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2012년 4월 29일 일요일

우주 이야기 3 - 빅뱅 III



 

6. 우주의 나이



 1940 년대와 1950년대에 이르러 두가지 우주 모델 - 빅뱅 이론과 정상 우주 이론 - 은 서로 약점을 걸고 물어지면서 싸움을 지속하고 있었다. 그런데 실제로는 두 이론 모두 결정적 증거를 제시하지 못하고 있었기 때문에 과학계에서는 두 이론 중 하나를 지지하거나 혹은 둘다 지지 하지 않는 상황이 지속되고 있었다.



 우주의 시초가 있다고 주장하는 빅뱅 이론에게는 당시 여러가지 약점이 존재했다. 그 중 하나는 바로 시간 척도의 문제였다. 당시의 방사선 연대 측정 기술로 이미 지구의 나이는 30억년으로 늘어나 있었다. (현재는 46억년) 그런데 당시 과학자들이 거리를 속도로 나누어 본바, 우주의 나이는 18억년에 불과한 모순이 생기게 되었다. 틀림없이 둘 중 하나는 잘못되었을 수 밖에 없다.



 이 문제는 독일 태생인 덕(?)에 미국의 윌슨 산 천문대에서 2차 대전 기간 마음 껏 관측을 할 수 있던 발터 바데에 의해 해결의 실마리가 열렸다. 다른 과학자들이 모두 군사 연구에 투입된 동안 등화 관제로 더 어두워진 하늘을 관측하는 행운을 누린 그는 이전까지의 안드로메다 은하의 거리 측정이 잘못되었다는 사실을 눈치챘다.



 별까지의 거리는 어떻게 잴까? 비교적 가까운 거리의 별이라면 연주시차를 이용해서 거리를 잴 수 있다. 그러나 약간만 먼 거리에 있어도 이 방법은 사용이 어렵다. 그래서 당시 대신 사용하던 방법이 바로 케페이드 (혹은 세페이드라고도 발음, Cepheid variable) 변광성의 밝기를 측정하는 것이다.


 케페이드 변광성은 보통 1- 50일 주기로 밝기가 변하는 맥동 변광성(밝기가 변하는 별)으로써 그 주기와 밝기가 일정한 상관관계를 가진다. 따라서 그 주기와 밝기를 알면 역으로 그 거리를 알 수 있다. 예를 들어 주기가 30일인 케페이드 변광성이 있다면 그 광도는 태양의 1만배이다. 이 별의 실제 밝기를 알기 때문에 지구에서 관측되는 별의 밝기를 비교하면 그 거리를 알 수 있는 것이다. 


 과거 허블은 케페이드 변광성을 안드로메다 은하에서 관측하고 그 거리를 90만 광년으로 생각했다. 발터 바데는 케페이드 변광성 중에서도 1일 미만의 주기를 가진 거문고자리 RR형 변광성을 연구했다. 이 변광성은 주기에 관계없이 태양의 50배 정도의 밝기를 가지고 있다. 그는 윌슨산 천문대의 100인치 망원경으로 안드로메다 은하에서 거문고자리 RR형 변광성을 찾지 못하자 이는 망원경의 성능이 낮아서라고 생각했다. 만약 그렇지 않다면 안드로메다 은하가 좀 더 먼 거리에 있는게 분명했다.


 1948년, 200인치 (약 5미터) 급의 망원경인 팔로마산 천문대가 완성되자 바데는 안드로메다 은하를 다시 관측했다. 그런데 이 정도 성능 망원경에서는 관측이 되어야할 거문고자리 RR 형 변광성이 발견되지 않는 것이었다. 거문고자리 RR 형 변광성의 밝기는 매우 일정했고, 전쟁 중 이를 자세히 관측한 바데는 자신의 관측에 자신이 있었기 때문에, 그는 이 변광성을 발견 못한 이유가 안드로메다까지의 거리가 생각보다 더 멀어서라고 확신했다.



 바데는 항성들에도 종류가 있는 것처럼 케페이드 변광성에도 종류가 있다고 생각했다. 관측 결과 종족 I 에 속하는 케페이드 변광성은 종족 II 에 속하는 케페이드 변광성 보다 1.5등 밝았다. 허블은 우리 은하에 있는 다소 어두운 종족 II 케페이드 변광성의 밝기를 보다 밝은 종족 I 과 비교했던 것이다. 결과적으로 안드로메다 은하의 거리는 2배는 더 떨어져 있어야 했다. 즉 200만 광년은 떨어져야 했다.


