우주 배경 복사 (Cosmic Microwave Background Radiation)

 

 

우주 배경 복사란 과거 뜨거운 우주로부터 에너지가 전파형태로 남아있는 것을 말합니다. 우주가 과거에 뜨거웠고, 매우 균일한 상태라는 사실을 알려주는 증거로 빅뱅 우주론의 이론적 받침이기도 합니다. 우주 배경 복사는 광학 망원경으로 관찰하기 어려우며, 전파 망원경으로 우주 배경 복사를 관측할 수 있습니다. 

 

1. 기원

대폭발에 의해 우주가 생성되고 우주 내에는 별의 내부처럼 고밀도의 고온 균일한 플라즈마로 채워져 있었습니다. 우주를 가득 채운 전자들이 지나다니는 광자를 흡수하고 방출하기를 반복했기 때문에 빛의 직진이 불가능하여 투명하지 못했습니다. 그러나 우주가 팽창하기 시작하면서 온도가 낮아지게 되었습니다. 지속 팽창하여 우주의 나이가 38만년이 되자 온도가 3,000k까지 내려갔고 전자가 원자핵에 속박되어 전기적으로 중성인 원자가 처음으로 생성되었습니다.

 

지구에서 관측되는 우주 배경 복사는 과거 뜨거웠던 우주로부터 온 빛이기 때문에 과거의 특성을 추측할 수 있습니다. 우주 배경복사는 우주의 나이에 가까운 거리에서 온 빛이 우리에게 적색편이된 상태로 보입니다. 만약에 우주가 유한하다면 우주배경복사는 더이상 관측되지 않을 것이고 이를 이용하여 우주의 사이를 측정할 수 있습니다.  

 

2. 특징

우주 배경 복사는 우주의 모든 방향에서 절대온도 2.725K로 균일하게 관측됩니다. 이러한 균일성은 우주가 균일 등방하다는 우주론의 대전제를 증명하는 증거가 됩니다. 그리고 먼 과거에는 우주가 하나의 점으로부터 시작했다는 것을 알 수 있습니다. 또, 우주 배경 복사는 초기 우주의 온도 분포 정보를 그대로 담고 있어서 우주의 곡률을 추정해볼 수 있습니다. 물리적으로 계산해보면 우주의 곡률은 거의 0에 가까우며 이는 우주가 휘어져 있지 않고 평탄하다는 사실을 알 수 있습니다.

 

우주 배경 복사는 우주 전체의 복사 에너지의 대부분을 차지하고 있습니다. 우주 배경 복사의 양이 매우 많기 때문에 우주에 존재하는 모든 은하와 항성들의 복사에너지를 합쳐도 우주 배경 복사를 넘지 못합니다. 또한, 우주 배경 복사로 인해 우주의 온도를 유지시킬 수 있습니다. 우주의 특정 구역이 아무리 온도가 낮다 해도 별다른 특성이 없는 한 우주 배경 복사의 온도보다 내려가지 않습니다.

 

3. 발견

우주 배경 복사를 최초로 발견한 사람은 벨 연구소의 아논 앨런 펜지어스와 로버트 우드로 윌슨입니다. 1964년에 두 사람은 고감도 6미터의 혼 안테나로 전파를 측정하고 있었습니다. 측정 중 전파 간섭을 최대한 없앴으나 의문의 잡음이 존재한다는 것을 확인했고 그 잡음이 특별한 것임을 깨달았습니다. 그리고 프린스턴 대학교의 천체 물리학자 로버트 헨리 딕, 짐 피블스, 데이비드 토드 윌킨슨은 대폭발의 에너지에 대해서 연구하고 있었습니다. 그 사실을 펜지어스가 접하여 그들이 발견한 것이 예사롭지 않다는 것을 깨닫고 발견했던 사실을 알려주었습니다. 그래서 프린스턴 연구팀은 이를 대폭발의 신호라고 해석하여 우주 배경 복사를 정의했습니다.