우주에서 확인되는 물질들에 관하여

1. 일반 물질

 

일반 물질 우주의 질량 에너지 중 4.9%는 전자, 원자, 이온 및 이들이 형성하는 것과 같은 일반 물질입니다. 여기에서는 우리가 은하에서 볼 수 있는 별, 성간 및 은하계 물체들의 성간 가스, 행성, 그리고 우리 일상에 있는 모든 물체가 포함됩니다. 사실, 우주에 있는 대부분 우리의 눈에는 일반 물질이 보이지 않습니다. 우주에 있는 질량 에너지 밀도에 관여하는 일반 물질 중 10% 미만밖에 차지하기 않기 때문에 은하와 성단 내부에 보이는 별과 가스는 우주의 부분일 뿐입니다. 일반 물질은 일반적으로 액체, 고체,  플라즈마 및 기체 네 가지 상태로 존재합니다. 그러나 실험 기술의 발전으로 페르미온 응축과 보스-아인슈타인 응축 같은 다른 이론이 밝혀졌습니다. 일반적인 물질은 쿼크와 경입자라는 두 가지의 기본 입자로 구성되어 있습니다. 하나 예시를 들자면 양성자의 경우 2개의 상위 쿼크와 1개의 하위 쿼크로 구성되어 있고 중성자의 경우에는 2개의 하위 쿼크와 1개의 상위 쿼크로 구성됩니다. 전자는 렙톤이라고 불립니다. 원자는 앞선 예시의 물질들로 구성된 원자핵과 핵 주위를 돌고 있는 전자로 구성되어 있습니다. 대부분의 원자 질량은 바리온으로 구성된 핵에 집중되어 있기 때문에 일반적으로 물질을 설명하기 위해 바리온이라는 용어로 물질을 표현합니다. 빅뱅 이후 초기 우주에 있는 쿼크-글루온 플라스마라는 물질은 2조도 미만의 아주 낮은 온도로 냉각되어 원시의 양성자와 중성자를 형성했고, 이것들로 핵이 형성되었습니다. 이 핵 합성은 원래는 베릴륨과 리튬등 원자 번호가 작은 가벼운 원소를 형성했지만 원자 번호가 증가하게 되면서 무거운 원소가 풍부하게 변화가 생기게 되었습니다. 이때 탄소가 상당한 양으로 형성되면서 붕소는 형성되지 않았습니다. 이러한 핵 합성은 급격한 밀도 및 온도 저하로 인해 약 20분 후에 중단되게 됩니다.

 

2. 무거운 원소

 

초신성 핵 합성과 별의 핵 합성의 결과로 우주에는 이전보다 무거운 원소들로 형성되었습니다. 입자의 경우 표준 모델로 4개의 기본 보손과 12개의 기본 페르미온으로 쓰였습니다. 갈색 고리는 어떤 보손과 어떤 페르미온으로 결합된건지를 나타냅니다. 기둥은 3세대 물질인 페르미온과 1세대 힘인 보손으로 이루어져 있습니다. 처음에는 쿼크와 두 개의 경입자가 포함되어 있습니다. 열의 상단 중 두 행에는 상단과 하단 쿼크, 광자와 글루온이 포함되어 있습니다. 맨 아래에 있는 두 행의 열에는 뮤온 중성미자와 뮤옥, 전자와 중성미자, 타우 중성미자와 타우와 같은 보손 매개체들이 포함어 각 입자의 질량, 전하 및 스핀들이 나열되게 됩니다. 일반 물질과 이에 작용하고 있는 힘은 기본 입자로 설명이 가능합니다. 이러한 입자들의 경우 알려지지 않은 하부 구조를 가지고 있어 주로 기초 설명이 되며 이보다 더 작거나 기본적인 입자로 구성되어 있는 구조는 알려지지 않았습니다. 여기서 중요한 것은 표준 모델이라는 것인데, 전자기적 상호작용과 약하거나 강한 핵 상호작용을 정의하는 표준모형이다. 표준 모델은 물질을 구성하고 있는 입자의 존재는 글루온이라는 사실을 실험을 통해 확인하고 뒷받침되었습니다. 표준 모델은 현재까지도 쓰이며 최근에 발견된 힉스 보존의 존재에 대해 예측을 시도했는데 이는 우주의 입자를 질량 화할 수 있는 표현이 되었습니다. 실험 결과들을 통해 성공적인 설명을 해내었고 이로 인해 표준 모델은 거의 모든 이론으로 간주되기도 합니다. 그러나 표준 모델의 경우 중력이 수용되지 않습니다. 이 때문에 진정한 힘을 가지고 있다는 만물의 이론은 인정되지 않았습니다. 가벼운 입자인 랩톤은 강한 상호 작용을 만들어 내지는 않지만 파울리 배타 원리에서는 반일정 스핀 기본 입자로 쓰입니다. 동일한 종류로 두 개의 광 입자는 동시에 동일하게 있을 수 없습니다. 경입자에는 주로 두 가지 부류로 나뉩니다. 전자 유사 경입자라고도 불리는 전하를 띤 랩톤과 중성미자로 잘 알려져 있는 중성 경입자로 나누어집니다. 전자는 우주에서 가장 흔한 전하를 띤 안정적이고 가벼운 입자이지만 뮤온과 타우는 높은 에너지와의 충돌에서 생성되며 빠른 속도로 붕괴되는 불안정한 입자입니다. 하전 된 경입자는 다양한 합성 입자를 만들어 낼 수 있는데 예로는 다른 입자와 결합을 통해 원자 및 양전자와 같은 것들이 있습니다.

