빅뱅 우주론의 증거 — 우주 배경 복사와 수소·헬륨

밤하늘을 아무리 오래 들여다봐도 우주가 시작하는 장면은 보이지 않습니다. 그런데도 빅뱅 우주론은 정설이 되었습니다. 누가 그 순간을 보아서가 아니라, 빅뱅이 사실이라면 반드시 남아 있어야 할 흔적 둘을 찾아냈기 때문입니다. 온 하늘에서 들어오는 차가운 복사와, 우주 어디를 재도 똑같은 수소와 헬륨의 비율입니다.

시간을 거꾸로 감으면 뜨거워집니다

멀리 있는 은하일수록 빠르게 멀어진다는 허블 법칙은 우주가 팽창하고 있다는 뜻입니다. 팽창하고 있다면 시간을 거꾸로 감아 볼 수 있습니다. 어제의 우주는 오늘보다 좁았고, 더 거슬러 올라가면 모든 것이 한곳에 모입니다.

좁으면 뜨겁습니다. 같은 양의 에너지가 더 좁은 공간에 담겨 있기 때문입니다. 반대로 우주가 팽창하면 그 안을 달리는 빛의 파장도 함께 늘어나 에너지가 낮아지고, 온도가 내려갑니다. 그래서 빅뱅 우주론이 그리는 과거는 뜨겁고 조밀한 우주입니다.

뜨거웠던 과거는 두 가지를 남깁니다. 하나는 그 시절의 빛이고, 하나는 그 시절에 만들어진 원자핵입니다. 빅뱅 우주론은 둘의 값을 미리 계산해 내놓았고, 관측이 그 값을 확인해 주었습니다.

우주 배경 복사 — 온 하늘이 같은 세기로 들어옵니다

우주의 나이가 38만 년쯤 되기 전까지, 우주는 빛이 지나갈 수 없는 곳이었습니다. 원자핵과 전자가 따로 떠다녀서 빛이 자유 전자에 곧바로 부딪혀 튕겼기 때문입니다. 안개 속처럼 불투명했습니다.

온도가 약 3000 K 까지 내려가자 원자핵이 전자를 붙잡아 원자가 되었습니다. 부딪힐 상대가 사라진 빛은 그때부터 곧게 나아갔습니다. 우주가 투명해진 그 순간 출발한 빛이 지금도 날아오고 있습니다.

그 빛은 오는 동안 우주와 함께 늘어났습니다. 3000 K 의 빛이 지금은 약 2.7 K 에 해당하는 마이크로파로 식어 도착합니다. 이것이 우주 배경 복사입니다. 안테나의 잡음을 없애려던 연구 과정에서 우연히 잡혔는데, 안테나를 어느 방향으로 돌려도 같은 세기로 들어왔습니다. 특정한 별이나 은하가 내는 빛이 아니라 우주 전체가 내는 빛이라는 증거입니다.

더 정밀하게 재 보면 방향에 따라 아주 작은 온도 차이가 있습니다. 초기 우주가 완벽하게 고르지 않고 어떤 곳은 조금 빽빽하고 어떤 곳은 조금 성겼다는 뜻입니다. 그 작은 얼룩이 중력으로 자라 은하와 은하단이 되었습니다.

수소와 헬륨은 왜 3 대 1 일까

빅뱅에서 약 3분이 지나 온도가 10억 K 안팎이던 때, 양성자와 중성자가 뭉쳐 헬륨 원자핵이 만들어졌습니다. 그 뒤로는 우주가 너무 빨리 식어 더 무거운 원자핵으로 이어지지 못했습니다. 계산이 내놓은 답은 질량비로 수소 약 75 %, 헬륨 약 25 % — 3 대 1 입니다.

관측이 이 값과 맞습니다. 오래된 별이든 성간 물질이든 먼 은하든, 헬륨은 늘 전체 질량의 4분의 1쯤을 차지합니다.

물론 별의 중심에서도 헬륨은 만들어집니다(원소의 형성). 하지만 별이 만든 몫만으로는 이 값이 설명되지 않습니다. 그렇다면 별이 많은 곳과 적은 곳의 헬륨 양이 달라야 하는데, 실제로는 어디를 재도 같기 때문입니다. 헬륨의 대부분은 별이 생기기 전에 이미 만들어져 있었던 것입니다.

시험에서는 이렇게 나옵니다

• 빅뱅 우주론의 증거 두 가지 고르기 — 우주 배경 복사, 그리고 수소와 헬륨의 질량비입니다.
• 배경 복사의 온도가 어느 쪽으로 변했는지 묻기 — 우주가 팽창할수록 파장은 길어지고 온도는 낮아집니다. 과거의 배경 복사는 지금보다 뜨거웠습니다.
• 우주가 투명해진 때를 묻기 — 나이 약 38만 년, 온도 약 3000 K, 원자가 만들어진 때입니다.
• 헬륨이 별이 아니라 초기 우주에서 만들어졌다는 근거 대기 — 어디를 재도 비율이 같습니다.
• 허블 법칙 그래프와 묶어 우주의 나이를 구하게 하기.

자주 헷갈리는 것

• "빅뱅은 우주 한가운데에서 일어난 폭발이다" — 공간 속에서 무엇이 터진 것이 아니라 공간 자체가 늘어난 것입니다. 그래서 중심이 따로 없고, 어느 은하에서 보아도 다른 은하들이 멀어집니다.
• "우주 배경 복사는 우주의 끝에서 오는 빛이다" — 사방에서 옵니다. 38만 년 때 우주 곳곳에서 떠난 빛 가운데 지금 막 우리에게 닿는 것들입니다.
• "배경 복사의 온도는 줄곧 2.7 K 였다" — 3000 K 로 떠난 빛이 팽창을 겪으며 늘어나 2.7 K 가 된 것입니다. 우주가 더 팽창하면 더 낮아집니다.

정리합니다. 우주가 팽창한다는 사실을 거꾸로 감으면 뜨겁고 조밀한 시작이 나옵니다. 그 시절의 빛은 식어서 온 하늘을 채우는 2.7 K 의 배경 복사로 남았고, 그 시절에 만들어진 원자핵은 수소와 헬륨의 3 대 1 비율로 남았습니다. 미리 계산해 둔 두 값이 관측과 맞아떨어졌기 때문에 빅뱅 우주론이 정설이 되었습니다.