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[사이언스] 빅뱅 이전에 더 급격한 폭발이 있었다

미세 조정된 듯한 우주, 빅뱅 이론의 한계를 해결한 '급팽창 인플레이션 가설'

2020.07.20(Mon) 10:51:29

[비즈한국] 60만 수험생들이 수능을 치른 다음날, 평가원은 충격적인 시험 결과에 발칵 뒤집힌다. 놀랍게도 모든 수험생들의 시험 점수가 소수점 아래 자리까지 똑같이 2.7점이 나온 것이다. 시험장에서 커닝한다고 하더라도, 기껏해야 바로 옆 학생의 시험지 정도만 훔쳐볼 수 있을 것이다. 학생들이 답안을 똑같이 작성하기로 공모했다 하더라도, 같은 교실에 있는 학생들끼리만 말을 맞출 수 있을 것이다.

 

그런데 전국의 모든 수험생이 정확하게 똑같은 답안을 제출했다면 이 상황을 어떻게 받아들여야 할까? 누군가 어떤 의도를 가지고 조작했다고밖에 보이지 않는 너무나 부자연스럽고 어색한 상황이다. 놀랍게도 우리 우주 역시 이런 믿을 수 없는 ‘담합’으로 천문학자들을 당황시키고 있다. 

 

우리 우주는 대체 어떻게 지금과 같이 완벽한 모습이 될 수 있었을까? 정말로 누군가 의도적으로 우주를 미세 조정한 걸까? 아니면 단지 운이 좋았던 것일까? 바로 여기에 우주의 기원에 대한 거대한 힌트가 숨어 있다.

 

#너무 완벽해서 말이 안 되는 우주 

 

1964년 운 좋은 두 엔지니어가 우연히 우주 사방에서 쏟아지는 미미한 잡음의 존재를 포착했다. 우주 그 자체에서 쏟아지는 그 잡음의 세기는 절대온도 약 2.7도의 아주 고른 신호였다. 우주  전역에 남아 있는 빅뱅의 잔열, 우주배경복사다. 이는 빅뱅 직후 아주 뜨겁게 들끓고 있던 우주가 꾸준한 팽창으로 인해 아주 차갑고 고르게 식어왔다는 명백한 증거다. 

 

우주배경복사를 보면 하늘 전역이 아주 고르게 절대온도 2.7도라는 일정한 온도로 식어 있다. 우주배경복사는 아주 균질(Homogeneous)한 온도 분포를 갖는다. 겨우 10만 분의 1 수준의 거의 티도 안 나는 아주 미미한 차이만 있을 뿐이다. 마치 우주가 통째로 구석구석까지 골고루 열과 에너지가 퍼진 열적인 평형(Thermal equilibrium)을 이룬 것처럼 보인다. 그런데 이는 너무나 어색한 상황이다.

 

ESA의 플랑크 위성으로 관측한 우주 전역의 우주배경복사 지도. 그림 속 색깔은 상대적인 온도 차이를 의미한다. 평균에 비해 상대적으로 온도가 더 낮으면 파란색으로, 상대적으로 온도가 더 높으면 빨간색으로 표현되어 있다. 하지만 그 차이는 10만 분의 1 수준으로 아주 미미하다. 따라서 우주배경복사는 사실상 거의 완벽에 가깝게 균질하다고 볼 수 있다. 사진=ESA, Planck Collaboration


열은 빛의 속도로 퍼져간다. 빛은 물론 아주 빠르지만 분명 그 속도는 유한하다. 초속 30만 km라는 우주가 정한 규정 속도를 넘지 못한다. 따라서 우주에서 열에너지도 빛의 속도로 우주의 나이만큼 퍼질 수 있는 범위 안에서만 서로 교환될 수 있다. 그보다 더 먼 거리까지는 열이 퍼지지 못한다. 그 거리보다 더 멀리 떨어진 우주의 다른 영역은 충분히 서로 열을 교환하고 온도를 골고루 나눠가질 수 있는 기회가 없다. 

 

뜨거운 빅뱅 모델(Hot Bigbang model)에 따르면, 초기 우주는 온도와 밀도가 너무 높은 나머지 빛과 물질이 서로 분리되지 못한 채 뒤섞인 혼돈의 시기에서 출발했다. 우주가 적당히 팽창하면서 서서히 밀도가 낮아져 입자들이 뭉치기 시작했고, 그 빈 틈 사이로 최초의 빛줄기가 퍼져나오기 시작한 것은 빅뱅 이후 약 38만 년이 흐른 뒤다. 우리가 오늘날 우주 전역에서 보고 있는 태초의 빛의 흔적, 우주배경복사는 바로 이 시점에 처음 퍼지기 시작한 빛이 우주의 팽창과 함께 파장이 길게 늘어진 모습을 보는 것이다. 

