[김정욱의 별별 이야기](2)-우주탄생의 열쇠 빅뱅, 어떻게 증명했나

[서울경제]

마지막 남은 블루오션 우주. 미국과 러시아, 중국, 인도 등은 일찌감치 우주의 가치에 눈을 뜨고 그 공간을 개척하고 있습니다. 우리나라도 자체 기술로 만든 위성발사용 로켓 누리호를 쏘아올리고 ‘우주항공청’을 설립하면서 본격적으로 우주 개발에 뛰어들고 있죠. 미지의 우주 그 광활하고 거대한 세계에 대한 이야기를 어린이부터 성인까지 누구나 쉽게 이해할 수 있도록 재미있게 풀어내려 합니다. <편집자주>

빅뱅의 상상도

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천재 천문학자 허블, 빅뱅 이후 우주팽창 증거를 찾다

지난 기사에서 우주의 탄생은 빅뱅에서 출발했음을 알아봤습니다. 애초 빅뱅이론은 우주의 탄생설 중 하나인 막연한 이론에 불과했죠. 그런데 이 빅뱅이론을 증명하고 정설로 자리 잡게 하는데 큰 영향을 준 사람이 있어요. 바로 미국의 천문학자 ‘에드윈 허블’입니다. 우리가 잘 아는 미 항공우주국(NASA·나사)의 ‘허블우주망원경’도 이 천문학자의 이름을 딴 것입니다.

1929년 허블은 밤하늘의 별들을 관찰하다 별들이 서로 멀어지고 있다는 사실을 발견했어요. 즉 우주의 모든 것들이 지구로부터 조금씩 멀어지고 있었던 것이었죠. 당시 과학자들은 우주는 움직이지 않는다고 생각했지만 우주는 팽창하고 있었던 것입니다. 다시 말해 우주는 계속 커지는 중이었습니다. 예를 들어 풍선에 점들을 찍어 놓고 크게 불어 풍선을 부풀리면 점들 사이가 멀어지는 것과 같은 이치입니다.

지구와 별들이 멀어지고 또 별과 별 사이도 멀어지는 현상을 관측한 허블은 우주가 팽창하고 있음을 알았고, 르메르트의 이론을 시간상 거꾸로 돌려보면 우주는 압축돼 한 점에서 시작했다는 가설이 맞아 떨어지게 됩니다. 허블은 우주의 팽창, 빅뱅을 증명한 것 외에도 천문학계에 많은 업적을 남겼어요.(허블이 어떤 인물인지에 대해서는 조만간 기사 전체를 할애해 다룰 예정입니다)

미항공우주국(나사)이 우주 마이크로파 배경(CMB)에서 빅뱅의 열 잔광인 인플레이션 신호를 찾기 위해 남극 상공에 띄워 올렸던 장비 ‘스파이더’. 나사 공개사진

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가머프·앨퍼, 우주 에너지 관측해 빅뱅 이론 정리

빅뱅의 증거는 또 있어요. 바로 우주 대부분을 차지하는 원소인 수소와 헬륨에서 그 답을 얻을 수 있죠. 태양을 비롯한 우주의 항성들은 수소를 연소해서 헬륨을 만들어 내고 있으며, 태양의 경우 1초당 7억톤의 수소를 헬륨으로 전환합니다. 이런 수치는 우리 기준에서는 엄청난 양이지만 우주적인 관점에서는 매우 미미한 수준에 불과하죠.

미국의 조지 가머프는 1948년 제자 랠프 앨퍼와 함께 우주의 수소와 헬륨은 태양이 탄생하기 전에도 있었을 것이며, 엄청난 에너지를 만들었을 것이라는 가설을 세웠습니다. 이런 생각을 바탕으로 가머프와 앨퍼는 빅뱅 초기의 수소와 헬륨의 생성 비율이 9대1이라는 계산을 해냈고, 현재 우주에서 수소와 헬륨 비율을 관측하면 역시 9대 1이라는 값이 나오죠. 가머프와 앨퍼는 이런 결과를 ‘빅뱅 이론’이라고 정리했습니다.

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빛보다 빠른 우주 팽창 속도···현재도 진행중

137억전 시작된 빅뱅 이후 우주는 현재도 팽창하고 있습니다. 우주가 커지는 속도는 우리의 상상을 초월할 정도로 매우 빨라요. 지구를 비롯한 우주에서 존재하는 물질 가운데 가장 빠른 게 빛과 전기, 전파입니다. 이 세 물질의 속도는 동일하죠. 잘 알려진 바와 같이 빛은 1초에 지구를 7바퀴 반(30만km)을 돌 수 있는 속도를 지녔습니다.

빛이 1년 동안 가는 거리를 1광년이라고 하고, 이 거리를 수치로 하면 9조4607억3047만2581.8km에 달합니다.

현재 우주는 빛의 속도보다 더 빨리 팽창하고 있어요. 가장 빠른 물질이 빛과 전기, 전파라고 하면 이 보다 빠른 속도는 우주의 팽창 속도인 것입니다.

이 때문에 우주가 빅뱅으로 탄생한지는 137억년 지났지만 우주의 크기는 이 보다 훨씬 크죠. 현재 인류가 알아낸 우주의 크기는 920광년에 이르며, 과학자들은 실제 우주의 크기는 이보다 더 크다고 보고 있어요. 이런 이유에서 우주를 ‘끝이 없다’ 또는 ‘무한하다’고도 표현하는데 그렇다면 정말 우주는 끝이 없는지 다음 기사에서 알아봅니다.

김정욱 기자 mykj@sedaily.com