대폭발
물리학 이론, 우주론, 우주 기원, 천문학
0최근 수정 시각 : 2025-10-25- 11:05:08
대폭발은 우주가 고밀도, 고온의 초기 상태에서 시작하여 팽창하고 냉각되며 진화해왔다는 물리 이론입니다. 약 138억 년 전 발생했으며, 허블-르메트르 법칙, 우주 마이크로파 배경 복사, 가벼운 원소 존재비 등이 주요 증거입니다. 암흑 물질, 암흑 에너지 등 미해결 과제가 존재하지만, 우주 기원과 진화를 설명하는 가장 강력한 모형으로 평가받습니다.
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BC 13.8b
[우주의 플랑크 시대 시작]
대폭발 직후 0초부터 10^-43초까지의 기간으로, 전자기력, 강한 핵력, 약한 핵력, 중력이 하나로 통합된 단계였습니다. 우주의 온도는 섭씨 약 10^32도에 달했으며, 이 시기에 대한 이해는 양자 중력 이론의 발전을 기다리고 있습니다.
대폭발의 초기 단계는 많은 추측의 대상입니다. 가장 일반적인 모형에서 우주는 매우 높은 에너지 밀도와 거대한 온도와 압력으로 균질하고 등방성으로 채워졌으며 매우 빠르게 팽창하고 냉각되었습니다. 팽창 후 0초부터 10^-43초까지의 기간인 플랑크 시대는 전자기력, 강한 핵력, 약한 핵력, 중력의 네 가지 기본력이 하나로 통합된 단계였습니다. 이 단계에서 우주의 특징적인 척도 길이는 플랑크 길이인 1.6×10^-35m이었고, 결과적으로 섭씨 약 10^32도의 온도를 가졌습니다. 심지어 입자라는 그 개념조차 이러한 조건에서는 무너집니다. 이 시기에 대한 적절한 이해는 양자 중력의 발전을 기다리고 있습니다.
[우주 급팽창 시작 및 약전자기 시대 돌입]
대폭발 후 약 10^-37초에 상전이가 일어나 우주 급팽창이 시작되었고, 이어서 약 10^-36초에는 강한 핵력이 분리되며 전자기력과 약한 핵력이 통합된 약전자기 시대가 도래했습니다. 이 급팽창으로 인해 우주는 빛의 속도에 제약을 받지 않고 기하급수적으로 팽창했습니다.
팽창 후 약 10^-37초에 상전이가 우주 급팽창을 일으켰고, 그 동안 우주는 광속 불변성에 제약을 받지 않고 지수 함수적으로 성장했으며, 온도는 10만 배나 낮아졌습니다. 하이젠베르크의 불확정성 원리로 인해 발생한 미세한 양자 요동은 나중에 우주의 거대구조를 형성하는 씨앗으로 증폭되었습니다. 약 10^-36초의 시간에 강한 핵력이 다른 힘과 분리되고 전자기력과 약한 핵력만 통합된 상태에서 약전자기 시대가 시작됩니다.
[기본 힘 분리와 중입자 형성]
약 10^-12초에 전자기력과 약한 핵력이 분리되었고, 약 10^-6초 후에는 쿼크와 글루온이 결합하여 양성자와 중성자를 형성했습니다. 이로써 우주의 기본 상호작용과 입자 매개변수가 현재의 형태로 자리 잡기 시작했습니다.
우주는 계속해서 밀도가 감소하고 온도가 떨어졌고, 따라서 각 입자의 전형 에너지가 감소하고 있었습니다. 대칭을 깨는 상전이는 약 10^-12초에 전자기력과 약한 핵력이 분리되면서 물리학의 기본 힘과 기본 압자의 매개변수를 현재 형태로 만듭니다. 약 10^-11초 후에 입자 에너지가 입자 가속기에서 얻을 수 있는 값으로 떨어지기 때문에 그림이 덜 추측적으로 됩니다. 약 10^-6초 후에 쿼크와 글루온이 결합하여 양성자 및 중성자와 같은 중입자를 형성합니다. 반쿼크에 비해 작은 양의 쿼크 초과가 반중입자에 비해 작은 양의 중입자 초과를 초래했습니다. 온도는 이제 더 이상 새로운 양성자-반양성자 쌍(중성자-반중성자의 경우와 유사)을 생성할 만큼 충분히 높지 않았으므로 대량 쌍소멸이 즉시 뒤따랐고 원래 물질 입자는 10^8분의 1만 남고 반입자는 하나도 남지 않았습니다. 비슷한 과정이 전자와 양전자에 대해 약 1초에서 일어났습니다. 이러한 쌍소멸 후에 나머지 양성자, 중성자 및 전자는 더 이상 상대론적으로 움직이지 않고 우주의 에너지 밀도는 광자에 의해 (중성미자의 미미한 기여와 더불어) 지배되었습니다.