 

이 시절은 오늘날에 비해서 우주가 약 천 배 더 작았다. 우주가 골고루 열 교환을 할 수 있었던 것은 바로 이 태초의 빛줄기가 퍼져나오기 시작한 순간 직전까지다. 그 이후로는 우주가 빠르게 팽창하면서 우주의 각 영역을 빠르게 떨어뜨려 놓았기 때문에, 기존 빅뱅 모델의 관점에서는 서로 멀리 떨어지기 시작한 우주의 각 영역이 열 교환을 할 기회가 없다. 만약 지금처럼 완벽하게 우주 전체가 빈틈없이 골고루 열을 교환하려면 빛의 속도가 지금보다 50배는 더 빨랐어야만 가능하다. 

 

관측 가능한 우주 전체와 우주배경복사가 퍼져나오기 직전까지 열을 교환할 수 있었던 초기 우주의 사이즈를 비교한 그림. 그림 속 양 끝에 그려진 작은 두 원을 생각해보자. 서로 다른 방향으로 멀리 떨어진 이 두 영역의 우주는 우주가 빠르게 팽창하면서, 서로의 열과 에너지를 교환할 기회가 없었을 것이다. 따라서 이 두 영역의 온도가 현재 관측되는 것처럼 완벽하게 같을 필요는 없다. 하지만 우리 우주는 완벽하게 균질하다. 이미지=위키미디어


우주가 골고루 열을 나눠가질 수 있었던 마지막 순간(우주의 나이가 38만 년일 때) 열적 평형에 도달했던 우주의 영역은 현재 시점에서 봤을 때 20억 광년 정도 크기로 관측되어야 한다. 이는 지름 약 930억 광년 되는 관측 가능한 가시 우주(observable universe) 전체 크기에 비해서는 훨씬 작은 크기다. 관측 가능한 우주 끝자락에 놓인 이 열적 평형에 이른 20억 광년은 하늘에서 겨우 각크기(angular size) 약 1.5도 너비의 좁은 영역으로 보일 뿐이다. 지구의 하늘에서 보이는 보름달 두세 개 정도의 너비에 불과하다. 

 

즉 단순히 뜨거운 빅뱅 이후 우주가 꾸준히 팽창해왔다면, 우리는 기껏해야 보름달 두세 개 정도 너비 안에서만 온도가 고르게 퍼져 있는 훨씬 덜 균질한 우주배경복사를 봐야 한다. 이 보름달 두세 개 정도 너비에 해당하는 조각 하늘로 사방의 하늘을 다 덮으려고 한다면 약 4만 개의 조각 하늘이 필요하다. 다시 말해서 우리는 각기 온도가 다른 4만 개의 조각 하늘로 채워진 고르지 않은 하늘을 봐야 한다는 뜻이다. 

 

앞서 수험생들의 예처럼, 4만 개의 조각 하늘이 태초부터 서로 완벽하게 담합을 하지 않은 이상 너무나 이해하기 어려운 상황이다. 지나치게 고른 우주배경복사의 온도 분포를 설명하기 위해서는 너무나 어색하고 찝찝한 가정을 할 수밖에 없다. 무슨 이유인지는 모르겠지만 우주는 태초부터 완벽한 열적 평형 상태에 도달해있던 것 같다. 이는 마치 우주가 태초부터 모든 조건이 완벽하게 미세 조정(Fine-tuning)되었다는 다소 비과학적인 결론을 지향하는 것 같다. 대체 왜 우주는 이런 완벽한 균질성을 보이는 걸까? 정말로 누군가 의도적으로 완벽에 가깝게 고른 우주를 만들기라도 한 걸까? 

 

흔히 잘난 척하는 사람들이 던지는 농담처럼 우리 우주도 너무나 완벽하다는 게 최악의 단점이다. 역설적이게도 너무나 완벽해서 문제가 된 이 우주배경복사의 아이러니를 천문학자들은 우주의 ‘지평선 문제(Horizon problem)’ 또는 ‘균질성 문제(Homogeneity problem)’라고 부르며, 오랫동안 빅뱅 모델이 해결하지 못한 새로운 수수께끼 중 하나로 여겨왔다. 

