- 망원경의 발전 우주에 대한 인류의 관심은 고대부터 줄곧 이어져 왔다.갈릴레오를 기점으로 그 이전에는 눈만으로 밤하늘을 관측했다.지금으로부터 약 400년 전인 17세기인 1608년 네덜란드에서 한스 리퍼세이 등이 굴절망원경을 발명했다.갈릴레오는 이후 망원경을 개선하여 천문학 관측에 사용하였으나 1609년 ‘목성의 위성’, ‘달의 반점’, ‘태양의 흑점’ 등을 발견하고 코페르니쿠스의 지동설을 입증함으로써 천체에 대한 인식의 대전환이 시작되었다.
- 그동안 지구가 중심이라는 천동설을 굳게 믿어왔으나 여러 천체에 대한 관측 결과로 인해 지구는 태양을 도는 위성임이 밝혀지면서 천동설에서 지동설로 인류는 점차 천체의 운동에 대해 눈을 뜨기 시작했다.
- 갈릴레오에 이어 인류 최대의 천재 중 한 명인 아이작 뉴턴의 등장으로 천체의 움직임에 대해 더 잘 이해하게 됐다.아이작 뉴턴은 1687년 ‘Principia’에서 고전역학과 만유인력의 기본 원리를 제시했다.뉴턴은 케플러의 행성 운동 법칙과 그 중력 이론 사이의 지속성을 증명하는 방법으로 어떻게 지구와 천체 위의 물체가 운동을 하는지 증명했다.
- 뉴턴은 운동 법칙을 설명하기 위해 미적분이라는 수학적 기법을 도입했고, 이항 전개 공식을 도입해 원주율 π를 쉽고 빠르게 계산하는 방법을 제시했다.그 이전 망원경은 볼록렌즈와 오목렌즈를 조합한 망원경을 제작했지만 빛을 모으는 역할을 하는 대물렌즈를 거울로 바꿔 반사망원경을 제작했다.굴절망원경은 구면수차와 색수차의 문제점이 있었으나 반사망원경은 이러한 빛의 수차를 해결할 수 있는 장점이 있었다.1668년 뉴턴은 처음으로 실용적인 반사 망원경을 발명했다.
1672년에 만들어진 뉴턴의 두 번째 반사 망원경 [출처: 위키백과]
1773년 이후에는 일반 렌즈의 색수차를 줄일 수 있는 색소렌즈(achromaticlens)가 발명되어 굴절망원경의 성능이 획기적으로 개선되었다.하지만 현재 기술로 유리렌즈를 가공해 만들 수 있는 최대 크기는 약 1m 정도에 불과하기 때문에 현대에 만들어진 대부분의 대형 망원경은 모두 반사망원경으로 제작됐다.
20세기 이후부터는 가시광선뿐 아니라 다른 파장의 빛(전파에서 감마선까지)을 관측할 수 있는 일반적인 전자파 망원경도 개발됐다.최초의 전파망원경은 1931년 칼 장스키에 의해 발명됐으며 1960년대 이후부터는 적외선을 탐지할 수 있는 센서가 개발되면서 적외선망원경도 개발되기 시작했다.
2. 허블의 우주팽창론 1905년 뉴턴 이후 최대 천재로 알려진 알베르트 아인슈타인이 특수상대성이론을 발표했다.그는 당시 스위스 특허청에 근무하고 있었는데 시계 동기화를 하는 기계에 대한 특허를 많이 접하고 있었다.19세기 말에 전 유럽을 연결하는 철도망이 건설되고 있었는데, 각국의 철도역에서 기차의 도착과 출발에 관한 시간을 동기화해야 했다.그러나 당시 각 유럽 국가들은 서로 다른 시간 체계를 사용하고 있었는데, 이를 해결하기 위한 다양한 아이디어가 특허로 출원됐다.이 가운데 전자기 현상(빛)을 이용해 시계를 동기화한다는 아이디어가 있었는데, 이런 일련의 자료들이 아인슈타인에게 영감을 준 것으로 보고 있다.
알베르트 아인슈타인(1879년 3월 14일~1955년 4월 18일) 그 당시 그는 브라운 운동, 광양자가설, 질량-에너지 등가원리 등에 관한 일련의 논문을 발표하였고, 1915년 중력을 상대론적으로 다룬 일반 상대성이론을 발표하였다.질량이 있는 큰 물체는 큰 중력이 있고 주변 공간은 이로 인해 휘어진다는 이론이다.이를 수식적으로 표현하면 이하의 수식과 같다.
