빅뱅: 우리 우주의 탄생에 실제로 무슨 일이 일어났습니까?

여기에 표시된 것은 빅뱅 이후 4억 8천만년 전에 존재했던 후보 은하(z~10 은하)와 그것이 발견된 허블 울트라 딥 필드(HUDF)의 위치에 대한 허블 우주 망원경의 사진입니다. 허블이 본 은하는 가장 오래되고 가장 멀리 떨어져 있는 것으로 알려져 있습니다. HUDF09라고 불리는 이 필드는 우주에서 촬영된 가장 깊은 적외선 이미지입니다. (이미지 크레디트: NASA, ESA, Garth Illingworth(캘리포니아 대학, 산타 크루즈 대학) 및 Rychard Bouwens(캘리포니아 대학, 산타 크루즈 및 라이덴 대학) 및 HUDF09 팀)

오늘날 우리가 알고 있는 우주를 창조하는 데 7일 이상이 걸렸습니다. guesswhozoo.com은 8부작 시리즈인 우주의 역사와 미래에서 하늘의 신비를 살펴봅니다. 이것은 그 시리즈의 5부입니다.

우리 우주는 약 137억 년 전 거대한 풍선처럼 우주를 부풀린 거대한 팽창으로 탄생했습니다.

간단히 말해서, 그것은 거의 모든 우주론자들과 이론 물리학자들이 지지하는 빅뱅 이론입니다. 아이디어를 뒷받침하는 증거는 광범위하고 설득력이 있습니다. 예를 들어, 우리는 우주가 지금도 계속해서 점점 더 빠른 속도로 팽창하고 있다는 것을 압니다.

과학자들은 또한 우주에 만연한 우주 마이크로파 배경 복사인 빅뱅의 예측된 열적 흔적을 발견했습니다. 그리고 우리는 분명히 137억 년보다 오래된 물체를 볼 수 없습니다. 우리 우주 그 즈음에 생겼습니다.

버클리 캘리포니아 대학의 천체 물리학자인 알렉스 필리펜코(Alex Filippenko)는 '이 모든 것이 빅뱅을 극도로 견고한 토대 위에 두었습니다. '빅뱅은 엄청나게 성공적인 이론이다.'

그렇다면 이 이론은 우리에게 무엇을 가르치는가? 우리 우주가 탄생했을 때 실제로 무슨 일이 있었고 오늘날 우리가 관찰하는 형태는 어떻게 되었습니까? [ 인포그래픽 투어: 우주의 역사와 구조 ]

이 그래픽은 빅뱅 이론과 인플레이션 모델에 기반한 우주의 타임라인을 보여줍니다.(이미지 제공: NASA/WMAP)

시작

전통적인 빅뱅 이론은 우리 우주가 특이점, 즉 우리 마음으로 파악하기 어려운 무한한 밀도와 온도의 점으로 시작했다고 가정합니다. 그러나 특이점 아이디어는 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 기반으로 하기 때문에 이것이 현실을 정확하게 반영하지 못할 수 있다고 연구원들은 말합니다.

Caltech의 이론 물리학자인 Sean Carroll은 '문제는 그 체제에서 일반 상대성 이론을 믿을 이유가 전혀 없다는 것입니다. '양자 역학을 고려하지 않기 때문에 틀릴 것입니다. 그리고 양자 역학은 우주 역사에서 그 위치에 도달하면 확실히 중요해질 것입니다.'

따라서 우주의 시작은 여전히 ​​매우 어둡습니다. 과학자들은 빅뱅 이후 약 10~36초(1조분의 1조분의 1조분의 1조분의 1조분의 1조분의 1조분의 1조분의 1조분의 1조분의 1조분의 1조분의 1조분의)에서 마이너스 36초 사이에 이야기를 꺼낼 수 있다고 생각합니다.

그 시점에서 그들은 우주가 빛의 속도보다 빠르게 팽창하는 매우 짧고 극적인 인플레이션 기간을 겪었다고 믿습니다. 100분의 1초 사이에 크기가 두 배로 늘어났습니다. [ 10가지 쉬운 단계로 빅뱅을 지금까지 ]

(인플레이션은 특수 상대성 이론을 위반하는 것처럼 보일 수 있지만 과학자들은 그렇지 않다고 말합니다. 특수 상대성 이론은 정보나 물질이 빛의 속도보다 빠른 속도로 공간의 두 지점 사이를 이동할 수 없다고 주장합니다. 그러나 인플레이션은 공간 그 자체.)

