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2012년 4월 30일 월요일

우주 이야기 11 - 우주 배경 복사 탐사선의 역사



 
 지난 2009년 5월 14일 우주 배경 복사 (Cosmic Microwave Background CMB) 를 보다 자세히 연구하기 위한 새로운 탐사선인 플랑크 (국내에서는 플랑크 우주 망원경 이라고 번역한다. 사실 이 탐사선은 명칭이 그냥 Planck 라고만 되어 있고 space telescope 라는 명칭이 붙어 있지는 않지만 사실 일종의 우주 망원경으로 볼 수 있기 때문에 우주 망원경으로 불러도 무방할 듯 하다. 여기선 그냥 편의상 플랑크라고 명칭을 쓴는데, 이것은 ESA 홈피와 그들이 발간한 Bluebook 에서 그렇게 명칭하기 때문이다. )가 발사되었다.


 이는 전세대의 나사에서 발사한 COBE 와 WMAP 의 성능을 뛰어넘는 성능으로 우주를 탐사하겠다는 유럽 우주국 (ESA : European Space Agency) 의 야심찬 계획이라고 할 수 있다. 금일 포스트는 이전에도 몇차례 말한 적이 있는 우주 배경 복사 탐사의 역사에 관한 것이다.





1. 우주 배경 복사란 ?


 일단 우주 배경 복사 탐사선들에 대해서 설명하려면 우주 배경 복사가 무엇인지 설명해야 할 것으로 생각된다. 앞서 빅뱅관련 포스트에서도 잠시 설명한 바가 있지만 우주가 한점에서 시작한 빅뱅에서 얼마 지나지 않은 시점에서 우주는 초고온의 불덩이와 같은 상태였다. 그러나 우주가 급팽창을 계속하면서 우주의 온도가 내려가기 시작했고, 우주에는 새로운 원소들이 합성되기 시작했다.


 우주의 온도가 3000K 정도까지 떨어졌을 때 이때까지 따로 놀던 수소 헬륨등의 원자핵과 전자들이 모여 최초의 원자를 만들기 시작하자 우주에는 마법같은 일이 일어났다. 그것은 이전까지 자유 전자와 부딪혀서 직진하지 못하던 광자(Photon) 들이 이제 직진하게 되면서 안개처럼 뿌옇던 우주 공간이 맑게 갬 현상이 일어난 것이다.


 이 때 해방된 빛이 바로 우주 배경 복사 (Cosmic Microwave Background Radiation) 로서 현재까지 우주 전체에 이 빛이 떠돌고 있다. 지금부터 137억년 전의 일이고, 빅뱅 이후 37.9만년 후의 일이다.


 이 우주 배경 복사가 중요한 이유는 이것이 빅뱅 이론의 가장 중요한 증거이기도 하지만 무엇보다 우리가 관측할 수 있는 가장 오래전의 우주의 모습을 알게 해주기 때문이다. 과학자들은 이를 관측함으로써 우주의 초기 모습이 어떠했는지를 예측할 수 있고, 이를 통해 은하와 은하단이 어떻게 형성되었는지, 우주의 물질과 에너지의 분포가 어떻게 되는 지를 알 수 있다. 따라서 막대한 예산을 투입해서 이를 관측할 탐사선을 발사하고 있는 것이다.





2. 최초의 우주 배경 복사 탐사 - 펜지어스와 윌슨


 앞서 빅뱅 관련 포스트에서 이미 설명한 바 있지만  (http://blog.naver.com/jjy0501/100072204304  참조) 최초의 우주 배경 복사 관측은 지상에서 이루어졌다. 이를 최초 관측한 펜지어스와 윌슨은 이를 통해 노벨 물리학상을 수상했다. 이들의 관측은 1965년에 이루어졌으며, 당시에 관측 결과는 우주 전체에서 균일한 3K 정도에서 나오는 마이크로파였다.



(이것이 역사적인 우주 배경 복사를 최초 관측한 안테나이다. This file is in the public domainbecause it was created by NASA )



 이들의 관측 결과는 빅뱅의 결정적 증거로 판단되었으며 이를 통해 빅뱅 이론은 우주론의 핵심적인 이론으로 떠오를 수 있었다.




3. COBE


 비록 구소련이 1983년 우주 배경 복사 관측 위성인 RELIKT-1 를 발사하긴 했지만 뒤늦게 발표되었기 때문에 잘 알려져 있지는 않다. 그래서 최초는 아니지만 너무나 잘 알려진 관측 결과를 내놓은 COBE (Cosmic Background Explorer) 가 마치 최초로 우주에서 우주 배경 복사를 관측한 탐사선으로 생각되기도 한다.


