빅뱅우주론은 원소의 기원을 설명하는데, 여기서 가장 어려운 문제는 탄소를 비롯한 무거운 원소들이 ‘어디서 왔는가’하는 문제였다. 이 문제는 프레드 호일(Fred Hoyle)이 무거운 원소들이 별 속에서 생성된다는 사실을 밝혀내면서 풀리게 되었다.
더 나아가 우주배경복사의 발견으로 빅뱅우주론은 정상상태 우주론보다 확실한 우위에 서게 되었다. 하지만 이것으로 빅뱅우주론에 대한 검증이 모두 끝난 것은 아니다. 오히려 본격적인 빅뱅이론의 검증이 시작된 것이다. 학자들은 나름대로의 이론을 토대로 정상상태 우주론과 빅뱅모델을 토대로 논쟁을 벌였다.
다만 빅뱅우주론은 빅뱅으로 급격히 팽창하는 우주에서 어떻게 우주의 거대구조인 은하단이나 은하들이 형성할 수 있도록 진화했는지를 밝혀내야 한다. 왜냐하면 이미 호일은 대폭발로 우주가 팽창하고 있다면 은하와 같은 물질 덩어리가 만들어 질 수 없다고 주장한 바 있기 때문이다.
우주배경복사는 특정한 천체가 아니라 우주공간의 배경을 이루며 모든 방향에서 같은 강도로 들어오는 전파를 말한다. 우주의 팽창이 대폭발에서 시작되었다는 우주론에 의해 예언된 것인데, 등방성의 문제가 제기되기도 했으나 인플레이션 이론으로 해결되었다.
우주배경복사가 우주의 모든 방향에서 같은 세기로 온다는 등방성을 알아내면서 문제가 해결되는듯 했으나, 우주의 어떤 부분에서 오는 복사선이 다른 부분에서 오는 복사선과 약간 다른 파장을 갖는 이른바 ‘비등방성’을 갖는다는 증거는 찾지 못했다.
그래서 1970년대 이를 위해서 조금 더 정밀한 수준에서 우주배경복사가 조사되었다. 당시의 관측은 100분의 1(1/100)차이까지 감지할 수 있었으나, 방향에 따른 파장의 차이가 관측되지 않았다. 그래서 정상우주론자들은 처음부터 그러한 차이는 존재하지 않았다고 빅뱅우주론을 공격했다.
즉 100분의 1(1/100) 이하의 수준에서는 변동할 가능성이 남아있지만, 공기 중의 수분이 약한 초단파를 방출하고 있었기 때문에 이 변동을 지상 관측으로 찾아내는 것은 불가능한 일이었다. 따라서 이 문제를 해결하기 위해 공기가 희박한 대기권 상층으로 올라가서 관측해야 했다.
그래서 나온 것이 바로 우주배경복사 탐사선(Cosmic Microwave Background Explorer; COBE) 프로젝트이다. 미국항공우주국(NASA)에서 진행된 프로젝트인데, 1989년 11월 18일 이 탐사선을 실은 로켓이 발사되었다. 그리고 이듬해 이 위성은 다양한 지점의 우주배경복사를 관측하여 현재 우주의 온도를 밝혀내는데 성공했다.

우주배경복사 탐사가 중요한 이유

그렇다면 우주배경복사 탐사가 중요한 이유는 무엇일까. 우주배경복사의 지도는 우주론을 연구하는 학자들에게는 아주 중요한 지도이다. 왜냐하면 천체물리학자의 경우, 우주배경복사의 정보와 다른 우주 관측 자료를 결합하여 우주의 여러 성질을 알아내고 있기 때문이다.
예를 들어 온도가 약간 높은 지역과 반대로 낮은 지역의 크기와 온도를 비교하면 초기 우주의 인력 세기를 알아낼 수 있고, 물질이 얼마나 빨리 쌓이게 되었는지 추측할 수 있다. 우주배경복사로부터 얼마나 많은 물질과 암흑물질, 암흑에너지가 우주를 구성하고 있는지도 추정할 수 있다.
COBE는 대단한 성공을 거두었지만 학자들은 여기서 만족하지 않고 이보다 더 민감한 장치를 실은 위성을 지구궤도에 올려 더욱 정밀한 관측을 수행하고 있다. 그리고 올해 역사상 가장 정밀한 우주 지도가 완성되었다. 지난해 10월 활동을 마감한 플랑크(Planck) 위성의 관측 자료로 만들어진 지도이다.
유럽우주국(ESA)의 플랑크 위성은 2009년부터 2013년까지 약 4년여 동안 우주 공간에서 우주 초기 빛의 흔적인 우주배경복사를 정밀하게 관측하였다. 그리고 그 자료를 보내왔는데, 최근 플랑크위성 공동연구단이 프랑스에서 이와 관련된 기자회견을 열어 발표했다.

