지난 2009 년 발사된 플랑크 탐사선 (Planck) 은 유럽 우주국 (ESA) 에 의해 발사된 우주 배경 복사 탐사선입니다. (ESA 가 주도하고 나사가 협력하는 방식) 이전 우주 배경 복사 탐사의 역사에 관한 짤막한 글 쓸 무렵에는 ( http://blog.naver.com/jjy0501/100086047198 참조) 발사 되고 얼마 안된 시점이었지만 세월이 흘려 지금은 예정된 관측을 완료하고 이전 WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) 이 했던 것 보다 더 세밀한 초기 우주의 모습을 관측하는데 성공했습니다. 오늘 이야기는 이 플랑크 관측 결과에 대한 이야기입니다.
이미 이전 포스트 (위의 링크 참조) 설명한 대로 우주 배경 복사 (CMB Cosmic Microwave Background) 는 빅뱅의 가장 중요한 증거일 뿐 아니라 우주의 초기의 모습을 알수 있게 해주는 귀중한 연구 자료입니다. 빅뱅 직후 37.9 만년 즈음 우주의 온도가 3000K 이하로 떨어지고 수소와 헬륨원자핵과 전자들이 원자들을 형성되기 시작하자 이때까지 자유 전자의 존재로 방해받던 광자 (photon) 들의 움직임이 자유로워 지게 됩니다. 이와 같은 전기적으로 중성인 원자의 형성 (recombination event) 과 물질과 방사 (radiation) 의 분리 (decoupling) 현상은 오늘날까지 그 증거를 남기고 있는데 우주 배경 복사가 바로 그것입니다.
우주 배경 복사는 현재 2.7260 ± 0.0013 K 까지 온도가 내려간 상태입니다. 우주 어느 방향에서나 거의 균일하게 관측되는 우주 배경복사는 사실 미세하지만 다양한 얼룩의 모양으로 물질의 분포가 조금씩 서로 다르다는 것을 암시하고 있습니다. 결국 미세하더라도 물질의 밀도가 더 높은 곳을 중심으로 우리가 아는 은하단, 은하, 별, 행성들이 생겨난 것이죠.
우주 배경 복사는 아노 펜지어스 (Arno Penzias) 와 로버트 윌슨 (Robert Wilson) 이 1964 년 당시 관측했던 것으로 당시에는 어느 방향과 시간에서든 일정한 신호를 탐지했습니다. 하지만 관측기술이 발전하므로써 실제로는 약간의 차이가 있다는 것이 WMAP 관측 결과 밝혀집니다. 이외에도 WMAP 은 우주 배경 복사에 대한 정밀한 관측으로 우주의 나이를 137 억년 ( 13.772 ± 0.059 billion year) 로 측정했으며 허블 상수는 69.32 ± 0.80 (km/s)/Mpc 로 측정했습니다. (이 측정값은 3/5/7/9 년 데이터에 따라 조금씩 달라졌음) 또 우주의 물질 구성에서 우리가 아는 형태의 물질은 4.6% 이고 우리가 아직 그 정체를 모르는 암흑 물질이 23% 이며 더 정체가 수수께끼인 암흑 에너지는 72% 에 달한다는 것을 밝혀냈습니다. 그리고 이 결과는 10 년만에 다시 플랑크 탐사선의 관측 결과로 더 정확해 졌습니다.
(2013 년 3 월 공개된 플랑크 탐사선의 우주 배경 복사 이미지 Credit : ESA and the Planck Collaboration )
(2008 년 당시 공개된 WMAP 의 우주 배경 복사 이미지 Credit : NASA )
(COBE, WMAP, Planck 의 이미지 민감도의 비교 Credit : NASA)
플랑크 관측 결과를 토대로 다시 작성한 우주의 나이는 이전 값보다 약간 증가한 13.798 ± 0.037 BY (Billion year) 이며, 허블 상수는 67.15 ± 1.2 (km/s)/Mpc 으로 측정했습니다. 또 일반적인 물질의 분포는 4.9%, 암흑 물질은 26.8 %, 암흑 에너지는 68.3% 로 측정했습니다. 이전 결과값에 비해 큰 차이는 아니지만 우주의 나이가 약간 늘어날 가능성이 있고 암흑 물질은 양이 조금 늘어난 만큼 암흑 에너지의 양이 소폭 감소한 차이가 있습니다. 또 허블 상수가 소폭 감소했기 때문에 그만큼 우주의 나이가 살짝 증가했다고 할 수 있습니다. 새로 측정된 우주의 나이는 거의 138 억년 정도라고 할 수 있습니다.
WMAP 이나 플랑크의 우주 배경 복사 분포를 보면 우주가 상당한 밀도 차이를 보이는 것 같지만 이는 대조를 확연하게 보이기 위한 것으로 실제로는 1/100000 수준의 차이밖에 없습니다. 하지만 이 차이가 우주의 씨앗이 되어 은하단을 만들고 은하를 만들고 별을 만든 셈입니다. 조금이라도 밀도가 높으면 그만큼 중력이 커지기 때문이죠.
WMAP 이 그랬던 것 처럼 플랑크 역시 더 오랜 관측 결과 및 다른 관측 결과와 합쳐 더 정확한 우주의 나이와 물질/암흑물질/암흑 에너지의 분포, 허블 상수등을 밝혀낼 것으로 기대됩니다. 그리고 그 과정에서 지금까지 우리가 몰랐던 여러가지 사실들이 밝혀질 것으로 기대할 수 있습니다.
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