바이셉2프로젝트에 참여하고 있는 연구자들.
왼쪽부터 Clem Pryke, Jamie Bock, Chao-Lin Kuo, John Kovac. (AP=연합뉴스DB)
하버드-스미스소니언 천체물리센터 발표
지금으로부터 약 138억년 전 대폭발(Big Bang) 직후 지금과 같은 우주가 생긴 과정인
'우주 인플레이션'(cosmic inflation)에 대한 직접 증거가 사상 최초로 발견됐다
.
이는 금세기의 가장 중요한 과학적 발견 중 하나로 꼽힐 전망이다.
이번 연구는 대폭발 직후 극히 짧은 순간에 우주가 엄청난 속도로 팽창하면서 지금과 같이 평탄하고 균일한 우주가
형성됐다는 '인플레이션(급팽창) 이론'을 실험적으로 증명한 사례다.
미국 하버드-스미스소니언 천체물리센터는 17일(현지시간) 전세계에 인터넷으로 생중계된 기자회견을 통해 이런
내용을 발표했다.
이는 남극에 설치된 일종의 망원경인 '바이셉2'(BICEP2)라는 관측 장비를 이용한 분석 결과다.
바이셉2 프로젝트에 참여하고 있는 연구자들은 우주 배경 복사(cosmic background radiation)의 편광 상태를
분석해 이런 데이터를 얻었다.
우주 배경 복사란 우주 전체에 고르게 퍼져 있는 초단파 영역의 전자기파로, 우리가 알고 있는 우주의 시초인
'대폭발'의 가장 중요한 증거 중 하나다.
연구자들은 우주 배경 복사의 편광 성분을 분석하는 방식으로 초기 우주 급팽창의 흔적인 '중력파'(gravitational
wave)의 패턴을 발견했다.
중력에 따른 파동인 중력파는 퍼져 나가면서 시공간에 뒤틀림을 일으키는데, 이런 뒤틀림 때문에 우주 배경 복사에
특별한 패턴이 생기는 것을 탐지했다는 것이다.
중요한 목표 중 하나"라며 "수많은 사람들의 엄청난 노력으로 이 지점까지 도달했다"고 발견의 의의를 설명했다.
센터는 지난주부터 이번 기자회견을 널리 예고했으나 "'중대 발견'(major discovery)을 발표할 예정"이라고만 밝히고
구체적 내용에 대해서는 발표 직전까지 비밀을 유지해 왔다.
이날 발표를 전후해 센터 홈페이지는 전세계에서 접속이 폭주하면서 장애 상태에 빠졌다.
아비 로엡 하버드대 교수는 "이번 연구는 '우리가 왜 존재하게 되었는가?'라든지 '우주는 어떻게 시작됐는가?'라는
가장 근본적인 질문에 대해 새로운 통찰을 주는 것"이라고 평가했다.
어느 정도로 강력했는지 보여주는 것"이라고 말했다.
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'급팽창 우주론' 입증에 이론 창시자들 반색
수십년 전 이 이론을 만든 물리학자들이 반색하고 있다.
인플레이션 우주론은 우주가 대폭발 직후 매우 짧은 시간에 빛의 속도보다 더 빠르게 지수함수적으로 급팽창하면서
현재와 같은 형태로 존재하는 기초가 마련됐다는 이론이다.
'인플레이션 우주'라는 관념의 창시자로 가장 널리 꼽히는 인물은 앨런 구스(67) 미국 매사추세츠공과대(MIT) 교수다.
그는 스탠퍼드 선형가속기센터(SLAC) 국립연구소에 연구원으로 재직중이던 1980년 1월 인플레이션 우주론을 발표했다.
구스 교수는 실험결과가 발표된 17일(현지시간) 뉴욕타임스(NYT)에 "(실험 결과를 통보받고 놀라서) 뒤로 자빠
졌다"(bowled over)고 말했다.
그는 자신이 죽기 전에 인플레이션 우주론에 대한 실험적 직접 확증이 나오리라고 기대하지 못했다면서
"자연을 연구하려면 운이 좋아야 하는데, 분명히 우리가 운이 좋았던 것"이라고 기쁜 마음을 털어놨다.
구스 교수는 지난주 이번 실험의 연구책임자인 하버드-스미스소니언 천체물리센터의 존 코백 교수가 직접 찾아와
실험 결과를 통보해 줬다고 밝혔다.
구스 교수는 AP통신에 이번 발견의 의미에 대해 "자연이 자기 카드를 우리(인류)가 볼 수 있도록 펼쳐 놓는 방식으로
우리에게 협조하고 있는 것"이라고 평가했다.