[대통일 시대 시작]
플랑크 시대 이후 중력이 다른 힘으로부터 분리되면서 대통일 시대가 시작되었습니다. 우주의 온도가 하락하면서 기본 상호작용들이 분리되기 시작한 시점입니다.
플랑크 시대는 우주의 온도가 떨어지면서 중력이 다른 힘으로부터 분리되는 10^-43초에서 시작하는 대통일 시대로 이어졌습니다.
[급팽창 종료와 중입자 생성]
약 10^-33초에서 10^-32초대에 급팽창이 멈춘 후, 우주는 재가열되어 쿼크-글루온 플라즈마와 모든 기본 입자를 생성할 수 있는 온도를 얻었습니다. 이 시기에 중입자 생성이 발생하여 현재 우주에서 물질이 반물질보다 우세하게 되는 결과를 가져왔습니다.
급팽창은 10^-33초에서 10^-32초대에 멈췄고, 우주의 부피는 적어도 10^78배 증가했습니다. 재가열은 우주가 쿼크-글루온 플라즈마뿐만 아니라 다른 모든 기본 입자들을 생성하는데 필요한 온도를 얻을 때까지 일어났습니다. 입자의 무작위 운동이 상대론적 속도였을 정도로 온도가 아주 높았고, 모든 종류의 입자-반입자 쌍은 충돌로 지속적으로 생성 및 파괴되었습니다. 어느 시점에서 중입자 생성이라고 불리는 알려지지 않은 반응이 중입자수의 보존을 위반하여 쿼크와 렙톤이 반쿼크와 반렙톤보다 극히 적은-3000만분의 일의 차수의 초과량으로 이끌었습니다. 이것이 현재 우주에서 물질이 반물질보다 우세한 결과를 초래했습니다.
[대폭발 핵합성 (BBN)]
대폭발 후 몇 분이 지나 우주의 온도가 약 10억 켈빈에 도달했을 때, 중성자들이 양성자와 결합하여 중수소와 헬륨 핵을 형성하는 대폭발 핵합성(BBN)이 일어났습니다. 이 과정에서 대부분의 양성자는 수소 핵으로 남아있었습니다.
팽창 몇 분 후, 온도가 약 10억 켈빈이고 우주의 물질 밀도가 현재 지구의 대기 밀도와 비슷할 때 중성자는 양성자와 결합하여 우주의 중수소와 헬륨 핵을 형성하는 대폭발 핵합성(Big Bang nucleosynthesis, BBN)이라는 과정을 거쳤습니다. 대부분의 양성자는 결합되지 않은 상태로 수소 핵으로 남아 있었습니다.
[우주 마이크로파 배경 복사 (CMB) 방출]
대폭발 후 약 37만 9천 년이 지나, 우주가 냉각되면서 전자와 핵이 결합하여 원자(대부분 수소)를 형성했습니다. 이 과정에서 방출된 복사는 우주 전체에 퍼져나가 현재 우주 마이크로파 배경(CMB)으로 관측됩니다. 이 CMB는 초기 우주의 모습을 담은 "아기 사진"과 같습니다.
우주가 냉각됨에 따라 물질의 정지 에너지 밀도는 광자 복사의 에너지 밀도를 중력적으로 지배하게 되었습니다. 약 379,000년 후, 전자와 핵은 원자(대부분 수소)로 결합되어 복사를 방출할 수 있었습니다. 거의 방해받지 않고 우주를 통해 계속된 이 유물 복사(relic radiation)는 우주 마이크로파 배경으로 알려져 있습니다.
