0. 목차
- WAMP 위성 이전
- WAMP 위성
- 우주의 나이를 추정하였다.
- 우주는 무엇으로 이루어져 있는가?
- 인플레이션 이론
- 우주의 종말을 예측하였다.
- WMAP 위성 이후
1. WMAP 위성 이전
1-1. 20세기까지만 해도 자료가 부족해, 우주론 연구를 수행하기가 어려웠다.
20세기에는 우주론학자들은 부족한 자료 때문에 제대로 된 '우주론(Cosmology)' 연구를 수행하기가 어려웠다. 그뿐만 아니라, 그들 사이에서도 의견 일치를 보기가 매우 어려웠다. 하지만 관측 기기의 성능이 올라감에 따라 우주론은 상상과 추론이 난무하던 불확실성의 시대를 벗어나, 정확한 관측자료에 입각한 확실성의 시대로 진입하고 있다. 그동안 우주론학자들은 사방에서 쏟아지는 비평을 감수해야 했다. 심혈을 기울여 이론을 내놓아도, 그것을 검증할 만한 관측 데이터가 너무 부족했기 때문이다. 노벨상을 수상했던 '레프 란다우(Lev Landau, 1908~1968)'는 "우주론 학자들은 종종 틀릴 수도 있지만, 자신의 이론을 의심하지 않는다."고 했고, 과학자들 사이에는 "한번 사색에 빠지면 더욱 깊은 사색으로 빠져들고, 이것이 반복되면 우주론이 탄생한다."라는 말도 있었다.
1-2. COBE 위성
'우주배경복사(Cosmic Background Radiation)'를 관측할 목적으로 1989년에 발사된 'COBE 위성(Cosmic Observer Background Explorer Satellite)'은 1992년에 처음으로 우주초기에 관한 대략적인 데이터를 전송해왔다. 하지만 자료의 정확성이 떨어져서 초기 우주의 모습을 정확하게 그려내지는 못했다. 하지만 이것만으로도 당시의 천문학계는 크게 흥분하여 '신의 얼굴(The Face of God)'이라는 제목하에 초기우주의 모습을 재현한 사진을 전 세계에 발표하였다.
2. WAMP 위성
2003년 2월, 'WMAP 위성(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)'이 빅뱅 후 38만 년이 지난 초기우주에 관해 놀라울 정도로 정확한 데이터를 전송해 왔다. 별과 은하를 생성시키고 남은 '원시우주(Primordial Universe)'의 에너지가 그 후로 지금 수십억 년 동안 우주를 배회하고 있다는 사실은 전부터 알려져 있었다. 하지만 WAMP 위성이 새로 전송해온 '에너지 분포 데이터'는 그 전례를 찾아볼 수 없을 만큼 정확했다. 이 '에너지 분포 데이터'로부터 재현된 '우주배경복사(Cosmic Background Radiation)'의 지도는 학자들의 넋을 빼앗아갈 정도로 정밀했다.
WMAP 위성의 관측 결과는 '우주론을 사색적인 이론에서 정밀한 과학의 장으로 끌어올린 쾌거'라고 평가할 수 있겠다. 초기우주에 관한 관측 데이터가 사상 처음으로 홍수처럼 쏟아지면서, 우주론학자들은 '우주의 나이는 몇 살인가?', '우주는 무엇으로 이루어져 있는가?' '앞으로 우주의 운명은 어떻게 될 것인가? 등에 대해 비로소 답할 수 있게 되었다.
2-1. WAMP의 주요 임무
WAMP의 주된 임무는 천체물리학자들이 지난 10여 년 동안 이룩해온 이론상의 업적을 관측으로 확인하는 것이다. WMAP 프로젝트는 1995년에 NASA에서 처음 제안되었고, 그로부터 2년 후에 정식으로 승인되었다. 2001년 6월 30일, WMAP 위성은 델타 Ⅱ호 로켓에 실린 채 태양과 지구 사이의 궤도를 향해 발사되었으며, 정확한 목적지는 '라그랑주(Lagrange)' 제 2지점이었다. 이 지점에서 WMAP는 항상 태양, 지구, 달의 반대편을 향하도록 설계되었으므로, 광활한 우주 공간을 정면으로 바라볼 수 있다. WMAP는 지구로부터 160만 km 떨어진 곳에 있기 때문에, 지표에 붙어 있는 천체망원경과 달리 대기의 영향을 전혀 받지 않는다. 그래서 우주 저편에서 날아오는 희미한 신호도 감지할 수 있다.
