우주의 신비2 빛
TV의 노이즈와 우주배경복사
지금은 디지털 TV가 대부분이지만 예전 아날로그 TV에서 이처럼 지지직거리는 까만 화면을 본 적이 있을 것이다. 텔레비전의 이른바 지지직거림, 또는 스노우, 노이즈로 불리던 현상은 아주 작고 뜨거웠던 우주의 잔류물인 저에너지 장파 때문임이 밝혀졌다. 이를 ‘마이크로파 우주 배경 복사’라고도 한다. 텔레비전 안테나가 바로 그것을 포착한 것이다. 이 우주배경복사는 빅뱅 우주론의 결정적인 증거라고 한다. 그동안 우리가 지나쳤던 TV화면이 저 멀리 우주에서 온 신비로운 빛이라니 놀랍지 않은가. 마침내 찾아낸 빅뱅 우주론의 증거, 우주배경복사에 대해서 더 알아보자.
정상우주론과 빅뱅론
우주배경복사 이야기에 앞서 먼저 알아야 할 것은 정상우주론과 빅뱅론의 대립이다. 우주에 시작이 있는가 아니면 시작도 끝도 없이 영원한가? 이것은 인류의 오래된 의문이었다. 우주의 시초가 있다고 주장하는 빅뱅우주론이 등장하자, 이에 맞서 영원한 우주를 주장하는 정상상태 우주론이 등장하여 상반된 두 우주론 사이에 열띤 논쟁이 벌어졌었다.
우주가 팽창한다는 관측사실로부터 자연스럽게 도출되는 우주론은 우주가 시간에 따라 진화해왔다고 설정하는 진화우주론이다. 우주가 팽창하고 있다면, 우주의 팽창이 시작된 시점이 있으며 이 점으로부터 우주가 폭발적으로 팽창해왔다고 주장하는 것이 빅뱅이론이다.
한편, 정상상태이론을 주장하는 사람들은 우주는 팽창하지만, 영원하고 근본적으로 변하지 않는다는 주장을 했다. 우주가 팽창함에 따라 은하 사이의 공간에서 새로운 물질이 나타난다. 즉, 동적이며 무한한 우주를 가정하면 우주가 2배로 커져도 역시 무한하다. 은하 사이에 물질이 만들어지기만 하면 우주 전체는 변하지 않고 그대로 남아 있게 된다. 이렇게 하여 정상상태이론(Steady State theory, Infinite Universe Theory)이 등장하게 된 것이다.
시간이 지나면서 과학기술 발전에 따라 전파관측이 이루어지고, 전파관측은 우주로 향하는 새로운 문을 열었다. 새로운 천체를 발견했으며 빅뱅과 정상우주론 논쟁에 유리한 증거를 제시했다. 전파관측은 여기에 그치지 않고 1964년에 마침내 결정적인 증거를 찾아낸다.
우주 배경 복사의 발견
벨연구소의 아르노 펜지아스(Arno Allan Penzias, 1933~)는 로버트 윌슨(Robert Woodrow Wilson, 1936~)과 함께 나팔모양의 전파안테나를 이용해 전파잡음을 연구하던 중 우연히 하늘 전역에서 들어오는 전파잡음을 발견하였는데 그 정체를 모르고 있었다. 이들이 발견한 것이 우주배경복사라는 사실은 MIT에 있던 버크(Bernard Burke)라는 친구를 통해서 알게 된다. 당시 프린스턴 대학의 로버트 디키(Robert Ducke)와 제임스 피블스(James Peebles)는 가모프와 알퍼와의 연구내용을 모르는 채 다른 관점에서 우주배경복사를 연구하고 있었다. 버크는 피블즈의 강연을 듣고 그 사실을 펜지아스에게 알려 주었던 것이다.
미국의 아노 펜지어스(Arno Penzias)와 로버트 윌슨(Robert Wilson)은 1964년 우연히 이 우주배경복사를 발견해 빅뱅 우주론이 연속창생 우주론을 제압하는데 결정적인 역할을 했다.
우주배경복사란 태초의 뜨거운 우주 속에 고르게 퍼져 있던 빛이 식은 것으로, 우주 속에 고르게 퍼져 있다가 -270도(℃)까지 식어빠진 상태로 발견됐다. 즉, 우주배경복사는 뜨거운 물로 막 목욕을 마친 목욕탕에 남아 있는 수증기와 같은 것이다. 그 수증기를 보고 목욕을 막 마친 사람이 뜨거운 물을 사용했다는 사실을 추리할 수 있는 것처럼, 우주배경복사를 보고 태초의 우주는 뜨거웠다고 결론내릴 수 있는 것이다.
우주배경복사의 발견은 우주가 빅뱅으로 시작되었다는 사실을 증명하는 결정적인 증거였고 정상우주모델이 틀렸다는 것을 증명했다. 하버드 대학의 물리학자 에드워드 퍼셀은 “이것은 모든 사람들이 지금까지 본 것 중 가장 중요한 것”이라는 최고의 찬사를 보냈다. 펜지어스와 윌슨은 이 발견으로 노벨상을 수상했다.
빅뱅 후 38만년이 흐르고 우주의 온도가 절대온도 3000K까지 떨어지게 되면 원자는 안정적으로 그 형태를 유지하게 된다. 즉, 전자가 구속이 되는 것이다. 비로소 빛이 전자에 억압받지 않게 되는 것이다. 바로 이 때 방출된 복사파가 ‘우주배경복사’즉, 마이크로파배경복사의 형태로 오늘날가지 퍼져 있는 것이다.
이제는 디지털TV로 인해 사라져가지만, 우리가 137억 년 전 우주가 남긴 화석 우주배경복사, 빅뱅의 잔재를 보고 있다니 놀랍지 않은가!
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우주의 놀라운 7가지 신비 밤(night), 빛(light), 물질(stuff), 중력(gravity),
시간(time), 집(home, 바로 지구), 호기심(wonder)에 대한 비밀
우주의 7가지 놀라운 신비
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※ 참고자료
책 - 우주의 7가지 놀라운 신비
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by. PuD