[ 이충환 의 천기누설 ] 혼돈 인플레이션 과 다중 우주 의 승리 ! 태초 에 우주 는 급팽창 했 노라 ! 동아 사이언스 | 입력 2014 년 03 월 25 일 18 : 16 | 최종 편집 2014 년 03 월 25 일 19 : 02 “ 태초 의 우주 급팽창 에 대한 직접 적 인 증거 를 처음 포착 했 다 . ” 지난 17 일 미국 매사추세츠 주 하버드 - 스미소니언 천체 물리 센터 에서 열린 기자 회견 에서 바이 셉 ( BICEP ) 2 국제 공동 연구 팀 의 대표 이 자 이 센터 소속 의 존 코 박 박사 가 이렇게 발표 했 다 . 기자 회견 에서 는 빅뱅 , 인플레이션 , 우주 배경 복사 , 중력파 , 편광 처럼 일반인 이 이해 하 기 힘든 전문 용어 가 난무 했 다 . 일부 언론 에서 는 연구 팀 의 이 업적 이 노벨상 감이 라고 호들갑 을 떨 었 다 . 현대 우주 론 에 따르 면 우리 우주 가 빅뱅 이 라는 대 폭발 로 탄생 한 지 1 초 도 안 되 는 순간 에 인플레이션 ( inflation ) 이 라는 급팽창 을 겪 었 다 . 많 은 우주 론 학자 들 은 빅뱅 이 남긴 빛 인 우주 배경 복사 를 관측 하 면 인플레이션 의 증거인 원시 중력파 의 흔적 을 찾 을 수 있 을 것 이 라고 예상 했 는데 , 국제 공동 연구 팀 은 남극 에 있 는 바 이 셉 2 망원경 으로 우주 배경 복사 를 관측 해 원시 중력파 의 흔적 인 ‘ 원형 편광 ( B 모드 ) ’ 을 발견 한 것 이 다 . 이것 이 사실 로 확증 된다면 , 연구 팀 이 기자 회견 을 열 고 언론 은 대서특필 을 할 정도 로 중요 한 업적 이 긴 하 다 . 우주 의 미물 인 인류 가 거대 한 우주 의 비밀 을 또 한 꺼풀 벗긴 것 이 니까 . 남극 에 설치 된 바 이 셉 2 망원경 ( 전면 ) . 연구 팀 은 바이 셉 2 망원경 으로 우주 배경 복사 에서 인플레이션 때 생긴 중력파 의 증거 를 찾아냈 다 . - Steffen Richter , Harvard University 제공 인플레이션 을 아 시 나요 ? 경제 에서 는 통화량 이 증가 해 화폐 가치 가 하락 하 고 물가 가 전반 적 으로 꾸준히 오르 는 인플레이션 이 발생 하 지만 , 우주 에서 인플레이션 은 왜 필요 했을까 . 1929 년 미국 의 천문학자 에드윈 허블 이 멀리 있 는 은하 들 일수록 점점 더 빨리 멀 어 진다는 사실 , 즉 우주 팽창 을 발견 했 다 . 우주 팽창 이 라는 영화 를 뒤 로 돌린다면 , 태초 에 모든 것 이 한 점 에 모이 게 되 는데 , 이것 이 바로 빅뱅 의 순간 이 다 . 우주 가 빅뱅 이 라는 대 폭발 에서 시작 됐 다는 빅뱅 우주 론 은 믿 기 힘들 었 다 . 하지만 1964 년 미국 의 아르노 펜지어스 와 로버트 윌슨 이 빅뱅 우주 론 의 강력 한 증거인 우주 배경 복사 를 우연히 발견 했 다 . 빅뱅 우주 론 에 따르 면 우주 초기 에 는 물질 과 빛 이 엉켜 있 다가 빅뱅 이 일어난 지 38 만 년 쯤 뒤 에 빛 이 물질 에서 벗어나 자유 롭 게 돌아다니 기 시작 하 는데 , 이때 의 빛 이 바로 우주 배경 복사 이 다 . 당시 뜨거웠 던 우주 배경 복사 가 지금 은 2 . 73 K ( 켈빈 온도 , 영하 270 . 42 ℃) 로 식 은 상태 이 고 마이크로파 로 발견 된다 . 