Filippenko는 guesswhozoo.com과의 인터뷰에서 '인플레이션은 빅뱅의 '강타'였습니다. '인플레이션 이전에는 약간의 부분이 있었고, 아마도 약간만 팽창했을 뿐입니다. 우리는 우주를 크게 만들기 위해 인플레이션과 같은 것이 필요했습니다.'

이 빠르게 팽창하는 우주는 물질이 거의 없었지만 엄청난 양의 암흑 에너지를 품고 있었습니다. 암흑 에너지는 과학자들이 생각하는 우주의 현재 가속 팽창을 이끄는 신비한 힘입니다.

인플레이션 동안 암흑 에너지는 우주를 매끄럽게 만들고 가속했습니다. 하지만 오래 머물지 않았습니다.

Carroll은 guesswhozoo.com에 '그냥 일시적인 암흑 에너지였습니다. '재가열이라는 과정을 거쳐 평범한 물질과 방사선으로 바뀌었다. 우주는 인플레이션 동안 차가워졌다가 모든 암흑 에너지가 사라질 때 다시 뜨거워졌습니다.'

과학자들은 무엇이 인플레이션을 일으켰는지 모릅니다. 그것은 빅뱅 우주론의 핵심 질문 중 하나로 남아 있다고 Filippenko는 말했습니다.

은하단 Abell 1689는 중력 렌즈 현상이라는 현상으로 빛을 휘게 하는 방식으로 유명합니다. 성단에 대한 연구는 암흑 에너지가 우주를 어떻게 형성하는지에 대한 비밀을 밝혀냈습니다.(이미지 제공: NASA, ESA, E. Jullo(JPL/LAM), P. Natarajan(예일) 및 J-P. Kneib(LAM))

또 다른 아이디어

대부분의 우주론자들은 인플레이션을 우주의 특성, 특히 우주가 상대적으로 평평하고 균일하며 거의 같은 양의 물질이 모든 방향으로 균등하게 퍼져 있는 이유를 설명하는 주요 이론으로 간주합니다.

UC 데이비스의 이론 물리학자 앤디 알브레히트(Andy Albrecht)는 인플레이션이 현실화되고 있다는 다양한 증거가 있다고 말했습니다. [ 이미지 : 빅뱅을 되돌아보다 ]

인플레이션 이론의 설계자 중 한 명인 Albrecht는 '그들은 모두 인플레이션 그림과 아주 잘 어울립니다. '인플레이션은 믿을 수 없을 정도로 잘 해왔습니다.'

그러나 인플레이션이 우주의 구조를 설명하려는 유일한 아이디어는 아닙니다. 이론가들은 ekpyrotic 우주라는 초기 개념을 기반으로 한 순환 모델이라는 또 다른 모델을 제시했습니다.

이 생각은 우리 우주가 한 점이나 그와 유사한 점에서 출현하지 않았다고 주장합니다. 오히려 인플레이션 이론이 예측하는 것보다 훨씬 더 조용한 속도로 수축하고 있던 기존 우주에서 팽창으로 '반격'했습니다. 이 이론이 맞다면 우리 우주는 '뱅'과 '크런치'의 끝없는 연속을 겪었을 것입니다.

극열 이론의 창시자 중 한 명인 펜실베니아 대학의 버트 오브루트(Burt Ovrut)는 '우리 우주의 시작은 훌륭하고 유한했을 것입니다'라고 말했습니다.

순환 모델은 우리의 우주가 11차원으로 구성되어 있으며 그 중 4차원만 관찰할 수 있다고 가정합니다(3차원 공간과 1차원 시간). 우주의 4차원 부분을 브레인(막의 줄임말)이라고 합니다.

11차원 공간에 다른 브레인이 숨어 있을 수 있다는 아이디어가 떠올랐습니다. 두 갈래 사이의 충돌은 수축에서 팽창으로 우주를 뒤흔들었고 오늘날 우리가 보고 있는 빅뱅에 박차를 가할 수 있습니다.

