척척박사 연구소

척척박사 연구소과학이야기제목별로 보기해설이 있는 과학

해설이 있는 과학

최신 소식 속에 담긴 다양한 과학정보에 대한 해설입니다.

우주의 구조와 진화 과정 계산하는 물리우주론, 노벨상을 거머쥐다

그림1) 한눈에 들여다본 우주의 역사. 원점이 초기 우주 형성의 순간이며 시간이 흐를수록 우주가 점점 나팔처럼 넓어진다. 노벨상위원회 제공
그림1) 한눈에 들여다본 우주의 역사. 원점이 초기 우주 형성의 순간이며 시간이 흐를수록 우주가 점점 나팔처럼 넓어진다. -노벨상위원회 제공-

스웨덴 왕립과학원 노벨상위원회는 8일(현지시간) 빅뱅 이후 우주가 어떻게 진화해 왔는지 이론적으로 밝힌 제임스 피블스 미국 프린스턴대 명예교수와 태양계 바깥 외계행성을 최초로 발견한 미셸 마요르 스위스 제네바대 교수, 그의 제자 디디에 쿠엘로 제네바대 교수를 2019년 노벨물리학상 수상자로 선정했다고 밝혔다. 노벨상위원회는 "이들의 연구가 우주에 대한 그간의 개념을 새롭게 바꿔놓았다"고 평했다. 




이 중 피블스 교수에 대해서 노벨상위원회는 "그의 20여 년간의 연구결과로 빅뱅부터 지금까지의 우주 진화 과정에 대한 기초이론이 정립됐다"고 업적을 밝혔다. 그는 '물리우주론'과 '우주의 대규모 구조', '우주론의 원리' 등 교과서를 쓴 세계에서 손 꼽히는 현대 이론물리학자다. 




물리우주론은 우주의 대규모 구조와 움직임을 연구하고, 우주가 어떻게 형성했고 진화해 왔는지 연구하는 천문학 분야다. 앨버트 아인슈타인이 일반상대성 이론을 설명하고, 지구로부터 멀리 떨어져 있는 천체에 대한 관측이 가능해지면서 물리우주론은 점점 발전해왔다.











물리우주론 전, 천문학자들은 우주 팽창 아이디어 제시


빅뱅이론에 따르면 지금으로부터 약 140억 년 전 최초의 우주는 매우 뜨겁고 밀도가 높았다. 이후 우주는 점점 팽창하면서 식어갔다. 빅뱅이 일어난 지 약 40만 년 뒤에는 우주가 약 3000K 만큼 식고 투명해졌다. 그리고 여러가지 빛과 방사선들이 우주 공간을 여행할 수 있었다. 




현재 우주는 약 2.7K 정도로 매우 차갑다. 물질과 방사선이 분리되면서 1100K이나 더 낮아졌다. 우주가 탄생할 때 생겨났던 고대 방사선(우주배경복사)은 지금까지도 우주공간에 골고루 퍼져 있으며, 우주의 많은 비밀을 품고 있다. 




놀랍게도 우주가 대폭발로 인해 형성됐다고 처음 주장한 사람은 미국의 소설가 에드가 앨런 포였다. 그는 1848년 시 '유레카'에서 우주는 원시 입자로 시작해 폭발했다고 제안했다. 이후 1922년 러시아 수학자이자 우주론자인 알렉산드르 프리드먼은 우주가 아주 고밀도의 상태에서 시작했고 점차 팽창하면서 밀도가 낮아졌다고 주장했다. 




1927년 벨기에 가톨릭사제이자 천문학자인 조지 르메트르는 우주가 '시초의 원자'로부터 시작했으며 우주가 팽창하고 있기 때문에 은하들이 서로 점점 멀어지고 있다고 주장했다. 1924년 스웨덴 천문학자 크누트 룬드마르크는 정확하진 않지만 우주가 실제로 팽창하고 있다는 증거로 은하에 물질이 부족하다는 사실을 관측했다. 1929년 미국의 천문학자 에드윈 허블은 우주가 얼마나 빠르게 팽창하는지에 대해 관측했다.











관측도구 발달과 이론적 계산으로 정밀해진 물리우주론

 

물리우주론 이론적 발견 공로를 인정받아 2019년 노벨물리학상을 수상한 제임스 피블즈 미국 프린스턴대 명예교수. 위키미디어(Juan Diego Soler) 제공
물리우주론 이론적 발견 공로를 인정받아 2019년 노벨물리학상을 수상한 제임스 피블스 미국 프린스턴대 명예교수. -위키미디어(Juan Diego Soler) 제공-

이후 천문학자들은 빅뱅이론을 토대로 우주가 어떻게 형성되고 진화해 왔는지 관측과 이론적 계산을 통해 구체적으로 탐구해왔다.  




1940년대 후반 미국 물리학자인 랄프 알퍼와 로버트 허먼, 조지 가모브는 뜨거운 빅뱅 모델을 제시했다. 가모브는 러시아 물리학자 이브게니 리프시츠와 함께 은하 형성에 대한 모델도 제기했다. 1948년 가모브는 우주가 식어가는 어느 시점에서 우주배경복사의 밀도와 물질의 밀도가 비슷해 질 것이라고 주장했다. 그 해 알퍼와 허먼은 현재 우주가 약 5K의 온도를 가질 것이라고 예측했다. 




당시만 해도 과학자들은 우주배경복사를 관측하는 일이 불가능 할 것이라고 생각했다. 하지만 1965년 벨연구소의 아르노 펜지아스와 로버트 윌슨은 3K 우주배경복사를 발견했고, 빅뱅의 강력한 증거를 제시했다. 




이후 천체물리학자들은 발달한 관측도구와 이론적 계산을 통해 우주의 형성과 진화 과정을 좀 더 구체적으로 밝혀내고 있다. 이번에 노벨상을 수상한 피블스 교수 또한 피블스 교수는 이론적으로 탐구하고 계산을 통해 우주 형성 초기 단계에서 이런 흔적을 확인하고 새로운 연구 과정을 찾아냈다. 수치적으로 계산했을 뿐 아니라 정밀한 분석을 통해 우주의 기본 속성을 탐구했다. 이를 통해 그는 우주의 거대 구조가 어떻게 만들어졌는지 이론을 완성했다. 그는 이론으로만 떠올릴 수 있는 우주에 대한 아이디어를 실제 관측 데이터와 연결짓거나 수학적 계산을 통해 확인했다.




현재의 물리우주론에서는 우주를 우주상수와 차가운 암흑물질을 이용해 설명한다. 우주는 빅뱅 이후 가속 팽창하고 있으며 그 증거로 우주 공간에는 불균일하게 우주배경복사가 존재한다. 또한 은하 필라멘트 같은 거대 구조가 있으며, 우주에는 수소와 헬륨 원자가 3대 1의 비율로 분포하고 있다. 

 


 




내과학상자담기  E-MAIL 프린트 카카오스토리 트위터 페이스북 RSS

나도 한마디 1개의 댓글이 있습니다.

등록하기

목록


내 당근 보러가기

내 뱃지 보러가기

TOP