미 인공위성 「우주초기 빛파동」 측정의 의미/박창범(특별기고)

◎2.74도K의 10만분의 1차로 물질파동/130억년동안 중력수축… 행성·별 생성/우주팽창→빅뱅→별 탄생 이론에 결정적단서 제공

미항공우주국(NASA)소속 천체물리학자들이 지난 23일 공식발표한 탐사위성 코비의 우주초기빛(우주배경복사)측정결과는 지금까지 입증이 안 돼 「폐기」위기에 몰려있던 우주생성의 표준모델을 극적으로 회생시킨 천문학의 쾌거로 받아들여지고 있다.이로써 우주의 급격한 팽창(인플레이션)과 대폭발(빅뱅),행성과 별의 형성으로 이어지는 우주의 진화이론은 과학적인 확증을 갖게 됐다.이번 연구결과의 의의와 이에 의한 우주생성의 역사를 서울대 박창범교수(천문학)가 기고해 왔다.박교수는 미국최고의 천체물리학 연구그룹중 하나인 프린스턴대학에서 표준모델 입증 연구를 수행한바 있다.

「우주의 생성과 진화」란 분명 난해한 문제이다.그러나 아인슈타인 이래 20세기의 위대한 과학자들은 「존재의 기원에 관한 질문」을 끝없이 던져 이에 대한 해답을 구해 왔다.그 결과 19 80년대 중반에 완성된 것이 우주생성과 진화에 대한「표준모델」이다.

표준모델에 있어 우주 역사에 대한 설명은 우주의 나이가 약 10□초가 되는 때부터 시작한다.이때는 우주에 존재하는 4개의 기본적인 힘,즉 강한 핵력,약한 힘,전자기힘,그리고 중력이 통일되어 있다가 중력이 분리되는 시기다.시간이 10□초가 흐르면 우주의 온도가 떨어져 핵력도 「약한 힘」과 「전자기힘」에서 분리되며 우주는 마치 물이 얼음으로 된 것처럼 상전이를 하게 된다.이때 우주를 꽉 채우고 있는 기운의 반발력에 의해 우주가 급격히 팽창하며(인플레이션) 이 현상으로 인해 우주의 물질분포는 아주 균일해지는 것이다.또한 이 기간동안 불확정성의 원리에 의해 이 고에너지 기운의 분포가 극미하나마 불균일해 지는데 이것이 바로 현재 인간과 지구 별 은하등의 물체를 형성하게 될 씨앗이 된다.

이후 인플레이션이 끝나고 우주는 고전적인 빅뱅의 모습으로 진화하며 우주의 나이가 약 1초가 되면 「약한 힘」과 「전자기적인 힘」이 마지막으로 분리되면서 가벼운 원소들이 만들어진다.

이제 우주는 빛과 양성자,중성자,전자등의 입자들이 격렬한 상호작용을 하는 가운데 팽창한다.우주의 나이가 약 50만년이 되면 우주 온도는 절대온도 3천도 K가 돼 전자와 양성자가 결합해 수소를 만들면서 우주는 갑자기 투명해진다.이 순간 빛은 물질로부터 자유스럽게 빠져나오게 되는데 이것이 바로 오늘날 코비위성등에 의해 직접 관측되는 「우주배경복사」이다.

물질은 그뒤 1백30억년간 밀도의 불균일 정도에 따라 중력수축을 해 행성과 별을 형성하고 더 나아가 은하들과 은하단,초은하단,은하거대구조등을 형성해 나아간다.인류는 이 우주의 「동물원」중 한쪽 구석 작은 행성에서 발상한 것이다.

80년대 중반까지 이같은 우주론을 입증할 인간의 우주관측자료는 보잘것 없이 미약했다.특히 우주배경복사에 필수적으로 있어야 할 온도의 비등방성 측정은 어떤 최첨단 기기로도 끝내 발견되지 않았고 은하 분포관측을 마친 일부관측자들은 그들이 발견한 우주거대구조가 표준모델에서는 기대할 수 없다고 주장,최근 많은 학자들은 표준모델에 회의를 갖기에 이르렀다.

89년11월 버클리대학의 스무트교수가 이끄는 NASA소속 천체물리학자들은 우주배경복사의 비등방성을 탐지하려는 금세기 마지막 시도로 탐사위성 코비를 띄운다.생일축하케이크위의 촛불보다 1억배나 어두운 빛도 탐지할수 있는 최첨단장비를 장착한 코비 위성은 마침내 2년만인 지난 23일 우주배경복사가 평균온도(절대온도 2.74도K)로부터 10만분의 1 비등방성을 갖고 있음을 측정해냈다고 발표를 한 것이다.이 「10만분의1」비등방성은 인플레이션가설과 우주를 채우고 있는 「차가운 암흑물질」(성간물질)이 존재할 경우 정확히 우주표준모델이 예측하는 비등방성이다.이제 인플레이션가설과 빅뱅이론,「차가운 암흑물질」로 요약되는 우주표준모델은 다시 활기를 찾게 될 것이다.

과학은 수많은 과학자들이 다양한 이론의 경합을 벌이고 과학발전의 계단역할을 다하는 말없는 순수한 노력으로 발전한다.상대성이론의 출현을 필두로 시작된 우주기원 표준모델의 정립이 90년대에 마무리된 것을 돌이켜 볼 때 인간은 과연 빵으로만 만족하지 않는 존재임을 느낀다.과학이 부의 창출도구란 비본질적 역할을 넘어서 「앎에의 사랑」이라는 참인식이 젊은이들에게 심어질 때 다가오는 20 00년대에는 우리나라 과학의 균형적 발전이 이루어지리라 믿는다.<서울대 천문학과 교수>