중력파를 찾아서

머지 않아 과학자들은 인플레이션 또는 순환 모델 중 어느 이론이 현실을 더 잘 표현하는지 확실히 알게 될 것입니다.

예를 들어, 인플레이션은 극한의 '바운스'보다 훨씬 더 강한 중력파를 생성할 가능성이 있다고 Filippenko는 말했습니다. 그래서 연구자들은 아직 관찰되지 않은 이러한 이론적 시공간 왜곡의 징후를 찾고 있습니다.

2009년에 발사된 유럽우주국(European Space Agency)의 플랑크(Planck) 위성은 파악하기 어려운 중력파를 발견할 수 있습니다. Ovrut은 또한 저울을 어느 쪽으로든 기울일 수 있는 다른 증거를 수집할 수 있다고 말했습니다.

Ovrut은 guesswhozoo.com에 '이것은 향후 10년 이내에 논의되고 결정되기를 희망하는 사항입니다.

우리가 아는 우주는 형태를 취한다

우주론자들은 우주를 지배하는 4가지 힘(중력, 전자기력, 약하고 강한 핵력)이 우주가 탄생할 때 하나의 힘으로 통합되어 극한의 온도와 밀도가 관련되어 함께 뭉개졌다고 생각합니다.

그러나 우주가 팽창하고 냉각되면서 상황이 바뀌었습니다. 인플레이션 시기에 강력한 세력이 분리되었을 가능성이 큽니다. 그리고 약 10조분의 1초 후에 빅뱅 , 전자기력과 약력도 뚜렷해졌습니다.

인플레이션 직후 우주는 뜨겁고 밀도가 높은 플라즈마로 가득 차 있었을 것입니다. 그러나 약 1마이크로초(10~-6초) 정도가 되면 첫 번째 양성자와 중성자가 형성될 수 있을 만큼 충분히 냉각되었다고 연구원들은 생각합니다.

빅뱅 후 처음 3분 동안 이 양성자와 중성자는 함께 융합하여 중수소(중수소라고도 함)를 형성하기 시작했습니다. 그런 다음 중수소 원자가 서로 결합하여 헬륨-4를 형성합니다.

유럽 ​​우주국(European Space Agency)의 플랑크(Planck) 위성이 만든 이 우주 마이크로파 배경의 하늘 전체 이미지는 우주의 여명에서 남겨진 빅뱅의 메아리를 보여줍니다.(이미지 제공: ESA/LFI & HFI 컨소시엄)

재결합: 우주가 투명해진다

새로 생성된 이 원자들은 모두 양전하를 띠고 있었습니다. 왜냐하면 우주는 여전히 너무 뜨거워서 전자를 포획할 수 없었기 때문입니다.

그러나 그것은 빅뱅 이후 약 38만 년 후에 바뀌었습니다. 재결합으로 알려진 시대에 수소와 헬륨 이온이 전자를 잡아서 전기적으로 중성인 원자를 형성하기 시작했습니다. 빛은 자유 전자와 양성자에서 크게 산란되지만 중성 원자에서는 훨씬 덜 산란합니다. 따라서 광자는 이제 훨씬 더 자유롭게 우주를 순항할 수 있게 되었습니다.

재결합은 우주의 모습을 극적으로 변화시켰습니다. 그것은 불투명한 안개였다가 이제 투명해졌다. 오늘날 우리가 관찰하는 우주 마이크로파 배경 복사는 이 시대의 것입니다. [ 비디오: 본 초기 우주의 안개 ]

그러나 여전히 우주는 재결합 후 오랜 시간 동안 꽤 어두웠고, 빅뱅 후 약 3억 년 후에 첫 번째 별이 빛나기 시작했을 때 비로소 진정으로 밝아졌습니다. 그들은 재조합이 달성한 많은 것을 되돌리는 데 도움이 되었습니다. 이 초기 별들과 아마도 다른 신비한 근원들은 우주의 대부분의 수소를 구성하는 양성자와 전자로 다시 쪼개기에 충분한 방사선을 방출했습니다.