1912
[베스토 슬라이퍼의 은하 도플러 효과 최초 측정]
1912년, 천문학자 베스토 슬라이퍼는 나선 성운(현재의 나선 은하)의 도플러 효과를 최초로 측정하며, 대부분의 성운이 지구로부터 멀어지고 있다는 사실을 밝혀냈습니다. 이는 우주가 팽창한다는 중요한 초기 단서가 되었습니다.
1912년 베스토 슬라이퍼는 나선 성운(나선은하의 구식 용어)의 도플러 효과를 최초로 측정했고, 곧 대부분의 그러한 성운들이 지구로부터 멀어지고 있다는 것을 발견했습니다. 그는 이 사실의 우주론적 함의를 파악하지 못했으며, 당시 이 성운들이 우리 은하 바깥의 "섬 우주"인지 아닌지에 대해 고도의 논란이 많았습니다.
1922
[알렉산드르 프리드만의 우주 팽창 가능성 제시]
1922년, 러시아의 수학자 알렉산드르 프리드만은 아인슈타인 방정식으로부터 프리드만 방정식을 도출하여, 당시 아인슈타인이 주장했던 정적 우주 모형과 달리 우주가 팽창할 수 있다는 수학적 가능성을 제시했습니다.
십년 후, 러시아의 물리 우주론자이자 수학자인 알렉산드르 프리드만은 아인슈타인 방정식에서 프리드만 방정식을 도출하여, 당시 알베르트 아인슈타인이 주장했던 정적 우주 모형과 대조적으로 우주가 팽창하고 있을 수 있음을 보여주었습니다.
1924
[에드윈 허블의 외부 은하 존재 증명]
1924년, 미국 천문학자 에드윈 허블은 가장 가까운 나선 성운이 사실은 우리 은하 밖에 있는 독립적인 은하임을 밝혀내며, 우주가 수많은 은하로 이루어져 있음을 증명했습니다. 이 발견은 우주에 대한 우리의 이해를 혁신적으로 바꾸었습니다.
1924년에 미국 천문학자 에드윈 허블이 가장 가까운 나선 성운까지의 먼 거리를 측정한 결과 이 시스템이 실제로 다른 은하임을 보여주었습니다.
1927
[조르주 르메트르, 우주 팽창 주장]
1927년, 벨기에 물리학자이자 사제인 조르주 르메트르는 프리드만 방정식을 유도한 후, 성운들이 멀어지는 현상이 우주의 팽창 때문이라고 주장했습니다. 이는 우주 팽창 개념의 중요한 발전으로 평가받습니다.
독립적으로 1927년 프리드만 방정식을 유도한 벨기에의 물리학자이자 로마 가톨릭 신부인 조르주 르메트르는 성운의 추정된 후퇴가 우주의 팽창 때문이라고 주장했습니다.
1929
[허블-르메트르 법칙 발견]
1929년 3월 15일, 에드윈 허블은 은하의 거리가 멀어질수록 지구에서 더 빠르게 멀어진다는 "허블-르메트르 법칙"을 발견했습니다. 이 법칙은 우주가 팽창하고 있다는 결정적인 관측적 증거가 되었으며, 대폭발 이론의 핵심적인 토대 중 하나입니다.
1929년에 허블은 거리와 후퇴 속도 사이의 상관 관계를 발견했는데-이는 현재 허블-르메트르 법칙으로 알려져 있습니다.
1931
[조르주 르메트르의 "원시 원자" 가설 제안]
1931년 10월 24일, 조르주 르메트르는 우주의 명백한 팽창을 거슬러 올라가면 과거에는 모든 질량이 "원시 원자"라는 단일 지점에 집중되어 있었다는 가설을 제안했습니다. 이는 대폭발 이론의 초기 형태를 제시한 것으로 평가됩니다.
1931년에 르메트르는 더 나아가 우주의 명백한 팽창이 시간을 거슬러 투영된다면 과거에는 우주가 더 작았고 과거의 어느 유한한 시간에 우주의 모든 질량이 시간과 공간의 구조(fabric)가 존재하게 된 시기와 장소인 "원시 원자"라는 단일 지점에 집중되에 있었다고 제안했습니다.