 

#너무 절묘한 우주의 밀도 

 

이뿐만이 아니다. 오늘날 우주를 채우고 있는 물질의 양도 당황스러울 정도로 절묘하다. 현재 우리 우주에 물질과 에너지가 얼마나 높은 밀도로 채워져 있는지를 측정하면 앞으로 우리 우주의 미래를 내다볼 수 있다. 만약 우주가 너무 높은 밀도로 채워져 있다면 우주는 강한 중력으로 인해 팽창이 서서히 더뎌질 것이다. 중력이 우주 팽창의 에너지를 압도하는 이러한 우주를 ‘닫힌 우주(Closed universe)’라고 한다. 만약 우주의 밀도가 너무 낮다면 우주의 팽창은 중력을 거슬러 멈추지 않고 영원히 지속될 수 있다. 중력이 너무 작아서 팽창 에너지가 중력을 압도하는 이러한 우주는 ‘열린 우주(Open universe)’라고 한다. 

 

만약 우주의 밀도가 너무 많지도 너무 적지도 않아서, 물질의 중력이 딱 우주의 팽창과 균형을 유지할 수 있는 이러한 우주를 수학적으로는 ‘평편한 우주(Flat universe)’라고 한다. 그리고 우주의 팽창과 영원히 균형을 유지할 수 있는 이 절묘한 우주의 밀도를 우주의 ‘임계 밀도(Critical density)’라고 한다. 천문학자들은 우주의 은하들의 분포와 우주배경복사 등 다양한 관측을 통해 오늘날 우주에 물질과 에너지들이 얼마나 높은 밀도로 채워져 있는지를 측정한다. (아인슈타인의 그 유명한 E=mc², 물질-에너지 등가 원리에 따라 에너지도 질량으로 환산해 그 밀도를 계산할 수 있다.) 그렇게 측정한 실제 우주의 밀도와 임계 밀도를 비교하면, 우리 우주가 앞으로 닫힌 결말을 향해 갈지 열린 결말을 향해 갈지를 예측할 수 있다. 

 

우주배경복사의 패턴을 통해 우리 우주를 구성하는 물질과 에너지의 밀도를 유추할 수 있다. 우주의 곡률이 열린, 편평한, 닫힌 경우에 우주배경복사 패턴의 미세한 비균질성이 어떤 규모에서 그려져야 할지를 보여주는 그림이다. 이미지=NASA


현재 우리 우주에는 빛을 내는 별과 가스, 그리고 빛을 내지 않는 암흑물질들이 채워져 있다. 우주를 채우고 있는 이런 질량 덩어리들의 밀도는 1㎤3당 수소 원자가 약 1~2개 채워져 있는 정도다. 임계 밀도에 한참 못 미친다. 그래서 한동안 천문학자들은 우주가 열린 우주라고 생각했다. 1998년 이후로 발견된 또 다른 우주를 채우고 있는 중요한 에너지, 암흑에너지의 밀도는 그의 약 2.5배 정도(1㎤당 수소 원자가 약 4~5개) 되는 밀도로 우주를 가득 채우고 있다. 이 물질의 밀도와 암흑에너지의 밀도를 모두 합한, 우주의 모든 구성 요소들의 밀도는 놀랍게도 1㎤당 수소 원자 약 6개 정도에 해당한다. 아주 정확한 임계 밀도에 근접한 값이다. 암흑에너지의 발견으로 오랫동안 커다란 빈 자리로 남아 있던 곳이 채워지면서, 놀랍게도 우리 우주는 거의 완벽에 가까운 평편한 세계가 되었다. 우리 우주는 열리지도 닫히지도 않은 딱 절묘한, 평편한 우주의 모습을 하고 있다.

 

오늘날의 우주가 이처럼 완벽하게 임계 밀도만큼의 물질을 가지려면, 처음부터 그만큼의 물질을 갖고 태어났어야만 한다. 만약 초기 우주가 지금보다 밀도가 살짝 더 높았다면, 우주는 점점 빠르게 수축하여 오늘날의 우주 밀도는 지금보다 훨씬 더 높았을 것이다. 반대로 초기 우주가 임계 밀도보다 아주 살짝 더 밀도가 낮았다면, 우주는 점점 빠르게 팽창하면서 오늘날의 우주 밀도는 지금보다 훨씬 더 낮았을 것이다. 