 그런데 여기서 끝이 아니었다. 이 발견으로 모든 은하까지의 거리가 2배가 되었고, 그 결과 우주의 크기도 2배로 커진 것이다. 그렇다면 팽창에 걸리는 시간도 2배가 될 수 밖에 없었다. 결국 허블의 법칙으로 계산한 우주의 나이는 적어도 36억년 이상이 되었다. 1952년, 이 내용이 학회에서 발표가 되자 빅뱅 이론의 지지자들은 '됐다, 됐어!' 라고 속으로 환호했을 것이다.



 (여담이지만 우주론이나 천문학의 발전은 역시 관측 장비의 발전과 밀접한 관계가 있다는 것을 보여주는 실례가 아닐 수 없다)





 7. 무거운 원소들



 그러나 이 발견이 빅뱅이론의 약점 중에 하나를 해결해주긴 했어도 빅뱅의 결정적 증거는 될 수 없었다. 여기에 앞서 설명했듯이 당시의 빅뱅 이론은 더 결정적인 문제가 있었다. 그것은 바로 헬륨보다 무거운 원소가 어떻게 생성되었는지에 대한 문제이다. 이 문제는 뜻밖에도 빅뱅 이론의 가장 큰 반대자인 프레드 호일경에 의해서 해결되었다.


 프레드 호일경에게 이 문제는 단순히 빅뱅 우주론 만의 문제가 아니었다. 호일의 정상 우주론 역시 우주 공간에서 생성되는 원소들이 어떻게 무거운 원소로 바뀌는지 설명하지 못했던 것이다.


 조지 가모프가 우주의 모든 원소들이 오리와 감자 한접시를 요리하는 것 보다도 짧은 순간에 생성되었다고 호언 장담할 때 - 즉 빅뱅 당시 모든 원소들이 생성되었다는 것, 그러나 증명은 하지 못했다 - 프레드 호일은 별의 내부에서 발생하는 핵융합 반응에 주목했다.





 (원소 주기율표 - 이 모든 원소가 수분만에 생성될 수 있을까 ?)


 과학자들은 당시 수소 핵융합의 결과로 헬륨이 생성될 수 있다는 것을 알고 있었다. 그러나 그 보다 무거운 원소는 어떻게 생성되는지 알 수 없었다. 과학자들은 헬륨 보다 무거운 원소가 합성되려면 이론적으로 태양의 중심부보다 온도가 훨씬 높아야 가능하다는 것을 알았다. 탄소가 합성되려면 1억도 이상, 실리콘이 합성되려면 27 - 35억도의 온도가 필요하다 (태양의 중심 온도는 1500만 도이다)


 호일의 생각으로 이와 같은 온도와 생성 물질의 차이는 모든 물질이 동등한 조건에서 생기지 않았다는 것을 의미했다. (즉 빅뱅 이라는 동일 과정에서 모든 물질이 생기지 않았다는 것) 즉 탄소가 합성되는 온도에서는 실리콘이 합성될 수 없었고, 이 역도 마찬가지였다. 호일은 별들에 다양한 종류가 있으며, 이들이 탄생하고 핵융합 반응을 일으키면서 진화하고 폭발하는 과정을 거친다고 생각했다.  그리고 이러한 환경의 차이가 다양한 원소들을 생성할 수 있을 것이다.


 일단 호일은 보다 복잡하고 무거운 원소들을 생성하기 위해서는 헬륨이 탄소를 생성해야 함을 깨달았다. 탄소보다 무거운 원소들은 탄소를 기반으로 한 핵융합 반응에서 생길 수 있었다. 그런데 헬륨이 생성하는 리튬과 베릴륨 원자핵들은 매우 불안정했다. 가모프와 그 동료들은 이 불안정한 원자핵들이 안정적으로 탄소를 생성할 수 있음을 증명하지 못했던 것이다.



 그러나 호일은 이들 원소들이 별의 내부에서 안정적으로 핵융합 반응을 통해 생성됨을 굳게 믿고 있었다. 그런일이 일어나지 않았다면 현재의 지구와 지구의 생명체, 그리고 결정적으로 인간이 생겨나지 않았을 것이기 때문이다. 이러한 믿음은 오늘날에도 유효한데, 이를 인간 원리 (Anthropic principle, 혹은 인류 원리 -  http://navercast.naver.com/science/physics/622 를 참조) 라고 부른다.