재이온화로 알려진 이 과정은 빅뱅 이후 약 10억 년 동안 진행되었던 것 같습니다. 우주가 너무 많이 팽창했기 때문에 오늘날 우주는 재결합 전과 같이 불투명하지 않습니다. 우주의 물질은 매우 희박하기 때문에 광자 산란 상호작용은 상대적으로 드물다고 과학자들은 말합니다.

시간이 지남에 따라 별들은 함께 중력을 받아 은하를 형성하여 우주에서 점점 더 큰 규모의 구조를 이룹니다. 행성들은 우리 자신의 태양을 포함하여 새로 형성되는 일부 별 주위에 뭉쳤습니다. 그리고 38억 년 전에 생명이 지구에 뿌리를 내렸습니다.

이 극도로 멀리 떨어져 있는 원시은하단은 빅뱅 후 약 10억 년 후인 우주 초기에 형성되는 은하군을 나타냅니다.(이미지 크레디트: Subaru/P. Capak(SSC/Caltech))

빅뱅 전?

우주의 처음 몇 순간에 대한 많은 부분이 추측으로 남아 있지만, 빅뱅 이전에 있었던 문제는 훨씬 더 미스터리하고 다루기 어렵습니다.

처음에는 질문 자체가 무의미할 수 있습니다. 일부 이론가들이 믿는 것처럼 우주가 무에서 왔다면 빅뱅은 시간 자체가 시작된 순간을 표시합니다. 이 경우 '전'과 같은 것은 없을 것이라고 Carroll은 말했습니다.

그러나 우주의 탄생에 대한 일부 개념은 가능한 답을 제시할 수 있습니다. 예를 들어, 순환 모델은 수축하는 우주가 팽창하는 우주보다 앞서 있음을 시사합니다. Carroll도 빅뱅 이전에 존재했던 것을 상상할 수 있습니다.

'빅뱅이 일어나기 전에 존재했던 빈 공간일 수도 있고, 그 후 약간의 양자 변동이 우리와 같은 우주를 탄생시켰을 수도 있습니다.'라고 그는 말했습니다. '변동을 통해 움츠러든 공간의 작은 거품이 아주 작은 에너지 덩어리로 채워지면 인플레이션을 통해 우리가 보는 우주로 성장할 수 있다고 상상할 수 있습니다.'

Filippenko는 또한 그 라인을 따라 무언가가 사실일 수 있다고 의심합니다.

Filippenko는 '나는 우리 우주의 시간이 빅뱅으로 시작되었다고 생각하지만 우리는 전임자인 어머니 우주의 변동이었다고 생각합니다.

우리가 알 수 있을까?

우주론자들과 물리학자들은 그들의 이론을 다듬고 우주의 초기 순간을 더 선명하고 예리한 초점으로 가져오기 위해 열심히 노력하고 있습니다. 그러나 그들은 빅뱅에 무슨 일이 일어났는지 진정으로 알 수 있을까요?

특히 연구원들이 137억 년 동안 제거 작업을 하고 있기 때문에 이는 벅찬 도전입니다. 그러나 과학을 계산하지 말라고 Carroll은 말했습니다. 100년 전만 해도 사람들은 우주에 대해 거의 이해하지 못했습니다. 예를 들어 우리는 일반 상대성 이론이나 양자 역학에 대해 알지 못했습니다. 우리는 우주가 팽창하고 있다는 것을 몰랐고 빅뱅에 대해서도 몰랐습니다.

'우리는 이제 이 모든 것을 알고 있습니다.' Carroll이 말했습니다. '진보의 속도는 실제로 놀라울 정도로 빠르기 때문에 나는 결코 비관론에 굴복하지 않을 것입니다. 우주론과 물리학의 최근 역사에서 빅뱅을 이해하려는 우리의 전망에 대해 비관적일 이유가 없습니다.'

Albrecht도 언젠가는 빅뱅 이전에 무엇이 존재했는지 알아낼 수 있을 것이라고 말했습니다.

'나는 우주론이 그렇게 성공적이었다는 사실에 내 희망을 걸었다'고 그는 guesswhozoo.com에 말했다. '자연은 우리가 우주로 과학을 할 수 있다는 분명한 메시지를 보낸 것 같습니다.'

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