우주 빅뱅이론, 배경복사, 원시요소의 존재도

우주 빅뱅이론

대폭발이라고도 말하는 빅뱅이론은 이른 시기에서 그 이후 거대 구조적 진화까지 관측이 가능한 우주에서 그 존재를 설명하는 아주 일반적인 우주론의 모형을 말한다. 빅뱅이론은 초기에 아주 높은 밀도와 온도의 상태 속에 어떤 방식으로 우주가 팽창하게 된 것인지를 설명하고 있으며 풍부하지만 가벼운 밀도의 원소들과 우주 마이크로파 배경복사 또는 거대구조를 함유한 폭넓은 관측 현상에 대한 설명을 하고 있다. 빅뱅이론은 허블르메트르의 법칙과 은하가 지구에서 떨어져 있을수록 더욱 멀어진다는 관측과 양립이 된다. 빅뱅이론은 이미 알려진 물리적 법칙을 사용하고 있으며 우주의 팽창이 시간상 역으로 외삽되어 시공간이 그 의미를 잃게 되는 특이점이 선행 하며 이는 점진적으로 초점을 맞춘 우주를 설명하고 있다. 우주 팽창의 속력을 섬세히 측정한 결과는 빅뱅의 특이점이 수백억 년 전으로 나타나고 있으며 이는 우주의 나이로서 여겨진다. 초기 팽창 이후에는 이따금 빅뱅이라고 불리는 대폭발 현상이 나타났으며 이후 우주는 아원자의 입자와 이후 원자를 형상 가능할 정도로 냉각이 되었다. 원시 상태의 원소의 거대한 구름은 수소와 헬륨 또는 리튬 등을 포함하고 있으며 향후 중력을 통해서 합쳐지게 되며 초기의 항성과 은하가 형성되어 이러한 전래물들이 현재 관측이 되고 있다. 천문학자들은 원시상태의 건축 자재 이외에 은하를 둘러싸고 있는 알 수 없는 암흑 물질들의 중력 효과로 관측된다. 우주의 중력에 관한 잠재성은 대다수 이러한 형태로서 존재하고 있으며 대폭발 이론과 여러 가지 측면에서 과잉 상태의 잠재력이 보통의 원자와도 같은 중입자에 의거하여 생성된 것이 아니다. 초신성이 적색편이를 측정하게 된 결과는 암흑 에너지와 그 존재로 인해 관측하고 있는 우주 팽창이 조금씩 상승하고 있다. 1927년 조르주르메트르는 팽창하고 있는 우주가 원시원자로 호칭했던 특정 지점으로서 시간을 거꾸로 보낼 수 있다고 최초 언급하였다. 에드윈허블이 이후 1929년 은하의 적색 편이 분석 과정을 겪었으며 은하들이 실제 떨어지고 있다는 것을 확인하였다. 이는 우주의 팽창에 관한 주요 증거물이 된다. 향후 수십 년 간 과학계에서는 팽창에 관한 설명을 하고 있는 빅뱅과 라이벌인 정상우주론의 지지자들로 나뉘게 되지만 정상상태의 모형이 빅뱅이 유한한 나이를 지니지 않은 무한의 우주로 규정하고 있다.

우주마이크로파 배경복사

1964년도에는 아노펜지아스와 로버트윌슨이 우연하게도 우주배경복사를 관찰하였으며 이는 마이크로파의 무지향성의 신호이다. 이들의 발견으로 인해 1950년대 알퍼와 허먼 그리고 가모프의 빅뱅에 대한 예측이 상당 부분 확신을 주게 만들었다. 향후 70년대에 접어들어 배경복사는 전체적으로 흑체 스펙트럼과도 상당수 일치하는 것으로 알려지게 되며 이러한 스펙트럼이 우주 팽창이 적색 편이 되었을 것이다. 이는 빅뱅 모형에도 상당수 유리한 증거의 균형이 잡히게 되었으며 팬지아스와 윌슨이 1978년 노벨물리학상을 받게 되었다. 마지막 산란의 표면이라고 말하는 CMB의 방출은 중성 상태의 수소가 안정되는 시기인 재결합 직후 나타나게 된다. 하지만 그 이전의 우주는 아주 뜨겁고 밀접한 광자와 중입자 플라스마로 구성되어 있었으며 광자가 자유적 대전입자로부터 빠르게 생성되기 시작했다. 향후 정점을 찍게 되며 광자 평균 경로는 현재 도달할 만큼 충분히 길어지고 있으며 우주는 투명해진다. 향후 나사는 COBE를 발사하였으며 향후 1990년대 고정밀스펙트럼의 측정으로 인해 CMB 주파수의 스펙트럼이 10의 4승 분의 1 수준에 편차가 없는 완벽한 상태의 흑체임을 증명했다. 향후 10년간 CMB의 비등방성이 아주 많은 지상 기반과 풍선실험 등에 의해 다시 조사된다. 향후 2000년대에 여러 가지의 실험과 비등방성의 일반 크기를 측정하였으며 우주 형상이 공간적으로서 평평한 상태라는 것을 찾게 된다. 직후 2003년도에는 윌킨슨이 극초단파의 비등방성 탐사선 일부의 우주 매개변수 등에 대해 그때 당시 정확한 값을 산출하였으며 학계에 발표하게 된다. 이러한 결과는 특정한 상태의 우주 급팽창 모형을 반증하게 되었으며 일반적으로 급팽창 이론에 일치하게 된다.

원시요소의 존재도

대폭발 모형을 활용하게 되면 우주에서 헬륨과 중수소와 리튬 농도를 일반 수소량을 대비하여 비율을 계산할 수 있게된다. 상대적인 존재도는 광자와 중입자 비율이 단일 매개 변수 상태에 의해 변한다. 이러한 결과는 CMB 요동 섬세한 구조 및 독립 상태로 계산할 수 있게 된다. 측정된 결과는 중입자대 광자비율 단일의 값에 예상했던 것과 대략적으로는 일부 일치한다. 중수소에 비해서는 높은 수준으로 일치하지만 공식적으로는 불확실성이 있다. 하지만 원시요소의 존재도는 빛 요소가 상대적으로 유일하게 알려진 설명에 해당하며 빅뱅이 헬륨을 더 많이 또는 적게 생성하기 위해 조정하는 것이 불가능하기에 예측 존재도와 일관성은 빅뱅에 대해 강한 증거로 남는다. 초기 우주에서는 중수소보다는 헬륨이 더욱 많아야 하지만 더 많은 중수소가 있거나 또는 비율이어야 하는 것 또한 빅뱅 외 명확한 이유는 존재하지 않는다.