우주의 형성과 형성하고 있는 물질

 

1. 우주의 형성

BICEP2 협력의 천문학자들은 2014년 3월 17일 팽창 이론에 의해 빅뱅의 초기 단계에서 발생할 것으로 예측되는 원시 중력파의 증거로 간주하고 있는 CMB의 B-방식(B-mode) 편광을 정확히 탐지를 발표했다. 그러나 그해 말 플랑크 위성의 공동 작업을 통해서 우주 먼지에 대한 보다 정확한 측정을 제공하여 먼지의 B-방식 신호가 BICEP2에서 보고된 것과 동일한 강도라는 결론 내려졌다. BICEP2와 플랑크 위성 데이터의 공동 분석이 2015년 1월 30일 발표되었고 유럽 우주국은 이 신호가 우리은하의 성간 먼지에 전적으로 기인할 수 있다고 발표했다. 거대구조의 형성과 진화를 얘기하기 위해서는 구조 형성을 이해하기 위한 또 다른 도구는 시뮬레이션이 존재한다. 이는 우주론자들이 은하 필라멘트, 초은하단 및 거시 공동으로 뭉쳐지는 우주 물질의 중력 응집을 연구하는 데 사용된다. 대부분의 시뮬레이션에는 차가운 암흑물질만을 포함하고 있으며, 이는 우주에 보이는 중입자 물질보다 암흑물질이 훨씬 더 많다는 점을 감안하면, 우주를 가장 큰 규모로 이해하는 데 충분하기 때문이다. 이후 보다 발전된 시뮬레이션은 중입자를 포함하여 개별 은하의 형성을 연구를 시작했고, 우주론자들은 은하 측량에 동의하는지 확인하고 불일치를 이해하기 위해 이러한 시뮬레이션을 연구하고 있다. 가장 크고 가장 오래된 구조의 형성과 진화를 이해하는 것은 현재 우주를 이해하고 알아가려는 우주론에서 가장 큰 노력 중 하나라고 볼 수 있다. 우주론자들은 작은 물체가 먼저 형성되는 구조가 아래에서 위로 형성되고, 초은하단과 같은 가장 큰 물체가 여전히 조립되는 동안의 계층적 구조 형성 모델을 연구하고 있다.

 

2. 우주의 구조

우주의 구조를 연구하는 방법의 하나는 우주에 있는 은하의 3차원 그림을 구성하고 물질 파워 스펙트럼을 측정하기 위해서 가시 은하를 조사하는 것이다. 이러한 것을 우리는 '슬론 디지털 전천탐사'와 2dF 은하 적색편이 탐사의 접근 방식이라고 부른다. 먼 우주의 재이온화와 물질 분포를 측정하고 조사하기 위해 다른 보완적인 관측에는 다음과 같은 것들이 있다. 우주론자들이 가스에 의한 먼 퀘이사로부터의 빛의 흡수를 측정함으로써 우주론에 대한 민감한 테스트를 제공하는 것들로 초기 우주에서 중성 원자 수소 가스의 분포를 측정할 수 있게 해주는 라이먼-알파 숲, 중성 원자 수소의 21센티미터 흡광선을 얘기한다. 그중 약한 중력렌즈 효과라는 것도 있는데, 이는 암흑물질로 인한 중력렌즈 효과에 의한 원거리 이미지의 왜곡이라고 보면 된다. 이런 것들은 우주론자들이 우주의 구조가 언제 어떻게 형성되었는지에 대한 문제를 해결하는 데 도움이 될 것으로 보인다. 중력파란 빛의 속도로 파동으로 전파되는 시공간 곡률의 잔물결이라고 보면 된다. 근원에서 바깥쪽으로 전파되는 특정 중력 상호 작용에서 생성된다. 중력파 천문학의 경우에는 중력파를 사용하여 중성자별, 백색 왜성, 블랙홀로 구성된 쌍성계, 감지할 수 있는 중력파 소스를 통한 초신성들과 같은 사건과 대폭발 직후 초기 우주의 형성 등에 대한 관측 데이터를 수집하는 것을 목표로 하는 관측 천문학의 새로운 분야이다. 최근 2016년에는 새롭게 개발한 장비들로 블랙홀의 별의 충돌에서 발생하는 최초의 중력파 관측에도 성공했다고 한다.