표준우주론 재확인하는 계기가 되기도

이번 플랑크위성의 관측 결과는 빅뱅이론과 인플레이션 가설을 담은 현대 우주론 표준모형을 더욱 정밀한 수준에서 재확인했다는 평가를 받고 있다. 이번 결과를 보면 마이크로파 온도가 전 우주로 볼 때 편광 성질과 마찬가지로 매우 미세한 차이를 나타낸다고 한다. (관련링크)
그리고 이런 작은 차이와 은하의 분포, 다른 요인을 연구하면서 우주론 연구자들이 우주를 구성하는 조각을 하나로 맞출 수 있게 되었다. 즉, 우주는 항성과 행성을 이루는 보통물질이 5퍼센트(%), 중력으로 은하를 한데 묶어두는 암흑물질이 27퍼센트(%), 우주 공간을 늘이는 암흑에너지가 68퍼센트(%)라는 표준 우주론이 재확인 된 것이다.
현대 우주론의 표준모형이라는 것을 재확인했다는 이번 결과에 대해서는 크게 두 가진 반응이 있다. 하나는 실제 관측이 이론 예측의 정확성을 확인해주었다는 점에서 이론의 승리라고 보는 시각이고, 또 다른 하나는 우주의 새로운 측면을 연구하게 만들 수 있는 눈에 띄는 이상 현상이 관측되지 않아 아쉽다는 시각이다.
어떻게 보면 이번 결과는 오히려 검출된 신호가 과연 암흑물질과 관련된 것인지 의문을 제기할 만한 것이다. 그래서 만약 플랑크 위성의 관측과 그에 대한 해석이 맞다면, 암흑물질 입자를 검출했다고 말할 수 있는 근거는 지금보다 더욱 정교해야 한다. 암흑물질 검출 성공의 문턱이 지금보다 더 높아질 수 있음을 의미한다.

빅뱅 후 6~7억 년 뒤 우주배경복사 관측 성공

우주배경복사를 관측하는 것은 이처럼 아주 중요한 일이다. 지난 11월 한국천문연구원은 미국항공우주국(NASA)와 일본우주항공연구개발기구(宇宙航空研究開発機構)등과 함께 근적외선을 이용하여 초기 우주에서 나온 우주배경복사를 관측하는데 처음으로 성공했다는 내용을 발표하였다. (원문링크)
앞서 설명했듯 우주배경복사는 별이나 행성, 은하를 제외한 모든 우주 공간의 모든 방향에서 날아오는 전자기파를 말한다. 그래서 주파수가 아주 짧은 마이크로파 영역에서부터 가시광선과 적외선 영역까지 다양하게 발생하는데, 한국천문연구원 연구팀은 근적외선 영역을 관측할 수 있는 카메라 시스템 개발에 참여했다.
미국항공우주국의 과학로켓인 사운딩 로켓(Sounding Rocket)에 이 카메라를 설치하고 2009년부터 2013년까지 총 4차례 발사해 로켓이 400~500킬로미터(km)까지 날아가는 15분 동안 우주배경복사를 집중적으로 관측하였다. 우주 초기에 물질과 별이 생성되면서 발생한 것이 우주배경복사이기 때문에 별빛에 방해를 받지 않는 어두운 우주 공간에서 관측해야 한다.
연구팀은 총 4차례 관측을 통해 얻은 데이터에서 먼지가 반사한 태양빛 등의 잡음을 제거하는 정밀 분석을 거쳤다. 그리고 우주배경복사의 공간적 분포를 확인할 수 있었는데, 이번에 연구진이 관측한 자료는 우주대폭발 이후 6~7억 년이 지난 자료였다.
연구진의 관측 결과, 이때의 우주배경복사는 균일하지 않았고 예측했던 것보다 밝다는 사실이 밝혀졌다. 빅행 후 30만 년 경의 초기우주배경복사가 모든 방향에서 균일했던 것과는 다르게 별과 은하가 생긴 뒤에는 우주배경복사의 분포가 달라졌다는 사실도 함께 알려졌다.