제 8장: 우주학적 함의

이전 장에서 우리는 아인슈타인의 상대성 이론이 우주, 시간, 그리고 중력에 대한 우리의 개념을 근본적으로 바꾼 것을 보았다. 이 이론은 중력을 힘이 아닌 질량과 에너지의 존재로 인한 시공간의 곡률의 표현으로 해석한다. 아인슈타인의 필드 방정식은 질량과 에너지의 분포에 따라 시공간의 기하학이 어떻게 결정되는지를 수학적으로 설명해준다.

일반 상대성 이론의 함의는 태양계 규모에서 극적으로 확인되었지만, 그 중에서도 가장 깊은 결과는 우주 전체를 고려할 때 나타난다. 이 장에서는 일반 상대성 이론을 우주학에 적용할 때, 동적이고 발전하는 우주의 새로운 모습이 나타나는지 살펴볼 것이다. 20세기 초에 에드윈 허블의 관측이 우주의 팽창에 대한 첫 번째 증거를 제공했으며, 이 아이디어는 일반 상대성 이론과 결합하여 대폭발 우주론의 기초를 형성한 것이다. 또한 우주의 팽창을 가속화시키는 것으로 보이는 이상한 에너지 형태인 어둠 에너지의 본질에 대한 현대 물리학에서 가장 큰 미스터리 중 하나를 만나게 될 것이다.

팽창하는 우주와 허블의 법칙

현대 우주론의 이야기는 20세기 초 미국의 천문학자 에드윈 허블의 연구로 시작된다. 캘리포니아의 마운트 윌슨 천문대에 있는 100인치 후커 망원경을 사용하여 허블은 우주에 대한 우리의 이해를 변형시킬 혁신적인 관측을 수행했다.

허블의 주요 관측 중 하나는 "성운"이라고 알려진 밤하늘의 흐린 빛 구조물의 성질에 관한 것이었다. 많은 천문학자들은 이 성운이 우리 자신인은 은하인 은하 내의 상대적으로 작은 기체 구조물이라고 믿었다. 그러나 허블은 일부 이 성운 안에서 개별적인 별들을 확인할 수 있었고, 이들의 표면 밝기를 은하 안의 비슷한 별의 밝기와 비교함으로써 이들의 거리를 추정할 수 있었다. 놀랍게도, 그는 이 성운이 실제로는 우리 은하군의 범위를 넘어서는 매우 먼 거리에 있음을 발견했다. 허블은 우리가 예전에 생각했던 것보다 우주가 대단히 크고 무수한 "섬 우주"로 가득한 것을 발견한 것이다.

하지만 허블의 가장 깊은 발견은 이 먼 은하들에서 나오는 빛의 스펙트럼을 조사할 때였다. 그는 잘 알려진 원소의 스펙트럼 선들이 스펙트럼의 빨간쪽으로 체계적으로 이동되는 현상인 적색편이를 발견했다. 이 이동의 정도는 은하로부터의 거리와 함께 증가했다. 이 적색편이는 은하가 우리로부터 멀어지기 때문에 도플러 이동으로 해석된다. 적색편이가 클수록 은하의 멀어지는 속도가 빠르다.

허블의 관측은 다음과 같은 놀라운 결론에 이르게 했다: 우주는 팽창하고 있다. 은하들은 정지되어 있는 것이 아니라, 빵 반죽 속 거즈처럼 서로로부터 멀어지고 있는 것이다. 게다가 은하의 원심도가 우리로부터의 거리와 비례한다. 이 관계를 허블의 법칙이라고 한다:

$$v = H_0 d$$

여기에서, $v$는 은하의 원심속도, $d$는 우리로부터의 거리이며, $H_0$는 허블 상수라고 불리는 비례성 상수이다. 허블 상수의 값은 현재 우주의 팽창 속도를 측정한 것이다.

허블의 팽창하는 우주에 대한 발견은 큰 충격을 주었다. 이는 정적이고 불변하는 우주에 대한 오랜 믿음을 뒤엎고, 우주가 역사를 갖고 있다는 아이디어를 도입했다. 이 깨달음은 현대 우주학의 탄생을 알렸다.