그는 초기 우주의 급팽창에 관해 여러 가지 아이디어가 제시됐지만, 이번 실험 결과만으로도 그 중 일부 아이디어는
틀렸다고 보고 배제할 수 있는 근거가 생겼다고 말했다.
그는 AFP 통신에 이번 실험이 "틀림없이 노벨상을 받을 가치가 있다"고 평가했다.
현재 가장 널리 받아들여지고 있는 부류의 인플레이션 우주론인 '카오스 인플레이션 이론'을 1983년에 내놓은
스탠퍼드대의 안드레이 린데 교수는 실험 발표 당일에 카리브해(海)에서 휴가를 보내고 있었다.
그는 네덜란드령 카리브해 보나이레에서 NYT 기자의 전화를 받고는 "아직도 (흥분으로) 숨이 가쁘다"며 "이런 소식을
접하는 것은 휴가를 망치는 가장 좋은 방법"이라고 말했다.
전세계 기자들과 과학자들로부터 쇄도하는 문의에 답해야 해서 휴가에 제대로 쉬지 못한다는 푸념이다.
그는 지난 주 휴가지로 떠나려고 집에서 짐을 싸던 도중 스탠퍼드대의 동료 교수이며 이번 실험에 참여한 차오린
쿠오 교수로부터 이 소식을 통보받았다.
스탠퍼드대는 쿠오 교수가 샴페인을 들고 린데 교수의 집으로 찾아가서 대문을 열고 실험 결과를 알려 주는 장면,
이를 듣고 린데 교수가 기뻐서 흥분하는 장면, 린데 교수 부부와 쿠오 교수가 함께 샴페인을 따서 건배하는 장면을
녹화해 인터넷에 공개했다.
린데 교수는 "처음(문 두드리는 소리를 들었을 때)에는 '배달시킨 적도 없는데 누가 배달을 왔나' 생각했다"며 "
그런데 생각해 보니 내가 배달시킨 게 맞기는 하더라. 30년 전에 배달시킨 거였다"라고 비디오에서 말했다.
자신이 1983년 내놓았던 이론이 확증됐다는 뜻이다.
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중력파 98년만에 확인…중력에 따른 시공간의 물결
의 이론적 근거는 1916년 알베르트 아인슈타인(1879∼1955)의 일반상대성이론으로 거슬러 올라간다.
아인슈타인은 중력의 정체를 '시간과 공간이 일체가 되어 이루는 물리적 실체인 시공간(spacetime)의
뒤틀림'으로 파악하는 관점에서 일반상대성이론을 만들었다.
이에 따르면 질량을 가진 물체가 주변 공간에 형성하는 '중력장'은 이 물체 주변의 시공간에 변형이 가해지는
것으로 이해된다.
따라서 질량을 가진 물체가 움직이거나 새로 생겨나거나 파괴되면 이에 따른 파동이 시공간의 일그러짐이라는 형태로
표현되고, 이 물체의 질량이 매우 크다면 이를 관측하는 것도 가능해야 한다.
이런 중력장의 파동을 가리키는 말이 '중력파'다.
마치 전자가 진동하면 그에 따라 전자기파가 생기는 것과 마찬가지로, 중력장의 요동이 중력파를 만들어 내는 것이다.
중력파는 빛의 속도로 전파된다.
마치 전자기파가 지나가는 공간에 전기장과 자기장의 변화가 생기듯이, 중력파가 지나가는 공간에는
시공간(spacetime)의 변화가 생긴다.
중력파의 존재는 아인슈타인의 일반상대성이론에 따라 예측되는 것이어서 이론적으로는 잘 알려져 있으나 직접 실험을
통한 검출은 성공한 적이 없었다.
예를 들어서 초신성 폭발이나 매우 질량이 큰 쌍둥이 별의 움직임 등으로 큰 규모의 중력파가 발생하면 시공간의 조직에
변화가 생기고, 이에 따라 두 점 사이의 거리가 미세하게 변할 수 있다.
이런 방식으로 중력파의 '직접 검출' 실험을 하려면 정지해 있는 두 점 사이의 거리를 매우 정밀하게 측정할 수 있는
장비가 필요하며, 과학자들은 이런 장비의 개발 작업에 노력하고 있다. 다만 아직 이런 방식의 중력파 직접 검출이
성공한 사례는 없다.
질량이 매우 큰 중성자별 2개가 서로의 주위를 돌고 있는 경우 등에 대해 간접적인 중력파 확인이 이뤄지기는 했으나,
시공간의 뒤틀림을 직접 측정한 것은 아니었다.
하버드-스미스소니언 천체물리센터는 이번 연구에 대해 "중력파, 즉 시공간의 물결의 모습을 잡은 첫 사례"라고
소개하고 있다.