WMAP의 임무는 6개월을 주기로 전 우주 공간을 이잡듯이 뒤져서 '우주배경복사(Cosmic Background Radiation)'의 흔적을 찾아내는 것이다. '우주배경복사' 란 특정한 천체가 아니라, 우주 공간의 배경을 이루며 모든 방향에서 같은 강도로 들어오는 전파이다. 0.1mm~20cm의 마이크로파로, 2.7K의 흑체복사를 나타낸다. 우주배경복사의 분포상태와 온도는 1948년에 '조지 가모(George Gamow, 1904~1968)'에 의해 처음으로 예측되었는데, WMAP에서 수신된 자료에 의하면 배경복사의 온도는 절대온도 2.725K 정도라고 한다. 우주의 팽창이 '빅뱅(Big Bang)'에서 시작되었다는 '우주론(Cosmology)'에 의해 예언되었던 것이다.
WMAP 위성은 최첨단 관측 장비로 중무장하였다. 여기에 탑재된 감지기는 극도로 예민하여 빅뱅 때 전 우주를 뒤덮었던 '마이크로 복사파(Microwave Radiation)'도 감지해낼 수 있다. 위성의 본체는 알루미늄으로 되어 있으며, 가로 3.8m, 세로 5m의 크기에 무게는 840kg에 불과하다. 또한 보통 크기의 전구 5개에 불과한 419와트의 전력으로 작동되는 천체 망원경은 마이크로복사파의 꾸준히 전송해온다.
2-2. 초기우주의 모습을 재현했다.
천문학자들은 WMAP가 보내온 자료를 토대로 초기 우주의 모습을 재현했다. 아래의 그림은 WMAP 위성이 촬영한 초기 우주의 모습이다. 우주의 나이가 38만 살이 되었을 때 이런 모습이었을 것으로 추정된다. 언뜻 보기에는 무작위로 그려진 그림 같지만, 사실 이 그림에는 우주 탄생 직후의 '무질서'와 '혼돈(Chaos)'이 고스란히 담겨 있다. 그림 속에 나타난 작은 점들은 미세한 양자적 요동을 나타내는 '우주의 씨앗'으로서, 격렬한 팽창을 통해 지금의 우주를 만들어낸 원천이라고 할 수 있다. 오늘날 이 작은 점들은 현재의 '은하(Glaxy)'와 '성단(Star Cluster)'으로 성장하여 밤하늘을 비추고 있다.
3. 우주의 나이를 추정하였다.
WMAP 위성이 보내온 자료가 전례를 찾아볼 수 없을 만큼 정활할 수 있었던 이유는 위성에 탑재된 망원경이 엄청나게 멀리 있는 천체를 관측할 수 있었기 때문이다. 온갖 반짝이는 별들로 가득 차 있는 우주 공간은 일종의 '타임머신(Time Machine)'이라고 생각할 수 있다. 빛의 속도는 엄청나게 빠르긴 하지만 무한히 빠르지는 않기 때문에, 지금 우리의 눈에 보이는 우주의 모습들은 현재의 모습이 아니다. 예컨대 달 표면에서 반사된 빛이 지구에 도달하기까지는 약 2초가 걸리므로, 지구에서 달을 보는 우리는 약 2초 전의 모습을 보고 있는 셈이다. 또 태양에서 출발한 빛이 지구에 도달하려면 대략 8분 20초가 소요되므로, 우리가 보는 태양의 모습도 그만큼 과거의 모습이다. 마찬가지로 밤하늘에 빛나는 모든 별들은 각기 시댕의 모습을 우리에게 보여주고 있다. 만약 10광년 떨어진 곳에 있는 별이 망원경에 잡혔다면, 관측자는 10년 전 그 별의 모습을 보고 있는 셈이다. 망원경으로 볼 수 있는 천체들 중 가장 멀리 떨어져 있는 것은 '퀘이사(Quasar)'인데, 이들은 지구로부터 무려 120억~130억 광년이나 떨어져 있다. 그런데 WMAP 위성은 이것보다도 더 먼 곳에서 날아온 복사(Radiation)'을 관측하는 데 성공한 것이다. WMAP 위성이 관측한 '우주배경복사'는 거의 우주의 빅뱅이 일어난 시기와 거의 근접한 시점에서 방출된 것이다. WMAP는 빅뱅의 메아리인 우주배경복사를 잡아냄으로써 우주의 나이는 약 137억 년으로 추정되었으며, 이 값의 오차는 1% 이내이다. 이후 '플랑크 위성'에 의해 우주의 나이는 137억년 보다 조금 늘어난 138억 년으로 계산되었다.