 아무튼 이 COBE 탐사선은 최초의 우주 배경 복사 관측이후 매우 상세한 관측 결과를 가져온 탐사 위성이었기 때문에 충분히 그와 같은 영예를 얻을 만도 했다.


 COBE 위성은 사실 1974년 최초 계획되었던 위성이었다. 우주 배경복사를 비롯한 마이크로 웨이브 및 적외선을 관측할 목적으로 제작된 이 위성은 예산 문제를 비롯해서(나사가 발사 비용을 3천만 달러 아래로 하도록 강요했다) 챌린저 호 폭발 사고등으로 계속 발사가  연기되다가(본래 우주 왕복선으로 발사할 예정이었다) 결국 1989년에야 오래된 델타 로켓의 부품들을 모아 발사에 성공할 수 있었다.


 이 연구에 참가했던 과학자들은 정확한 관측 결과를 얻기 위해 전파 잡음이 적은 우주 공간으로 탐사선을 발사할 수 밖에 없는 처지였는데, 혹시나 오래된 부품들이 문제를 일으키지 않을 까 노심초사 했다고 한다.



 이 COBE 위성에는 다음의 3가지 탐사 장비들이 달려있었다.

Differential Microwave Radiometer(DMR) : CMB 같은 마이크로 웨이브를 관측하는 장비

Far-InfraRed Absolute Spectrophotometer(FIRMS) : CMB 의 스펙트럼을 측정하는 Spectrophotometer

Diffuse InfraRed Background Experiment(DIRBE) : 다파장 적외선 관측기 (Multiwavelength infrared detector)




(COBE 의 구조도, 약 2톤이 넘는 우주선이었다 : This file is in the public domain because it was created by NASA )




 COBE 가 보내온 우주의 모습은 대단히 균일했지만 약 10만분의 1정도의 온도의 차이가 있는 우주였다. 이러한 초기의 밀도와 에너지의 차이가 결국 커져서 오늘날의 은하단과 은하들을 만들었다고 생각된다. 그야 말로 인간은 우주의 초기 모습을 COBE 를 통해 본 것이다.



(COBE 가 보네온 영상. 초기 우주의 물질 분포를 이 영상을 통해 알 수 있다. 빅뱅 이후 37.9만년 이후의 우주의 모습인 셈이다. This file is in the public domain because it was created by NASA  )





4. WMAP


 COBE 의 관측을 통해 우주 배경복사를 통해 우주 초기의 모습을 더 잘알게되긴 했지만 이것으로 모든걸 다 알아낸 것은 아니었다. 나사는 다시 더 정밀한 관측을 가능하게 만들 차세대 탐사선을 발사하기로 계획한다. 이것이 바로 WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) 이다.


 (WMAP 은 우주론 연구의 선구자이자 연구팀의 멤버 중 하나인 David Wilkinson 을 기리기 위한 명칭으로 본래 탐사선의 명칭은 MAP 이었으나 그가 2002년 죽자 2003년 명칭을 개칭한 것이다. )


 이 탐사선은 2001년 6월 30일 델타 로켓으로 발사되었다. 그리고 수년간의 관측 끝에 2003년 이 탐사선이 모은 상세한 관측 데이터들이 마침내 공개되었으며, 이를 통해 놀라운 과학적 성과를 이루어 낼 수 있었다. 이 탐사선이 보내온 관측 자료들은 아마 2003년 한해를 통틀어서 가장 중요한 과학적 자료였을 것이다.



(WMAP 의 구조도. 840kg 정도의 중간 크기 탐사선이다. This file is in the public domain because it was created by NASA  )




(WMAP 의 데이터를 수집하는 리시버의 구조 This file is in the public domain because it was created by NASA  )




 WMAP 탐사선의 상부에는 지름 1.4m 와 1.6m 의 1차 반사경이 있으며, 좀 더 안쪽에는 지름 0.9m 와 1m 정도의 2차 반사경이 있다. 이들로 부터 보내진 자료를 분석한 리시버는 이를 다시 지상의 관제소로 송신한다.



 WMAP 의 이전에 지구에 가까운 지구궤도에서 관측을 했던 COBE 위성 보다 더 지구에서 먼 곳에서 관측을 한다. 그럴 수록 지구에서 나오는 잡음에서 멀어질 수 있기 때문이다. WMAP 은 지구에서 150만 km 떨어진 라그랑주 점인 L2 에서 관측을 한다.



