우주배경복사

(앞의 글에서 이어서...)

우리는 우주공간에 빛과 마찰을 일으켜 빛의 에너지를 약화시킬 어떤 물질이 있는지 연구를 먼저 해야 할 것이다. 이 문제를 접근하기위해 다시 우리는 열역학으로 접근해야한다. 섭씨 마이너스 273도를 절대온도라고 한다. 모든 물질은 온도가 1도 상승할 때마다 그 물질의 부피가 9분의 5만큼씩 확대된다.

이 말을 다시 미세입자의 차원에서 이해해보기로하자. 11차원우주론에서는 우주의 기본물질은 원통형의 작은 실처럼 생겼는데 이 실이 끊임없이 떨며 파동을 하여서 물질을 이루고 있다고 한다. 이것을 초끈이론(super string theory)이라고 한다.

어떤 이는 이 기본물질은 ‘아누’라고 명명하였다. 그래서 어떤 물질에 에너지가 주입되면 그 물질의 아누들은 떨림의 진폭을 크게 하여 결국 물질의 부피가 늘어나게 된다. 그런데 그 아누란 사실 입자가 아니고 하나의 고리형 파동으로 되어있다. 이 '아누'가 에너지가 전혀 없는 상태인 마이너스 273도가 되면 어떤 일이 벌어질까? 파동은 에너지가 있어야 작동하므로 파동이 멈추게 되고 아누 자체가 사라져 버릴 것이다. 그야말로 ‘무’의 상태이다.

좀 더 현실적인 물질로 이야기 해보자. 여기에 책상이 있다고 하자. 그러나 이 책상을 이루는 물질의 온도가 마이너스 272도쯤 내려간다고 하자. 그러면 이 책상은 마치 신기루처럼 뿌옇게 보이고 살짝 바람만 분다 해도 완전히 분해되어 사라질 것이다. 왜냐하면 이 정도의 온도라면 물질이나 분자를 서로 결합시키는 에너지가 없는 상태로 될 것이다.

그래서 우리가 알고 있는 물질 즉 존재하는 것은 그 에너지가 없어지면 즉 절대온도인 마이너스 -273.15도씨에 내려가면 우리 눈에서 사라질 뿐 아니라 그 존재 자체가 없어질 것이다. 즉 존재와 무란 단지 에너지의 상태일 뿐이란 말이다.

그런데 에너지 불변의 원칙에 의하여 우주의 에너지는 항상 동일한 에너지양이고 우주적 차원에서는 에너지 형태의 변화만 있을 뿐 에너지의 절대량은 늘지도 줄지도 않는다. 따라서 우주의 물질도 늘거나 줄지 않는다. 그런데 우주공간의 허공에 있는 기체에는 마이너스 273도인 절대온도이하 또는 절대온도인 곳은 그 어디에도 없다.

만약 에너지 자체를 생명력으로 보고 움직임이나 변화를 생명으로 규정한다면 열역학의 입장에서는 우주에는 죽음이란 존재하지 않고 영원한 생명만 있을 뿐이다. 즉 우주에는 ‘무’가 없으며, 인공적으로 절대온도를 만들기도 불가능하다.

우주공간에 절대온도가 없으므로 아무리 온도가 낮은 우주공간 안에도 물질이 존재하고 있다는 말이다. 더군다나 이 물질은 상당히 넓은 영역 안에서 고르게 균등하게 퍼져있고, 아무리 작은 공간 속에도 물질이 존재하지 않는 공간은 없다는 것이다.

우주의 온도는 지금(3K)온도라고 알려져 있다. 빅뱅이론의 근거가 되는 우주배경복사(Cosmic Microwave Radiation) 가 존재하기 때문이다.

현재 2.7K(0K=-273C) 의 배경복사가 현재까지 검출되기 때문에 이에 대해서 반박하기는 어렵다. 우리가 하늘에 전파망원경을 대고 관측을 하게 되면 온갖 종류의 전파들이 관측이 된다. 일반적으로 전파라하면 매우 긴 파장의 에너지가 낮은 빛이라 할 수 있다. 즉 너무나 오랜기간을 달려온 빛은 그 에너지를 상실하고는 에너지가 약해져서 전파가 되어 버릴 수도 있지 않을까? 우리는 그것을 지친 빛 이론이라고 부른다. 그래서 너무 멀리 달려 온 빛은 지쳐서 지구에 도착할 때쯤은 그의 파장이 늘어날 수도 있다는 것이다.

우리의 우주는 초기 대폭발이 있을 때 아주 극적인 사건을 겪은 뒤에 오늘과 같이 팽창을 계속[빅뱅]이후 우주가 빛에대해 투명해 질 때, 이 때 만들어진 빛은 온 우주에서 생겨서 우리 우주의 배경을 형성하므로, 이 빛을 일컬어서 우주배경복사라 한다. 이 때의 빛은 주로 가시광과 적외선이었는데, 현재 우리가 이 빛을 볼 때에는 우주의 팽창 때문에 적색이동이 되어 초단파(Microwave) 영역의 전파로 보인다.

우연히 잡음으로 발견된 우주배경복사는 모든 하늘의 영역에서 균질하게 관측이 된다. 이렇게 모든 영역에서 균질하게 관측이 된다는 것과 그것이 3K정도의 온도를 가진 물체가 흑체복사를 한다고 했을 때의 플랑크 곡선과 거의 일치하는 다는 것으로 빅뱅이론은 그 위상을 한층 높였다.

우주배경복사는 빅뱅이론의 강력한 증거로 그리고 1990년대 초반에 쏘아진 COBE위성이 떠올랐다. 자세한 관측을 하였고 약간의 비균질성을 발견하였고 더 높은 해상도로 비균질성을 검출하기 위해 2000년도에 MAP위성이 쏘아졌다.

3K 우주 배경 복사의 특징 중에 하나는 그것이 어느 곳에서 오든 간에 그 강도가 균일하다는 것이다. 그런데 사실은 1970년대에 뮐러와 스무트가 매우 높은 고도를 나는 U-2기를 이용하여 정밀한 측정을 한 결과 우주 배경 복사의 균일성에 약간의 편차를 발견하게 된다.
우주 배경 복사가 사자자리쪽에서 오는 것은 평균보다 0.0035K 더 높고, 180도 반대인 물병자리에서 오는 것은 평균보다 0.0035K 더 낮다는 결과가 나오게 된다. 이 온도 변화 현상은 우주 공간 속에서 지구가 움직이기 때문에 일어나는 것으로 만일 지구가 가만히 제자리에 있다면 우주 배경 복사의 온도는 모든 방향에서 똑같겠지만 우리가 우주 배경 복사 속을 움직여 가기 때문에 도플러 효과가 일어나게 된다.

우리가 나아가는 방향에서 오는 우주 배경 복사는 그 파장이 평균보다 더 짧아지고, 파장이 짧아진다는 건 광자 에너지가 증가한다는 것을 의미하게 된다. 그리고 도플러 효과로부터 계산하면 0.0035K의 온도는 390km/sec의 속도를 의미한다. 즉 지구는 물병자리에서 사자자리 쪽으로 초속 390km의 속도로 나아가는 것이 된다. 여기서 태양이 은하 중심을 도는 속도를 빼 주면, 우리 은하는 처녀자리 쪽으로 520km/sec의 속도로 움직인다는 걸 알 수 있게 된다
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source : 미상