4. 우주는 무엇으로 이루어져 있는가?
WAMP 위성은 2000년 전에 그리스인들이 제기했던 '우주는 무엇으로 이루어져 있는가?'라는 유서 깊은 질문에도 혁신적인 답을 제시했다. 20세기의 과학자들은 이 질문의 답을 알고 있다고 믿었다. 그들은 엄청난 양의 실험을 끈질기게 수행한 끝에, 우주를 이루는 모든 원소들은 수소로부터 시작해 근 100여 종의 원소를 주기율표 속에 요약하였다. 그 이후로 주기율표는 현대 화학의 기초가 되었으며, 전 세계의 모든 고등학교에서 필수적으로 교육되었다.
하지만 WMAP 위성은 이 확고한 믿음을 일순간에 날려 버렸다. WMAP 위성이 관측한 자료에 의하면, 우리의 눈에 보이는 물질은 우주를 이루고 있는 총 '물질과 에너지'의 4%에 불과하다. 게다가 이 4% 중 대부분은 '수소'와 '헬륨'이 차지하고 있으며, 무거운 원소는 0.03%밖에 되지 않는다. 즉, 우주의 대부분은 우리의 눈에 보이지 않는 미지의 물질로 이루어져 있다는 뜻이다. 게다가 우리 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있는 물질들은 우주의 0.03%밖에 되지 않는다.
지금까지 알려진 관측자료에 의하면, 우주의 23%는 '암흑 물질(Dark Matter)'로 이루어져 있다. 암흑 물질은 은하의 주변을 에워싸고 있는 것으로 추정되지만, 맨눈이나 망원경으로는 보이지 않기 때문에 직접적인 관측자료가 없다. '우리 은하(Milky Way Galaxy)'의 도처에 골고루 퍼져 있는 암흑 물질은 우리 은하 안에 있는 모든 별들의 질량을 함한 것보다 10배나 큰 것으로 추정된다. 암흑 물질은 눈에 보이지 않지만, 유리에 의해 빛이 굴절되는 것처럼 빛의 궤적에 변형을 일으키기 때문에, 광학적인 방법을 이용하여 그 존재를 간접적으로 입증할 수 있다.
WMAP가 보내온 관측자료들 중에서 더 놀라운 것은 우주의 73%가 미지의 '암흑 에너지(Dark Energy)'로 이루어져 있다는 점이다. 일상적인 물질 4%와 암흑 물질 23%를 더해도 27%밖에 되지 않는다. 나머지 73%에 해당하는 '암흑 에너지'는 아직도 베일아 싸여 있다. 사실 암흑 에너지의 개념은 1917년에 아인슈타인에 의해 처음 도입되었다가 곧 폐기처분되었는데, 최근 들어 천문학계에 다시 등장하면서 우주 전체의 운명을 결정하는 가장 중요한 요인으로 급부상하고 있다. '암흑 에너지'는 은하들을 서로 멀어지게 만드는 '반중력(Antigravity)'의 원인으로 추정하는 과학자들도 있다. 앞으로 우주의 궁극적인 운명은 바로 이 '암흑 에너지'에 의해 좌우될 것으로 생각된다.
5. 인플레이션 이론
천문학자들은 WMAP 위성으로부터 홍수처럼 쏟아지는 데이터를 소화하기 위해 부단히 노력해 왔다. 그 결과, 과거의 우주 개념은 거의 폐기되었고 새로운 우주론이 그 자리를 자리하게 되었다. WMAP 위성의 설계팀을 이끌었던 '찰스 헨리 베넷(Charles Henry Bennett, 1943~)'은 '지금 우리는 논리적으로 통일된 우주론의 초석을 쌓았다.'라고 선언하였다.
