[궁금한 S] 풀리지 않은 오랜 수수께끼…우주 탄생의 비밀

[앵커]
과학에 대한 모든 궁금증을 풀어주는 <궁금한 S> 시간입니다. 현재 우리가 사는 광활한 우주는 어떻게 탄생했을까요?

이는 인류가 가진 가장 원초적인 질문일 텐데요. 우주 탄생을 설명하는 가장 타당한 이론은 무엇일지 지금 바로 화면으로 만나보시죠.

[이효종 / 과학 유튜버]
빅뱅. 우주의 탄생이 '대폭발'에 의해서 시작되었다는 이론입니다. 우주가 어느 한 점에서 폭발해서 지금까지 계속 팽창해왔다는, 현대 우주론 패러다임의 가장 유력한 후보이죠.

작은 한 점이 어떻게 오늘날의 우주가 된 것일까요? 오늘은 우리의 우주가 어떻게 탄생했는지에 대해 궁금한 S와 함께 들여다보도록 하겠습니다.

과학자들이 빛을 보고 우주를 관찰한 방법은 바로 빛의 스펙트럼을 통해서였는데요.

허블은 적색편이를 바탕으로 우주를 관찰해 우주가 당겨지면서 은하들의 거리가 멀어지고 있으며 우주는 점점 팽창하고 있다는 사실을 밝혀냅니다. 이런 허블의 법칙은 우주라는 공간 자체가 팽창하고 있다는 사실을 암시하는 증거이자, 동시에 우주가 얼마나 오랫동안 팽창했는지, 즉, 우주의 나이를 계산할 수 있는 역사적인 발견이었습니다. 그렇다면 팽창하는 우주를 거꾸로 되돌리면 어떻게 될까요? 우주의 크기는 점점 작아져 하나의 점으로 모이게 되겠죠? 우주의 시작이 된 이 한 점을 우리는 '최초의 특이점'이라 부릅니다.

이 점에서 우리의 우주가 폭발적으로 탄생했다고 하는 이론! 그것이 바로 오늘날의 '빅뱅 이론'의 시작입니다. 이 너무나도 작디작은 하나의 점에서 모든 물질과 에너지들은 나타났습니다. 빅뱅이 시작된 순간으로부터 아주 짧은 시간인 10⁻⁴⁴ 제곱만큼의 시간인 플랑크 시기 동안, 우리는 그 속에서 무슨 일이 일어났는지 알 방법이 없습니다.

우리가 알고 있는 것은 그 시간 동안 우주의 온도는 무려 10³²℃만큼의 온도를 가지고 있었다는 사실이지요. 태양의 중심부의 온도가 약 1,600만℃이니, 플랑크 시기 동안 우주의 온도는 무려 태양 중심부의 약 6조X1조 배 정도로 뜨거웠으며, 이렇게 뜨거운 온도 속에서는 모든 물질과 힘이 뒤죽박죽 얽혀있을 수밖에 없었습니다. 이윽고 이 뜨거운 우주가 점차 식어가면서 자연스럽게 중력과 강력, 약력, 전자기력이 순서대로 분리되면서 마치 액체가 기화하듯 서로를 속박하던 힘들이 분리되어 자유로워진 우주는 기존에 가지고 있던 팽창 속도와는 차원이 다를 정도로 급격한 팽창이 일어나게 됩니다.

바로 이 10⁻³⁵초부터 10⁻³²초까지의 급격팽창 기간을 우리는 인플레이션 시기라고 부릅니다.

하지만 여전히 우주는 뜨거웠고, 이 시기에 형성되기 시작한 쿼크들과 전자, 그리고 다양한 렙톤들은 서로 결합하지 못하고 수프처럼 표류해 다닐 수밖에 없었어요. 팽창이 꾸준히 진행되는 동안 우주는 계속해서 식어 갔고, 10¹³℃까지 식게 된 시점으로부터 쿼크들은 서로의 짝을 맞춰 결합하기 시작합니다.

이들은 곧 최초의 양성자와 중성자를 만들게 됩니다. 시간이 더욱 흘러 우주는 10⁸℃만큼으로 식게 되었고 드디어 양성자와 중성자가 강력에 의해 하나가 되는 일이 일어나게 됩니다. 중성자가 양성자에 들러붙어 무거워졌다고 하여 붙여지게 된 이름 중수소 핵이라는 원자핵이 서로 융합하여 최초의 헬륨 핵을 만들어낸 것도 이 시기에 일어난 일이죠.

그러나 우주의 온도가 너무 높아서 우주를 표류해 다니는 전자의 운동이 매우 빨랐기 때문에, 아직까지는 전자들이 핵에 붙잡힐 수 없었어요.

그로부터 약 1억 년이라는 시간이 흐르게 되고 우주 온도가 –200℃까지 식는 과정 속에서 우주 속을 표류하고 있던 전자가 드디어 수소 핵과 만나게 되면서 최초의 수소 원자, 그리고 최초의 헬륨 원자들이 생성되기 시작합니다. 핵과 전자 사이를 방황하며 떠돌아다니는 빛알들이 우주 공간으로 빠져나오게 되면서 최초의 빛이 우주를 타고 뻗어 나가게 되며, 이윽고 가장 처음으로 떨어져 나왔던 중력이 초기 수소들과 헬륨을 하나로 묶기 시작했습니다. 이 과정에서 최초의 수소-헬륨으로 이뤄진 구름이 만들어졌죠.

이는 곧 최초의 별, 1세대 별을 만들기 시작합니다. 별의 내부에서는 뜨거운 열에 의해 핵융합이 진행되어 점점 더 큰 원자들을 만들어내기 시작했고, 자신의 에너지 팽창을 감당하지 못하는 별들은 초신성이라는 형태를 통해 폭발하게 되면서 사방으로 무거운 원자들을 흩뿌리게 되었습니다. 이 원자들이 차갑고 고요한 우주 속에 다시 중력에 의해 만나 전자기력에 의해 결합하고 또 우연한 외부의 에너지공급을 통해 서로 얽히게 되면서 세상에 존재하는 다양한 분자들을 만들게 되었죠. 이러한 일이 무려 15억 년이라는 시간 동안 끊임없이 반복되며 지금의 은하와 우주를 만들게 되었다는 것. 이것이 바로 빅뱅으로부터 현재 우주의 탄생을 설명하는 커다란 줄기입니다.

오늘은 우주가 탄생하게 된 가장 유력하고도 합리적인 이론체계, 빅뱅 이론에 대해 알아보았습니다. 하지만 우리는, 우리가 사는 이 우주에 대해, 관측 가능한 부분이 고작 4.9%밖에 되지 않는다는 사실에 직면해버리고 말았습니다.

또 '우주는 왜 폭발했는지?' '우주가 점점 커진다면 우주 밖에는 우주를 둘러싼 공간이 존재하는 것인지?'에 대한 비밀 등, 모르는 것이 너무나 많습니다. 우리는 단지 조금씩 그 비밀을 풀어보기 위해, 계속해서 의문을 던질 뿐이겠죠? 그럼 <궁금한 S>는 여기서 이만 인사드릴게요.

과학에 대한 궁금증이 있다면 언제든 ytn 사이언스 유튜브에 글을 남겨주세요. 이상 <궁금한 S>였습니다!