빅뱅 이후 인플레이션 이 일어났 고 , 38 만 년 뒤 에 우주 배경 복사 가 물질 에서 탈출 했 다 . 인플레이션 시기 에 생겨난 중력파 는 우주 배경 복사 에 흔적 을 남겼 다 . - NASA 제공 그런데 빅뱅 우주 론 에 는 몇 가지 문제 가 있 었 다 . 하나 는 지평선 문제 ( 또는 인과성 문제 ) 다 . 약 138 억 년 전 에 탄생 했 던 우주 에서 우주 배경 복사 는 138 억 광년 쯤 떨어져 있 다 . 우리 가 보 는 밤하늘 의 한쪽 끝 과 그 정반대 편 은 276 억 광년 쯤 떨어진 것 이 다 . 그런데 가장 빠른 빛 조차 138 억 년 동안 276 억 광년 을 움직일 수 없 는 일 이 다 . 이 들 은 어떤 수단 으로 도 내통 할 수 없 다 . 하지만 왜 밤하늘 에서 는 정반 대편 의 우주 배경 복사 가 서로 똑같 아 보일까 . 또 하나 는 평탄 성 문제 다 . 현재 우주 는 매우 평탄 하 다고 알려져 있 다 . 하지만 우주 초기 에 평탄 함 에서 조금 만 벗어났 다면 오랫동안 우주 가 팽창 하 는 동안 이 차이 는 급속 하 게 증폭 되 기 때문 에 현재 우주 는 결코 평탄 하 지 않 을 것 이 다 . 현재 이렇게 평탄 하 기 위해서 우주 는 초기 에 1060 분 의 1 오 차 로 평탄 해야 한다 . 왜 초기 의 우주 가 이 정도 로 평탄 했 을까 . 이런 문제 들 을 해결 하 기 위해 1980 년 미국 의 앨런 구스 가 인플레이션 을 제안 했 다 . 빅뱅 후 10 - 32 초 지났 을 때 우주 는 얼음 이 녹 아 물 이 되 듯이 인플레이션 이 라는 상태 변화 를 일으키 는데 , 이때 나온 에너지 가 우주 를 1030 배 이상 커지 게 한다 . 현재 우리 가 보 는 우주 전체 는 초기 에 아주 작 았 기 때문 에 빛 보다 빠르 게 급팽창 해 한쪽 끝 에서 반대쪽 끝 까지 쉽 게 퍼져갈 것 이 고 , 콩알 이 지구 만큼 커질 때 표면 을 보 면 평탄 해 지 듯이 초기 에 우주 가 엄청나 게 커졌 기 때문 에 당연히 평탄 할 수 밖에 없 게 된다 . 중력파 직접 검출 한 것 은 아냐 우주 가 인플레이션 으로 원자핵 보다 작 은 크기 에서 축구공 만큼 커졌 다 . 이 크기 의 우주 는 현재 우리 가 관측 할 수 있 는 우주 보다 큰 것 이 다 . 인플레이션 은 모든 종류 의 입자 들 과 미세 요동 들 을 발생 시켰 는데 , 이때 중력파 도 생겼 다 . 서울대 천문학 과 이형목 교수 의 설명 에 따르 면 중력파 는 잔잔 한 호수 에 돌 을 던지 면 물결 이 일어 전파 되 듯이 시 공간 에 중력 의 변화 가 생길 때 중력장 의 흔들림 , 즉 ‘ 시공간 의 출렁임 ’ 이 전파 된다 . 인플레이션 때 시 공간 에 생긴 거대 한 파문 이 중력파 의 형태 로 우주 에 전파 되 는데 , 중력파 는 공간 을 밀쳐 서 일그러뜨리 고 이 로 인한 특징 이 38 만 년 뒤 에 물질 에서 탈출 했 던 우주 배경 복사 에 각인 되 는 것 이 다 . 구체 적 으로 ‘ 원시 중력파 ’ 는 우주 배경 복사 에 ‘ 원형 편광 ’ 이 란 형태 로 영향 을 미치 게 된다 . 