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전체 주기율표의 스펙트럼을 입력하면 9천 Kevin(켈빈)의 온도에서 흑체 복사와 일치하는 곡선.
9천도 K 는 초기 우주에서 물질과 방사선이 균형을 이루는 정확한 온도.
방사선지배에서 물질지배 우주 사이로의 결정적인 전환은 9,000 K(켈빈온도)에서 발생한 빅뱅 이후 약 5만 년 후에 일어났다는 것이 현재의 이론이다.
초기우주 방사선과 주기율표 원소들의 원자 스펙트럼선 일치는 우주의 에너지-물질 균형에 지문.

원소 : 설명 할 수 없는 일치성 발견
모든 원소의 스펙트럼선은 초기 우주와 예기치 않은 연결을 보여준다.

신비한 일치 :
연구자들이 모든 원소의 스펙트럼선과 초기 우주의 결정적인 단계 사이에 지금까지 설명할 수 없는 관련성을 발견했다. 다이어그램에 있는 전체 주기율표의 스펙트럼을 입력하면 9천 Kevin(켈빈)의 온도에서 소위 흑체 복사와 일치하는 곡선을 얻을 수 있다. 초기 우주에서 물질과 방사선이 여전히 균형을 이루는 정확한 온도다.

▲ 질소, 탄소 및 이리듐의 스펙트럼 라인(line). 모든 원소 스펙트럼선은 물리학자들을 놀라게 할 정도로 법칙을 따른다. © gemeinfrei

열이나 복사에 의해 원자가 들뜨게 되면, 들뜬 원자는 특정하고 경계가 정해진 빛의 파장(스펙트럼 선)의 형태로 에너지를 방출한다. 광 스펙트럼에서 이들 라인의 배열 및 개수는 각 요소에 대해서 지문만큼 독특하다. 덴마크의 물리학자인 닐스 보어(Niels Bohr)가 약 100년 전에 발견한 것처럼 원자 껍질의 구조와 전자의 에너지 상태가 각 원소의 스펙트럼을 결정한다. 지금까지 잘 알려져 있다.

Planck 분포와 놀랍도록 일치한다.

현재 독일 로스톡 대학교(University of Rostock)의 논문 첫 번째 저자 팀 리하르트(Tim Richardt)와 팀장인 알랙산더 스자마이트(Alexander Szameit)가 이끄는 물리학자들은 화학 원소의 스펙트럼선에서 놀랍고 전혀 예상치 못한 규칙을 발견했다.
연구를 위해 현재까지 알려진 약 25만 개의 스펙트럼선의 중앙 카탈로그를 평가하고 공통 다이어그램에서 파장에 따라 모든 중성 원자들의 선을 입력했다.

연구원들은 “원자의 스펙트럼선은 무작위로 분포된 것으로 보인다. 그러나 이들이 파장과 관련해 스펙트럼선의 주파수 분포를 살펴보면 놀랍게도 잘 알려진 곡선이 나타난다"고 리하르트와 그의 동료는 말했다.

9,000 켈빈 온도에서 복사하는 흑체처럼

물리학자들은 모든 입사 방사선을 삼키는 물체를 “흑체(black body)”라고 하고 여기서 나오는 자체 방사선은 온도에 의존한다. 이 방사선의 파장 분포는 특징적인 비스듬한 종 모양의 곡선을 만들고, 그 높이와 상승은 온도에 의해 결정된다.
과학자들은 “스펙트럼 다이어그램과 플랑크 분포의 유사성은 완전히 예상치 못한 것이다"고 설명한다. 열적 흑체 복사의 연속 스펙트럼은 원자 스펙트럼 뒤에 이산적인 에너지-양자 도약에 대한 반추이기 때문이다.”

연구원들에 따르면, 스펙트럼선 분포가 왜 이 법칙을 따라야 하는지에 대한 설명은 첫 눈에 볼 수 없다. 그럼에도 불구하고, 모양과 높이가 9천 켈빈(K)에서 흑체 방사선의 모양과 높이에 해당하는 곡선이 된다. 이 곡선의 정점은 약 320나노미터(nm)이며, 극단적인 UV 범위에서 가파르게 상승하고 더 완만하고 긴 물결선을 향해 길게 늘어난다.
"거의 전체 주기율표가 이 히스토그램에 균등하게 기여한다."

▲ 파장에 대한 모든 원소의 스펙트럼선의 주파수 분포는 9,000 켈빈에서 흑체 방사선의 전형적인 곡선과 유사하다. © Richardt et al. / Annals of Physics, CC-by 3.0

방사선 지배에서 물질 지배 우주로의 이행

주목할 점은 9,000 켈빈 온도는 우주론에서 특별한 의미를 갖는다는 것이다.
이 수치는 초기 우주에서 방사선과 물질의 밀도가 정확히 균형을 이루는 값을 나타낸다.
빅뱅 직후, 우주는 너무 뜨거워서 방사선에 의해 지배되었다. 그런 다음 팽창하고 냉각함에 따라 점점 더 많은 입자가 응축되어 물질이 우위를 차지했다. 오늘날에는 물질이 우주에서 지배적이다.

방사선 지배와 물질 지배 우주 사이의 결정적인 전환은 9,000 K(켈빈온도)에서 발생한 빅뱅 이후 약 5만 년 후에 일어났다는 것이 현재의 이론이다. 이는 정확히 원소의 스펙트럼선 분포에서도 발견되는 값이다.

그게 우연의 일치일까 아니면 더 있을까?
연구자들은 “초기 우주에서 이 전환점이 물질 형성에 지금까지 알려지지 않은 역할을 했다는 한 가지 해석이 가능할 것이다”고 말한다. 일반적인 지식에 따르면, 소립자와 그에 따른 원소의 전자기적 특성을 결정하는 단위가 오랫동안 존재해왔다.

"그것은 놀라운 수수께끼로 남아"

Szameit와 그의 팀은 “지금까지 우리는 이 일치에 대한 설명을 찾지 못했다. 우리의 관찰은 현재 놀라운 수수께끼로 남아 있다”고 설명했다. 아마도 그들은 아직까지 밝혀지지 않은 더 깊은 인과 관계가 있다고 생각한다.
이 연구에서 알게 된, 초기 우주 복사선과 주기율표 원소들의 원자 스펙트럼선에서의 일치는 전체 우주의 에너지-물질 균형에 지문과 같은 흔적을 남겼다.
이에 관한 설명을 아직 못 찾았기 때문에 연관성은 모든 연구원들에게 열려 있는 과제다.

연구원들은 전 세계 어딘가에서 동료 중 한 명이 이 이상하고 설명할 수 없는 일치성에 대한 설명 할 수 있기를 기대하고 있다.
Isaac Asimov(미국의 대표적 SF작가, 생화학자, 과학해설가)는 “과학에서 들을 수 있는, 새로운 발견을 발표되면 ‘유레카!’가 보다는 ‘흠~~ 주목할 만 한데’ 라는 반응이 더 흥미롭다”고 표현했다. 의미있는 말이다.

참고 : Annalen der Physik, 2020; doi: 10.1002/andp.202000033
Universität Rostock

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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