뜨거운 빅뱅 모형 (hot big bang model)과 별들의 탄생

안녕하세요. 

천문학과 물리학 이야기입니다. 

스티븐 호킹 박사의 "그림으로 보는 시간의 역사"책을 읽고 있습니다. 원제목은 "The illustrated a brief history of time" 입니다. 오늘의 포스팅은 우주의 기원과 운명편입니다. 

뜨거운 빅뱅 모형 (hot big bang model)

아인슈타인은 일반상대성이론에서 시공이 빅뱅의 특이점에서 시작되었다고 했습니다. 그리고 빅크런치 특이점이나 블랙홀의 특이점에서 종말을 맞이할 것이라고 예측했지요. 

블랙홀 속으로 떨어지는 물질들은 이 특이점에서 파괴가 될 것입니다. 

하지만 양자역학을 고려한다면 물질의 질량이나 에너지는 우주의 나머지 부분으로 환원될 것이며, 블랙홀은 그 내부의 특이점과 함께 증발해서 완전히 사라져 버릴것입니다. 

우주의 극초반 단계에서 중력장이 정말 강해서 양자역학의 효과를 무시할 수 없는 상황에서는 어떠한 일이 벌어질까요? 

실제로 우주에는 시작이나 끝이 있을까요? 만약 있다면 어떤 모습일까요? 

스티븐 호킹박사는 블랙홀의 연구에 매달리면서 우주의 기원과 미래의 운명에 대한 문제에 관심을 가지고 있었습니다. 

그는 시공간은 유한하지만 경계가 없다는 가능성에 대해 언급했습니다. 그 것은 시공간이 출발점, 즉 어떠한 창조의 순간도 가지지 않음을 뜻합니다. 

이른바 뜨거운 빅뱅 모형 (hot big bang model)이라고 알려진 우주의 역사를 이해할 필요가 있습니다. 

이는 프리드만의 모형에 의해서 기술되어지며, 직접적인 우주의 기원을 빅뱅에 둡니다. 우주는 팽창할수록 그 안에 있는 물질이나 복사의 온도가 내려갑니다.  우주의 크기가 두배로 늘어나면 온도는 50%감소하는 형태이지요. 

온도라는 것은 우주 속에 있는 입자들의 평균에너지의 측정치이기 때문입니다. 

이런 우주의 냉각은 우주안에 있는 물질들에게 중요한 영향을 끼치는데요. 

초고온 상태에서는 입자들은 매우 빠른 속도로 움직이기 때문에게 우주의 기초적인 힘들 중 하나인 핵력이나 전자기력으로 서로를 끌어당기는 인력으로 부터 벗어날 수가 있습니다. 

하지만 온도가 내려가버리면 입자들은 서로를 끌어당기며 덩어리를 만들게 됩니다. 

입자의 종류들도 온도에 따라서 달라지게 되죠.  

아주 높은 온도에서는 입자들은 아주 강한 에너지를 띠기 때문에 입자들이 충돌할 때마다 매우 다양한 입자/반입자 쌍이 생성되어 집니다. 이러한 입자들 중 일부분은 반입자와 충돌하여 쌍소멸합니다. 

하지만 대부분은 소멸속도보다 생성속도가 따릅니다. 낮은 온도에서는 출동하는 입자의 에너지도 작아서 입자/반입자 쌍은 덜 빠른 속도로 생성되고 쌍소멸이 생성보다 빠르게 일어나게 됩니다. 

빅뱅의 순간에 우주의 크기는 0이었고 아주 높은 온도로 생각되어 집니다. 우주가 팽창하면서 복사 온도는 내려갑니다. 빅뱅이 일어잔지 단 1초만에 온다는 약 100억도로 내려갔을 것입니다. 

이는 태양 중심부 온도의 1,000배 정도입니다. 우리가 수소폭탄의 폭발을 이용해 얻을 수 있는 온도 정도입니다. 

이 시기에 우주는 대부분 광자, 전자, 중성미자와 그것들의 반입자들로 이루어져 있었을 것입니다. 

우주의 팽창과 원소의 생성 

우주가 계속 팽창하면서 온도는 떨어졌을 것이고  충돌과정에서 전자/반전자 쌍이 생성되는 속도도 쌍소멸에 의해서 파괴되는 속도보다 낮아졌을 것입니다. 