바이 셉 2 망원경 에 는 우주 배경 복사 를 측정 하 는 볼로미터 ( 에너지 측정 장치 ) 512 개 가 들어간 패널 이 장착 돼 있 다 . - Anthony Turner , JPL 제공 국제 공동 연구 팀 이 우주 배경 복사 에서 관측 한 것 은 인플레이션 때 나온 중력파 에 영향 을 받 은 흔적 인 ‘ 원형 편광 ( B 모드 ) ’ 이 다 . 지구 에서 햇빛 은 대기 에 의해 산란 돼 편광 을 일으키 는데 , 이 때문 에 편광 선글라스 를 쓰 면 일부 햇빛 을 막 을 수 있 다 . 우주 에서 우주 배경 복사 도 물질 이나 중력파 에 의해 편광 을 일으키 고 , 이런 편광 중 에서 원형 편광 이 중력파 에 영향 을 받 은 흔적 이 란 뜻 이 다 . 연구 팀 은 우주 배경 복사 에서 발견 한 B 모드 편광 이 중력파 의 독특 한 특징 이 라며 , 인플레이션 때 나온 중력파 는 예상 보다 매우 강했 다고 설명 했 다 . 즉 중력파 를 직접 검출 한 것 은 아니 지만 , 태초 에 인플레이션 이 일어났 고 이때 원시 중력파 가 생겨났 다는 명백 한 증거 를 발견 한 셈 이 다 . 단순 한 것 이 진리 ! 미국 스탠퍼드 대 우주 론 학자 안드레이 린데 박사 는 바이 셉 2 관측 자료 로 인해 인플레이션 과 관련 된 우주 모형 의 90 % 가 사라질 것 이 라고 밝혔 다 . 이 모형 들 중 에서 많 은 것 들 이 탐지 할 수 있 는 수준 에서 중력파 를 만들 지 않 기 때문 이 다 . 예 를 들 어 두 개 의 3 차원 막 ( brane ) 이 주기 적 으로 충돌 해 빅뱅 이 일어난다는 순환 우주 론 이 죽 게 되 고 , 인플레이션 을 액시온 이 라는 암흑 물질 과 함께 다루 는 우주 모형 의 거의 대부분 이 제외 된다 . 하지만 놀랍 게 도 이번 관측 자료 는 30 년 전 린데 박사 가 구스 의 인플레이션 이론 을 수정 해 제시 한 ‘ 혼돈 인플레이션 ’ 이론 과 잘 들어맞 는다 . 이 결과 는 다음 과 같 은 의미 에서 흥미 롭 다 . 한국 천문 연구원 이 이번 발견 성과 에 대해 제시 한 해설 자료 에 따르 면 , 인플레이션 이론 중 에서 가장 단순 한 모형 이 관측 값 을 가장 잘 설명 하 는 것 으로 판명 돼 과학 의 일반 적 인 가정 , 즉 단순 한 것 이 진리 라는 격언 을 일깨워 줬 다는 것 이 다 . 전체 우주 의 곳곳 에서 여러 우주 가 태어나 고 있 는 상상도 . 린데 의 혼돈 인플레이션 은 다중 우주 를 예측 한다 . - NGP , Moonrunner design 제공 린데 의 모형 에서 일어나 는 혼돈 인플레이션 은 다중 우주 와 연결 된다 . 다시 말 해 인플레이션 은 결코 완전히 끝나 지 않 으며 , 전체 우주 곳곳 에서 새로운 인플레이션 이 일어나 아기 우주 들 이 잇달 아 태어나 는데 , 우리 우주 도 그 중 하나 라는 것 이 다 . 우리 우주 도 과거 의 어느 시점 에 부모 우주 로부터 탄생 해 한창 자라나 는 과정 에 있 는지 도 모르 며 , 언젠가 아기 우주 를 잉태 할지 도 모른다 . 다중 우주 에서 는 우주 마다 밀도 가 달라 운명 이 다르 고 물리 법칙 이 다르 며 생명체 의 존재 여부 도 다르 다 . 우리 는 우리 우주 가 이런 탐구 를 할 수 있 는 생명체 를 탄생 시킬 정도 로 미세 조정 된 것 ( fine - tuning ) 에 감사 해야 할 것 같 다 . 동아 사이언스 이충환 cosmos @ donga . com