아인슈타인의 장방정식(우주방정식)
방정식의 왼쪽 변은 시공간의 기하학적 정보, 즉 시공간이 얼마나 휘어져 있는지를 나타내고 오른쪽 변은 물질(에너지)의 분포를 보인다.특히, 오른쪽 변의 우주 상수인 훙레이는 우주가 정상 상태인 것으로 보이기 위해 추가된 항구였다.아인슈타인은 우주가 정상 상태로 유지해야 한다는 믿음이 매우 컸기 때문이다.1900년대 초반까지만 해도 우주는 팽창하지도 수축하지도 않는 정상상태라고 믿었기 때문이다.
1921년부터 에드윈 허블은 당시 최대 망원경이 있던 윌슨 산천 무대에서 근무하기 시작했다.윌슨 산 천문대는 미국 캘리포니아주 로스앤젤레스에 위치한 천문대다.1923년 허블이 안드로메다 성운을 관측하고 있었는데, 이때 세페이드형 변광성을 이용하여 안드로메다 성운까지의 거리를 추정하였다.그가 계산한 거리는 지구에서 약 90만 광년으로 한국 은하의 지름 길이인 10만 광년보다 훨씬 먼 거리였다.이로써 당시 큰 논란이 됐던 안드로메다 은하에 대한 논쟁이 종식됐다.즉 안드로메다 은하가 한국 은하에 속하는 것이 아니라는 것이다.
에드윈 허블(1889년 11월 20일~1953년 9월 28일) 이후 1929년까지 허블은 휴메이슨 등과 같이 46개 은하의 적색 편이를 측정하고 관측한 은하의 데이터를 속도와 거리를 축으로 하는 그래프 상에 나타냈다.이후 1931년 더 멀리 있는 은하를 측정했고, 이제 그는 우주가 팽창하고 있음을 증명했다.이는 고무풍선 두 점을 따서 바람을 불어 넣으면서 팽창시키면 두 점 사이의 거리가 점점 멀어진다는 사실을 알 수 있다.이 때문에 허블은 우주가 팽창하고 있다고 주장했다.또 아인슈타인도 윌슨 산 천문대를 방문해 본인의 우주 상수 도입이 잘못됐다고 인정했다.즉 아인슈타인도 우주가 팽창한다는 측정 결과를 인정하게 된 것이다.
허블은 천문학 분야에서 엄청난 결과를 얻었지만 허블은 노벨상을 받지 못했다.이는 당시 노벨 물리학상 수여 기준이 보수적이었고 천문학적 업적에 대한 고려가 미비했기 때문이었다.
3. 빅뱅 이론과 우주 배경 복사가 점점 팽창하고 있다는 사실에서 시간을 과거로 되돌리게 되면 우주는 점점 작아지고 결국 아주 작은 하나의 덩어리가 될 것으로 추정할 수 있다.이러한 논리로부터 우주는 처음부터 쭉 있었던 것이 아니라 아주 먼 옛날 어느 날 태어나 오늘날까지 팽창을 계속해 온 것으로 가정할 수 있으며, 이러한 가설에서 빅뱅, 즉 대폭발 이론의 출발점이 되었다.
허블의 관측 결과와 프리드먼, 르메트르의 연구를 토대로 1956년 러시아 출신의 미국 물리학자 조지 가모프가 “초기 우주는 고온 고밀도 상태이며 급격히 팽창했다.우주의 온도가 1초일 때 100억℃, 3분 뒤 10억℃, 100만년 뒤 3000℃가 됐다는 내용의 논문을 발표했다.
조지 가모프(1904년 3월 4일~1968년 8월 19일)에 정상 우주론 옹호자인 프레드 호일이 방송에서 “팽창 우주론이 맞다면 우주는 콰콰콰캉!!(Big Bang)하면서 태어났겠지”라고 조롱하면서 빅뱅 이론이라는 이름이 붙게 됐다.
1948년 미국의 물리학자 랄프 엘퍼와 로버트 허먼은 “초기 우주의 흔적인 복사건(우주 배경 복사)이 우주 어딘가에 남아 있으며 그 온도는 영하 268℃(5K)일 것”이라는 빅뱅 이론을 뒷받침하는 이론적인 논문을 발표했다.
