우주배경복사, 빅뱅 우주론의 증거
펜지어스와 윌슨에 의해 우연히 발견

출처: NASA

[문화뉴스 MHN 권성준기자] 현재 과학계에서는 이 우주가 팽창하고 있으며 초기에 아주 작은 점으로 존재하였다가 차원이 팽창해서 우주가 생겨났다는 빅뱅 우주론을 정설로 받아들이고 있다. 그중 우주배경복사는 빅뱅 우주론의 가장 결정적인 증거가 된다.

빅뱅 우주론에 의하면 초창기에 우주는 온도가 매우 높았다가 공간이 팽창하면서 온도가 차차 식어갔다. 마치 스프레이를 뿌리면 공기의 팽창으로 인해 스프레이 속의 공기가 차가워지는 현상과 비슷하다고 생각하면 된다. 이러한 현상을 단열팽창이라 부른다.

흑체복사 이론에 의하면 흑체는 온도에 따라 전자기파를 방출하는데 유사한 현상을 일상적인 물질에서도 관찰할 수 있다. 뜨겁게 달군 금속이 빛을 내는 것이다.

출처: 픽사베이

빅뱅 우주론에서 우주의 나이가 대략 38만 년이 되었을 때 물질과 빛이 분리되어 빛이 우주 전체로 퍼져나갔다고 한다. 이때 우주는 크기가 작아 빛, 전자, 양성자와 같은 입자들이 한데 뒤섞여 우주 전체가 열적 평형상태에 있었다.

열적 평형상태에서 빛은 흑체복사의 성질을 따라가게 되어 우주 전체가 특정 에너지, 다시 말해 특정 파장의 빛을 방출하게 되며 우주가 팽창함에 따라 온도가 식으면 에너지가 줄어들어 긴 파장의 빛으로 변하게 된다.

이를 맨 처음 이론적으로 예측한 사람은 조지 가모프(George Gamow, 1904~1968), 애셔 얼퍼(Asher Alpher, 1921~2007) 등의 과학자들이었다. 이들은 우주배경복사가 5K, 섭씨온도로 -268도 정도의 극저온 상태로 있을 것이라 예측하였다.

출처: Nobelprize
아르노 펜지어스, 로버트 윌슨

우주배경복사의 발견은 1964년 벨 연구소의 아르노 펜지어스(Arno Penzias, 1933~)과 로버트 윌슨(Robert Wilson, 1936~)에 의해 우연히 이루어졌다.

초단파 무선통신으로 장거리 통신에 대해 실험하던 둘은 안테나에 계속해서 잡음이 발생하는 것을 알아챘다. 처음에는 잡음이 하늘의 모든 방향에서 들려왔기 때문에 그들은 안테나의 청소상태에 문제가 있을 것이라 생각하였다.

그래서 그들은 둥지를 부숴 비둘기들을 쫓아내었고 그래도 잡음이 발생해 안테나에 붙은 비둘기 대변마저 닦아내었다. 하지만 이러한 노력에도 잡음은 계속해서 들려왔다.

그러던 와중에 이 잡음이 절대온도 3K 정도의 온도의 파장이며 하늘의 모든 방향, 즉 우주의 모든 곳에서 골고루 날아오고 있다는 점을 눈치채고 단순한 요인에 의한 잡음이 아니라 우주배경복사임을 깨달았다.

이런 우연으로 우주배경복사를 발견한 펜지어스와 윌슨은 그 공로를 인정받아 1978년 노벨 물리학상을 수상하게 되었다.

출처: NASA, WMAP 우주망원경

펜지어스와 윌슨의 발견 이후에도 우주배경복사를 측정하려는 노력은 계속해서 이루어졌다. 대표적인 경우로 'COBE 우주배경복사 탐사선'과 'WMAP 탐사선'이 있다.

특히 1989년 발사된 COBE는 우주배경복사가 대략 1/10만 수준의 온도 스케일에서 변화를 가진다는 것을 알아내었다. 이 미세한 온도 차이는 초기 우주의 물질 분포에 작은 차이가 있었음을 알려주는 증거이며 이 차이로 인해 우주에 별, 은하와 같은 구조가 나타나게 되었다.

이후 2001년 발사된 WMAP은 우주배경복사가 정확히 2.73K 정도가 됨을 관찰하여 더욱 정교한 우주배경복사 지도를 제작하였다.

우주배경복사의 발견은 우주가 식고 있다는 것을 설명하지 못하는 정상우주론을 사장시키고 빅뱅 우주론의 가장 강력한 증거 중 하나로 인정받고 있다.

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[MHN 과학] 우주의 메아리를 찾아서, 1978 노벨 물리학상: 우주배경복사

우주배경복사, 빅뱅 우주론의 증거
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