 

볼링공을 정중앙으로 굴리기 위해서는 처음부터 아주 정확하게 트랙의 정중앙으로 볼링공을 떨어뜨려야 한다. 우주의 편평도 문제는 끝이 뾰족한 연필을 세우는 것으로 비유하기도 한다. 아주 살짝만 연필이 기울어져 시작되어도, 곧 연필은 쓰러져버린다. 아주 오랫동안 연필이 쓰러지지 않고 계속 서있으려면 처음부터 아주 완벽하게 연필의 중심을 딱 맞춰서 세워놨어야만 가능하다. 사진=bowlingbliss


우주의 밀도는 시간에 따라 아주 크게 변화하는 예민한 녀석이다. 바닥이 아주 미끄러운 볼링장에서 볼링공을 굴리는 것과 비슷하다. 처음 볼링공을 바닥에 떨구는 그 순간 트랙의 중심에서 아주 살짝만 오른쪽 또는 왼쪽으로 볼링공이 치우치면, 공이 굴러가면서 점점 빠르게 양옆의 가장자리로 휘어지고 결국 트랙 양 옆의 도랑에 빠져버린다. 볼링공을 볼링핀의 정중앙에 맞춰 스트라이크를 치려면, 처음부터 정확하게 트랙의 정중앙으로 공을 굴려야한다. 

 

우주의 밀도가 임계 밀도에 비해서 얼마나 높고 낮은지, 즉 우주가 얼마나 닫히거나 열리거나 또는 얼마나 편평한지를 나타내는 이 우주의 편평도(Flateness)라는 거대한 볼링공은 지금까지 약 138억 년이란 기나긴 세월 동안 트랙을 굴러가고 있다. 처음 이 볼링공이 굴러가기 시작했을 때, 아주 살짝만 한쪽으로 치우쳤더라도 오늘날의 우주는 지금에 비해서 훨씬 닫히거나 열린 모습으로 치우쳐 있어야 한다. 그런데 우주의 볼링공은 너무나 예민해서 한 치의 실수도 용납하지 않는다. 

 

지금처럼 거의 완벽에 가깝게 임계 밀도만큼의 물질이 우주를 채우고 있으려면, 빅뱅 직후 태초의 우주가 거의 10^-62 수준의 아주 작은 오차로 정확하게 임계 밀도로 시작되었어야만 한다. 이러한 우주의 편평도 문제(Flateness problem) 역시 앞서 소개한 지평선 문제처럼 우주가 태초부터 아주 정밀하게 미세 조정되었다는 듯한 착각을 불러일으킨다. 대체 왜 우주는 하필 이런 어색하고 작위적(non-arbitrary)인 모습을 하고 있는 걸까? 

 

빅뱅 이론의 한계를 연구한 물리학자 안드레이 린데(Andrei Linde, 1948~)는 이 때문에 우리 우주는 ‘있을 수 없는(improbable)’ 우주라는 말도 했다. 이처럼 우리는 분명 우주에 살고 있지만, 우주는 있을 수 없는 세상이라는 모순에 빠지게 된다. 

 

#순식간에 모든 문제를 해결한 단 하나의 해결책 

 

최근 일부 급진적인 물리학자와 천문학자 들은 새롭게 봉착한 이 문제 속에 빅뱅 이전의 우주를 볼 수 있는 새로운 열쇠가 숨어 있다고 이야기한다. 

 

우주의 기원 같은 허무맹랑한 주제는 별 관심도 없었던 두 엔지니어가 우연히 빅뱅의 잔열을 포착했던 것과 마찬가지로, 이번에도 전혀 생뚱맞은 사람에 의해 빅뱅의 한계를 단 한 번에 해결하는 놀라운 아이디어가 제시되었다. 

 

물리학자 앨런 구스(Alan Harvey Guth, 1947~)는 오랫동안 발견되지 않은 유령 입자들을 쫓던 실험 입자 물리학자였다. 젊은 시절 구스는 오랫동안 그 존재만 예측될 뿐, 실제로 발견된 적이 없었던 ‘자기 모노폴(magnetic monopole)’이란 입자를 쫓고 있었다. 분명 비로소 완성되었다고 여겨지는, 오늘날의 입자 물리학의 표준 모델은 이 모노폴의 존재를 예견했다. 심지어 우주가 탄생한 순간에 아주 많은 모노폴이 쏟아져 나왔어야 한다고 이야기했다. 하지만 아무리 뒤져봐도 우주에선 단 하나의 모노폴도 발견되지 않았다.​

 

 

자기 모노폴 또는 자기홀극이라고 불리는 가상의 입자를 표현한 그림. 전기의 경우 전하가 +이거나 -인 양성자, 전자와 같은 작은 기본 단위로 쪼개질 수 있다. 그렇다면 자기도 그 ‘자하’가 N극과 S극이 쪼개져 둘 중 하나의 극성만 갖고 있는 가장 작은 기본 단위가 존재하지 않을까? 하지만 아쉽게도 자석은 아무리 작게 쪼개도 N극과 S극이 모두 붙어 있다. 아직 자기 모노폴은 그 실체가 확인되지 않은 가상의 입자다. 이미지=위키미디어

 

난관에 부딪힌 구스는 참신한 핑계 거리를 찾기 시작했다. 모노폴을 찾지 못한 건 실험을 잘못해서가 아니라, 어쩌면 애초부터 우주에 모노폴이 너무 듬성듬성 있기 때문은 아닐까? 아무리 모노폴의 ‘개수’가 많아도 우주가 너무 거대하다면, 결국 모노폴의 분포 ‘밀도’는 너무 낮을 것이다. 초기에 우주가 너무 거대해져서, 너무 지나칠 정도로 빠르게 커져버려서 모노폴의 밀도가 너무 낮게 희석되어 버린 건 아닐까? 