현재 가장 최첨단의 우주론은 '매사추세츠 공과대학교(MIT: Massachusetts Institute of Technology)'의 '앨런 구스(Allan Guth, 1947~)'가 '빅뱅 이론(Big Bang Theory)'을 수정하여 처음으로 제안했던 '인플레이션 이론(Inflation Theory)'을 꼽을 수 있다. 인플레이션 이론에 의하면, 빅뱅이 일어나고 10-24초가 지났을 때, 반중력(Antigravity)'이 엄청난 크기로 작용하여, 우리의 우주는 기존의 '빅뱅 이론'에서 예견했던 것보다 훨씬 빠른 속도로 팽창하였다. 이 시기의 팽창 속도는 가히 상상을 초월하며, 빛보다 빠른 속도로 팽창된 것으로 보인다. 그럼에도 불구하고, '모든 물질과 에너지는 빛보다 빠르게 움직일 수는 없다.'는 아인슈타인의 금지령에 위배되지는 않는다. 왜냐하면 이 겨우에 움직이는 것은 물질이나 에너지가 아닌 공간 자체이기 때문이다. 물론 공간 속에서 일정한 크기를 점유하고 있는 물체들은 빛보다 빠르게 움직일 수 없다. 그리하여 빅뱅이 일어나고 몇 분의 1초가 지났을 때, 우주는 거의 1050배라는 엄청난 규모로 팽창했다.
5-1. 인플레이션이 일어났다고 가정하면, 우주가 평평하고 균일하게 보이는 이유를 설명할 수 있다.
'인플레이션(Inflation)'의 위력을 실감하기 위해, 팽창하는 풍선을 생각해 보자. 이 풍선의 표면에는 별과 은하들이 곳곳에 그려져 있다. 별과 은하로 가득 차 있는 우리의 우주는 풍선의 내부가 아닌 표면에 해당한다. 이제 풍선의 표면에 미세한 원을 하나만 그려보자. 이 조그만 원은 망원경을 통해 눈으로 볼 수 있는 '관측 가능한 우주(Obsevable Universe)'에 해당한다. 그러면 풍선이 아무리 크게 팽창되어도, 조그만 원이 바깥에 있는 별이나 은하를 잡아먹는 일은 결코 일어나지 않는다. 다시 말해서, 우주 초기에는 인플레이션 팽창이 엄청난 빠르기로 진행되었기 때문에, 초기에 관측 가능한 범위를 벗어나 있던 우주는 영원히 관측이 불가능하다는 뜻이다.
우주의 팽창은 그 규모가 상상을 초월할 정도로 엄청났기에, '관측 가능한 우주'에 해당하는 '풍선 위에 그려진 조그만 원은 평평한 것처럼 보인다. WMAP 위성의 관측 결과가 이 사실을 증명하고 있다. 지구보다 덩치가 훨씬 작은 인간의 눈에 둥근 지면이 평평하게 보이는 것처럼, 우주는 엄청난 스케일에 걸쳐 휘어져 있기 때문에 우리의 눈에 평평하게 보이는 것이다. 우주의 탄생 초기에 급격한 팽창이 일어났다고 가정하면, 우주가 평평하고 균일하게 보이는 이유를 이와 같이 아주 쉽게 설명할 수 있다.
6. 우주의 종말을 예측하였다.
6-1. 우주의 팽창
WMAP 위성은 초기 우주의 모습을 재현했을 뿐만 아니라, 우주의 종말까지 구체적으로 예견했다. 지금까지 알려진 바에 의하면, 우주의 탄생 초기에 은하들을 서로 멀어지게 했던 '반중력(Antigravity)'이 우주의 궁극적인 운명을 좌우하게 된다. 과거의 천문학자들은 우주의 팽창 속도가 서서히 느려지고 있다고 생각했으나, 지금은 팽창 속도가 점차 빨라지고 있다는 것이 정설로 굳어졌다. 우주의 질량과 에너지의 73%를 차지하고 있는 '암흑 물질'이 은하들 사이의 거리를 더욱 빠르게 증가시키면서 우주의 팽창을 가속시키고 있다는 것이다.