결국 대부분의 전자와 반전자들은 쌍소멸되어 더 많은 광자를 생성하게 되고 소수의 전자들만이 남았습니다. 

빅뱅 후 100초 정도가 지나면 우주의 온도는 10억도로 내려 같을 것입니다. 이 온도에서 양성자와 중성자는 더 이상 강한 핵력의 인력을 벗어날 만큼 충분한 에너지를 가지지는 못합니다. 

따라서 중성자와 양성자는 하나로 결합하여 중수소의 원자핵을 구성합니다. 이어서 중수소의 원자핵은 더 많은 양성자, 중성자와 결합하여 두개의 양성자와 중성자를 가진 헬륨의 원자핵을 만듭니다. 

점점 리튬, 베릴륨등 무거운 원소들이 생성됩니다. 

빅뱅이 일어난지 겨우 몇 시간 이내에 헬륨을 비롯한 원소들의 생성은 정지되었을 것입니다. 그리고 약 100만년 동안 튼 변화없이 우주는 팽창하기만 했을 것입니다. 

마침내 우주의 온도가 수천 도로 떨어지난 전자와 원자핵들의 에너지는 그들 사이에 작용하는 전자기력을 이길 수 없게 됩니다. 그리고 전자와 원자핵이 결합해서 원자를 형성하기 시작합니다. 

은하가 형성이 되고 시간이 흐르면서 은하 속의 수소와 헬륨 가사는 작은 구름들로 분리되어 자체 중력으로 붕괴할 것입니다. 

별들의 탄생 

그리고 이 구름들이 수축하면서 그 속에 있던 원자들이 서로 충돌하게 되고 가스의 온도가 높아짐에 따라 핵융합 반응을 일으킬 수 있는 온도까지 상승하게 됩니다. 

이 반응을 수소는 헬륨으로 변환하게 되고 방출된 열은 압력을 높히게 되어 구름은 더 이상 수축을 멈춤니다. 

가스 구름은 이런 상태에서 태양과 같은 별로 오랜 기간 동안 안정을 유지합니다. 

수소를 태워서 헬륨을 만들고 그 과정속에서 발생한 에너지를 열과 빛의 형태로 복사하게 됩니다. 

핵융합 반응이 끝나면 별들은 조금씩 수축하게 되고 헬륨을 탄소나 산소와 같은 보다 무거운 원소들로 변환시키기 시작합니다. 

그리고 별의 중심부는 중성자별이나 블랙홀과 같은 고밀도 상태로 수축하게 될 것입니다. 

가끔은 초신성(supernova)라는 엄청난 폭발을 일으키기도 합니다. 

태양과 지구 그리고 인류의 탄생 

태양은 앞서 폭발한 초신성들의 잔해로 이루어진 회전하는 가스 구름으로부터 생성된 제 2세대나 3세대 별입니다. 

가스의 대부분은 태양을 형성하거나 날아가 버리지만, 무거운 원소들 가운데 소량은 모여서 지구와 같은 태양주위를 도는 행성들을 형성하였을 것입니다. 

지구도 처음에는 아주 뜨겁고 대기는 없었을 것입니다. 

시간이 흐르면서 지구가 냉각되어지고 암석에서 분출되는 가스로부터 대기가 형성되어 집니다. 그 대기속에는 산소가 없고 황화수소처럼 인간에게는 해로운 가스들이 포함되어 있습니다. 

하지만 이런 환경속에서도 번성할 수 있는 원시 생명체들이 있었을 것이고 바다 속에서 원자들이 우연히 결합함으로써 거대분자라고 부는 더 큰 구조를 형성한 결과 발전한 것으로 생각되어집니다. 

이 분자들은 바다 속에 있는 다른 원자들을 모아 비슷한 구조를 만들 수 있었고 이런 식으로 재생산되면서 증식하고 진화했을 것입니다. 

초기 원시 생명체들은 황화수소들을 섭취하고 산소를 배출하였으며 이 과정속에서 점차 대기의 조성이 오늘날과 같이 변화했을 것이고 여러가지 생물체들을 탄생시키면서 오늘날 인류와 같은 고등 생명체가 출현하게 된것으로 생각되어 집니다.