우주는 어떻게 시작되었을까요. 이 근본적인 질문에 대한 답은 빅뱅 이론입니다. 약 138억 년 전, 우주는 극도로 뜨겁고 밀도 높은 특이점에서 폭발적으로 팽창하기 시작했습니다. 공간과 시간 자체가 그 순간 탄생했으며, 물질과 에너지도 함께 생겼습니다. 빅뱅은 우주 어느 한 지점에서 일어난 폭발이 아닙니다. 공간 자체가 모든 곳에서 동시에 팽창한 것입니다. 풍선에 점을 찍고 불면 모든 점이 서로 멀어지는 것처럼, 우주의 모든 은하가 서로에게서 멀어지고 있습니다. 빅뱅 이론은 세 가지 결정적 증거로 뒷받침됩니다. 첫째, 우주가 팽창하고 있다는 허블의 발견입니다. 1929년 에드윈 허블은 먼 은하일수록 빠르게 멀어진다는 것을 관측했습니다. 시간을 거슬러 올라가면 모든 것이 한 점에서 시작했음을 의미합니다. 둘째, 우주 배경 복사입니다. 1964년 펜지어스와 윌슨이 발견한 2.7K의 마이크로파는 초기 우주의 뜨거운 빛이 식어서 남은 것입니다. 전 우주에서 거의 균일하게 관측되며 빅뱅의 직접적 증거입니다. 셋째, 경원소의 비율입니다. 빅뱅 후 3분간 일어난 핵합성으로 만들어진 수소, 헬륨, 리튬의 비율이 관측과 정확히 일치합니다. 빅뱅 이론은 우주의 과거뿐 아니라 미래도 예측합니다. 우주는 계속 팽창하며, 팽창이 가속화되고 있습니다. 이 글에서는 빅뱅 순간부터 지금까지 우주의 진화, 증거들, 남은 의문들을 상세히 알아보겠습니다.
빅뱅의 순간과 초기 우주
시간 제로, 즉 빅뱅 순간 자체는 물리학으로 설명할 수 없습니다. 온도와 밀도가 무한대이고 부피가 제로인 특이점이며, 우리가 아는 물리 법칙이 적용되지 않습니다. 양자 중력 이론이 필요하지만 아직 완성되지 않았습니다. 플랑크 시간, 즉 빅뱅 후 10의 마이너스 43승 초부터 물리학이 적용됩니다. 이때 우주의 크기는 10의 마이너스 35승 미터, 온도는 10의 32승도였습니다. 상상할 수 없는 극한 상태이며, 네 가지 힘이 하나로 통합되어 있었습니다. 인플레이션 시기는 10의 마이너스 35초부터 10의 마이너스 32초 사이 극히 짧은 순간입니다. 우주가 10의 26승 배 이상 폭발적으로 팽창했습니다. 원자핵보다 작던 우주가 순식간에 자몽 크기로 커졌습니다. 왜 인플레이션이 일어났는지는 완전히 이해되지 않았지만, 인플라톤이라는 가상 입자의 에너지 때문으로 추정됩니다. 인플레이션은 우주의 여러 수수께끼를 해결합니다. 평탄성 문제, 즉 우주가 왜 기하학적으로 거의 평탄한지 설명합니다. 인플레이션이 우주를 펴서 평평하게 만들었습니다. 지평선 문제, 즉 빛이 도달할 시간이 없었던 먼 지역들이 왜 비슷한 온도인지도 설명됩니다. 인플레이션 전에는 모두 가까웠기 때문입니다. 인플레이션 후 우주는 뜨겁고 밀도 높은 쿼크-글루온 플라즈마로 가득했습니다. 쿼크와 글루온, 전자와 양전자, 광자가 에너지 바다에서 끊임없이 생성되고 소멸했습니다. 빅뱅 후 1마이크로초에 우주가 충분히 식어 쿼크가 결합하여 양성자와 중성자를 만들었습니다. 물질과 반물질이 거의 같은 양으로 생성되었지만, 약간의 비대칭으로 물질이 10억분의 1 더 많았습니다. 물질과 반물질이 쌍소멸하여 광자가 되었고, 약간 남은 물질이 오늘날 우주의 모든 물질이 되었습니다. 왜 비대칭이 존재하는지는 여전히 미스터리입니다. 빅뱅 후 3분에 온도가 10억도로 떨어지며 핵합성이 시작되었습니다. 양성자와 중성자가 융합하여 중수소, 헬륨-3, 헬륨-4, 리튬-7을 만들었습니다. 약 20분간 지속되었고, 우주 물질의 약 75퍼센트가 수소, 25퍼센트가 헬륨, 극소량이 리튬으로 결정되었습니다. 이 비율은 오늘날까지 유지되며 빅뱅 이론의 강력한 증거입니다. 더 무거운 원소는 만들어지지 않았습니다. 온도가 너무 빨리 떨어져 헬륨 이상 융합이 불가능했습니다. 탄소, 산소, 철 등은 훨씬 후에 별 내부에서 만들어졌습니다.
