빅뱅이론

대폭발설大爆發說, 大爆發宇宙論, 빅뱅이론, big bang theory)

대폭발설(大爆發說, big bang theory), 즉 빅뱅 이론은 우주는 시공간의 한 점에서 시작되었으며, 대폭발이 일어나 계속 팽창하여 현재와 같은 상태가 되었다는 이론이다.

대폭발설은 우주 생성에 관한 이론으로, 약 137억 년 전 점과 같은 상태였던 초기 우주가 매우 높은 온도와 밀도에서 대폭발이 일어나 지금처럼 팽창된 우주가 만들어졌다는 이론이다. 이 이론에 따르면 대폭발 후 온도가 점차 낮아지면서 물질이 생성되었고, 이 물질과 에너지가 은하계와 은하계 내부의 천체들을 형성하게 되었다.

이 이론은 우주가 팽창하고 있다는 허블(Edwin Powell Hubble, 1889~1953, 미국의 천문학자)의 관측을 근거로 하고 있다. 현재도 우주는 계속 팽창하고 있으며, 먼 은하일수록 우리은하와 빠르게 멀어진다는 사실이 실증적으로 발견되었다.

대폭발설은 은하계의 후퇴, 우주배경복사, 우주의 물질 분포라는 세 가지의 경험적 증거에 의해 견고하게 지지받고 있다.

먼저 대폭발설의 첫 번째 증거인 우주가 팽창하고 있다는 사실은 허블이 처음 발견했다. 1929년 허블은 외부은하들의 스펙트럼에서 공통으로 적색편이가 나타난다는 관찰을 통해, 외부은하들이 우리은하로부터 빠른 속도로 후퇴하고, 후퇴 속도는 외부은하까지의 거리에 비례한다는 사실을 발견했다.

두 번째 증거인 우주배경복사는 우주가 대폭발을 하던 초기에 우주 전체로 퍼져나간 전파를 의미하는데 우주의 어느 방향에서나 감지할 수 있는 전파다. 1940년대 조지 가모프(George Anthony Gamow, 1904~1968)는 실제로 우주가 폭발에 의해 생겨났다면 초기 우주는 매우 온도가 높았을 것이며, 우주가 팽창함에 따라 우주의 온도가 점차 내려갈 것이며 절대 0도에 가까운 우주배경복사가 우주의 전 방향에서 마이크로파로 감지될 것이라고 예상했다. 그리고 1965년 펜지어스(Arno Allan Penzias)와 윌슨(Robert Woodrow Wilson)의 연구에 의해 2.7K 우주배경복사의 실재가 발표되었다.

세 번째 증거는 우주의 질량에 따른 원소 분포를 살펴보면 수소가 75%, 헬륨이 25%, 그리고 나머지 원소가 1%도 안 된다는 점이다. 이러한 물질 분포는 초기 고온의 대폭발 때 이들 원소의 핵이 만들어지는데 아주 짧은 시간이 걸렸다는 대폭발설의 설명과 잘 맞아 떨어진다.

만약 우주가 계속 팽창해왔다면, 어제의 우주는 오늘의 우주보다 작았을 것이므로 우주의 팽창률을 이용한다면 과거 우주가 한 점에 불과했을 때를 계산할 수 있을 것이다. 현재 여러 관측 사실에 기초해서 이 시기를 계산해보니 약 137억 년 전이었을 것으로 추정되었다. 다시 말해 우주의 나이가 약 137억 년인 것이다.

대폭발설

[우주를 보다] 가장 먼거리 별을 보다..제임스 웹, 129억 광년 밖 별 포착

제임스 웹 우주망원경으로 관측한 129억 광년 떨어진 별 어렌델(Earendel). 큰 네모 안 작은 원 안
사진=NASA, ESA, CSA, and STScI

현재까지 인류가 관측한 것 중 가장 먼 거리에 위치한 고대 별의 모습이 제임스 웹 우주망원경(JWST·웹 망원경)에 포착됐다. 지난 3일(현지시간) 미국 스페이스닷컴 등 외신은 웹 망원경이 지구에서 약 129억 광년 떨어진 별 ‘어렌델’(Earendel)을 관측했다고 보도했다.

지난달 30일 웹 망원경이 포착한 어렌델은 '새벽별' 이라는 의미로 우리의 태양보다 질량은 최소 50배 이상 크고 수백만 배 밝을 것으로 추정된다. 특히 별까지의 거리가 무려 129억 광년이라는 것은 빅뱅이 일어난 후 약 9억 년 만에 생성됐다는 의미로 이는 1세대 별의 형성 과정을 밝힐 수 있는 중요한 관측으로 평가된다.

제임스 웹 우주망원경으로 관측한 129억 광년 떨어진 별 어렌델(Earendel). 화살표 지점
사진=NASA, ESA, CSA, and STScI

처음 어렌델의 존재가 밝혀진 것은 웹 망원경의 '선배' 허블우주망원경 덕이다. 앞서 지난 3월 존스홉킨스대 등 국제공동연구팀은 허블우주망원경으로 어렌델이 방출한 빛을 관측했다는 연구결과를 국제학술지 ‘네이처’에 발표하며 그 존재를 최초로 알렸다.

이번에 웹 망원경은 허블에 이어 다시 어렌델을 관측한 것이지만 사실 일반인들의 눈으로는 사진 상으로도 잘 보이지 않는다. 공개된 사진을 보면 어렌델은 밝게 빛나는 수많은 천체가 아닌 오른편 중앙 하단 작은 점 수준으로 자리잡고 있다. 이는 물론 인간의 머리로는 상상할 수도 없는 먼 거리 때문인데 그나마 이를 관측하게 했던 것은 중력렌즈 효과 덕분이다.

허블망원경이 포착한 어렌델 이미지(박스 안 화살표)
사진=NASA, ESA, Brian Welch (JHU), Dan Coe (STScI)

거대한 은하단의 중력은 시공간의 구조를 왜곡시켜 중력렌즈를 만들어 내는데 지구와 어렌델 사이에는 거대한 은하단인 WHL0137-08이 존재한다. 이 은하단 덕에 은하 뒤 먼 천체의 빛을 증폭시켜 허블이나 웹 망원경 등으로 관측할 수 있는 것. 다만 초점이 없기 때문에 빛이 한곳에 모이지 않고 여러 개의 상을 만든다. 아무리 웹 망원경과 같은 최첨단 망원경으로도 이같은 먼 천체를 관측하는 것은 우주의 도움이 없으면 불가능한 셈이다. 박종익 기자 pji@seoul.co.kr 박종익 입력 2022. 08. 04. 11:21 수정 2022. 08. 04. 11:21

[우주를 보다] 가장 먼거리 별을 보다..제임스 웹, 129억 광년 밖 별 포착