4분 읽기
- 처음 거의 1억 년 동안 우리 우주는 어둠으로 가득
- 빅뱅 후 약 1초 후에 양성자와 전자를 포함한 물질의 첫 번째 구성 요소가 형성
- 거의 1억 년에 달하는 암흑기 동안 우리 우주의 기본 틀인 우주망이 점진적으로 발전
- 2023년, 이 원시 가스 필라멘트에서 발생하는 충격파의 메아리 처음으로 감지에 성공

우주의 새벽
태초에는 밤이 있었다. 처음 거의 1억 년 동안 우리 우주는 어둠으로 가득했다. 최초의 별과 은하가 형성되면서 이러한 변화, 즉 우주의 새벽이 밝아왔다. 그렇다면 이 시기에 무슨 일이 일어났을까? 최초의 별들은 어떤 모습이었을까? 그리고 원시 수소 상태는 어떤 역할을 했을까? 

▲ 우주에 최초의 별들이 형성되면서 우주의 새벽, 즉 우주의 재이온화 시대가 시작되었다. © Carnegie Institution / MPI for Astronomy

암흑시대: 최초의 별 이전에는 무슨 일이 있었을까?

빅뱅 직후, 우주는 여전히 뜨겁고 눈부시게 밝은 곳이다. 우주의 급팽창과 그에 따른 급격한 냉각으로 인한 초기 팽창 이후에도 수십억 도의 고온이 지속되고 있으며, 온도는 계속해서 빠르게 떨어졌다.

먼저 복사

빅뱅 후 약 1초 후에 양성자와 전자를 포함한 물질의 첫 번째 구성 요소가 형성되지만, 원자는 아직 먼 미래에 있다. 대신, 이 초기 단계에서 어린 우주는 복사에 의해 지배됐다. 그러나 이 빛은 명확한 경로를 가지고 있지 않았다. 광자는 끊임없이 대전된 입자와 충돌하고, 굴절되고, 흡수되고, 다시 방출된다. 결과적으로, 이 시기의 우주는 밝지만 어둡고 불투명하다.

이러한 현상은 38만 년 후, 최초의 원자가 형성되고 전자기파가 자유롭게 퍼져 나갈 때까지 변하지 않았다. 전자와 기타 대전된 입자와 끊임없이 충돌하던 빛은 이제 거의 방해받지 않고 전파될 수 있다. 처음으로 방사선과 물질이 분리되어 우주가 투명해진다. 이 최초의 방사선 폭발의 희미한 잔해인 우주 배경 복사는 마이크로파 영역까지 깊숙이 퍼져 우주 진화의 이 첫 번째 이정표를 증명한다.

▲ 빅뱅 이후 38만 년 만에 최초의 원자가 형성되었고, 이제 복사가 확산될 수 있게 되었다. 이 초기 복사 방출의 유물이 바로 우주 마이크로파 배경 복사이며, 오늘날에도 여전히 측정 가능하다. © ESA / Planck Collaboration

그리고 어둠

역설적인 것은 이 원시 방사선이 방출되면서 우주의 암흑시대가 시작된다는 것이다. 어떤 별도 모든 것을 감싸는 어둠을 밝히지 못하고, 빛나는 가스 성운이나 혜성도 없었다. "이 시기에 수소 원자는 광자와 상호작용할 수 없었다"고 캘리포니아 대학교 로스앤젤레스 캠퍼스의 스티븐 펄라네토는 설명했다. 물질과 복사는 완전히 분리되어 있었다. 이 시기에 우주는 계속 식고 팽창하지만, 별다른 일이 일어나지 않았다. 적어도 그렇게 보였다.

하지만 이는 오해다. 펄라네토는 "이 암흑기 동안 실제로 많은 일이 일어났다"며 "하지만 이 모든 일은 빛 없이 일어났다. 암흑기는 계속됐다"고 말했다. 이제 뚫을 수 없는 어둠 속에서 원자에 힘이 작용하기 시작했다. 바로 암흑 물질의 중력이다. 원시 우주 수프 속의 미세한 밀도 변동에서 시작하여, 이 보이지 않는 수수께끼 같은 물질은 더 높은 밀도의 필라멘트 영역으로 모이고, 그사이에 더 얇고 빈 영역이 나타났다.

"이 필라멘트들은 우주의 나머지 부분보다 밀도가 약간 더 높을 뿐입니다. 하지만 시간이 지남에 따라 그 안에 있는 작은 암흑 물질 덩어리들은 더 큰 덩어리로 자라나 수소 가스를 끌어당긴다"고 펄라네토는 설명했다.

우주망의 출현

거의 1억 년에 달하는 암흑기 동안 우리 우주의 기본 틀인 우주망이 점진적으로 발전했다. 이 망은 오늘날에도 은하, 은하단, 그리고 기타 물질의 분포를 결정짓고 있다. 초기 원소인 수소와 그보다 덜한 헬륨이 우주망에 집중되어 점차 더 밀도가 높은 가스 흐름과 구름을 형성했다. 암흑 물질과 그 중력의 영향으로 점점 더 많은 가스가 이 필라멘트에 축적되어 어린 우주 전체에 네트워크처럼 분포했다.

캘리포니아 공과대학교의 크리스토퍼 마틴은 "우주망은 우리 우주의 구조를 보여준다"고 설명했다. "우주망은 일반 물질의 대부분을 포함하고 있으며, 암흑 물질이 어디에 숨겨져 있는지도 보여준다." 이러한 우주망은 오늘날의 물질 분포뿐만 아니라 초기 우주 진화 시뮬레이션과 천문 관측에서도 확인할 수 있다.

▲

네트워크의 충격파

2023년, 천문학자들은 이 원시 가스 필라멘트에서 발생하는 충격파의 메아리를 처음으로 감지하는 데 성공했다. 이 충격파는 고밀도 가스가 자체 중력으로 붕괴하기 시작하면서 생성되었다. 서호주 대학교의 테사 번스트롬은 "물질이 융합하면 입자를 가속하는 충격파가 생성된다"고 설명했다. 이 입자 흐름은 복사를 방출하는데, 그 잔해는 오늘날에도 희미하고 편광된 전파 방출 형태로 존재한다.

"이것이 우주의 망이 실제로 전파 스펙트럼에서 '빛나야' 하는 이유이지만, 이러한 방출이 너무 약해서 명확하게 감지된 적이 없다"고 번스트롬은 설명했다. 그녀와 그녀의 팀은 1.4GHz의 전파 주파수 범위에서 천문 관측 데이터를 우주 배경 복사의 편광 값과 결합했을 때에야 이 희미한 복사를 시각화할 수 있었다. 천문학자들은 "편광 신호의 강도와 형태, 그리고 그 세기를 종합해 볼 때, 우리가 실제로 우주의 대규모 구조 형성기의 방출을 목격하고 있음을 확인하게 된다"고 보고했다.

초기 우주의 충격파는 우주의 망의 최초 가스 필라멘트와 노드가 어디에 위치했는지를 보여줄 뿐만 아니라, 우주 진화의 또 다른 이정표를 예고한다. (계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]