우주의 역사

우주의 역사

과학자들은 우주의 비밀을 풀기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 우주가 생성된 이후부터 지금까지의 역사 뿐만 아니라 우주의 미래까지도 밝혀내고 있지요. 사실 관계를 확인할 수 없기 때문에 어디까지나 추측이긴 하지만, 우주에 생애를 과학적으로 밝혀낸다는 것은 아주 매력적입니다. 우주의 시작부터 종말까지 과학자들이 내놓은 우주의 역사 네 단계를 아래에서 소개합니다. 이는 우주론적 연대별 사건을 바탕으로, 일어난 주요 현상을 기준으로 단계가 나누어집니다.

 

1. 극초기 우주

우주 최초의 순간은 지금으로부터 약 137.72억 년 전에 시작되었다고 합니다. 극초기 우주에 관한 개념은 모두 추론으로 이루어져 있습니다. 과학자들마다 매우 다양한 가설과 다른 추론을 내놓고 있으며, 현재의 과학기술로는 각각의 시나리오가 사실인지 확인할 수 없습니다. 우주의 탄생은 아직 명확하게 밝혀지지 않았지만, 매우 높은 에너지의 입자들이 존재하는 고온의 상태로 아주 순식간에 나타났다는 사실에 기반하여 아주 큰 대폭발이 일어난 것으로 분석되고 있습니다. 그 유명한 빅뱅이론이죠. 극초기 우주의 역사는 빅뱅 이론을 대전제로 합니다.

 

대폭발 이후 플랑크 시대의 우주는 매우 작고 뜨겁습니다. 따라서 양자 중력 효과가 나타나게 됩니다. 양자 중력이란 양자 효과가 작용하는 크기에서의 중력입니다. 하지만 아직 양자 중력에 대해서는 확실히 알려진 것이 없으므로, 이 시기에 대해서도 확실한 것은 없습니다. 이 시기의 원시 우주는 약 플랑크 길이(약 10~33cm)의 크기입니다.

 

시간이 지나 우주의 팽창과 냉각이 시작되면서, 점차 급속하게 커집니다. 이를 급팽창(인플레이션)이라고 합니다. 급팽창 당시의 온도나, 발생한 시간, 급팽창의 정확한 메커니즘은 아직 정확히 알려지지 않았지만, 급팽창은 현재 관측 가능한 우주의 여러 성질을 설명하고 있습니다. 관측 가능한 우주는 매우 평탄하고 (관측 밀도가 임계 밀도와 같음), 등방(isotropic)·균일(homogeneous)하다. 또한 급팽창 시기에 발생한 요동 스펙트럼의 분포는 파장에 관계없이 일정합니다. 이러한 현상들은 궁극적으로 급팽창 시기에 우주가 매우 빠르게 팽창하여 우주가 균일해졌기 때문입니다.

 

2. 초기 우주

초기 우주의 변화는 우리가 알고 있는 에너지 물리학의 범위 안에서 설명됩니다. 우주가 점점 식어가면서 양성자, 전자, 중성자가 형성되었습니다. 또한 별들이 죽어가며 미니 블랙홀이 생겨났습니다. 블랙홀은 죽은 별이 질량을 유지한 채 압축된 것입니다. 항성이 압축되는 이유는 아직 밝혀지지 않았습니다.

 

우주의 온도는 원자핵이 형성될 수 있는 정도로 식게 되고, 핵자(양성자와 중성자)는 핵융합 반응으로 원자핵을 이루기 시작했습니다. 이를 대폭발 핵합성이라고 합니다. 이 과정에는 약 17분이 걸렸던 것으로 추정됩니다. 그 이후에는 우주의 온도와 밀도가 떨어지면서 핵융합이 지속되지 못하게 되었습니다.

 

빅뱅 후 약 38만년 뒤, 원자가 형성되자 광자가 분리되고 공간을 자유롭게 이동하기 시작했습니다. 이것이 바로 우주복사배경입니다. 이 시기에는 차가운 암흑 물질이 지배적이었습니다.

 

빅뱅 이후 약 37만 년이 흐르고 우주가 충분히 팽창하여, 원자핵과 전자가 원자로 결합할 수 있을 정도로 우주가 식게 되었습니다. 이렇게 원자가 생성되는 과정을 재결합(Recombination)이라고 합니다. 재결합이 끝나면 우주의 물질은 전기적으로 중성인 원자로 이루어지게 되므로, 전자기파는 대전 입자와 상호작용하지 않고 비교적 자유롭게 움직일 수 있습니다. 즉, 우주가 투명해지게 되는 것입니다. 이렇게 물질-광자 상호작용이 끝나는 때를 분리(Decoupling)라고 하며, 재결합 시기는 분리시기(Decoupling epoch)와 거의 일치하게 됩니다. 분리시기 이후 전자기파는 오늘날 우주 마이크로파 배경으로 관측할 수 있습니다. 반대로 분리시기 이전 우주는 관측하기 힘든데, 이 때문에 분리시기 이전을 암흑 시대(Dark ages)라고 합니다.

 

3. 구조 형성

빅뱅 이후 1억 년 동안 우주는 계속 팽창하며 차갑게 식었습니다. 그 결과 우주의 평균 온도는 40켈빈 정도로 식었습니다. 이후 2억 년 동안 우주의 온도가 30켈빈까지 떨어지면서, 원시의 불덩이가 겪었던 양자적 요동의 결과로 퀘이사와 초대형 성단이 형성되었습니다. 항성의 내부에서는 탄소, 산소, 질소 등의 비교적 가벼운 원자들이 합성되었고, 초신성의 형태로 폭발하는 항성은 철보다 무거운 원소를 합성하고 흩뿌렸습니다. 이 시기는 허블 망원경으로 관측할 수 있는 가장 먼 과거에 해당됩니다.

 

빅뱅 이후 10억 년이 지나서 별들이 모여 은하가 생성되었습니다. 빅뱅 50억 년 후에는 은하단, 은하군으로 형성되어 있는 초대규모 은하집단이 형성되었습니다. 빅뱅 65억 년후에는 아직 정체를 알 수 없는 암흑 에너지가 작용하면서 팽창속도가 점차 빨라졌습니다. 이전에는 팽창 속도가 점점 줄어들고 있었던 것에 비하면, 완전히 다른 국면에 접어든 것입니다.

 

우리 태양계는 빅뱅 이후 약 87억 년 뒤에 형성되었습니다.

 

4. 미래의 우주

우주의 수소가 핵융합 반응으로 모두 사라져 항성이 더이상 새롭게 만들어지지 않는 시기가 올 것입니다. 하지만 걱정 마세요. 무려 100조 년이나 뒤에 일어날 일이니까요. 가장 오래 살아남는 별은 적색 왜성이지만, 이마저도 100조 년이 지나면 소멸할 것입니다.

 

항성과 은하들은 서로 가까이 접근하게 되면 붕괴될 것입니다. 궤도 운동이 점차 소멸되면서 양성자도 뒤이어 붕괴됩니다. 그러면 남는 것은 블랙홀밖에 없습니다. 온 우주를 블랙홀이 지배하게 되며, 시간이 지나면 거대 블랙홀마저도 소멸합니다. 우주는 점차 차갑게 식어가고 아무런 상호작용이 없는 상태로 접어듭니다. 다시 팽창과 냉각이 반복되면서 우주 초기 상태로 회기하게 됩니다.