대략 137 - 138 억 년 쯤 빅뱅이 발생했을 때 우주는 급팽창 (cosmic inflation) 을 겪었던 것으로 생각되고 있습니다. 우주 초기의 인플레이션은 우주가 왜 현재 이런 모습 (짧은 시간안에 급격히 팽창했기 때문에 우주의 모습이 어디나 비슷하다는 내용을 담고 있음) 인지 설명하는데 매우 중요한 과정으로 생각되고 있습니다. 과학자들은 우주 초기 인플레이션에 대해 많은 이론적 연구 결과들을 내놓았지만 정작 문제는 이를 실제로 입증할 관측 증거가 없었다는 것입니다.
과학에서 실제 관측이나 실험으로 입증하기 전에 우선 이론이 나오는 경우는 드물지 않지만 그 이론이 견고한 기반 위에 서기 위해서는 반드시 과학적 증거가 필요합니다. 따라서 이를 입증하기 위한 여러 관측 시도가 있었지만 사실 아주 오래전 우주에서 발생한 일에 대한 증거를 찾는 다는 것은 그렇게 간단한 문제가 아니었습니다.
(단순화 시킨 우주의 역사. 우주는 계속 팽창해 왔지만 특히 초기에 인플레이션이라는 급격한 팽창시기를 겪었던 것으로 생각되어 왔음. Credit: NASA/WMAP Science Team )
나사의 JPL, 하버드 스미소니언 천체물리학 연구소, 캘리포니아 공대, 미네소타 대학, 샌디에고 대학, 토론토 대학 등 여러 연구 기관과 대학들이 합동으로 진행 중인 BICEP & Keck Array 는 남극에 설치된 우주 배경 복사 실험 기구로 특히 그 중에서 BICEP2 는 우주 배경 복사의 편광 현상 (polarization of CMB) 을 측정하는 것을 주 임무로 하고 있습니다.
(BICEP2 의 기지 소개 영상)
지난 2010 년에서 2012 년 사이 관측을 진행한 BICEP2 는 150 GHz 로 작동하는 26 cm 구경의 일종의 망원경으로 우주 극초기 이후에 생긴 빅뱅의 흔적에서 배경 복사의 파동을 검출하는 것이 주 임무입니다. 이 데이터를 분석한 과학자들은 인플레이션의 직접적인 증거를 발견하는데서 나아가서 더 놀라운 사실을 발견했습니다.
태양빛은 지구 대기를 통과하면서 대기 중 원자와 반응해서 산란되거나 편광 (polarized light 빛은 횡파이며 진행방향을 포함한 면 안에서 진동하고 있있는데, 이중 특정 방향이 탁월한 빛을 편광이라고 함) 될 수 있습니다. 우주 배경 복사 역시 전자기파의 일종이므로 동일하게 우주 안의 원자와 전자와 반응해 편광 현상을 일으킬 수 있습니다.
연구팀이 찾고 있던 것은 B-mode 라고 불리는 특정한 타입의 편광현상으로 이는 고대의 빛이 겪었던 일을 알 수 있게 해줍니다. 특히 중요한 것은 중력파 (gravitational wave) 로 이것은 우주 배경 복사가 지나는 시공간을 왜곡시키기 때문에 이 B-mode 에 특수한 방향으로 소용돌이 치는 패턴을 만들게 됩니다. 그런데 연구팀이 실제로 이것을 측정하는데 성공한 것입니다. 이는 최초로 중력파를 검출한 것으로도 볼 수 있습니다. 이는 21 세기 과학사의 쾌거로 손꼽힐 만한 업적입니다.
(실제 측정 영상. 검은색 막대는 편광의 방향을 그린 것. 아래는 일부를 확대한 사진. This image provided by the BICEP2 Collaboration shows slight temperature fluctuations, indicated by variations in color, of the cosmic microwave background of a small patch of sky and the orientation of its polarization, shown as short black lines. Researchers say since the cosmic microwave background is a form of light, it exhibits all the properties of light, including polarization. The changes in a particular type of polarization, indicated here, are theorized to be caused by gravitational waves. These waves are signals of an extremely rapid inflation of the universe in its first moments. (AP Photo/BICEP2 Collaboration))
중력파는 아인슈타인에 의해 1916 년 그 존재가 예측되었으며 현재의 상대성 이론이 옳다면 반드시 존재할 것으로 생각되었기 때문에 그 동안 이를 측정하기 위해서 무수히 많은 연구가 진행되었으나 이를 직접 검출하는 일은 극도로 어려웠습니다. BICEP2 의 결과는 중력파를 직접 관측한 것은 아니지만 간접적인 방법으로 이를 측정해 실제로 존재한다는 강력한 관측 증거를 남겼다는 데 큰 의의가 있습니다. 이제 과학자들은 중력파가 실제로 우주에서 어떻게 존재하는지에 대한 측정이 가능할지 모릅니다.
이번 연구 결과는 1980 년 이론 물리학자 앨런 구스 (Alan Guth) 가 이론적으로 예언한 우주 초기의 인플레이션을 강력히 지지하는 결과를 담고 있습니다. 결과적으로 98 년만에 중력파에 대한 이론을 실제로 검증한 것은 물론 34 년전 나왔던 인플레이션 이론을 검증한 것이기 때문에 과학적으로 매우 중대한 실험으로 인정받는 분위기 입니다.
물론 과학의 특성상 앞으로의 검증과 후속 연구는 필연적이지만 앞으로 검증 과정을 거쳐 살아남는다면 이 관측 결과는 21 세기 초반에 행해진 가장 중요한 과학적 관측으로 역사에 남게 될 것 같습니다. 인플레이션은 우리가 살고 있는 우주의 모습을 결정했고 중력파는 우주에 사는 모두에게 영향을 미치는 힘이기 때문이죠. 이것에 대한 이해 없이는 왜 우리가 이런 우주에 살고 있고 어떤 힘의 지배를 받고 있는지 제대로 이해하기 힘듭니다. 그리고 결국 이것의 이해 없이는 우리가 누구이고 왜 이곳에 있는지에 대한 물음에 답하기 힘들 것입니다. 이 연구는 그래서 큰 의의가 있습니다.
참고
댓글
댓글 쓰기