연구자들은 우주 전체에 가득한 '우주 마이크로웨이브 배경 복사'(cosmic microwave background radiation)의
편광 분석을 통해 중력파의 패턴을 파악했다.
태초의 우주 형성 과정에서 있었던 '인플레이션(급팽창) 시기'에 중력파가 특징적인 흔적을 남겼으며, 그 흔적이
우주 마이크로웨이브 배경 복사에 남아 있다는 것이 연구자들의 설명이다.
다만 이번 실험은 시공간의 뒤틀림을 직접 측정하는 방식은 아니다.
○138억년 전 '빅뱅 후 급팽창' 증거 발견 의미는
gravitational wave background)는 우주 형성 과정에 관한 직접 증거라는 점에서 매우 중요하다는 평가를 받는다.
과학적인 관점에서 본 우주의 시초는 약 138억년 전에 일어난 '대폭발'(Big Bang)이라는 사건이다.
현재 인간의 능력이 미치는 범위 내에서 최대한 과거로 거슬러 올라가서 우주 만물의 기원을 추적할 수 있는 한계라고
할 수 있다.
대폭발의 가장 강력한 증거는 우주의 모든 공간에 퍼져 있는 '우주 마이크로파 배경 복사'로, 고등학교 과학 과정에도
포함돼 있다.
대폭발 당시 에너지의 흔적이 색온도 2.7 켈빈(K·절대온도의 단위)인 전자기파, 다시 말해 '빛'의 형태로 우주 공간에
가득하다는 것으로, 이론적으로나 실험적으로 과학적 입증이 이뤄졌다.
대폭발 후 우주가 현재와 같은 형태로 존재하게 된 이유를 설명하는 이론이 '인플레이션(급팽창) 이론'이다.
대폭발 직후 매우 짧은 시간에 우주가 지수함수적으로 급팽창했다는 것이다.
급팽창은 대폭발 후 '10의 36승분의 1'초께 시작돼 '10의 33승분의 1' 내지 '10의 32승분의 1'초만에 그친 것으로 추정된
다. 그 후로도 우주는 계속 매우 빠른 속도로 팽창하고 있으나, 급팽창 시기에 비해서는 팽창 속도가 느리다는 것이 과학
자들의 설명이다.
그야말로 '찰나' 보다 더 짧은 이 기간에 우주는 '10의 20승' 내지 '10의 30승' 배로 커진 것으로 추정된다.
'1억분의 1억분의 1억분의 1억분의 1초'보다 더 짧은 시간에 '1억배의 1억배의 1만배' 내지 '1억배의 1억배의 1억배의
1백만배'로 커졌다는 것이다.
이번 하버드-스미스소니언 천체물리센터의 발표는 인플레이션 이론을 뒷받침하는 최초의 직접 증거라는 점에서
과학계의 비상한 관심을 끌고 있다.
이번 연구는 과학계의 검증이 이뤄지기만 하면 당연히 노벨상을 받을 것이라는 관측이 널리 퍼져 있으며, 단순히 노벨상
수상 정도로 그치는 것이 아니라 인류 과학의 역사에 길이 남을 초대형 업적이 될 것으로 학계전문가들은 평가하고 있다.
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초기우주 생성과정 '빅뱅후 급팽창' 직접증거 발견(종합)
지금으로부터 약 138억년 전 대폭발(Big Bang) 직후 지금과 같은 우주가 생긴 과정인 '우주 인플레이션'(cosmic
inflation)에 대한 직접 증거가 사상 최초로 발견됐다.
이는 21세기의 가장 중요한 과학적 발견 중 하나로 꼽힐 전망이다.
이번 연구는 대폭발 직후 극히 짧은 순간에 우주가 빛보다 더 빠르게 엄청난 속도로 팽창하면서 지금과 같이 평탄하고
균일한 우주가 형성됐다는 '인플레이션(급팽창) 이론'을 실험적으로 증명한 사례다.
미국 하버드-스미스소니언 천체물리센터는 17일(현지시간) 전세계에 인터넷으로 생중계된 기자회견을 통해 이런
내용을 발표했다.
이는 남극에 설치된 일종의 망원경인 '바이셉2'(BICEP2)라는 관측 장비를 이용한 분석 결과다.
바이셉2 프로젝트에 참여하고 있는 연구자들은 우주 배경 복사(cosmic background radiation)의 편광 상태를 분석
해 이런 데이터를 얻었다.
우주 배경 복사란 우주 전체에 고르게 퍼져 있는 초단파 영역의 전자기파로,
우리가 알고 있는 우주의 시초인 '대폭발'의 가장 중요한 증거 중 하나다.