팽창을 저지할 만한 사건이 발생하지 않은 채 앞으로 1500억 년이 지나면, 은하수 주변에 있는 다른 은하의 99.9999%는 관측 가능한 범위를 벗어나게 될 것이다. 오늘날 우리에게 익히 알려져 있는 은하들은 엄청나게 빠른 속도로 멀어져서 빛조차도 지구에 도달하지 않을 것이다. 은하들 자체가 사라지는 것은 아니지만, 그곳에 방출된 빛이 지구의 망원경에 도달하지 않기 때문에 우리의 입장에서 보면 없는 거나 마찬가지다.
국소적으로 뭉쳐 있는 은하들 사이의 중력은 팽창을 극복할 정도로 강하기 때문에 시야에서 사라지지 않는다. 만약 이 시기에도 하늘을 관측하는 천문학자가 있다면, 그는 우주가 팽창하고 있다는 사실을 전혀 눈치채지 못할 것이다. 국소적으로 뭉쳐 있는 은하들은 서로 멀어지지 않기 때문이다.
6-2. 빅 프리즈(Big Freeze)
반중력이 계속해서 작용한다면, 우주는 완전한 동결 상태로 최후를 맞이하게 된다. 공간이 팽창하면 온도는 계속 하강하고, 절대 온도 0K가 되면 모든 분자의 움직임이 사라지기 때문이다. 이렇게 되면, 우주에 존재하는 생명체들도 살아남을 방법이 없다. 앞으로 수조 년이 지나면 별의 내부에서 진행되는 '핵융합 반응(Nuclear Fusion Reaction)'이 일제히 멈추면서 모든 별들을 빚을 잃고 우주는 암흑으로 덮일 것이다. 우주의 팽창이 아무런 대책 없이 계속된다면, 우주에는 '흑색왜성(Black Dwarf)'과 '중성자별(Neutron Star)', '블랙홀(Black Hole)' 등만이 남게 될 것이다. 그리고 여기에서 시간이 더 흐르면 블랙홀의 모든 에너지가 증발되면서, 소립자들로 이루어진 차가운 안개만이 우주를 표류하게 될 것이다. 이렇게 차갑고 황량한 우주에서는 제아무리 지능이 뛰어난 생명체라고 해도 생명활동을 유지할 수가 없다. 열역학 법칙에 의하면, 완전히 얼어붙은 상태에서는 어떠한 정보도 전달될 수 없기 때문이다. 결국, 우주의 모든 생명체들은 '동사(Death from Cold)'라는 끔찍한 최후를 맞이하게 될 것이다.
7. WMAP 위성 이후
7-1. 플랑크 위성
'플랑크 우주망원경(Planck Space Telescope)'은 2009년 2013년까지 '유럽 우주국(ESA: European Space Agency)'에서 운영한 우주망원경으로, 고감도 및 높은 '각 분해능(Angular Resolution)'으로 '마이크로파(Microwave)' 및 '적외선' 영역에서 '우주 마이크로파 배경(CMB: Cosmic Microwave Background)'의 이방성을 매핑했다. 이 임무는 NASA에 의가 WMAP로 관측한 결과에 비하여 상당이 개선되었다. '플랑크 우주망원경'에 의하여, '초기 우주의 이론'과 '우주 구조의 기원' 등 '우주론'과 관련된 정보들이 제공되었다.
플랑크 위성은 2009년 5월에 발사되어, 2009년 7월에 지구와 태양의 'L2 지점(라그랑주 제2지점)'에 도달하였고, 2010년 2월에는 전천 관측을 성공적으로 시작하였다. 2013년 3월 21일에 우주 마이크로파 배경에 대한 임무에 대한 최초의 전천 지도가 발표되었고, 2015년 2월에는 '편광(전자기파가 진행할 때 파를 구성하는 전기장이나 자기장이 특정한 방향으로 진동하는 현상)' 데이터가 추가로 발표되었다. 플랑크 위성 팀의 최종 논문은 2018년 7월에 발표되었다.