1949
["빅뱅" 용어의 탄생]
1949년 3월, 영국 천문학자 프레드 호일이 BBC 라디오 방송에서 우주의 팽창 이론을 설명하며 "빅뱅(Big Bang)"이라는 용어를 처음 사용했습니다. 비록 그는 이 용어를 경멸적인 의미로 사용했다고 알려져 있지만, 이는 현재 우주론을 대표하는 이름이 되었습니다.
영국인 천문학자 프레드 호일은 1949년 3월 BBC 라디오 방송에서 한 대담에서 "빅뱅(대폭발)"이라는 용어를 만든 것으로 알려져 있는데, 말하기를: "이 이론들은 우주의 모든 물질들이 먼 과거의 특정 시기에 하나의 대폭발으로 생성되었다는 가설에 기초했다"라고 했습니다. 그러나 그것은 1970년대까지는 유행하지 않았습니다.
1964
[우주 마이크로파 배경 복사(CMB) 발견]
1964년, 아노 펜지어스와 로버트 윌슨은 우연히 마이크로파 대역의 무지향성 신호인 우주 마이크로파 배경 복사(CMB)를 발견했습니다. 이 발견은 조지 가모프의 대폭발 예측을 강력하게 확증하며, 대폭발 이론이 우주의 진화에 대한 최고의 이론으로 확립되는 결정적인 증거가 되었습니다.
1964년, 아노 펜지어스와 로버트 윌슨은 우연히 마이크로파 대역의 무지향성 신호인 우주배경 복사를 발견했습니다. 이들의 발견은 1950년경에 알퍼, 허먼, 가모프의 대폭발 예측에 대한 상당한 확증을 제공했습니다. 1970년대를 통해 그 복사는 모든 방향에서 흑체 스펙트럼과 거의 일치하는 것으로 밝혀졌으며, 이 스펙트럼은 우주의 팽창에 의해 적색편이되었으며, 오늘날에는 약 2.725K에 해당합니다. 이로써 대폭발(빅뱅) 모형에 유리한 증거의 균형이 잡혔고, 또한 펜지아스와 윌슨은 1978년 노벨 물리학상을 받았습니다.
1968
[대폭발 특이점의 불가피성 증명]
1968년과 1970년에 로저 펜로즈, 스티븐 호킹, 조지 엘리스는 수학적 특이점이 대폭발의 상대론적 모형에서 피할 수 없는 초기 조건임을 보여주는 논문을 발표했습니다. 이는 대폭발 이론의 수학적 기초를 강화하는 중요한 기여였습니다.
1968년과 1970년에 로저 펜로즈, 스티븐 호킹, 조지 엘리스는 수학적 특이점이 대폭발(빅뱅)의 상대론적 모형의 불가피한 초기 조건임을 보여주는 논문을 발표했습니다.
1981
[앨런 구스의 급팽창 이론 제안]
1981년 1월 15일, 앨런 구스는 초기 우주의 급속한 팽창 시대를 도입하는 "급팽창" 이론을 제안했습니다. 이 이론은 대폭발 이론의 지평선 문제, 자기 홀극 문제, 편평도 문제와 같은 주요 이론적 난제들을 해결하는 돌파구를 마련했습니다.
1981년, 앨런 구스는 "급팽창"이라고 불렀던 초기 우주의 급속한 팽창 시대를 도입함으로써 대폭발(빅뱅) 이론의 특정 뛰어난 이론적 문제를 해결하기 위한 이론적 작업에서 돌파구를 마련했습니다.
1989
[COBE 위성 발사 및 CMB 정밀 관측 시작]
1989년 NASA는 우주배경 탐사선(COBE)을 발사하여, 1990년 CMB 스펙트럼이 거의 완벽한 흑체임을 고정밀로 측정하고 2.726K의 잔류 온도를 확인했습니다. 이어서 1992년에는 CMB 온도에서 미세한 요동(비등방성)을 발견하여, 초기 우주의 양자 요동이 현재 우주 구조의 씨앗이 되었음을 시사하는 중요한 증거를 제공했습니다.
