우주의 탄생과 진화: 빅뱅에서 현재까지

우주의 기원, 진화, 본질은 수세기 동안 인류를 매료시키고 혼란스럽게 해왔습니다. 20세기에 이루어진 새로운 아이디어와 주요 발견은 우주론(우리가 우주를 개념화하고 연구하는 방식을 일컫는 용어)을 변화시켰지만 아직 알려지지 않은 부분이 많습니다. 우주론자들의 최신 이론에 따른 우주의 역사는 다음과 같습니다.

 

우주의 역사 (이미지출처 : NASA Science, https://universe.nasa.gov/)

 

우주 인플레이션(Cosmic Inflation)

약 138억년 전, 우주는 0.01초 동안 빛의 속도보다 빠른 속도로 팽창했는데, 이 기간을 우주 인플레이션이라고 합니다. 과학자들은 인플레이션 이전에 무엇이 있었는지, 무엇이 인플레이션을 가능하게 했는지 확신하지 못합니다. 이 기간 동안의 에너지는 단지 시공간 구조의 일부였을 가능성이 있습니다. 우주론자들은 인플레이션이 오늘날 우리가 관찰하는 우주의 평면성이나 곡률 부족과 같은 우주의 여러 측면을 가장 큰 규모로 설명한다고 생각합니다. 인플레이션은 또한 우주의 가장 작은 양자 수준 규모에서 자연적으로 발생하는 밀도 차이를 확대했을 수 있으며, 이는 결국 우주의 대규모 구조를 형성하는 데 도움이 되었습니다.

 

빅뱅과 핵합성(Big Bang and Nucleosynthesis)

우주 팽창이 멈췄을 때 이를 추진하는 에너지가 물질과 빛으로 전환되어 빅뱅이 일어났습니다. 빅뱅 1초 후, 우주는 극도로 뜨거운(화씨 180억도 또는 섭씨 100억도) 빛과 입자의 원시 수프로 구성되었습니다. 다음 몇 분 동안, 핵합성이라 불리는 시대에 양성자와 중성자가 충돌하여 수소, 헬륨, 미량의 리튬과 베릴륨 등 최초의 원소가 생성되었습니다. 5분 후, 오늘날의 헬륨 대부분이 형성되었고, 우주는 더 이상의 원소 형성이 멈출 만큼 팽창하고 냉각되었습니다. 하지만 이 시점에서 우주는 여전히 너무 뜨거워서 이들 원소의 원자핵이 전자를 잡아 완전한 원자를 형성할 수 없었습니다. 우주는 수많은 전자가 빛을 산란시키는 일종의 안개를 만들었기 때문에 불투명했습니다.

 

재조합(Recombination)

빅뱅 이후 약 380,000년이 지나면서 우주는 원자핵이 전자를 포획할 수 있을 만큼 냉각되었습니다. 천문학자들은 이 기간을 재결합 시대라고 부릅니다. 이것은 우주에 두 가지 주요 영향을 미쳤습니다. 첫째, 이제 대부분의 전자가 원자에 묶여 있기 때문에 더 이상 빛을 완전히 산란시킬 수 있는 자유 전자가 충분하지 않아 우주 안개가 걷혔습니다. 우주는 투명해졌고, 최초로 빛이 먼 거리까지 자유롭게 이동할 수 있게 되었습니다. 둘째, 이 첫 번째 원자의 형성은 그 자체의 빛을 만들어 냈습니다. 오늘날에도 여전히 감지할 수 있는 이 빛을 우주 마이크로파 배경이라고 합니다. 우리가 우주에서 관찰할 수 있는 가장 오래된 빛이다.

 

암흑기(Dark Ages)

우주 마이크로파 배경 이후, 우주는 모든 수소 원자의 흡수 효과로 인해 더 짧은 파장에서 다시 불투명해졌습니다. 그 후 2억년 동안 우주는 어둠을 유지했습니다. 빛나는 별이 없었습니다. 이 시점의 우주는 수소 원자, 헬륨 및 미량의 더 무거운 원소의 바다로 구성되었습니다.

 

첫 번째 별(First Stars)

가스는 우주 전체에 균일하게 분포되지 않았습니다. 더 차가운 공간 영역은 더 촘촘한 가스 구름으로 인해 더 울퉁불퉁했습니다. 이 덩어리가 점점 더 거대해짐에 따라 중력이 추가 물질을 끌어당겼습니다. 밀도가 높아지고 밀도가 높아짐에 따라 이 덩어리의 중심은 더 뜨거워졌습니다. 결국 중심에서 핵융합이 일어날 만큼 뜨거워졌습니다. 이것이 첫 번째 별이었습니다. 그들은 우리 태양보다 30~300배 더 크고 수백만 배 더 밝습니다. 수억 년에 걸쳐 최초의 별들이 최초의 은하계로 모였습니다.

 

재이온화(Reionization)

처음에 별빛은 첫 번째 별을 둘러싸고 있는 상대적으로 밀도가 높은 가스에 의해 산란되었기 때문에 멀리 이동할 수 없었습니다. 점차적으로, 이 별들에서 방출되는 자외선은 가스 속의 수소 원자를 분해하여 전자와 양성자로 구성합니다. 이러한 재이온화가 진행됨에 따라 별빛은 더 멀리 이동하여 점점 더 많은 수소 원자를 분해했습니다. 우주의 나이가 10억년이 되었을 때 별과 은하계는 거의 모든 가스를 변형시켜 오늘날 우리가 보는 것처럼 우주를 빛에 투명하게 만들었습니다.

 

미래의 우주

수년 동안 과학자들은 우주의 현재 팽창이 느려지고 있다고 생각했습니다. 그러나 실제로 우주 팽창은 가속화되고 있으며 1998년에 천문학자들은 특정 초신성, 즉 밝은 별의 폭발이 예상보다 더 희미하다는 사실을 발견했습니다. 그들은 초신성이 예상보다 더 빠른 속도로 더 멀리 이동한 경우에만 이런 일이 일어날 수 있다고 결론지었습니다. 과학자들은 암흑 에너지라고 부르는 신비한 물질이 팽창을 가속화하고 있다고 의심합니다. 미래의 연구에서는 새로운 놀라움이 나올 수도 있지만, 우주론자들은 우주가 영원히 계속해서 팽창할 가능성이 높다고 말합니다.