우주 마이크로파 배경복사? COBE 위성의 문제해결 그리고 WMAP

우주로부터 날아오는 배경복사는 대폭발 이론을 위한 가장 강력한 증거들 중 하나입니다. 1989년부터 1992년까지, 우주 배경복사 탐사 위성 코비는 우주 구조의 형성과 연관 있는 흔적들을 발견했고, 그것을 토대로 여러 문제점을 해결할 수 있었습니다. 천문학자들은 배경복사가 초기 우주의 성질을 탐구하기 위한 소중한 수단이 된다는 것을 알게 됐습니다.

 

우주 마이크로파 배경복사 발견 이후 어떤 문제점이 있었는지 궁금하신 분들은 아래의 지난 글을 참고하시기 바랍니다.

우주 마이크로파 배경복사의 발견 및 문제점

 

 

우주 마이크로파 배경복사 발견 이후 생긴 문제점 해결

저번 글에서 언급했던 문제점의 해결을 위해 1989년 미 항공우주국은 우주 배경복사 탐사 위성인 코비(COBE)를 발사했습니다. 작지만 고감도의 마이크로파 망원경을 탑재한 코비는 여러 해에 걸쳐 모든 하늘의 전파 지도를 작성하도록 설계되었습니다.

 

1992년 코비의 조사 결과가 발표되자 그 내용은 전 세계 신문들의 헤드라인을 장식했는데, 이 결과물들은 한편으로 여러 질문들에 대한 대답을 제시해 주는 것이었지만, 다른 한편으로는 또 다른 의문을 야기했습니다. 코비가 관측한 바에 따르면 배경복사는 균일하지 않았고, 대신 평균 온도를 기준으로 해서 1/100,000 정도의 비율로 온도 차이, 즉 '비등방성'이 광범위하게 나타났습니다. 캘리포니아 주립대학교 버클리 캠퍼스의 조지 스무트와 미 항공우주국 고다드 우주비행센터의 존 매더는 이후 스무트가 '시간의 주름'으로 언급한 것을 발견한 공로로 노벨상을 수상했습니다. 비록 미세하지만 그 차이는 초기 우주가 균일하지 않았다는 것을 보여 주기에 충분했는데, 상대적으로 따뜻한 지역은 물질이 집중돼 있음을 나타내고, 상대적으로 차가운 지역은 물질이 희박함을 나타냈습니다. 이것들은 오늘날의 초은하단, 필라멘트 그리고 텅 빈 공간의 씨앗들입니다.

 

그런데 이것들은 어디서부터 왔을까요? 만약 새롭게 태어난 우주의 강한 복사가 물질을 널리 흩어지게 했다면 대답은 단 하나, 즉 암흑물질 밖에 없습니다. 거의 알려져 있지 않은 이 암흑물질은 복사와 상호작용을 하지 않으므로 우주가 아직 유아기에 머물러 있는 동안 균일하지 않은 덩어리로 합쳐지기 시작할 수 있었을 것이고, 그 이후에 정상 물질이 이미 자리를 잡고 있는 암흑물질의 핵심부 주위에 합쳐지기 시작했으리라 예상할 수 있습니다.

COBE(출처:위키백과)

 

WMAP의 발사

코비의 성공 이후 몇 년 안에, 몇몇 지표에 설치된 망원경과 풍선을 이용한 관측 실험이 배경복사의 미세한 지역들을 자세히 조사했습니다. 그 뒤 2011년, 미 항공우주국은 훨씬 야심 찬 위성인 윌킨슨 극초단파 비등방성 탐사선(WMAP)을 발사했습니다. WMAP는 7년 이상 작동했고, 훨씬 높은 해상도와 큰 민감도로 배경복사를 측정했습니다. 그 측정 결과들을 현재 수용된 우주 진화 모형에 적용함으로써 WMAP 팀은 초기 우주와 현재 우주의 몇 가지 중요한 성질들을 알아낼 수 있었습니다.

 

그 탐사 자료는 우주의 나이를 137.5억 년으로 제시함으로써 허블 우주망원경에 의한 측정값과 상당한 일치를 보였습니다. WMAP의 측정에 의하면, 현재 우주는 4.6%의 정상 물질, 22.8%의 암흑물질 그리고 72.6%의 암흑에너지로 구성돼 있는데, 배경복사가 방출될 당시에는 10%의 뉴트리노를 포함해 22%의 정상 물질, 15%의 전자기 복사 그리고 63%의 암흑 물질이 존재했었고, 암흑에너지는 무시할 수 있을 만큼 적었습니다.

 

2009년, 유럽 우주국은 플랑크 망원경을 발사했는데, 이는 더욱 높은 정확도로 배경복사 지도를 작성하기 위한 것이었습니다. 우주론자들은 앞으로 몇 년간에 걸친 관측 결과들이 초기 우주에 대한 이해를 더욱 향상시킬 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.