우주 배경 복사와 증거
빅뱅 후 38만 년까지 우주는 불투명했습니다. 전자가 자유롭게 떠다니며 광자를 산란시켜 빛이 직진할 수 없었습니다. 마치 짙은 안개 속 같았습니다. 온도가 약 3000K로 떨어지자 재결합이 일어났습니다. 전자가 원자핵과 결합하여 중성 원자를 만들었고, 광자가 자유롭게 날아갈 수 있게 되었습니다. 우주가 투명해진 순간이며, 이때 방출된 빛이 우주 배경 복사입니다. 우주가 팽창하며 파장이 늘어나 가시광선이 적외선, 마이크로파로 변했습니다. 현재 온도는 2.725K이며, 절대 영도보다 겨우 2.725도 높습니다. 1964년 펜지어스와 윌슨이 우연히 발견했습니다. 벨 연구소에서 위성 통신용 안테나를 테스트하던 중 제거할 수 없는 잡음을 발견했습니다. 방향에 무관하게 일정했고, 비둘기 배설물을 치워도 사라지지 않았습니다. 이것이 빅뱅의 잔광임을 깨달았고, 노벨상을 받았습니다. COBE 위성은 1989년 발사되어 우주 배경 복사의 스펙트럼을 정밀 측정했습니다. 완벽한 흑체 복사 곡선을 보였으며, 이는 초기 우주가 열평형 상태였음을 증명합니다. 빅뱅 이론의 결정적 승리였습니다. WMAP과 플랑크 위성은 우주 배경 복사의 미세한 온도 요동을 측정했습니다. 10만분의 1도 수준의 작은 차이지만, 이것이 은하와 대규모 구조의 씨앗입니다. 밀도가 약간 높았던 곳은 중력으로 물질을 끌어당겨 은하를 만들었고, 낮았던 곳은 공동이 되었습니다. 온도 요동의 패턴은 우주의 나이, 구성, 기하학을 정밀하게 알려줍니다. 우주의 나이는 137.7억 년, 일반 물질은 5퍼센트, 암흑 물질은 27퍼센트, 암흑 에너지는 68퍼센트로 결정되었습니다. 우주는 기하학적으로 평탄하며, 인플레이션 이론을 지지합니다. 경원소 비율도 증거입니다. 빅뱅 핵합성 이론은 초기 우주의 온도와 밀도로부터 수소, 헬륨, 중수소, 리튬의 양을 예측합니다. 계산 결과는 관측과 놀랍도록 일치합니다. 우주의 약 75퍼센트는 수소, 25퍼센트는 헬륨이며, 중수소와 리튬은 극소량입니다. 이 정밀한 일치는 우연이 아니며 빅뱅 이론의 강력한 지지입니다.