연구자들이발견한 '중력파'(gravitational wave)의 패턴 이미지. (EPA=연합뉴스
연구자들은 우주 배경 복사의 편광 성분을 분석하는 방식으로 초기 우주 급팽창의 흔적인 '중력파'(gravitational wave)
의 패턴을 발견했다.
중력에 따른 파동인 중력파는 퍼져 나가면서 시공간에 뒤틀림을 일으키는데, 이런 뒤틀림 때문에 우주 배경 복사에
특별한 패턴이 생기는 것을 탐지했다는 것이다.
연구단장인 존 코백 하버드-스미스소니언 천체물리센터 부교수는 "이 신호를 탐지하는 것은 오늘날 우주론에서 가장
중요한 목표 중 하나"라며 "수많은 사람의 엄청난 노력으로 이 지점까지 도달했다"고 발견의 의의를 설명했다.
인플레이션 이론에 따르면 우주는 대폭발 후 '1억분의 1억분의 1억분의 1억분의 1초'보다 더 짧은 시간에 '1억배의 1억배
의 1만배' 내지 '1억배의 1억배의 1억배의 1백만배'로 커지는 급팽창을 겪었다.
그 후로도 우주가 계속 매우 빠른 속도로 팽창하고 있으나, 급팽창 시기에 비해서는 속도가 느리다는 것이 과학자들의
설명이다.
당시 급팽창의 흔적은 중력파의 형태로 우주 전체에 퍼져 나갔고, 나중에 이것이 우주 전체를 가득 채운 '빛의 물결'인
우주 배경 복사에 특정한 패턴을 남겼는데, 이 패턴을 탐지하는 데 성공했다는 것이 이번 실험의 요지다.
이 중력파 패턴은 현재 망원경으로 관찰이 가능한 가장 오래된 시점인 대폭발 후 38만년께 새겨진 것으로 풀이된다.
이때는 대폭발 후 시간이 꽤 흘러서 우주 전체의 평균 온도가 현재의 태양 표면 정도의 수준으로 떨어지고,
물질이 플라스마 상태가 아니라 원자핵과 전자가 결합한 중성 원자 상태로 존재할 수 있게 된 시점이다.
이때부터 빛의 입자인 '광자'가 물질과 반응하는 빈도가 확연히 떨어졌고, 빛이 물질과 반응하지 않고 우주를 통과할
수 있어 우주가 '투명'해졌기 때문에 우주 배경 복사의 패턴이 남아 있게 된 것이다.
남극에설치된 일종의 망원경 '바이셉2'(BICEP2)
연구진은 이번 실험을 위해 온도가 낮고 대기에 습기가 없고 안정된 최적의 여건을 갖춘 남극에서 하늘 전체의
약 1∼5도, 다시 말해 보름달 지름의 2∼10배에 이르는 부분을 관측한 후 데이터를 3년간 분석했다.
연구자들은 이 패턴이 당초 예상했던 것보다 훨씬 강하게 나타났다고 설명했다.
상관계수는 r=0.2로, 오차범위는 플러스 0.07, 마이너스 0.05이다. 신뢰수준은 5.9 시그마(σ)다. 이는 사회과학이나 여론
조사 등에서 널리 쓰이는 2σ(95.4% 신뢰수준에 해당) 기준보다는 훨씬 엄격한 것으로, 증명의 기준이 매우 까다로운
자연과학에서도 5σ 정도면 통상적으로 '확실하다'고 받아들여진다.
BICEP2 연구에 참여한 미네소타대의 클렘 프라이크 교수는 "건초 더미에서 바늘을 찾는 것과 같은 작업이었는데,
찾고 보니 바늘이 아니라 쇠지렛대(처럼 큰 물건)였던 셈"이라고 설명했다.
하버드-스미스소니언 천체물리센터는 지난주부터 이번 기자회견을 널리 예고했으나 "'중대 발견'(major discovery)을
발표할 예정"이라고만 밝히고 구체적 내용에 대해서는 발표 직전까지 비밀을 유지해 왔다.
이날 발표를 전후해 센터 홈페이지는 전세계에서 접속이 폭주하면서 장애 상태에 빠졌으며, 트위터, 페이스북, 과학 관련
인터넷 게시판 등에서도 관련 토론이 넘쳐 났다.
아비 로엡 하버드대 교수는 "이번 연구는 '우리가 왜 존재하게 되었는가?'라든지 '우주는 어떻게 시작됐는가?'라는
가장 근본적인 질문에 대해 새로운 통찰을 주는 것"이라고 평가했다.
그는 "이번 연구 결과는 대폭발 직후 초기 우주가 급팽창했다는 증거일 뿐만 아니라, 언제 이런 급팽창이 일어났고
어느 정도로 강력했는지 보여주는 것"이라고 말했다.