빅뱅, 우주의 팽창과 나이 알아보기

1.우주의 팽창과 나이

1. 우리 우주는 공간에서 무한할 뿐만 아니라 시간에 대해서도 무한하다. 이 글에서 우리는 현재 우주를 이해하고 있는 한도 내에서 우주의 역사를 간단하게 이야기해 보려고 한다.

시작하기 전에 아주 먼 과거에 우주가 어떻게 생겼는지를 이해했다고 주장하는 사실을 보면 놀라게 될 것이다. 이 글에서는 과학이 이런 작업을 어떻게 가능하게 했는지 이해하는 데 큰 노력을 기울이게 되겠지만 여러분은 아마 그 답의 일부를 알고 있었을 것이다. 공간을 더 멀리 바라본다는 것은 더 먼 과거를 보는 것을 의미하기 때문에 우리는 간단하게 충분히 멀리 봄을 통해 아주 오래전에 존재했던 우주의 일부를 실제 볼 수 있다는 것이다. 다시 말해 망원경은 타임머신과 비슷해서 우리가 우주의 역사를 관측하게 해준다.

 

2. 우주의 나이와 비교했을 때 인간의 수명은 어떻게 될까?

140억 년이란 우주의 나이를 1년으로 압축해 본다고 상상해 보면 1달은 10억 년보다 약간 더 된다. 이런 우주 달력에서 빅뱅은 1월 1일 0시에 해당되면 현재는 12월 31일 자정에 해당된다.

이런 시간의 척도에서 우리은하는 아마 2월에 형성된 듯하다. 여러 세대의 별들이 이어지는 우주 시간 속에서 살다가 죽어가면서 은하들에게 '별원료' 가 풍성해지게 했는데, 그 별 원료로 부터 우리가 사는 지구가 형성되었다.

우리 태양계와 지구는 이 시간척도에서는 9월 이전 또는 실제 45억 년 이전까지는 출현하지 않았다. 9월 하순이 되어서야 지구에 생명체가 출현하게 된다. 그러나 대부분의 지구 역사에서 생물은 초기의 원시강태인 미세한 상태를 유지해 오고 있다. 우주 달력의 척도에서 식별할 수 있는 동물들은 12월 중순이 되어야 나타나게 된다. 초기 공룡은 크리스마스 다음 날 출현하였다. 그리고 우주 척도로 볼 때 아주 잠시 후 공룡은 영원히 멸종되었다. 아마 소행성이나 혜성의 충돌 때문으로 추측된다. 실제로 공룡은 6,500만 년 전에 출현하였지만 우주 달력에서는 어제 일어난 일인 셈이다. 공룡이 멸종된 이후에 털이 있는 작은 포유동물들이 지구에 서식하였다. 6,000만 년 정도 후에 또는 우주 달력에서 12월 31일 오후 9시경에 초기 인류가 걸어 다니기 시작하였다.

 

2. 빅뱅

멀리 있는 은하를 망원경으로 관측하면 전체 우주가 팽창하고 있는 것처럼 보이는데 이는 은하들 사이의 평균 거리가 시간에 따라 증가하고 있음을 의미한다. 이 사실은 은하들이 과거에는 더 가까이 놓여 있었다는 사실을 의미하는 것으로 만일 우리가 과거로 계속해서 돌아간다면 분명히 팽창이 시작되었던 한 점에 도달하게 된다. 이런 시작을 우리는 빅뱅이라 부르고 과학자들은 관측된 팽창률을 이용하여 빅뱅이 약 140억 년 전에 일어났다고 계산한다.

전체적으로 볼 때 우주는 빅뱅 후에 끊임없이 팽창해왔지만 작은 규모에서는 중력이 물질들을 서로 끌어당겼다. 은하들과 은하단 같은 구조들은 중력이 전체적인 팽창을 이겨낸 곳에 형성되었다. 즉 우주는 전체적으로 볼 때 팽창을 계속하는 반면 개개 은하들과 은하단들은 팽창하지 않는다. 우리은하를 포함한 대부분의 은하들은 빅뱅이 일어난 후 수십 억 년 내에 형성되었다.

 

별의 생애

1. 핵융합

핵융합은 가벼운 질량의 원자핵이 부서져서 더 질량이 큰 핵으로 융합되는 과정이다. 별이 핵융합으로 에너지를 만들어낼 수 있는 한 별은 '살아있다'라고 하고, 별이 사용할 수 있는 모든 연료를 다 조신했을 때 '죽었다'고 한다.

최종적인 죽음의 고통 속에서 별은 자신의 질량 중 상당 부분을 내뿜어 공간으로 되돌려 준다. 질량이 큰 대부분의 별들은 초신성이라 불리는 엄청난 폭발로 죽음을 맞이한다. 되돌려지는 물질은 은하 내 별들 사이에서 떠돌아다니는 다른 물질들과 혼합되다가 앞으로 별들과 행성들이 태어날 수 있는 새로운 구름의 일부가 된다. 그래서 은하들은 우주의 재활용공장으로 작용하여 죽어가는 별들로부터 배출되는 물질들을 새로운 세대의 별들과 행성들로 순환하게 만든다. 우리 태양계는 그런 순환이 여러 번 반복되어 형성된 결과이다.

 

2. 별 원료

별 물질의 재활용은 우리의 존재와 한층 더 깊게 연관되어 있다. 서로 다른 나이의 별들을 연구해서 초기우주가 수소와 헬륨의 아주 간단한 화학원소들만 함유하고 있었다는 것을 알아냈다. 우리와 지구는 기본적으로 탄소, 질소, 산소 그리고 철 같은 다른 원소들로 구성되어 있다. 이런 다른 원소들은 어디서 왔을까? 이런 원소들이 별에 의해 만들어지고, 몇몇은 별을 빛나게 하는 핵융합을 통해서 만들어지고, 또 다른 원소들은 별이 삶을 마감하고 나서 폭발을 동반하는 핵반응을 통해 합성되었다는 증거들이 있다

 

우리 태양계가 형성되었을 때인 45억 년 전에는 이미 초기 세대의 별들이 우리은하의 초기 수소와 헬륨들의 2% 정도가 무거운 원소로 변환된 상태였다. 그래서 우리 태양계를 탄생시킨 구름은 98% 정도가 수소와 헬륨으로 구성되어 있었고, 나머지 2%가 다른 원소들로 구성되었다. 이 2%는 아주 작아 보이지만 우리 태양계 내에서 지구를 포함한 작은 암석 행성들을 만들기에 충분했다. 지구에서는 이런 원소의 일부가 생명의 원료가 되었는데 이는 결과적으로 오늘날 지구에 존재하는 아주 다양한 생명이 되었다.

요약해 보면, 우리와 지구를 구성하고 있는 대부분의 물질은 태양이 생겨나기 이전에 살았다가 죽어버린 별들의 일부라 합성된 것이다. 그래서 천문학자 칼 세이건은 우리 인간을 '별 원료'라고 말했다.

 

 

3. 별의 생애와 은하 내 순환

은하수 같은 은하 내에서 중력은 가스나 티끌 구름은 뭉치게 해서 별과 행성들을 형성하게 한다. 별들은 살아 있는 유기물은 아니지만 '생애주기'를 거치게 된다. 중력이 구름에 있는 물질들을 압축하여 중심의 밀도와 온도가 충분히 커진 후 핵융합반응으로 에너지를 방출하게 될 때 한 별이 탄생한다.