1989년 NASA는 COBE를 발사하여 1990년 고정밀 스펙트럼 측정은 CMB 주파수 스펙트럼이 10^4분의 1 수준에서 편차가 없는 거의 완벽한 흑체임을 보여주었고 잔류 온도 2.726K(최근 측정에서는 이 수치를 2.7255K로 약간 수정함)를 측정한 두 가지 주요 발전을 아루었고; 그런 다음 1992년에 추가 COBE 측정에서 10^5분의 1 정도 수준에서 하늘을 가로지르는 CMB 온도의 작은 요동(비등방성)을 발견했습니다. 존 C. 매더와 조지 스무트는 이러한 결과에 대한 리더십으로 2006년 노벨 물리학상을 수상했습니다.
1998
[우주 가속 팽창의 발견]
1990년대 후반, Ia형 초신성 관측을 통한 독립적인 증거들을 통해 우주 팽창이 가속되고 있다는 예상치 못한 발견이 이루어졌습니다. 이는 우주에 암흑 에너지라는 신비한 형태의 에너지가 존재한다는 것을 암시하며, 우주론의 가장 큰 미스터리 중 하나로 남아있습니다.
우주론자들은 이제 대폭발 모형의 많은 매개변수를 상당히 정밀하고 정확하게 측정했으며, 또한 우주의 팽창이 가속되고 있는 것처럼 보인다는 예상치 못한 발견을 했습니다. Ia형 초신성에 대한 적색편이-겉보기 등급 관계를 측정한 결과, 우주가 현재 나이의 절반 정도였을 때부터 우주 팽창이 가속화되고 있음을 알 수 있었습니다.
2000
[BOOMERanG 실험, 우주의 평평함 확인]
2000년부터 2001년까지 BOOMERanG을 포함한 여러 실험에서 CMB 비등방성의 각 크기를 측정하여 우주가 공간적으로 거의 평평하다는 사실을 발견했습니다. 이는 우주의 전체적인 기하학에 대한 중요한 단서가 됩니다.
2000-2001년에 여러 실험, 특히 BOOMERanG에서 비등방성의 일반적인 각 크기(하늘의 크기)를 측정하여 우주의 모양이 공간적으로 거의 평평하다는 것을 발견했습니다.
2003
[WMAP 위성, 우주 매개변수 정밀 측정 결과 발표]
2003년 초, 윌킨슨 극초단파 비등방성 탐사선(WMAP)은 당시 가장 정확한 우주 매개변수 값을 발표했습니다. 이 결과는 일부 급팽창 모형을 반증했지만, 급팽창 이론과 전반적으로 일치하는 것으로 나타나 우주론 연구에 큰 기여를 했습니다.
2003년 초, 윌킨슨 극초단파 비등방성 탐사선의 일부 우주 매개변수에 대한 당시 가장 정확한 값을 산출한 첫 번째 결과가 발표되었습니다. 결과는 몇 가지 특정 우주 급팽창 모형들을 반증했지만, 일반적으로 급팽창 이론과 일치합니다.
2009
[플랑크 우주 탐사선 발사]
2009년 5월, 플랑크 우주 탐사선이 발사되어 우주 마이크로파 배경(CMB)을 더욱 정밀하게 관측하기 위한 여정을 시작했습니다. 이 탐사선은 우주론의 많은 매개변수를 측정하고 급팽창 이론을 검증하는 데 중요한 데이터를 제공했습니다.
플랑크 우주 탐사선은 2009년 5월에 발사되었습니다.
2011
[원시 가스 구름 발견]
2011년, 천문학자들은 먼 퀘이사의 스펙트럼 분석을 통해 별에서 형성된 무거운 원소가 없는 순수한 원시 가스 구름을 발견했습니다. 이는 대폭발 핵합성 이후 초기 우주에 존재했을 것으로 예상되는 물질의 직접적인 증거가 됩니다.
2011년에 천문학자들은 먼 퀘이사의 스펙트럼에서 흡수선을 분석하여 원시 가스의 깨끗한 구름이라고 추정되는 것을 발견했습니다. 이 발견 이전에 다른 모든 천체에는 별에서 형성되는 무거운 원소가 포함되어 있는 것으로 관찰되었습니다. 탄소, 산소 및 규소에 민감함에도 불구하고 이 세 가지 요소는 이 두 구름에서 감지되지 않았습니다. 그 가스 구름은 감지할 수 있는 수준의 중원소가 없기 때문에 대폭발(빅뱅) 후 처음 몇 분이 지나서 BBN 동안 형성되었을 가능성이 있습니다.
