빅뱅후 우주가 급팽창할 때 시공간에 남긴 중력파 흔적 확인… 우주 탄생의 비밀 풀 열쇠
아인슈타인 상대성이론서 예측… 100여년만에 과학적으로 입증
"건초 더미에서 바늘 찾았는데 찾고보니 바늘 아닌 쇠지렛대" 현대 물리학 뒤흔들만한 발견
남극 기지에 설치된 바이셉2(BICEP 2) 전파망원경이 우주에서 날아오는 ‘우주배경복사’라는 전자기파를 탐지·분석하고 있다. 미국 하버드·스미스소니언 천체물리센터 연구진은 이를 통해 우주 탄생을 설명하는 빅뱅(대폭발) 이론과 우주 급팽창의 흔적을 처음으로 찾아냈다고 밝혔다. /미국 국립 과학재단 지금으로부터 138억년 전 빅뱅(Big Bang·대폭발) 직후 찰나에 점 하나가 광대한 우주로 급팽창했음을 입증하는 증거가 처음으로 나왔다. 미국 하버드·스미스소니언 천체물리센터 연구진은 17일(현지 시각) 기자회견에서 "남극의 전파망원경 '바이셉(BICEP)2'로 3년간 추적한 끝에 우주가 급팽창했음을 입증하는 중력파(重力波)의 흔적을 처음으로 찾아냈다"고 밝혔다. 우주 탄생 이론이 관측을 통해 확인됐다는 것이다. 과학계는 "우주 탄생의 비밀을 풀어줄 금세기 최고의 과학 발견"이라고 흥분하고 있다.
◇빅뱅 직후 급팽창한 우주
우주 급팽창은 138억년 전 빅뱅이 일어나 우주가 탄생한 직후에 '10의 33제곱분의 1초'라는 찰나 동안 우주가 '10의 20제곱'배(100억 곱하기 100억배) 이상으로 팽창했다는 이론이다. 마치 원자보다 작은 소립자가 순식간에 축구장으로 커진 것 같은 대변화다.
급팽창 이론의 근거는 초기 우주의 빛에서 나왔다. 현재 관측할 수 있는 가장 오래된 우주의 빛은 빅뱅 후 38만년 만에 나온 것이다. 그전에는 빛 입자가 뜨거운 우주에서 마음대로 돌아다니는 전자의 포위막에 가려서 밖으로 빠져나오지 못했다. 빅뱅 발생 38만년이 지나서 우주의 온도가 내려가자 빛이 전자의 방해를 받지 않고 움직일 수 있었다. 이때 온 우주로 퍼져 나간 빛이 바로 지금 우리가 볼 수 있는 '우주배경복사'라는 전자기파다.
이 전자기파는 우주 어디에서나 같은 온도를 가진 균일한 상태로 관측됐다. 미국 MIT의 앨런 구스 교수 등은 1980년대에 이를 '우주 급팽창' 이론으로 설명했다. 빅뱅 직후 아주 작은 우주에선 모든 물질이 균일한 상태로 뭉쳐 있었다. 이 상태에서 순식간에 급팽창해야만 모든 물질이 처음처럼 균일한 상태를 유지한다는 것이었다.
◇아인슈타인 상대성이론이 예측
이번에 확인한 중력파는 우주 급팽창의 '지문(指紋)'에 해당한다. 아인슈타인은 1916년 발표한 일반상대성이론에서 우주를 시간과 공간이라는 실로 짠 천에 비유했다. 볼링공이 떨어지면 천이 푹 꺼지듯, 엄청난 중력을 가진 물체는 시공간을 휘게 한다. 이러면 호수에 던진 돌이 물결을 만드는 것처럼 시공간에는 중력파가 퍼진다. 같은 이치로 엄청난 질량을 가진 우주가 급팽창하면 시공간이 뒤틀리고, 중력파가 생겨나야 한다. 연구진은 바이셉2가 포착한 초기 우주의 빛을 분석한 결과, 빛의 특성이 중력파가 있을 때만 가능한 형태였다고 설명했다.
지난 17일(현지 시각) 미국 하버드-스미스소니언 천체물리센터에서 바이셉2(BICEP2)프로젝트 연구진이 기자회견을 하고 있다. 이들은 우주가 생성될 때 발생한 대폭발과 이에 따른 중력파의 흔적을 처음으로 발견했다. /AP·뉴시스 예전에 우주배경복사를 발견한 미국의 펜지어스와 윌슨, 그 성질을 규명한 조지 스무트, 질량이 아주 큰 별들에서 중력파를 발견한 미국의 헐스와 테일러는 모두 노벨 물리학상을 받았다. 천문연구원 박석재 박사는 "이번 연구진도 노벨상 수상이 확실시된다"고 말했다.
◇우주 대통일 이론 나오나
과학자들은 우주 급팽창으로 나온 중력파를 역추적하면 빅뱅이 일어난 지점까지 알아낼 수 있다고 기대했다. 특히 국제 학술지 '네이처(Nature)'지는 "천체물리학자들은 이번 발견이 우주의 여러 가지 힘을 하나로 설명하는 '대통일(大統一) 이론'의 토대가 될 가능성이 있다고 본다"고 전했다.
연구진의 발표대로라면 우주가 급팽창할 때 나온 중력파는 10의 16제곱 기가전자볼트라는 엄청난 에너지를 가진 물질들 사이로 진행했다. 지구에서 가장 강력하다는 유럽입자물리연구소(CERN) 입자 가속기의 에너지도 13기가전자볼트에 불과하다. 연구진의 일원인 미네소타대의 클렘 프라이크 교수는 "건초 더미에서 바늘을 찾는 것과 같은 작업이었는데, 찾고 보니 바늘이 아니라 쇠 지렛대였던 셈"이라고 말했다.
이미지를 클릭하시면 그래픽 뉴스로 크게 볼 수 있습니다. / 조선닷컴 MIT 구스 교수는 "초기 우주의 에너지가 그 정도였다면 우주를 이루는 기본 힘인 강력(强力)과 약력(弱力), 전자기력(電磁氣力)이 하나로 뭉쳐져서 존재했을 것"이라고 말했다. 현대 물리학은 이 힘들을 각각 따로 설명한다. 만약 이 힘들을 하나로 설명할 수 있다면 물리학의 대통일 이론도 가능하다. 노벨상을 넘어 현대 과학을 뒤흔들 만한 발견인 셈이다. 연구진이 밝힌 데이터의 신뢰도는 5시그마를 넘는다. 데이터가 우연에 의해 생겼을 가능성이 350만분의 1보다 작다는 뜻이다.
☞빅뱅(Big Bang)
우주를 탄생시킨 대폭발로 138억년 전 발생했다.
☞우주배경복사(宇宙背景輻射·cosmic background radiation)
빅뱅이 일어난 지 38만년 뒤부터 온 우주로 퍼져 나간 빛. ‘빅뱅의 메아리’로도 불린다.
☞중력파(重力波·gravitational wave)
중력에 의해 시공간이 뒤틀리면서 발생한 물결파. 빛의 속도로 진행한다.
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