 호일의 계산으로는 세개의 헬륨이 만나서 탄소를 생성할 확률은 0 에 가까웠다. 대신 베릴륨 - 8 과 헬륨 원자핵 하나가 합성하면 탄소 - 12 가 생성될 수 있다. 그런데 이 탄소는 계산에 의하면 보통의 탄소보다 7.65 MeV 정도 많은 에너지를 가진 들뜬 상태 (Excited state - 양자역학적 상태 중 에너지가 가장 안정된 상태인 바닥 상태를 제외하고 이보다 에너지가 높은 상태를 모두 가르킨다)  일 것으로 예상되었다.




(2개의 헬륨 원자핵이 만나서 베릴륨을 만들고 다시 이 베릴륨과 헬륨 원자핵이 합쳐 탄소를 만든다. 이 과정은 대략 섭씨 2억도에서 일어난다)



 호일은 인간 원리에 의해서 반드시 이 정도 에너지를 가진 들뜬 상태의 탄소 - 12가 합성될 수 있다고 믿었다. 이 원소가 합성되어야 이 보다 무거운 원소가 합성 가능하다. 그렇지 않으면 인간은 있을 수 없다. 이렇게 믿은 호일은 완전 초면인 핵물리학자 윌리엄 파울러 (William Fowler) 를 방문하여 자신의 이론을 설명했다. 결국 호일에게 설득당한 파울러는 실제로 그런 존재의 원자핵을 찾아내고야 말았다. 인간 원리를 통해 놀라운 과학적 발견이 이루어진 사례였다. (결국 이 업적과 원자핵 합성의 업적으로 파울러는 노벨상을 받았다. 반면 적이 많은 호일은 노벨상에서 누락되었다)



 한편 이들의 연구는 여기서 끝나지 않았다. 탄소 핵융합 반응에서 질소와 산소가 나오고 다시 여기서 철
까지의 원소가 생성된다.



(탄소에서 질소, 산소를 매개로 수소를 핵융합시키는 CNO (Carbon - Ntirogen - Oxygen ) cycle 이다)













 대략 위의 과정을 통해 철까지의 물질이 핵융합 반응으로 생성이 될 수 있었다.






 별의 진화 과정에서 말기에 이르면 여러가지 무거운 원소들이 합성이 된다.



 한편 철보다 무거운 원소들은 이와 같은 과정으로도 생성이 될 수 없다. 이들이 생성되기 위해서는 초신성 폭발과 같은 격렬한 과정이 필요하다.




아무튼 이렇게 되서 프레드 호일은 빅뱅 이론에 큰 기여를 한 셈이 되었다. 왜냐하면 이 핵융합 합성 이론으로는 헬륨 같은 가벼운 물질이 우주에 흔한지 설명하지 못했기 때문이다. 즉 정상 우주 모델로는 헬륨이 많은 이유가 잘 설명이 되지를 않았다.





 (헬륨이 대량으로 존재하는 이유를 설명하는데는 빅뱅이론이 절대적으로 유리했다. 핵융합 으로만 생성되었다면 헬륨은 이렇게 많을 수가 없다.)



 즉 호일은 자기도 모르는 사이에 빅뱅이론을 크게 진보 시켰던 것이다. 그것이 오늘날 빅뱅 이론이 주류를 이루는 현재에도 그의 과학적 명성을 높이는 이유가 되었다. 그러나 결국 비주류에 해당하는 이론을 신봉했을 뿐 아니라 독단적인 성격과 과격한 언사로 적을 많이 만들었기 때문에 호일은 크게 인정받지는 못했다.






8. 우주 배경 복사


 그러나 적어도 50년대 까지는 빅뱅 이론과 정상 우주 모델 모두가 우위를 점했다고는 말하기 어려운 상태였다. 빅뱅 이론의 가장 결정적인 근거는 사실 엉뚱한 곳에서 튀어나왔다.


 AT & T 는 미국의 통신 회사로써 1920년대 무선 통신망을 구축한 선구적 회사였다. 그들은 이미 1928년 대서양 횡단 전파 전화 서비스를 제공했다. 하지만 문제가 있었다. 우리 자연계에는 많은 전파적 신호가 존재해서 통화시 잡음 처럼 작동했던 것이다. 이 회사는 자연적인 잡음에 대해서 연구해서 이를 최대한 억제할 수 있는 방법을 연구하기 위해 과학자들을 후원했다.