이 같은 우주 배경 복사는 우연한 실험을 통해 측정됐다.1964년 벨연구소의 펜지어스와 윌슨 등은 초단파 무선통신으로 장거리통신에 대해 실험 중이었는데 안테나에서 잡음(7.35㎝ 파장, 진동수에서는 4,080MHz)이 발생하는 것을 측정했다.초기에는 잡음으로 생각하고 이 잡음을 없애기 위해 수많은 노력을 했지만 결국 제거할 수 없다는 사실을 알게 됐다.이 잡음은 절대온도 3.5±1.0K 정도의 온도에 해당하는 파장이며 하늘 전방위에서 골고루 날아오고 있는 우주배경복사인 것으로 나타났다.
애노 앨런 펜지어스(1933년 4월 26일)와 로버트 우드로 윌슨(1936년 1월 10일) 우주배경복사는 우주나이 약 38만 년 때 우주의 물리적 상태에 대한 정보를 담고 있는 오래된 화석이라고 할 수 있다.그 당시 팽창해 식었던 우주의 온도는 약 3000K 정도로 떨어진 상태였고 자유롭게 날아다니던 전자는 양성자와 헬륨원자핵에 달라붙어 중성원자를 형성하기 시작했다.이 시기를 빛의 분리 시기(decouplingera) 또는 재결합 시기(recombinationera)라고 한다.우주배경복사의 세기는 그 세기를 가진 흑체의 온도로 표현할 수 있지만 우주배경복사의 온도는 하늘의 어느 방향에서 측정해도 거의 일정한 것으로 확인됐다.이를 우주 배경 복사의 등방성(isotropy)이라고 한다.
이 우주 배경복사의 발견은 빅뱅 우주론이 정상 우주론을 제압하는 결정적 역할을 했으며, 이 둘은 이 발견으로 1978년 노벨 물리학상을 수상했다.
4. 인공위성으로 우주배경복사 측정 4.1. COBE 인공위성 펜지어스와 윌슨은 우주배경복사의 등방성(우주의 모든 방향에서 같은 세기에 온다는 사실)은 밝혀냈지만 우주배경복사가 비등방성(우주의 위치에 따라 다른 복사선 파장)을 갖는다는 증거를 찾아내야 했다.그러기 위해서는, 보다 정밀한 수준으로 우주 배경의 카피를 조사할 필요가 있었다.1970년대 초반 관측은 1/100 차이까지 감지할 수 있었으나 방향에 따른 파장 차이가 관측되지 않았다.이 이유는 공기 중 수분이 약한 초단파를 방출하고 있었기 때문에 이 변동을 지상 관측으로 찾아내는 것은 불가능했다.따라서 이 문제를 해결하기 위해서는 공기가 희박한 대기권 상층으로 올라가 관측해야 한다.
캘리포니아 버클리대의 조시 스무트는 열기구와 U-2 정찰기를 이용한 고공 관측을 시도했다.하늘 한쪽에서 오는 우주 배경 복사가 반대편에서 오는 우주 배경 복사보다 1/1000 정도 긴 파장을 가진다는 것을 발견했다.그러나 이는 우주 배경 복사의 차이가 아니라 지구 운동에 따른 도플러 효과로 나타나는 현상이라는 것이 밝혀졌다.
따라서 대기권 밖에서 관측해야 한다는 사실을 알게 된 스무트는 NASA에 인공위성을 이용한 우주배경복사 프로젝트를 제안했고 우주배경탐사선(COBE, cosmic backgroundexplorer) 프로젝트가 시작됐다.우여곡절 끝에 1989년 11월 18일 COBE를 실은 로켓이 발사됐다.
이듬해 COBE 위성은 다양한 지점의 우주배경복사를 관측해 스펙트럼 분포가 흑체복사의 특성과 완전히 일치함을 밝혔다.COBE 위성은 그 온도가 정확히 2.728±0.002K로 나타났다.이 온도는 현재 우주의 온도라고 할 수 있다.
COBE 인공위성과 COBE가 측정한 배경복사 스펙트럼
COBE가 첫 2년간 관측한 전 하늘의 우주 배경 복사의 온도 편차를 나타낸 지도를 보면, 빨간색 영역은 평균보다 1/10만 정도 높은 지역을 나타내고, 파란색은 온도가 낮은 지역을 나타낸다.이는 빅뱅 38만 년 후 우주의 구조를 보여준다.이런 공로로 조지 스무트와 존 마쉬는 2006년도에 노벨 물리학상을 받았다.이후 빅뱅 우주론은 대부분의 과학자에게 지지를 받는 가장 유력한 이론이 됐다.
4. WMAP 인공위성 WMAP(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe윌킨스 마이크로파 비등방성 탐사위성)는 우주론의 창시자였던 데이비드 윌킨스의 이름을 딴 것이다.2001년부터 2010년까지 COBE 위성의 임무를 이어받아 보다 높은 정밀도의 우주 배경 복사를 측정했다.
