우주 마이크로파 배경복사란 대폭발 이론의 결정적 증거가 되며 우주의 모든 영역으로부터 날아오는 저에너지 파장입니다. 이 배경복사는 대폭발이 일어난 직후의 상황에 대한 정보를 제공해 줍니다. 우주 마이크로파 배경복사는 1964년 아노 펜지어스와 로버트 윌슨이 처음으로 확인했으며 천문학 역사에서 가장 유명한 스토리 중 하나입니다. 이에 대해 알아보도록 하겠습니다.
우주 마이크로파 배경복사의 발견
우주 마이크로파 배경복사의 발견 스토리는 천문학 역사에서 가장 유명한 스토리 중 하나입니다. 1964년 뉴저지의 벨연구소에서 일하던 두 물리학자 아노 펜지어스와 로버트 윌슨은 전파 천문 관측을 위해 사용될 새 고감도 안테나를 테스트하고 있었습니다. 그러던 중 그들은 그 안테나가 약하지만 지속적인 배경 신호를 감지하고 있음을 알게 되었습니다. 전파 잡음을 유발할 수 있는 모든 원천, 심지어 비둘기 오물에서 발생하는 방사능까지 조사한 뒤, 그들은 이 잡음이 자연적인 것이고 모든 영역으로부터 오는 것이라고 결론 내렸습니다.
비록 이 두 전파 천문학자들은 몰랐지만, 우주론자들은 이러한 신호를 공간의 아주 작은 한 점으로 압축돼 있던 우주가 상상할 수 없을 정도로 높은 온도로 달구어져 발생한 대폭발의 자연스러운 결과로 예측했습니다. 수십억 년이 지난 지금, 이러한 복사의 잔해들이 우주의 모든 영역(가장 먼 별들과 은하들 너머, 그리고 관찰 가능한 우주의 끝부분)으로부터 우리에게 도달해야만 합니다. 펜지어스와 윌슨의 발견 소식을 프린스턴의 물리학자 로버트 디키가 알게 되었고, 그는 이것이 오랫동안 찾아 헤맸던 배경복사라는 사실을 확인했습니다.
배경복사는 극초단파 영역에 존재하는 짧은 파장을 가지는 전파이며, 그 복사는 물리적으로 가능한 가장 차가운 온도인 절대영도보다 불과 섭씨 2.73도(화씨 4.9도) 높은 섭씨 영하 270.4도(화씨 영하 454.7도)를 보여줍니다. 이렇게 낮은 온도는 복사의 파장이 늘어나는 적색편이의 결과인데, 이것은 배경복사의 원천이 빛에 가까운 속도로 우리로부터 멀어질 때의 도플러 효과로부터 기인하는 것입니다. 이 복사는 우주의 '마지막 표면 산란(우주가 대폭발 이후 대략 40만 년이 지난 후에 투명하게 되는 순간)'을 표시하는데, 그런 이유로 이것은 우리가 창조의 순간 그 자체를 볼 수 없도록 막는 벽을 형성합니다.
마이크로파, 한 가지 문제점?
배경복사의 발견은 대폭발 우주론의 승리로 묘사됐지만, 천문학자들은 곧 한 가지 문제에 봉착했습니다. 우주에서 오는 마이크로파는 획일적이고 균일하게 보였는데, 이는 이 마이크로파가 복사 압력이 팽창하는 불덩어리 전체에 아원자 입자들의 분포를 균일하게 유지하던 시기로부터 온 것이었다면 당연했을 것입니다. 그러나 이 마이크로파는 오늘날 모든 규모에서 확실히 균일하지 않은 우주의 초기 모습을 나타내 줘야만 했습니다. 은하들은 은하단과 초은하단 안에 덩어리 지어 모여 있는데, 이들은 거대하고 텅 빈 우주 공간의 모서리 주변에 시트와 필라멘트를 형성합니다. 현재 수십억 광년 떨어져 있고 시간적으로도 수십억 년이나 된 거대 규모의 우주 구조가 존재한다는 사실을 설명할 수 있을 만큼 이렇게 빨리 매끄러운 초기 우주가 물질 덩어리로 발전하는 것은 불가능해 보였습니다.