 이로써 여러 자연적인 전파원에 대해서 연구하던 과학자들은 수많은 전파원들을 찾아냈는데, 그 중에는 우주에서 오는 것도 있었다. 이로써 전파 천문학의 시대가 열렸던 것이다.


 1960년대에도 벨 연구소는 전파 천문학자들을 고용했다. 당시 AT & T 는 에코 풍선 위성이라는 위성의 신호를 잡아낼 목적으로 크로퍼드 힐에 특수한 전파 안테나를 설치 했는데, 회사는 사업성이 없다는 이유로 이 위성 프로젝트를 취소했다.




(안테나와 아노 펜지어스와 동료인 로버트 윌슨 - 이들이 우주 배경 복사를 처음 보고했다)


 이것은 당시 벨 연구소에서 일하던 전파 천문학자인 아르노 알렌 펜지어스 (Arno Allan Penzias) 에게는 절호의 기회였다. 이 안테나를 전파 천문학 연구에만 독점적으로 사용할 수 있었기 때문이다. 또 그에게는 로버트 윌슨 (Rober Willson) 이라는 동료도 새로 생겼다. 두 사람은 우주에서 오는 잡음 (niose) 를 연구해도 좋다는 회사의 허가를 얻어 연구를 시작했다.


 그런데 이들이 우주를 관측하자 안테나에 문제가 있는지 상당한 양의 잡음이 방향에 관계없이 검출되었다. 그들은 고심한 끝에 안테나 안쪽에 문제의 배설물을 배설한 비둘기들을 잡아서 방출하기도 하고 - 그 비둘기들이 자꾸 다시 돌아와서 결국 제거하는 밖에 없었다 - 배선을 새로 하며, 1년간 열심이 닦았다. 그러나 그런 그들의 노력을 비웃기라도 하듯이 상당한 양의 잡음이 여전히 검출되었던 것이다.



(펜지어스등이 비둘기를 잡기 위해 사용한 덫, 워낙 과학적으로 중요한 일에 쓰인 덫이기 때문에 현재 스미소니언 국립 항공우주박물관에 전시되어 있다)



 그러나 그들에게 곧 행운이 찾아왔다. 우연히 학회에 들린 펜지어스가 로버트 디키 (Robert Dicke) 가 이끄는 팀으로부터 이 잡음이 바로 빅뱅의 결정적인 증거인 우주 배경 복사 (Cosmic Microwave Background Radiation) 일 가능성이 있다는 이야기를 들었다.


 사실 펜지어스와 윌슨이 그토록 없애려고 노력했던 그 잡음은 바로 20세기 과학의 가장 중요한 발견인 우주 배경 복사였던 것이다. 그들은 부랴부랴 논문을 써서 학회에 발표했는데, 그 글자수는 600자에 불과했지만 펜지어스와 윌슨은 그 업적으로 1978년 노벨 물리학상을 수상했다.


 앞서 이야기 했지만 이전 앨퍼와 허먼은 빅뱅이 실제했다면 우주 배경 복사가 있을 것을 예측했다. 이 우주 배경 복사는 한동안 완전히 잊혀졌다가 로버트 디키가 이끄는 팀에 의해 다시 재발견 되었다. 그래서 마침내 우주 배경 복사가 발견되었을 때 스포트 라이트를 받은 걷은 펜지어스 팀과 디키가 이끄는 팀이었다.


 오래전 이 일에 손떼고 나가 버린 가모프는 물론이고 앨퍼와 허먼은 이 사실에 크게 분개했다. 자신들이 우주 배경 복사를 이야기 할 때는 아무도 연구하지 않았다가 한참 후에 그것이 밝혀질 땐 자신들은 무시되었기 때문이었다. 특히 과거에도 별 인정을 못 받은 랄프 앨퍼는 더 억울함을 느꼈다고 한다. 그러나 후세에는 그들의 과학적 명성이 어느 정도 복권되었으니 그나마 다행이랄까?



 아무튼 이 우주 배경 복사의 발견은 20세기 과학사상 가장 중요한 발견으로 뽑힐 만 했다. 이로써 빅뱅은 그냥 이론상의 존재가 아나라 근거가 있는 실체로 변모하기 시작했고, 이제 정상 우주 모델을 제치고 우주론의 핵심이 될 것이기 때문이었다. 수많은 과학자들이 빅뱅 연구에 뛰어들었고, 이제는 일반인들에게까지 매우 친숙한 이론이 되었다. 그러나 그것이 빅뱅 모델이 가진 모든 문제가 해결되었다는 뜻은 아니었다.


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