(WMAP 은 L2 지점에서 지구와 함께 태양 주위를 공전한다. This file is in the public domain because it was created by NASA )




(WMAP 은 L2 지점에서 지구와 같은 속도로 태양 주위를 돌면서 태양을 등지고 관측을 한다.  This file is in the public domain because it was created by NASA )



(2003년 최초 공개된 우주 배경 복사의 온도 분포 This file is in the public domain because it was created by NASA  )





 2003년 2월 관측 자료가 공개되었다. 이때 발표된 자료를 종합하여 허블 우주 상수는 70.5±1.3 kmkmMpc·s . 으로 측정되었고, 우주의 나이는 137.3 ± 1.2 억년으로 측정되었다. 또 우주의 구성하는 물질의  72.6%  ±  1.5% 가 암흑 에너지이며, 나머지는 암흑물질과 일반적인 물질임이 드러났다. 이중 일반적인 물질은 4.6%에 불과한 것으로 드러났다.




(우주의 물질 구성도 :  This file is in the public domain because it was created by NASA )


WMAP 의 5년간의 관측 결과 (출처 : 위키)

ParameterSymbolBest fit (WMAP only)Best fit (WMAP + SNe + BAO)
Hubble's constant ( kmMpc·s )H071.9+2.6−2.770.5±1.3
Baryonic contentΩbh20.02273±0.000620.02267+0.00058−0.00059
Cold dark matter contentΩch20.1099±0.00620.1131±0.0034
Dark energy contentΩΛ0.742±0.0300.726±0.015
Optical depth to reionizationτ0.087±0.0170.084±0.016
Scalar spectral indexns0.963+0.014−0.0150.960±0.013
Running of spectral indexdns / dlnk−0.037±0.028−0.028±0.020
Fluctuation amplitude at 8h−1 Mpcσ80.796±0.0360.812±0.026
Age of the universe (Ga)t013.69±0.1313.72±0.12
Total density of the universeΩtot1.099+0.100−0.0851.0050+0.0060−0.0061
Tensor-to-scalar ratior< 0.43< 0.22



 이렇게 WMAP은 우주 배경 복사를 관측하므로써 인간의 우주에 대한 지식을 크게 진보시켰다. 앞서 두 관측기기와의 성능을 비교했을 때 시대와 과학기술의 발전에 따라서 우주 관측 기술이 크기 진보되었음을 볼 수 있다.



(우주 배경 복사 관측의 발전 - 초기에 관측한 균일한 우주 배경 복사는 여전하지만 관측기술이 발전함에 따라 미세한 차이를 더욱 정말하게 관측할 수 있었다. This file is in the public domain because it was created by NASA)




 5. Planck


 2009년 5월 14일 앞서 이야기 했듯이 플랑크 우주선이 발사되었다. 이 탐사선의 명칭은 양자 이론의 발전에 크게 이바지한 독일의 물리학자 막스 플랑크의 이름에서 나온 것이다. 플랑크는 이전 WMAP 에 비해서 3배가 높아진 해상도와 10배 이상 정밀해진 감도를 가지고 있기 때문에 더 자세한 결과를 우리에게 전해줄 것으로 기대된다. 



(플랑크 위성의 모습 : This file is in the public domain because it was created by NASA)



 그러나 아직 결과가 나오려면 1-2년 정도 기다려야 한다. 이 탐사선 역시 L2 지점에서 WMAP 과 같이 돌고 있기 때문이다.


 이 탐사선은 30 - 70 GHz 영역을 관측하는 Low Frequency Instrument (LFI) 와 100 - 857 GHz 영역을 관측하는 High Frequency Instrument (HFI) 를 가지고 있어 단지 우주 배경 복사 뿐 아니라 보다 넓은 대상을 관측할 수 있다. ( 참고로 우주 배경 복사는 160.2 GHz 영역에서 피크를 이룬다. ) 이 탐사선은 우주 배경 복사는 물론 은하단의 형성. 그리고 우리 은하계와 태양계까지 관측하게 될 것이다.


보다 자세한 자료는 홈페이지에서 확인 할 수 있다.




 현재 우리 인간은 우주 배경 복사를 연구함으로써 많은 우주의 의문들을 풀었다. 그러나 여전히 모르는 것이 필연적으로 더 많을 수 밖에 없다. 플랑크 뿐 아니라 앞으로 발사될 예정이거나 발사된 우주 탐사선들이 미래에도 많은 사실들을 우리에게 알려줄 것으로 기대한다.





(출처 : Wiki/NASA)

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