우주배경복사

지난주 세미나(2009.03.21) 때 나왔던 질문에 대한 응답입니다.
제가 기억이 잘 안나서 잡음을 아무리 없애려 해도 없어지지 않았는데, 그 원인이 알고보니 우주배경복사였다... 는 이야기를 하였었는데, 그 내용은 맞네요.
저는 아마 '아름다운 우주스토리' 2권에서 그 내용을 읽었던 것 같아요.
참고하시기 바랍니다.^^

우주배경복사 - 우주 최고의 화석

TV채널을 돌리다 보면, 혹은 정규 방송이 종료된 TV화면에는 위와 같이 익숙한 화면과 잡음이 나타난다.
무심코 바라보는 저 화면 속의 무질서한 잔상들... 그러나
그 잔상들 중 1%는 바로 137억년 전 우주가 남긴 화석이라는 걸 알고 있는 사람은 많지 않다.

21세기를 살고 있는 우리에게는 익숙한 과학적 사실이지만 40년 전만 하더라도 소위 ‘빅뱅’이론은 검증이 되지도 않았을 뿐 아니라 학자들 사이에서도 웃음거리가 되기 쉬웠던 이론이었다.

그리고 그 논쟁의 가운데는 불세출의 과학자 조지 가모브와 프레드 호일이 있었다. 가모브는 우주가 하나의 작은 점에서 출발하여 큰 폭발을 거쳐 현재 상태에 이르렀다는 빅뱅이론을 주장했다. 반면 호일은 우주는 시작도 끝도 없는 영원불멸의 존재라는 신념하에 정상상태이론을 주장했던 학자였다.

가모브의 이론은 굉장히 독창적이었다.
그는 초기 우주가 엄청난 밀도의 초고온 상태로 한 점에 압축되어 있었기 때문에 무시무시한 고온 상태였을 것이라고 추측했다. 그리고 더 나아가 상상을 초월할 정도의 ‘빅뱅’즉 대폭발에 의해 그 안의 열에너지의 여파가 오늘날까지 복사에너지의 형태로 남아 있을 것이라고 추측했다. 그러나 호일을 비롯한 주류 과학자들은 일런 빅뱅이론에 대해 일종의 혐오를 느낀 것처럼 그 당시 과학자들은 물론이고 대중들은 정적이고 균일하며 영원한 우주를 선호했다. 결정적으로 호일은 BBC라디오 강연 들을 통해 그 특유의 언변과 함께 자신의 정상상태이론을 우위에 점하기 시작한다.

1965년 두 젊은 천문학자 펜지어스와 윌신은 뉴저지의 라디오 망원경을 사용할 방법을 연구하다 이상한 잡음을 포착하게 된다. 이 잡음은 특정한 곳, 특정한 시간에 잡혔던 것이 아니라 모든 방향에서 매우 균일하게 잡히고 있었다. 둘은 회로를 점검하고 먼지를 털어내고 심지어 새똥까지 치워봤지만 결과는 같았다. 참으로 이상한 일이었다.
특정한 별이나 은하단에서 날아오는 전파가 아닌 별이 있는 쪽, 별이 없는 쪽 모두에 상관없이 동일한 강도의 전파가 감지되었던 것이다.
그것은 바로 1948년 조지 가모브가 예견했던 마이크로파배경복사였다. 가모브가 주장했던 초기 우주의 대폭발로 인한 열에너지의 잔해가 그들에 의해 매우 우연히도 발견이 된 것이다.
가모브 그 자신은 굳은 신념으로 그 잔해가 오늘날 분명 우리 주위에 맴돌고 있을 거라 믿었지만 당시의 낙후된 장비로 포착할 수 없었던 그 ‘증거’를 20여년이 지난 후 무명의 두 천문학자에 의해 발견이 된 것이다.

이 마이크로파배경복사의 관측은 단 한방에 정상상태이론을 무너뜨렸다. 그 온도는 가모브가 예측했던 것과 거의 비슷했으며 분포 역시 그가 주장한대로 골고루 퍼져 있었다. 엉뚱한 곳에서 관측된 이 배경복사로 인해 우주는 ‘빅뱅’이라는 하나의 진실된 역사를 비로소 갖게 된 것이다.

뉴턴, 아인슈타인, 호일 그리고 수천년 동안 인간이 당연시 하던 ‘정적이고 영원한 우주’가 바로 이 우주배경복사로 인해 역사의 뒤안길로 사라져버리게 된 것이다.
위에서도 언급했다시피 이 우주배경복사는 마이크로파의 형태를 띠고 있다. 쉽게 말해 전파의 형태를 띠고 있다. 초기 우주는 엄청난 고온의 상태였기 때문에 원자가 형성되었다 하더라도 쉽게 그 형태를 이룰 수가 없었다. 즉, 전자들이 원자에 구속받지 않기 때문에 자유롭게 공간을 떠돌아 다니게 되고 이때의 빛은 직진하지 못하고 전자에 의해 흡수된다.
그러나 빅뱅 후 38만년이 흐르고 우주의 온도가 절대온도 3000K까지 떨어지게 되면 원자는 안정적으로 그 형태를 유지하게 된다. 즉, 전자의 구속이 되는 것이다. 비로소 빛이 전자에 억압받지 않고 먼 여행을 떠나게 되는 것이다.
바로 이 때 방출된 복사파가 ‘우주배경복사’ 즉 마이크로배경복사의 형태로 오늘날까지 퍼져 있는 것이다.
(복사, 빛, 복사파 등의 개념이 잘 잡히지 않는다면 그냥 ‘빛’이라고 통일해서 생각해도 될 듯하다. 그 초창기 빛의 형태가 지금의 우리에게 전파의 형태로 남아있다고 생각해야 한다.)

우리 주위에 보이지 않는 전파의 형태로 무려 137억년 전 우주가 남긴 에너지의 잔해가 남겨져 있던 것이다.

조금 더 쉽게 비유를 통해 설명을 해보자면...
(부득이하게 구슬과 방안 두 공간으로 나누었다. 복사와 열전도의 개념차이 때문에 적절한 비유는 아니라고 여겨지나 쉬운 이해를 위해선 도움이 될 듯하다.)

1. 작은 구슬이 있다.
-> 빅뱅 직전의 우주
2. 구슬안에는 뜨거운 공기가 압축되어 있다.
-> 빅뱅 직전 우주의 뜨거운 상태
3. 구슬이 터진다.
-> 빅뱅
4. 그 안의 뜨거운 공기가 방 안으로 퍼진다.
-> 우주의 팽창으로 인해 온도 하강, 열 복사 전달
5. 방 모서리에 그 뜨거운 공기가 전달된다.
->137억년 뒤 우리가 감지하는 우주 배경복사

바로 이 뜨거운 공기가 현재 우리가 감지하는 137억년 전의 우주 배경복사인 것이다.

까만 밤하늘 위에 간혹 반짝이는 별들을 보면 사람들은 종종
‘저 별은 3만년 전 모습이겠지’라는 나름대로의 과학적인 상념에 젖고는 한다.
그러나 그렇게 밝게 빛나는 별 주위를 가득 메우고 있는, 고요한 어둠의 공간에서 보이지 않는 형태로 떠돌고 있는, 깊은 새벽 졸다 잠든 나의 앞에 홀로 지직거리고 있는 TV화면속의 ‘우주배경복사’야말로 우리 인간이 경험할 수 있는 가장 오래된 화석이 아닐까.

들리지 않는 창조의 메아리는 137억년의 세월을 지나 지금 이 순간도 우리의 주위를 맴돌고 있다.