 

실험에 실패한 핑계 거리를 찾던 구스는 놀랍게도, 바로 자신을 변호해주는 그 핑계가 옆 동네 천문학자들을 오랫동안 괴롭혔던 우주의 미세 조정 문제 역시 깔끔하게 해결해준다는 사실을 알게 되었다. 

 

시간에 따라 팽창하며 성장한 우주의 규모를 보여주는 그래프. 우주가 탄생한 직후 1초도 채 되지 않는 아주 짧은 찰나에, 우주의 시공간이 아주 빠르게 급격한 팽창을 겪었다는 인플레이션 이론은 기존의 빅뱅 이론이 설명하지 못한 미세 조정 문제를 깔끔하게 해결한다. 위 그래프에서 보라색에 해당하는 곳이 우주의 급팽창이 벌어진 구간이다. 그래프=University of Massachusetts Amherst


이것이 너무나 급진적인 새로운 가설, 앨런 구스의 인플레이션(Cosmic inflation), 우주 급팽창 이론이다. 말 그대로 아주 짧은 시간 사이에 우주가 지수함수적으로(exponentially) 아주 빠르게 팽창했다면, 빅뱅 이론의 모든 문제가 다 해결된다. 이름에 걸맞게 현대 우주론 분야의 새로운 급격한 팽창을 야기한 인플레이션 모델은 조금씩 위기에 몰리고 있던 고전적인 빅뱅 모델에 산소 호흡기를 달아주었다. 

 

앨런 구스는 모든 것의 시작이라고 생각했던 빅뱅 이전에 빅뱅을 압도하는 더 격렬하고 급진적인 시공의 팽창, 인플레이션이 있었다고 이야기한다. 우리 우주를 탄생시킨 빅뱅은 이 인플레이션으로 찢어질 듯 빠르게 확장되어가고 있는 더 넓은 우주 속에서 터진 수많은 작은 불꽃 중 하나에 불과하다. 구스는 인플레이션이 한 번 시작되기만 하면 걷잡을 수 없이 번져가는 산불과 같다고 이야기한다. 우연히 시작된 이 영원한 인플레이션(Eternal inflati​on) 속에서 피어난 수많은 우주 가운데 하나에서 우리는 살고 있다. 

 

구스의 인플레이션 가설이 기존 빅뱅 모델의 한계를 어떻게 해결해주는지에 대해서는 다음 글에서 더 자세하게 살펴볼 예정이다. 또 인플레이션 가설이 단순히 물리학자들의 수학 속에서만 떠도는 공상이 아니라, 실제 실험과 관측을 통해 입증하는 실험 과학의 영역으로 오는 과정도 함께 추적할 것이다. 

 

놀랍게도 인류는 우주의 거대한 장벽을 조금씩 더듬어가고 있다. ‘빅뱅 이전의 우주’라는 벽은 절대 넘어갈 수 없는 장벽이라고 생각했지만, 알고 보니 그건 벽이 아니라 우리가 다시 열어야 할 문인지도 모른다. 

 

“워낙 오랫동안 꽁꽁 얼어붙은 채로 있다 보니까 이게 이제 무슨 벽처럼 생각하게 됐는데, 사실은 저것도 문이란 말이지. 그래서 이제 이 문을 열고 바깥으로 나가자, 이 얘기야.” 사진=영화 ‘설국열차’ 캡처

 

필자 지웅배는? 고양이와 우주를 사랑한다. 어린 시절 ‘은하철도 999’를 보고 우주의 아름다움을 알리겠다는 꿈을 갖게 되었다. 현재 연세대학교 은하진화연구센터 및 근우주론연구실에서 은하들의 상호작용을 통한 진화를 연구하며, 강연과 집필 등 다양한 과학 커뮤니케이션 활동을 하고 있다. ‘썸 타는 천문대’, ‘하루 종일 우주 생각’, ‘별, 빛의 과학’ 등의 책을 썼다.​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​

지웅배 과학칼럼니스트 galaxy.wb.zi@gmail.com​


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