이런 아이디어는 1995년 제안됐고 1996년 채택돼 1997년 개발이 승인됐다.WMAP 우주선은 2001년 6월 30일 케네디 우주센터에서 발사됐다.
태양을 보지 않고 전체 하늘을 보기 위해 라그랑주점 L2 주변의 경로를 6개월 주기로 1.0도에서 10도 사이의 리사주 곡선을 따라 공전했다.마이크로파 대역인 K-band, Ka-band, Q-band, V-band, W-band 등에서 23GHZ~94GHz까지 방대한 대역폭을 기반으로 정밀한 우주 배경복사를 측정했다.이렇게 측정한 데이터를 지구로 보냈다.2003년 2월 11일 NASA는 WMAP의 데이터를 발표했다.
WMAP 인공위성이 측정한 우주 배경 복사
WMAP 관측 자료를 토대로 우주 방정식에 대입하면 주요 우주론적 계수가 계산된다.앞으로 우주가 공간적으로 평탄하고 나이는 약 137억 년이며 전체 에너지 중 우리 눈에 보이는 물질(우리가 이해하는 물질)은 불과 4%에 불과하며 이 중 대부분은 수소와 헬륨이 차지하고 있고 나머지는 암흑 에너지와 암흑 물질이 각각 76%와 20%를 차지하고 있는 것으로 나타났다.암흑 에너지는 중력의 반대 성질을 가지고 있어, 현재 우주의 가속 팽창에 대한 원인으로 생각되고 있다. –암흑 물질은 은하 주변을 둘러싸고 있다고 예상되는가.눈으로 관측되지 않기 때문에 직접적인 관측 자료는 없다.은하 곳곳에 퍼져 있는 암흑물질은 은하수 안에 있는 모든 별의 질량을 합친 것보다 10배나 큰 것으로 추정된다.
4.3. PLANK 인공위성 프로젝트는 1996년경 시작되었으며, 처음에는 COBRAS(cosmic backgroundradiationanisotropysatellite) 또는 SAMBA(satelliteformeasurement of backgroundanisotropies)로 불렸으나, 후에 흑체복사의 공식을 도출한 독일의 물리학자 막스 플랑크를 기리기 위해 그의 이름을 딴 것으로 명칭이 변경되었다.
플랭크 인공위성은 2009년부터 2013년까지 유럽우주국(ESA)이 운영한 우주망원경이다.이 위성은 2009년 5월 발사돼 2009년 7월 라그랑주 L2 지점에 도달하면서 마이크로파와 적외선 주파수 관측을 시작했다.플랭크 위성팀의 최종 논문은 2018년 7월에 발표되었다.플랭크 위성이 측정한 결과는 WMAP 결과에 비해 상당히 개선됐다.
플랭크 위성이 측정한 우주 배경 복사
계산 결과에 따르면 우주의 총질량-에너지는 원자로 이루어진 보통물질 4.9%, 원자가 아닌 정체불명의 암흑물질이 26.6%, 그리고 우주팽창을 이끄는 정체불명의 힘인 암흑에너지가 68.5%로 이루어진 것으로 측정됐다.그리고 우주의 나이는 이전까지 알려진 137억년보다 조금 늘어난 138억년으로 계산됐다.
우주 배경 복사 탐사가 중요한 이유는 무엇일까.우주 배경 복사 지도는 우주론을 연구하는 학자들에게 매우 중요한 지도이다. 왜냐하면 천체 물리학자는 우주 배경 복사 정보와 다른 우주 관측 자료를 결합하여 우주의 여러 성질을 파악하고 있기 때문이다.
예를 들어 온도가 약간 높은 지역과 반대로 낮은 지역의 크기와 온도를 비교하면 초기 우주의 인력 세기를 살펴볼 수 있고 물질이 얼마나 빨리 쌓이게 됐는지를 추측할 수 있다.또 얼마나 많은 물질과 암흑물질, 암흑에너지가 우주를 구성하고 있는지도 추정할 수 있다.
최근 플랭크 위성 관측 결과는 빅뱅 이론과 급가속 팽창(inflation) 가설을 담은 현대우주론 표준 모형을 더욱 정밀한 수준에서 재확인했다는 평가를 받고 있다.또한 마이크로파 온도가 전 우주에서 볼 때 매우 미세한 차이를 나타내고 있으며, 이러한 차이는 은하의 탄생과 분포를 확인시켜 주고 있다.
인공위성으로 측정된 우주배경방사 정확도 향상