 

3. 우주의 구성 물질

우주의 구성 물질을 추가로 설명해보고자 한다. 첫 번째로는 암흑에너지에 대한 얘기를 해볼 것인데, 우선 간단한 설명을 먼저 해보자면, 우주가 평평하다면 우주 에너지 밀도의 73%(23%의 암흑물질과 4%의 중입자 외에)를 구성하는 추가 구성 요소가 있어야 한다. 이것을 암흑 에너지라고 한다. 대폭발 핵합성과 우주 마이크로파 배경을 방해하지 않기 위해서는 주 입자와 암흑물질과 같은 헤일로에 무리를 주어서는 안 된다. 우주의 전체 에너지 밀도는 우주의 평탄도에 대한 제약을 통해 알려져 있기 때문에 암흑 에너지에 대한 강력한 관측 증거가 있지만 군집 물질의 양은 엄격하게 측정되며 이보다 훨씬 적다. 암흑 에너지의 경우는 1999년에 더욱 강화되었는데, 그때 측정 결과 우주의 팽창이 점진적으로 가속화되기 시작했음이 입증되었다. 오직 하나의 우주만 존재하고, CC를 우리가 관찰하는 것을 값으로 하기 위해 제한하는 몇 가지 기본 원칙이 있는데, 단 하나의 우주만 존재할 것이며 CC를 수정하는 기본 원칙은 없지만 운이 좋았던 것 같다. CC 값의 범위를 가진 많은 우주가 (동시에 또는 직렬로) 존재하며 그중에서도 우리의 우주는 생명을 유지하는 우주 중 대표적인 우주 중 하나이다. 암흑 에너지에 대한 다른 가능한 설명해준 한가지는 가장 큰 규모의 중력 변형 또는 퀸트에센스를 포함한다. 이론에 따라 달라지는 암흑 에너지의 상태 방정식에 의해 이 모형들이 설명하는 암흑 에너지의 우주론에 대한 영향을 미친다. 암흑 에너지의 본질은 우주론에서 가장 어려운 문제 중 하나로 아직도 얘기되고 있다. 암흑 에너지에 대한 더 나은 이해와 발견들은 우주의 종말의 문제를 해결할 가능성이 높다고 보고 있다. 현재의 우주론적 시대에는 암흑 에너지에 의한 가속 팽창이 초은하단보다 큰 구조가 형성되는 것을 막고 있는데 아마도 빅 립까지 증가할 것인지, 가속이 무한정 계속될 것인지, 아니면 결국 역전되어 열죽음으로 이어질 것인지 이것들도 아닌 다른 시나리오가 나타나 따를 것인지는 알 수 없기 때문이다. 지금까지 우주에 관한 내용들을 말하면서 암흑물질이란 단어를 많이 써왔는데 이는 대폭발 핵 합성, 우주 마이크로파 배경, 구조 형성 및 은하 회전 곡선의 증거는 우주 질량의 약 23%가 비중 입자 암흑물질로 구성되어있으며 그중 4%만이 가시 중입자 물질로 구성되어 있다고 한다. 암흑물질이 잘 알려진 이유는 중력 효과는 은하 주위에 헤일로를 형성하는 차갑고 비방사선 유체처럼 행동하기 때문이다. 암흑물질은 여전히 입자 물리학 특성에 대해서 완전히 알려지지 않은 상태로 남아 있으며, 실험실에서 발견된 적이 없다. 약하게 상호작용하는 무거운 입자, 관측 제약 없이 안정한 초대칭 입자, 액시온 및 거대하고 조밀한 헤일로 물체, 중력적으로 상호 작용하는 무거운 입자와 같은 많은 후보가 있다. 이러한 암흑물질 가설에 대한 대안으로는 브레인 우주론이나 작은 가속도에서 중력의 수정(수정 뉴턴 역학 MOND)로부터의 효과가 있다고 한다.