 

3.전자

 

전자는 원자에서 발견되었으며 모든 화학적 특성에 밀접한 연관이 되어있어 거의 모든 화학에 포함되어 있습니다. 이와는 상반되게 뉴트리노라는 물질은 거의 상호 작용이라는 걸 하지 않아 결과적으로는 거의 관찰되지 않았습니다. 뉴트리노는 우주에 흐르지만 일반 물질과는 대부분 상호 작용 같은 것을 하지 않습니다. 렙톤 시대라는 시점이 있었는데 이때에는 렙톤이 우주의 질량 대부분을 지배했던 기간이었습니다. 반강입자와 강입자의 대부분은 하드론 시대 말에 서로 사라진 후 대폭발 약 1초 후에 생성되었습니다. 가벼운 입자가 대부분이었던 기간 동안 우주의 온도는 매우 높았고 이 때문에 경입자-반경련 열평형 상태에 있게 되었습니다. 폭발이 일어난 후 약 10초 후 우주의 온도는 급격히 랩톤/밴렙톤이 더 이상 생성되지 않는 수준까지 떨어졌습니다. 대부분의 경입자 및 반경입자는 이 시기에 제거되어 아주 작은 경입자 잔류물만을 남기게 되었습니다. 우주의 질량은 그 상태로 다음 상태인 광자 서사시라는 시기로 들어갈 때까지 광자에 의해 지배되었습니다. 광자는 빛과는 다른 모습의 전자기복사의 양자입니다. 뿐만 아니라 가상 광자를 통하여 정적인 경우에도 전자기력을 조정할 수 있습니다. 이 힘의 경우 광자의 고정 질량 수준이 0이었기 때문에 미시적, 거시적 수준에서 쉽게 관찰될 수 있었습니다. 이를 통해서 장거리 상호 작용이 가능하게 됩니다. 다른 기본 입자들과 마찬가지로 광자는 현재 양자 역학을 가장 잘 설명할 수 있는 입자와 파동의 특성을 보여주는 파동-입자 이중성을 나타내고 있습니다. 광자 시대에는 물질들이 대부분 경입자 및 반경 입자였던 시대의 끝, 즉 대폭발 후 약 10초 뒤에 시작됩니다. 핵은 광자 시대가 시작된 처음 몇 분 동안 핵 합성 과정  중에 생기게 되었습니다. 나머지 광자 시대 동안에는 핵, 광자 및 전자로 구성된 밀도가 높고 뜨거운 플라스마를 포함하고 있었습니다. 폭발이 발생한 후 약 380,000년이 지난 후 우주의 온도는 핵과 전자의 결합으로 중성 원자를 만들 수 있을 정도까지 떨어졌습니다. 그 결과 광자는 물질과 더 이상의 상호 작용하지 않게 되었으며 투명해졌습니다. 이 시기의 고도로 광자는 적색 편이 되었고 우주 내에 마이크로파라는 배경을 형성하게 됩니다. 이것은 모든 후속 구조를 만들어내는 초기 종자로서 CMB에서 밀도와 온도를 측정하여 알 수 있는 변화였습니다.

 

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2023.02.04 - [우주] - 우주의 형성과 형성하고 있는 물질