빅뱅 모델

팽창하는 우주의 발견은 즉시 깊은 질문을 제기한다: 지금 우주의 은하들이 멀어지고 있다면, 과거에는 더 가까웠을까? 시간을 거슬러 추정해보면, 먼 과거의 어느 시점에서 모든 우주의 물질이 무한 밀도의 한 점에 집중되어 있었을 것으로 보인다 - 즉, 특이점이었다. 이 아이디어는 빅뱅 모델의 기초를 형성한다.

빅뱅 모델에 따르면, 우주는 약 138억 년 전에 극도로 뜨거웠고 농축된 상태에서 시작되었다. 이 초기의 순간에, 우주는 무한한 밀도와 무한한 열을 가지고 있었다. 그럼으로써 팽창하고 빨리 냉각되었다. 이 과정에서, 물이 뜨거워지면 수증기로, 차갑게 되면 얼음으로 변하는 것과 같이 우주는 기본 입자와 힘의 형성을 경험했다.

빅뱅 초기의 단계에서, 우주는 에너지의 격동하는 가마솥이었다. 팽창하고 냉각됨에 따라 이 에너지는 물질로 응축하기 시작했다 - 먼저 쿼크와 전자, 그리고 우주가 더욱 냉각되면 이러한 쿼크들이 프로톤과 중성자로 결합하기 시작했다. 빅뱅 후 380,000년쯤에는 우주가 충분히 냉각되어 이러한 프로톤과 전자가 주로 수소와 헬륨으로 결합하기 시작했다. 한 편으로, 이러한 결합기간은 물질과 방사선의 이탈을 의미했다. 이 시점 이전에, 광자는 계속하여 전하를 가진 입자들과 상호작용하여 우주가 불투명하게 만들었다. 재결합 이후로, 광자는 자유롭게 이동할 수 있게 되었고, 우주는 투명해졌다. 이러한 태초의 광자들의 황홀함은 현재 우주의 마이크로파 배경(CMB) 복사로서 아직도 관측되고 있다. 1965년 아르노 펜지아스와 로버트 윌슨에 의해 처음 감지된 CMB는 하늘을 가득 채우는 거의 균일한 마이크로파 복사의 배경이다. 이는 약 2.7 켈빈의 온도에 해당하는 열적인 흑체 스펙트럼을 가지고 있으며, 빅뱅 모형의 놀라운 확인이다. 1990년대 COBE 인공위성에 의해 처음으로 자세히 지도화된 CMB의 미세한 불규칙성은 결합 시점의 우주의 스냅샷을 제공하며, 모든 미래의 우주 구조 - 은하, 별, 행성 - 이 중력의 작용을 통해 성장하는 씨앗 역할을 한다.

광범위한 우주의 확장과 CMB의 존재를 기반으로 한 빅뱅 모형은 우주의 역사에 대해 매우 성공적인 설명을 제공한다. 이는 빅뱅 핵합성과정을 통해 초기 우주에서 경과되는 가벼운 원소들의 기원을 설명하고, 우주 구조의 형성을 이해하기 위한 틀을 제공한다.

그러나 이 모형은 문제가 없는 것은 아니다. 표준 빅뱅 모형은 몇 가지 매우 구체적인 초기 조건에 의존한다 - 초기 우주는 매우 균일해야 하며, 물질은 매우 정밀하게 골고루 분포되어야 하며, 매우 특정한 팽창 속도를 가져야 한다. 이러한 조건에서 벗어나면, 우리가 관측하는 우주와 매우 다른 우주가 형성될 것이다. 이 초기 조건의 문제를 평평성 문제와 지평선 문제라고 한다.

뿐만 아니라, 표준 빅뱅 모형은 자기 단자들과 같은 특정한 이교적인 입자의 존재를 예측한다. 그러나 이러한 입자들은 아직 관측되지 않았다. 이를 단자문제라고 한다.

