우주의 구조와 팽창, 물질의 탄생은 어떻게 이루어질까?

◆ 거대한 우주의 구조는 어떤가?

밤하늘의 별들이 속해있는 우주. 우주는 무엇으로 이루어져 있을까요. 그 구조상 제일 커다란 것을 필라멘트라고 합니다. 필라멘트는 마치 전구 속에 있는 심지의 이름인데요. 이와같은 이름인 우주의 필라멘트는 은하군단들이 서로 사슬처럼 층을 이루어 얽혀 있습니다. 

 

이 필라멘트의 지름의 크기는 무려 1억광년 이라고 하지요. 인간의 머리로는 대체 얼마나 큰 크기인지 가늠조차 되질 않습니다. 또한, 구조에는 필라멘트 외에 보이드라는 것도 있는데, 이것은 필라멘트 사이 사이의 공간을 말하지요.  

 

 

우주는 세세한 지역별 구조를 보면 균일하지 않지만, 전체적인 면에서 살펴보면 균일하다고도 볼 수 있습니다. 거미줄과 같은 필라멘트 안에 있는 각각의 은하들은 중력붕괴로 인해서 생성되었지요. 초창기 우주의 커다란 빅뱅이 일어난 후 이 필라멘트와 보이드는 생긴 것으로 추측되고 바로 우주의 밀도가 점차 변화하면서 그 모습을 드러내었습니다. 

 

우주는 필라멘트와 보이드로 구성되어졌습니다. 

 

◆ 우주가 서서히 팽창되어가는 모습 

은하의 스펙트럼을 보면 도플러 효과로 인해서 적색편이가 보인다고 합니다. 이 얘기는 지구와 은하들간의 거리가 점점 더 멀리 벌어지고 있다는 것을 얘기하지요. 더 멀리 있는 은하일 수록 그만큼 더 빨리 멀어져 간다는 사실입니다. 

 

실로 우주가 점점 팽창되어 가면서 은하들은 서로 떨어져 있게 되지요. 예를 들면, 풍선이 커질수록 그 위에 체크한 표시들도 점점 서로간에 멀어져 갑니다. 허블상수를 가지고 측정시에는 1백만 광년에 초속 약 22킬로미터의 속도라고 하네요. 

 

 

이러한 천문학적 계산을 만들어낸 허블상수는 에드윈 허블이 그런 상관관계를 얻어냈습니다. 앉은 자리에서 은하와의 거리를 재는 방법인데 정말 기발하지요. 천문학의 계산은 알면 알수록 더 오묘함에 빠져드는 것 같습니다. 

 

이 시간에도 우주는 가공할 속력으로 팽창되고 그에따라 은하들끼리도 계속 멀어지는 단계를 지속하고 있지요. 연예인이나 재벌걱정은 참 쓸데없는 걱정이듯이, 우주가 저렇게 계속 멀어지면 어떡하지 하는 괜한 걱정까지 해보게 됩니다. 

 

허블은 허블상수로 은하와의 거리를 측정했지요.

 

 

◆ 우주 에너지의 폭발인 빅뱅

빅뱅은 워낙 많이 들어본 말들이라 낯설지는 않습니다. 유명 보이 아이돌 그룹의 이름이기도 하지요. 느낌은 그야말로 갑작스런 에너지 폭발을 떠올립니다. 우주에서는 우주의 팽창에 관한 이론으로, 양자물리학이나 일반상대성이론들로 설명되지요. 

 

우리의 우주는 거의 138억년 전에 탄생되었고 그 상태는 엄청 고온으로 조밀한 모습으로 생각됩니다. 물질의 창조뿐만 아니라 시간 및 공간까지도 탄생시켰지요. 마치 종교계에서도 유일한 절대신이 세상을 만들었다는 말과도 엇비슷합니다. 

 

 

역사가 몇천년밖에 되지 않는 갸날픈 인간의 머리로, 대우주의 탄생을 상상해본다는게 솔직히 우스운일이지요. 수백억년전에 무엇이 어디에 어떻게 존재했었는지 어떻게 정확히 알수 있을까요? 하지만, 우주의 붕괴라는 사건들을 토대로 빅뱅은 설명될 수 있습니다. 

 

우주를 설명하려면 양자이론과 물리학의 법칙까지 총동원되어야 가능한 법이지요. 빅뱅 이론 또한 근 50년 이상을 우주의 탄생과 기원에 대해서 아직까지는 잘 설명되는 모형임에는 틀림없습니다. 우주 초기의 상태는 그야말로 아무것도 없는 "무"라는 상태이지요. 

 

"무"라는 것이 상상도 힘들고 설명도 어렵습니다. 빅뱅으로 튕겨져 나온 자그마한 입자들이 조금씩 모여서 가스가 되고 이것이 가스구름이 되고, 냉각과 소멸 등의 형태로 수 백만년 뒤 이런 구름들이 점점 은하를 형성했을 것으로 예상되지요. 

 

우주나이 140억살, 빅뱅이 물질탄생의 시초!

 

◆ 물질의 탄생은 어디서 기원하는가

아무것도 없는 암흑의 우주에서는 어떻게 물질을 만들었을까요. 이는 초기의 입자들이 서로간의 접촉으로 생성과 소멸을 반복하게 되었지요. 이러면서 에너지를 일부 내뿜게 됩니다. 먼지 같지도 않은 입자들이 존재와 비존재를 거치면서 살게되었습니다. 

 

질량이 제법 되는 입자들은 쿼크, 반쿼크라고 하고, 질량이 이보다 가벼운 입자들을 렙톤, 반렙톤이라고 합니다. 이중에서 쿼크와 렙톤입자가 온도와 결합하면서 아주 적은 량의 물질들로 탄생하지요. 이런 물질들이 우주팽창과 차가운 환경들과 만나면서 점차 결합을 하게 됩니다. 

 

 

쿼크들이 모이면서 양성자와 중성자의 형태를 갖추게 되었지요. 이렇게 양성자는 수소의 핵이 되고, 양성자와 중성자가 합쳐져서 헬륨의 핵이 됩니다. 이런 과정이 수십만년이 되는 동안 원자핵과 전자는 팽창하면서 불투명하고 뜨거운 상태가 유지되지요. 

 

이로써, 우주에는 물질이라고 하는 수프와 같은 덩어리들이 점점 늘어나게 되었습니다. 

 

쿼크와 랩톤이 결합해 점점 수프가 되어감.

 

◆ 캄캄한 우주는 4억년 동안

빅뱅이 탄생한후 약 40만년이 지나자 우주는 그야말로 칠흑과도 같은 어둠의 세계로 진입했습니다. "분리"라고 하는 이 사건으로 시작된 것이지요. 이때는 밤하늘에 반짝이는 별이 하나도 없는 시대입니다. 이런 기간이 무려 4억년 동안이나 계속되었지요. 

 

빅뱅 초기는 뿌연 안개와 같은 나날이 계속되었다가 빛을 잃은 암흑기를 거치게 된것입니다. 어둠 속에서는 이제 별들과 은하가 서서히 만들어지고 있었던 것이죠. 우리가 잠을 자려고 두 눈을 감고 있으면 아무것도 안보이면서 눈 앞이 캄캄합니다. 

 

얼마나 답답한가요. 금방이라도 숨이 막혀 버릴것만 같습니다. 이런 기간이 4억년이 계속된다면 과연 어떨까요? 눈을 감았을때 컴컴한 것과 눈을 떳는데도 어두워서 아무것도 안보일때는 현상은 같아도 느낌은 천지차이입니다. 우주는 그런 답답함을 잘도 견뎌낸, 참을성 대단한 녀석이군요.