우주의 진화와 미래
암흑시대와 첫 별
재결합 후 수억 년은 우주의 암흑시대입니다. 별이 아직 탄생하지 않았고, 수소 가스만 우주를 채웠습니다. 빛을 내는 것이 없어 문자 그대로 어두웠습니다. 우주 배경 복사의 미세한 요동이 중력으로 증폭되며 가스가 모이기 시작했습니다. 밀도 높은 곳에 더 많은 가스가 끌려와 암흑 물질 후광 속에 원시 은하가 형성되었습니다. 빅뱅 후 약 2억 년에 첫 별이 탄생했습니다. 이 별들은 인구 III 별이라 불리며, 수소와 헬륨만으로 이루어져 무거운 원소가 전혀 없었습니다. 무게가 태양의 수백 배에 달하는 거대한 별들이었고, 매우 뜨겁고 밝았습니다. 수백만 년 만에 연료를 소진하고 초신성으로 폭발하여 최초의 무거운 원소들을 우주에 뿌렸습니다. 제임스 웹 우주 망원경이 이 초기 은하들을 관측하고 있습니다. 빅뱅 후 3억 년 된 은하를 발견했으며, 예상보다 크고 밝아 놀라움을 주었습니다. 재이온화 시기는 빅뱅 후 약 4억 년부터 10억 년 사이입니다. 첫 별들과 은하들의 강한 자외선이 중성 수소를 이온화했습니다. 우주가 다시 투명해졌고, 빛이 먼 거리를 여행할 수 있게 되었습니다. 이후 은하들이 계속 형성되고 진화했습니다. 작은 은하들이 충돌하고 합쳐져 큰 은하가 되었고, 은하 중심에 초대질량 블랙홀이 성장했습니다. 우리 은하는 약 130억 년 전 형성되기 시작했으며, 수백 개의 작은 은하를 흡수했습니다.
우주의 미래
우주의 운명은 암흑 에너지에 달렸습니다. 1998년 초신성 관측으로 우주 팽창이 가속화되고 있음이 발견되었습니다. 중력은 팽창을 늦춰야 하는데 오히려 빨라지고 있었습니다. 이를 설명하기 위해 암흑 에너지가 제안되었습니다. 암흑 에너지는 우주의 68퍼센트를 차지하지만 정체는 전혀 모릅니다. 진공 에너지, 우주 상수, 또는 알려지지 않은 장일 수 있습니다. 현재 이론으로는 우주가 영원히 팽창할 것입니다. 빅 프리즈 또는 열사 시나리오에서 우주는 계속 팽창하며 차갑고 어두워집니다. 수천억 년 후 다른 은하들이 멀어져 보이지 않게 되고, 우리 은하만 고립됩니다. 별 형성이 멈추고 별들이 하나씩 꺼집니다. 1조 년 후 마지막 별이 죽고 우주는 어두워집니다. 백색 왜성과 중성자별, 블랙홀만 남습니다. 10의 100승 년 후 블랙홀도 호킹 복사로 증발하고, 우주는 극도로 희박한 입자들로만 채워집니다. 온도는 절대 영도에 가까워지고 모든 활동이 멈춥니다. 만약 암흑 에너지가 강해진다면 빅 립이 일어날 수 있습니다. 팽창이 너무 강해져 은하, 별, 행성, 원자까지 찢어집니다. 우주가 유한한 시간 내에 끝납니다. 하지만 증거는 없습니다. 빅 크런치는 오래된 시나리오로, 중력이 팽창을 멈추고 역전시켜 우주가 다시 수축하여 빅뱅의 역과정을 겪습니다. 하지만 가속 팽창이 발견되어 가능성이 사라졌습니다. 빅뱅 이론에도 미해결 문제들이 있습니다. 암흑 물질과 암흑 에너지의 정체, 인플레이션의 메커니즘, 물질-반물질 비대칭, 특이점의 본질 등입니다. 양자 중력 이론이 완성되면 빅뱅 순간을 이해할 수 있을 것입니다. 빅뱅 이론은 우주의 기원에 대한 가장 성공적인 설명입니다. 관측 증거가 압도적이며, 예측이 정확히 들어맞습니다. 하지만 여전히 완벽하지 않으며, 우주는 아직 많은 비밀을 간직하고 있습니다.