수 있습니다. COBE 인공위성이 우주괘도로 올라가 전 하늘의 우주배경복사를 관측한 결과가 10^-5만큼 오차가 존재함을 발견했을 때 세계는 경악을 금치 못했습니다. 당시까지는 우주배경복사는 모든 하늘에서 무조건 균일하게 관측된다고 천문학자들이 생각하고 있었기 때문입니다. 어떻게 이런 차이가 있게 된 것일까요?

우주가 빅뱅을 일으킨 뒤에 불과 10^-34초 정도가 채 지나기 전에 양자역학적인 확률분포를 따라서 물질의 위치가 결정됩니다. 물론 이 때는 우주의 크기도 매우 작아서 몇 cm 수준이었을 테니까 전체적인 규모는 그리 크지 않은 규모였습니다. 물질들이 확률분포하는 모양새는 불규칙한데, 우리가 방바닥에 동전을 놓으면서 주사위를 던진 수만큼 동전들 사이를 띠워놓은 것과 같다고 생각하시면 됩니다. 이렇게 되면 부분만 살펴본다면 불규칙하게 놓이게 되는 것처럼 보이지만 전체적으로는 매우 균일하게 보이게 될 것이기 때문에 COBI 인공위성으로 관측하기 전까지는 모든 방향으로부터 균일하게 우주배경복사가 오고 있다고 생각한 것입니다.

물질의 불균일이 발생하게 되는 근본적인 원인인 양자역학의 확률론은 또 다른 하나의 가능성을 열어줍니다. 우주가 처음 생겨났을 때는 시공간의 범위가 극히 작았기 때문에 상대성이론이 적용되지 않는 순간이 있었다는 것입니다. 그리고 이 시간동안 우주는 광속보다도 더 빨리 팽창하게 됐는데, 광속보다 훨씬 더 빠른 속도로 팽창했음에도 불구하고 팽창한 시간이 찰나였으므로 팽창이 끝났을 때에도 우주의 크기는 매우 작았습니다. 우리는 초기 우주의 광속을 넘는 팽창을 '인플레이션' 이라고 부릅니다.

인플레이션에 기인한 물질의 불균일은 매우 작은 차이를 말합니다. 이 작은 차이는 나중에 중력에 의한 변화를 거치면서 우주 초기의 거대한 별들을 만들었고, 이 별들이 수천년의 짧은 생을 마친 이후에야 우리가 익히 알고 있는 은하단, 은하군, 은하, 별 등을 만듭니다. 이렇게 만들어진 천체들은 지금 우리도 볼 수 있습니다.

그런데 위 기사에서 말하는 지름 10억 광년의 동공이란 것은 당시의 매우 작은 우주에서 살펴보면 티끌같은 크기라는 것입니다. 현재 우주가 137억 광년의 반지름을 갖고 있다고 하는데 그 중에 10억 광년으로 관측되는 것이므로 인플레이션이 끝난 직후에 우주가 약 1cm였다면 대략 0.5mm 정도였을 것입니다. 매우 작은 구간이죠. ^^;;;;

그러나 우주배경복사의 불균일을 해석할 때는 주의해야 할 부분이 존재합니다.