빅뱅 핵합성 이론은 우주 초기 원소 생성을 정밀하게 예측하지만 리튬만은 관측값이 이론의 1/3에 불과합니다. 70년간 풀리지 않는 이 우주론 최대 난제 중 하나인 리튬 문제를 탐구합니다. 오늘은 "우주론의 리튬 문제, 빅뱅이 만든 리튬은 어디로 갔을까"에 대해서 살펴볼까 합니다.
우주론의 리튬 문제
빅뱅 직후, 우주는 뜨거웠다. 온도가 수십억 도였다. 양성자와 중성자가 돌아다녔다. 3분이 지나자 합쳐지기 시작했다. 핵융합이 일어났다. 원소가 만들어졌다. 수소가 헬륨이 됐다. 중수소도 생겼다. 헬륨-3도 나왔다. 리튬-7도 만들어졌다. 빅뱅 핵합성이다. Big Bang Nucleosynthesis, BBN이다. 20분쯤 지나자 끝났다. 우주가 식었다. 더 이상 융합이 안 됐다. 수소 75퍼센트, 헬륨 25퍼센트가 됐다. 중수소는 아주 적었다. 리튬은 더 적었다. 수소 100억 개당 5개 정도였다. 1948년, 조지 가모프가 이론을 세웠다. 랄프 알퍼, 로버트 허먼과 함께였다. 우주 초기 원소 비율을 계산했다. 놀랍도록 정확했다. 1960년대, 관측이 시작됐다. 헬륨 비율이 딱 맞았다. 중수소도 맞았다. BBN 이론이 확인됐다. 우주론의 기둥이 됐다. 1982년, 리튬을 재기 시작했다. 오래된 별을 봤다. 빅뱅 직후 태어난 별들이다. 원시 리튬이 있을 것이었다. 측정했다. 이상했다. 너무 적었다. 이론의 1/3이었다. 수소 100억 개당 1.6개였다. 예측은 5개였다. 어디 갔을까. 측정 오류일까. 확인했다. 수십 개 별을 봤다. 모두 같았다. 일관되게 낮았다. 측정이 맞았다. 이론이 틀렸을까. BBN을 다시 계산했다. 핵물리 데이터를 업데이트했다. 우주 팽창 속도를 정밀하게 넣었다. 중성미자 종류도 고려했다. 결과는 똑같았다. 리튬이 5개 나왔다. 관측과 안 맞았다. 리튬 문제가 시작됐다.
사라진 리튬을 찾아서
리튬이 어디 갔을까. 가설이 여럿 나왔다. 첫째, 별이 파괴했다. 리튬은 쉽게 타버린다. 250만 도면 핵반응으로 헬륨이 된다. 별 내부가 그보다 뜨겁다. 표면 리튬이 내부로 섞였을 수 있다. 대류 때문이다. 타버렸다. 관측되는 게 적다. 하지만 문제가 있다. 별 모델링을 해봤다. 대류 깊이를 계산했다. 리튬을 1/3까지 줄이기 어렵다. 별이 너무 차갑다. 대류가 얕다. 리튬이 안전하다. 다른 메커니즘이 필요하다. 회전 유도 혼합이 제안됐다. 별이 빠르게 회전한다. 난류가 생긴다. 리튬이 깊이 섞인다. 파괴된다. 하지만 관측이 안 맞는다. 회전 속도를 재봤다. 리튬과 상관이 없었다. 빠른 별도 느린 별도 리튬이 같았다. 회전 혼합으론 설명 안 된다. 둘째, 애초에 리튬이 적었다. BBN 계산이 틀렸을 수 있다. 핵반응 속도가 다를 수 있다. 실험실 측정이 정확하지 않을 수 있다. 재측정했다. 더 정밀하게 했다. 결과는 똑같았다. 리튬-7 생성률이 맞았다. 계산도 맞았다. 이론이 틀리지 않았다. 새로운 물리를 넣어봤다. 암흑물질 붕괴일 수 있다. 초기 우주에 암흑물질이 붕괴했다. 고에너지 입자를 냈다. 리튬 원자핵을 깼다. 헬륨과 수소가 됐다. 리튬이 줄었다. 하지만 다른 원소도 영향받는다. 중수소가 늘어나야 한다. 헬륨-3도 변한다. 관측과 안 맞는다. 조정이 어렵다. 셋째, 관측이 틀렸다. 별 스펙트럼 해석이 잘못됐을 수 있다. 리튬 흡수선을 재는데 불확실성이 있다. 3차원 대기 모델을 써야 한다. 비국소 열역학 평형도 고려해야 한다. 재계산했다. 조금 올라갔다. 하지만 여전히 부족했다. 이론의 절반 정도였다. 여전히 문제다.
리튬-6 문제와 미래 관측
리튬에는 두 동위원소가 있다. 리튬-7과 리튬-6이다. 리튬-7은 부족하다. 리튬-6은 반대다. 너무 많다. 2006년, 놀라운 발견이 있었다. 오래된 별에서 리튬-6이 검출됐다. 예측보다 1,000배 많았다. BBN에선 거의 안 만들어진다. 아주 미량이다. 우주선 충돌로 조금 생긴다. 별에서도 안 만든다. 어디서 왔을까. 초대칭 입자 붕괴 가설이 나왔다. 새로운 물리였다. 하지만 2012년, 반전이 있었다. 재관측했다. 리튬-6이 없었다. 처음 관측이 틀렸다. 스펙트럼 해석 오류였다. 리튬-6 문제는 사라졌다. 리튬-7 문제만 남았다. 70년째 풀리지 않는다. 가능성이 셋이다. 첫째, 별 물리를 모른다. 리튬 파괴 메커니즘이 있다. 아직 발견 못 했다. 둘째, 빅뱅 이론이 틀렸다. 초기 우주가 생각과 달랐다. 새로운 입자나 힘이 있었다. 셋째, 측정이 틀렸다. 관측 기술에 한계가 있다. 해석에 오류가 있다. 앞으로 어떻게 풀까. 더 정밀한 관측이 필요하다. 극도로 금속량 낮은 별을 찾는다. 빅뱅에 더 가까운 별이다. 리튬을 정밀 측정한다. 3차원 항성 모델을 쓴다. 비국소 열역학 평형을 정확히 계산한다. 더 많은 별을 관측한다. 통계를 쌓는다. 패턴을 찾는다. 핵물리 실험도 계속된다. 리튬 생성 반응을 재측정한다. 더 정밀하게 한다. 불확실성을 줄인다. 우주론 관측도 발전한다. 우주배경복사를 정밀 측정한다. 플랑크 위성 데이터를 분석한다. 중입자 밀도를 정확히 안다. BBN 계산에 넣는다. 리튬 예측을 갱신한다. 제임스 웹 우주망원경도 기여한다. 초기 은하를 본다. 원시 가스를 관측한다. 리튬 비율을 잰다. 빅뱅 핵합성을 직접 본다. 리튬 문제. 우주론의 난제다. 작은 원소지만 큰 질문이다. 빅뱅 이론이 맞나. 별 진화를 아나. 새로운 물리가 있나. 답을 찾아간다. 우주 최초 3분의 비밀을 푼다.