대폭발 우주론의 증거

• 팽창하는 우주 : 적색 편이, 허블 법칙
• 우주 배경 복사 : 우주의 모든 방향으로부터 같은 강도로 들어오는 전파 →대폭발이 일어나고 약 38만 년이 지난 후 원자가 생성되면서 빠져 나온 빛이 우주가 팽창하는 동안 점점 식어서 약 2.7 K의 온도에 이르게 되었음. 현재 이 온도에 해당하는 복사가 우주의 모든 방향에서 검출됨
• 수소와 헬륨의 비(3 : 1) : 수소와 헬륨의 질량비가 대폭발 초기 우주의 비율과 잘 맞음

적색 편이

v=H₀R
H0는 허블 상수라고 하며, 최근 측정값은 70.8+-1.6km/s/Mpc이다.

우주가 지금과 같은 속도로 팽창해 왔다고 가정하면 허블 상수의 정확한 측정을 통해 우주의 나이를 추측할 수 있다.

• 우주 나이 빅뱅 ~ 10^-43초 : 플랑크 시간(Planck time)

하이젠베르크의 불확정성 원리에 따라 계산된 물리학이 정의할 수 있는 최소의 시간단위. 플랑크 시간보다 짧은 시간에 대해서는 어떠한 설명도 할 수 없다.

플랑크 시간이란 플랑크 단위로 알려진 시간 단위로, 광자가 빛의 속도로 플랑크 길이를 지나간 시간을 말한다. 물리적으로 의미가 있는 측정할 수 있는 최소의 시간단위이다.

이 시기의 우주는 약 10^-33 cm정도의 크기였다.

• 우주 나이 10^-43 ~ 10^-35초 : 대통일 이론 시대(GUT era)

당시 우주의 온도 약10^27도. 원자핵도 존재할 수 없는 온도로, 빛과 입자의 원료들이 뒤섞인 형태의 에너지만이 존재한다. 물리학의 4가지 기본 힘인 중력, 전자기력, 약력, 강력 중에서 중력을 제외한 나머지 3가지 힘은 이 시기에 대통일력으로 통합되어 존재했을 것으로 추정하며, 이 시간을 대통일 이론 시대라고 부른다.

• 우주 나이 10^-35 ~ 10^-32초 : 급팽창(Inflation)

이 시기에 우주는 짧은 시간에 지름기준 10⁴³배정도, 부피로는 10¹²⁹ 배의 엄청난 팽창을 겪는다(지수 함수적 팽창 조건의 경우). 이러한 급팽창은 우주의 에너지가 상태를 바꾸는 일종의 상전이현상(수증기가 물로 바뀌는 것처럼 물질의 성질이 바뀌는 현상)을 겪으며 강력이 대통일력에서 분리되며 시작되었을 것으로 추정된다.

• 우주 나이 10^-32 ~ 10^-4초 : 강입자의 시대(Hardron era)

쿼크로 구성된 최초의 강입자의 탄생. 위 쿼크와 아래 쿼크가 모여 양성자(up+up+down)와 중성자(down+down+up)가 탄생. (양성자=수소 원자핵)

• 우주 나이 10^-4 ~ 1 초 : 입자와 반입자의 탄생 
• 우주 나이 1 초 ~ 3 분 : 빅뱅 핵합성(Big Bang nucleosynthesis)

우주의 온도는 100억도~1억도 정도까지 낮아진 상태로, 양성자간의 결합 작용, 즉 수소 핵융합 반응이 일어나는 환경이다. 그 결과로 전 우주에서 다량의 헬륨이 생성되었다.

• 우주 나이 3 분 ~ 38만 년 : 입자와 반입자의 쌍소멸, 입자만 남게 됨
• 우주 나이 38만 년 : 재결합(Recombination)

우주는 팽창하던 중 특정 온도(약3000도)까지 낮아지는 순간, 우주 전체에서 원자핵들이 자유전자와 결합하는 현상이 일어난다(재결합이라는 용어는 사실 적절한 단어가 아니다. 우주 역사상 최초의 핵-전자 결합이기 때문이다.). 

그와 함께 단위 부피당 입자수는 절반으로 줄고, 입자들과의 충돌로 자유롭게 움직이지 못하고 있던 빛이 분리된다. 이 때 방출된 빛은, 우주 팽창에 역행하며 우주의 역사에 해당하는 시간동안을 움직여, 지구에 도달한다. 이 빛은 매우 큰 적색편이를 겪어 우리에게 미미한 에너지를 보이는 복사로 보인다. 이 때 방출된 전파는 지금도 텔레비전을 틀었을 때, 없는 채널일 경우 잡히는 화면에 노이즈 형태로 볼 수 있다고 한다. 이론적으로 예측된 이 빛을 우주배경복사라 불렀다.

• 최초의 별(first star)과 은하의 생성

당시 우주에 존재하던 원소들인 수소와 헬륨이 매우 많이 밀집된 곳에서 태양 질량의 수백 배에 이르는 무거운 별들이 탄생. 이 무거운 별들은 100만 년 정도의 짧은 수명이 지난 후 초신성 폭발과 비슷한 큰 폭발로 최후를 맞으며 자신이 핵융합을 통해 생성한 무거운 원소들을 우주에 뿌렸다.

• 우주 나이 38만 년 ~ 4억 년 : 암흑의 시대(Dark Era)

비슷한 시기에 생긴 별들이 비슷한 시기에 폭발로 우주에 에너지를 방출하자, 그 에너지가 재결합 때 이루어진 양성자와 전자의 결합을 분리시켰다. 이로 인해 수억 년간 별과 은하를 만들지 못하는 시기가 지속되었다.

• 우주 나이 4억 년 ~ 137억 년 : 항성 / 은하 / 성운 / 행성 등의 발달
• 우주 나이 137억 년 : 현재의 우주

대폭발 우주론의 최근 문제

암흑물질에 대한 규명은 수십 년간 계속 되었으나 관측이 어려워 증명되지 못한 문제였다. 암흑 물질에 대한 이론이 발전함에 따라 스위스 물리학자 츠비키는 거대 은하단이 유지되기 위해서도 암흑 물질이 필요하다는 이론을 발표하였다. 발견한 은하의 질량에 의한 중력으로는 은하단의 암흑 물질이 필요하다는 이론을 발표하였다. 발견 된 은하의 질량에 의한 중력으로는 은하단의 회전 운동을 유지할 수 없다는 계산 때문이었다. 그리고 2011년에는 엑스레이 촬영을 통해 은하단 내의 암흑 물질을 발견했다는 학계의 보고가 있었다. 이 물질은 눈으로 보이는 은하의 양의 2배이고 밀도는 낮으며 온도는 약 100만도에 이른다고 한다.

암흑 에너지에 대한 존재 확인 역시 수십 년간 계속되었으나 증명되지 못한 문제였다. 그런데 2011년에는 두 가지 첨단 기법을 이용해 암흑 에너지의 존재를 발견했다고 한다.