이러한 문제들은 1980년대에 우주의 팽창 이론적인 해결책인 "우주 인플레이션"이 제시되면서 다루어졌다. 인플레이션 이론에 따르면, 아주 초기 우주에는 가상의 인플레이턴(inflaton)이라는 필드에 의해 주도된 극도로 빠른 지수적인 팽창 기간이 있었다. 이러한 빠른 팽창은 초기의 불규칙성을 완화시키고 우주를 평면이고 균일한 상태로 만들었다. 또한 이교적인 입자를 감지할 수 없는 수준으로 희석시켰다. 인플레이션은 표준 빅뱅 모형의 문제에 대한 우아한 해결책을 제공하며, 현대 우주론의 중요한 부분이 되었다. 그러나 인플레이턴 필드의 물리적인 성질은 여전히 미스터리한 채로 남아 있다.

어두운 에너지와 가속하는 우주

1990년대 말, 먼 초신성의 연구는 우주에 대한 우리의 이해를 한 번 더 혁신시킬 놀라운 발견으로 이어졌다. 초신성은 거대한 별들의 폭발적인 죽음으로서 극도로 밝으며 광범위한 우주 거리에서 볼 수 있다. 특히 Ia형 초신성은 우주론에 매우 유용하다. 이 초신성은 쌍성계에서 하얀 와이트 드워프 별이 동반자로부터 물질을 수집하여 어떤 시기에는 열핵 핵발작을 유발하게 된다. 이 폭발을 위한 조건은 항상 유사하기 때문에 Ia형 초신성은 매우 일관된 고유 밝기를 가지고 있다. 이 고유 밝기와 외부에서의 밝기를 비교함으로써, 천문학자들은 그들의 거리를 결정할 수 있다. 그들은 우주의 크기를 측정하기 위한 "표준 양초"로 사용된다.

1998년에는 천문학자들의 두 독립적인 팀, 초신성 우주론 프로젝트와 하이-Z 초신성 탐사 팀,이 Ia형 초신성을 사용하여 우주의 팽창 역사를 측정하기 위해 이용되었다. 그들은 우주의 팽창이 물질의 중력적인 인력으로 인해 점점 느려진다는 것을 기대했다. 그러나 그들은 반대로 발견했다. 우주의 팽창은 가속하고 있는 것이다.

이 결과는 충격적이고 예상치 못했다. 표준 우주론 모형에서는 우주의 팽창이 감소하는 속도로 영원히 지속되거나 "빅 충돌"로 집적될 것으로 예측되었다. 그러나 일반 상대성 이론의 틀 안에서 이 가속을 설명하기 위한 유일한 방법은 우주에 새로운 구성 요소인 어두운 에너지를 도입하는 것이었다.

어두운 에너지는 모든 공간을 채우고 부정적인 압력을 가지는 가상의 형태의 에너지이다. 일반 상대성 이론의 방정식에 따르면, 물질과 에너지의 압력은 중력 효과에 기여한다. 일반적인 물질은 양의 압력을 가지며, 그로 인해 중력적으로 뭉쳐진다. 어두운 에너지는 부정적인 압력을 가지고 있어 그 역효과를 발생시킨다. 즉, 우주를 더 빠르게 팽창시킨다.

어두운 에너지에 대한 가장 간단한 모형은 예수되는 그리스 문자인 $\Lambda$로 표시되는 공간상수이다. 공간상수는 static한 우주를 허용하기 위해 아인슈타인에 의해 처음 도입되었다. 그는 후블의 우주의 팽창 발견 이후에 이를 버렸다. 그러나 어두운 에너지의 맥락에서는 공간상수가 놀라운 회복력을 보여주었다. 이는 빈 공간의 고유한 에너지 밀도로 해석될 수 있다.

