새로운 우주의 모형(종모양, 우주배경복사, 빅뱅이론, 암흑에너지, 람다 CDM 모델)

현대의 많은 사람들은 빅뱅이론에 대해 어느정도 알고 있다. 동명의 코미디 드라마가 있을 정도로 우리에게 빅뱅이론은 친숙하며 널리 알려진 이론 중 하나일 것이다. 폭팔이 있고 그 곳에서 모든 것이 시작되었다. 바로 빅뱅이론이다.

우주는 어떻게 생겼을까?

1. 새로운 우주의 모형

100억년도 더 된 아주 오래된 옛날 '무'라는 곳에서, 원인모를 '빅뱅'에 의해 우주가 탄생하고 팽창하여서 현대의 거대한 우주를 만들었다는 것이 빅뱅이론의 기초이다. 조금 더 들어간다면 현재의 우주는 물질의 중력에 의해 감속팽창하거나 수축해야하는 게 맞음에도 불구하고 원인모를 '암흑에너지'라는 힘에 의해 오히려 가속팽창을 하고 있다. 왜 우주는 줄어들지 않고 계속해서 늘어 가는 것일까?

그런데 최근 서던 미시시피대학교의 두 물리학자인 로렌스 메드, 헤리 링거매쳐는 우주가 단순히 가속팽창을 하는 것이 아닌 진동하면서 팽창하고 있다고 주장했다. 이 이론의 핵심을 이루는 '우주배경복사'는 1964년 로버트 윌슨과 아르노 펜지아스가 우주 잡음과 열복사를연구하면서 발견하였는데, 이 공로로 이들은 1978년 노벨상을 수상하였다.

2. 가속 팽창해 나가는 우주

1998년 지구의 정 반대편에 떨어져 있는 두 연구팀은 각각 우주가 단순히 팽창하는 것이 아닌, 가속팽창을 하고 있음을 발견했고 이를 설명하기 위해 '암흑에너지'라는 새로운 물질을 도입하였다.

이 발견을 이끈 세 물리학자는 2011년 그 공로를 인정받아 노벨물리학상을 수상하였다. 메드와 링거매쳐의 말에 따르면, 수축에서 팽창으로 바뀌는 시점은 약 60~70억년 전 사이에서 일어났다고한다. 이들은 보다 많은 데이터를 축적하면서 정확한 값을 측정할 수 있었다.

맨 위의 사진은 나사에서 제공한 람다 CDM 모델로, 흔히 표준우주모형이라고도 불린다. 빅뱅 이후 인플레이션을 거쳐 매끄럽게 팽창한 우주를 묘사하고 있다. 이 때 람다는 아인슈타인의 정상우주론에서 등장했던 '우주상수'로 현재 이 우주상수는 가속팽창의 원인이라고 보고있다. 전체적으로 봤을 때 종 모양인데, 이 종의 테두리는 우주의 크기라고 보면 된다.

3. 종모양의 우주

위의 사진은 이번 발견을 토대로 새로 만든 진동 우주론의 모형인데, 기존의 모형과는 사뭇 다른 모습을 보인다. 안쪽으로 굽은 곳은 감속이고, 바깥쪽으로 나간 곳은 가속이라고 보면 된다. 이 이론에 따르면 138억년 동안 우주는 약 7번의 감속과 가속을 반복했다. 하지만 시간이 지남에 따라 이 진동도 약해져서 지금은 이 과정이 아주 미약해졌다.

아주 미약해서 마치 유리잔을 보는 것 같이 굴곡이 아주 완만하다. 이 패턴은 전형적인 감쇄진동의 패턴으로, 주기는 거의 일정하나 진폭이 갈수록 작아진다. 메드와 링거 매쳐는 이 모습은 중력파와같이 우주공간으로 뻗어나가는 파동이 아닌 마치 우주 자체가 맥동하듯이 수축과 팽창을 하는 꼴이라고 설명했다.

이들의 발견은 필연이 아닌 우연이였다. 이들은 암흑물질을 적용한 은하의 모델링을 통한 우주의 크기를 구하는 연구를 하다가 우연히 이같은 현상을 발견한 것이다. 이들은 허블다이어그램을 연구하여 하나 밖에 없을 줄 알았던 이러한 '전이시간'이 138억년동안 총 7번이 있었다고 말하며 우주 스스로가 팽창을 가속하고 감속하는 과정을 7번 반복했다고 덧붙였다. 이 내용은 2015 천문학저널에 게재되었다. 유리잔 모양의 우주 모형 처럼, 점진적으로 발전해 나가는 과학 기술에 힘입어 우주의 속살을 조금씩 더 알아 가보고 싶다.