우주의 연구분야와 마이크로파의 배경

1. 우주론 연구 분야

나는 우주론에서 가장 활발한 연구 분야 중 일부를 대략적인 연대순으로 설명하고 싶다. 이러한 대폭발 우주론이 모두 포함되지는 않을 것이다. 초초기 우주부터 시작하면, 초기의 뜨거운 우주는 약 10~33초 후의 대폭발로 잘 설명될 것으로 보이지만, 몇 가지 의문점이 제기된다. 우주는 반물질보다 더 많은 물질을 포함하도록 만들어졌다. 우주론자들은 관측을 통해 우주가 물질과 반물질의 영역으로 나뉘지 않는다는 것을 추론할 수 있었다. 이 경우 이항 소멸의 결과로 생성된 X선과 감마선이 있어야 하지만, 이는 관찰되지 않았다. 이는 초기 우주의 일부 과정에서 반물질에 비해 약간의 과잉 물질이 생성되었다는 것을 인정하는 부분이며, 이 과정을 중입자 생성이라고 한다. 중입자 형성에 필요한 조건은 세 가지가 있는데, 1967년 안드레이 사하로프가 유도한 입자물리학 대칭성 물질로 반물질과 반물질 사이의 CP 대칭성 위반이 필요하다. 그러나 입자 가속기는 중입자 비대칭을 설명하기에는 CP 대칭의 위반이 너무 적다. 이러한 이유로, 우주론자들과 입자 물리학자들은 초기 우주에서 CP-대칭성의 추가적인 위반을 찾고 있다. 또 다른 부분은 현재의 입자 물리학에서 우주가 평평하고 균일하며 등방성일 수 있는 강력한 이유가 없다는 것이다. 이어서, 입자 물리학의 대통일 이론은 우주에서 발견되지 않은 자기 누락이 있어야 한다고 말한다. 이러한 문제들은 우주를 평평하게 하고, 이방성과 이질성을 관측된 수준으로 부드럽게 하며, 홀수를 기하급수적으로 희석시키는 짧은 기간의 우주 급속 팽창에 의해 해결된다. 우주의 급격한 팽창에 대한 물리적 모델은 외관상 단순하지만 입자물리학에 의해 아직 확인되지 않았고, 급격한 팽창 이론과 양자장을 조화시키기도 어렵다. 일부 우주론자들은 끈 이론과 뇌 우주론이 빠른 팽창 이론의 대안을 제공할 것이라고 생각한다. 우주론의 또 다른 주요 문제는 우주 팽창, 압력 발생과 같은 문제들이 모두 입자 물리학과 밀접한 관련이 있다는 것이며, 이 문제에 대한 해결책은 우주 관측보다는 고에너지 이론과 실험에서 나올 수 있다.

 

2. 빅뱅 이론

이번 시간에는 흔히 빅뱅 이론이라고 불리는 가장 잘 알려진 빅뱅 이론에 대해 알아보려고 하는데, 주요 내용은 빅뱅 핵의 합성에 관한 것입니다. 초기 우주에서의 원소 형성 이론은 대폭발 핵합성이다. 우주의 나이는 약 3분 정도로 여겨지며, 핵융합이 일어날 수 있는 온도 이하로 온도가 내려가면서 끝났다. 대폭발 핵합성의 작동 시간이 짧았기 때문에, 그것은 가장 가벼운 원소들로만 구성되었다. 수소 이온(양성자)을 시작으로 주로 중수소, 헬륨-4, 리튬을 생산한 것으로 보인다. 다른 원소들은 아주 적은 양으로 생산되었다. 1948년 조지 가모프, 랄프 애셔 앨퍼, 로버트 허먼에 의해 핵합성의 기본 이론이 개발되었다. 대폭발 핵합성 이론의 경우 초기 우주의 특성과 원시 빛 원소의 풍부함을 연결시켜 주기 때문에 대폭발 당시 물리학의 탐구로 수년째 사용되고 있다. 특히, 그것은 동등한 원리를 시험하고, 암흑 물질을 조사하고, 중성미자 물리학을 시험하는 데 사용될 수 있다. 일부 우주론자들은 또한 대폭발 핵합성이 중성미자의 네 번째 "무균" 종의 존재를 시사한다고 주장한다. 빅뱅 우주론의 표준 모델은 암흑 물질(CDM)과 암흑 에너지와 관련된 람다(그리스어)로 표현된 우주 상수의 차이를 포함하는 빅뱅 우주론 모델의 매개 변수화이다. 이 모델은 종종 빅뱅 우주론의 표준 모델로 언급된다.

 

3. 우주 마이크로파의 배경

이번에는 우주 마이크로파 배경에 대해 알아보겠습니다. 우주 마이크로파 배경은 중성 원자가 처음 형성된 재결합 시대 이후 분리가 남긴 방사선이라고 한다. 이 시점에서, 대폭발에서 생성된 방사선은 톰슨이 전하를 띤 이온으로부터 산란하는 것을 막았다고 한다. 1965년 아노 알렌 펜지아스와 로버트 우드로 윌슨이 처음으로 관측한 방사선은 완벽한 열색성 스펙트럼을 가지고 있었다. 오늘날 온도는 2.7 켈빈이었고 105도의 일부로서 등방성이라고 불린다. 초기 우주에서, 일부 이질성의 진화를 설명하는 이론인 우주론적 섭동 이론은 우주론자들이 방사선의 각 전력 스펙트럼을 정확하게 계산할 수 있게 했다. 현대에는 위성 실험과 많은 지상 및 각도 스케일 간섭계와 같은 풍선 기반 실험이 우주 배경 이미지 또는 부메랑으로 측정되었다. 이 노력에는 몇 가지 목표가 있는데, 그 중 하나는 대형 폭발 모델의 예측을 테스트하고 CCDM 모델의 기본 매개 변수를 증가된 정확도로 측정하여 새로운 물리학을 찾는 것이다. 예를 들어, WMAP에 의한 측정 결과는 중성미자 질량으로 제한된다. 새로운 실험 예를 들어, QIET와 Atacama Cosmology Telescope와 같은 것들은 우주 마이크로파 배경의 편광을 측정하려고 계속 시도한다. 이러한 측정을 통해 우리는 이론과 우주 팽창 및 상호 작용에 대한 정보에 의해 우주 마이크로파 배경을 가진 은하와 은하단 사이에서 발생하는 것으로 보이는 수냐예프-젤도비치 효과와 삭스-울프 효과와 같이 일반적으로 2차 이방성이라고 불리는 것에 대한 추가 정보를 기대한다.