현재 우주론의 표준 모형은 $\Lambda$CDM 모형(차가운 어두운 물질과 공간상수)이라고 알려져 있으며, 관측된 구조와 우주의 진화를 설명하기 위해 어두운 에너지와 어두운 물질을 포함한다. 이 모형에서 어두운 에너지는 우주의 총 에너지 밀도의 약 68%를 차지하며, 어두운 물질은 약 27%를 차지한다. 보통의 물질, 우리가 볼 수 있고 만질 수 있는 모든 것,는 우주 전체 에너지의 5% 미만을 차지한다. $\Lambda$CDM 모델은 널리 알려진 우주론적 관측의 다양한 현상을 설명하는 데에 놀라운 성공을 거두었지만, 어둠의 에너지의 물리적 성격은 물리학에서 가장 깊은 미스터리 중 하나입니다. 우주 상수의 관측값은 양자장론에서 예측된 값보다 여러 개의 마차가 작으며, 이러한 불일치를 우주 상수 문제라고 합니다. 어둠의 에너지에 대한 대체적인 모델로는, 동적으로 진화하는 어둠의 에너지 필드를 제안하는 칭성이라는 모델들이 제시되었지만, 통계적으로 이러한 모델들을 구분하는 것은 도전적인 과제입니다.

어둠의 에너지의 발견은 우주의 궁극적인 운명에 깊은 영향을 미칩니다. 물질이 우주의 지배력을 가지고 있는 경우, 팽창은 결국 느려지고 역전하여 우주는 대직권에 이르게 됩니다. 그러나, 우주 상수를 가진 우주에서는 팽창은 계속 가속되어 "빅 프리즈"로 이어지게 됩니다. 이 시나리오에서는 은하들이 서로로부터 너무 빨리 멀어져서 한 은하의 빛이 다른 은하에 도달하지 못하게 됩니다. 우주는 차가워지고 어두워지며 공허해지게 됩니다.

결론

일반 상대성 이론을 우주론에 적용하는 것은 우주에 대한 우리의 이해에 깊은 변화를 가져왔습니다. 뉴턴의 정적이자 영원한 우주는 뜨거운 빅뱅에서 시작하여 지금까지 팽창하고 냉각되어 오는, 동적으로 진화하는 우주로 대체되었습니다. 팽창하는 우주, 성운방사선배경복사, 어둠의 에너지의 발견은 우리가 상상할 수 있는 것보다 더 이상하고 멋진 우주의 모습을 그립니다.

그러나, 이러한 모습은 아직 완벽하지 않습니다. 우주의 지배성을 차지하는 어둠의 물질과 어둠의 에너지의 본질은 여전히 알려지지 않았습니다. 양자효과가 중요해지는 초기 우주의 물리학은 아직까지 잘 이해되지 않았습니다. 그리고, 우주가 영원히 팽창할 것인지 아니면 결국 자체로 축약될 것인지에 대한 궁극적인 운명은 아직 개방적인 문제입니다.

이러한 질문에 대한 답을 찾기 위해서는 새로운 관측 및 이론적 통찰력이 필요합니다. 대규모 종합 조사 망인 대조 관측 망과 유클리드 위성과 같은 다가오는 우주론적 조사들은 기존의 상대성 이론에 대한 새로운 테스트와 어둠의 에너지 본질에 대한 새로운 제약 조건을 제공하여 우주의 구조를 전례없는 정밀도로 매핑할 것입니다. LIGO와 Virgo와 같은 중력파 관측소는 초기 우주 및 블랙홀 물리학에 대한 새로운 시각을 제공할 것입니다. 그리고, 스트링 이론과 루프 양자중력과 같은 이론적 발전들은 일반 상대성 이론과 양자역학을 통합할 수 있는 구조를 제공할 수 있으며, 양자중력에 대한 완전한 이론으로 가는 핵심 단계의 일환이 될 수 있습니다.

아인슈타인의 혁신적 이론을 한 세기가 지난 후에도, 우주의 연구는 모든 과학 분야 중에서 가장 흥미롭고 역동적인 분야 중 하나입니다. 우리가 계속 상대성 이론이 우주론에 미치는 영향을 탐구하는 동안 오는 몇 년 동안 더 많은 놀라움과 발견을 기대할 수 있습니다. 빅뱅부터 먼 미래까지의 우주 이야기는 아직도 써져가고 있습니다.