Axis of Evil and Plank by 다음엇지

"Planck is the future of looking back to the past."

- George Smoot

내 기억이 맞다면 5/14 오늘 Herschel/Planck 가 프랑스령 기아나(Guiana)에서 발사됩니다. 근 10여년만의 빅 이벤트가 아닐 수 없죠. 글을 쓰면서 검색을 해보았더니 카운트 다운 페이지가 있네요. 이제 12시간 정도 남았답니다.

Planck는 바로 비그뱅의 흔적으로 여겨지고 있는 우주배경복사(CMB : Cosmic Microwave Background)의 좀더 정밀한 검측을 위한 계측기로 일종의 망원경입니다. 다만 바라보는 빛의 주파수가 다르죠. 같이 발사되는 Herschel은 구경 3.5m 짜리 IR 망원경이고, Planck는 구경 1.5m 짜리 radio 망원경입니다. Planck 이전에 가장 해상도가 높았던 radio 망원경은 WMAP(윌킨슨 우주배경복사 비등방성 측정장비 : Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)입니다. 최신의 많은 논란을 가져오고 있는 발견들의 주인공이죠. WMAP에 대해서는 아래를 참조하세요.

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137.3 억년에±1억 2천만년 오차: 새로운 우주의 나이 by 다음엇지

CMB는 우주의 나이가 약 38만년정도 되었을 때 전 우주로 뻗어져 나간 빛의 흔적입니다. 그 이전에는 우주의 온도가 높아서 자유 전자등의 격렬한 운동에 의해 빛이 간섭받아서 뻗어나갈 수 없었죠. 이때쯤에 전자들이 원자 속에 갖히면서 수소원자 같은 것들이 형성되었다고 생각되어 지고 있습니다. 이때 갑자기 방해물들이 없어지면서 우주에 빛들이 나타난 것이죠. 그야말로 "빛이 있으라~" 라고 할까요. 이 CMB는 Background 라는 말처럼 전 우주에 고르게 분포되어 있습니다. 쉽게 말해서 아날로그 TV 수상기를 켰을 때 치~~ 하고 나오는 잡음들 중에 1% 정도가 바로 이 CMB 입니다.
1965년에 처음 발견된 이후로 위와같이 그 분포에 대한 계측이 정밀해져 왔습니다. 특히 맨 아래의 2003년부터 자료를 모으고 있는 WMAP의 경우는 CMB의 온도 분포가 수 마이크로 켈빈(microkevin) 단위에서 차이가 있다는 것을 밝혀 냈습니다. 아래는 바로 작년인 2008년에 나온 5년치 관측 결과입니다. 온도 차이에 따른 밝고 어두운 부분이 보이실 겁니다.
비등방성(anistropies)이라고 불리는 이 분포가 바로 우주의 팽창(inflation)을 일으킨 것으로 여겨지고 있습니다. 이론에 따르면 비그뱅 후 10-34초 정도부터 진행된 프로세스라고 하죠. 10-35m 정도되는 점에서 그야말로 엄청난 폭발이 일어난 것이죠. 팽창의 결과 양자역학이 적용되는 미세구조에 얽혀 있던 시-공간의 양자적 요동(quantum fluctuation)은 우주적인 규모로 늘어났습니다. CMB가 우주에 나타나던 즈음에 이런 요동들이 바로 전 우주에 거쳐서 물질의 다양한 분포의 변화를 가져왔고, 물질들이 밀집된 부분은 CMB의 에너지를 빼앗아서 평균적인 온도보다 더 낮게 관측된 것입니다.

이번에 발사되는 플랑크 역시 WMAP 와 같은 관측을 하지만 성능이 더 좋습니다. 정보량의 측면에서는 15배나 되기 때문에 1년 후에는 약 3천억개의 관측자료를 모을 것이라고 합니다. 참고로 WMAP가 근 9년간 모은 관측자료는 2천억개 정도라고 하죠.

천문학자들은 이런 온도 분포자료들을 통해서 시-공간의 곡률과 암흑 에너지와 암흑 물질의 분포등의 매개변수(parameter)들을 계산할 수 있습니다. 우리가 알고 있는 일반적인 물질과 에너지를 포함한 전체 우주의 물질과 에너지 분포를 계산하는 것입니다. Plack는 정밀도는 이 오차를 1% 내외로 줄여줄 것이라고 합니다.

그 외에 이번 플랑크가 수행할 것으로 기대되는 3가지 중요한 목표가 있습니다.

1. Smoking Gun detector

위에서 CMB의 비등방성에 의해 우주 팽창이 일어났다고 생각되어진다고 했었지만, 실제로 이것만으로는 팽창의 증거로는 불충분하다. 플랑크에는 "smoking gun" 이라고 불리는 중력파의 흔적을 찾기 위한 검출기가 탑재되어 있다. 이론적으로 팽창에 의해 시-공간이 출렁이며 파동이 만들어졌을 것이기 때문에 CMB 와 마찬가지로 이 중력파도 우주 곧곧으로 산재되어 있을 것으로 예상된다. 이것은 조금 전문적으로 말하면 "B-mode" 라 불리는 CMB 포톤(Photon, 빛의 입자)의 분극화를 가져왔을 것이기 때문에 이 흔적을 찾는 것이다. 플랑크가 이 신호를 검출한다면 바로 팽창이 실제로 일어났음에 대한 반증이고, 도대체 그 팽창(inflation) 이라는 것이 언제 시작되었고 얼마나 지속되었는지에 대한 실마리를 제공하게 될 것이다.

천문학자들은 또한 팽창하는 동안의 에너지 스케일의 변화 즉 에너지 밀도에 관심이 많다. 아마도 중력파의 진폭보다 더 큰 에너지일텐데 다시 말해서 CMB 포톤의 B-mode 분극 보다 강한 에너지를 갖고 있을 것으로 생각된다. 플랑크가 이 중력파를 발견하게 되면 그 자체로 소위 말하는 High energy Model에 힘을 실어주게 된다.

2. Axis of Evil 문제

악의 축(Axis of Evil)은 지구 상에만 있는게 아니라 우주 상에도 있다. WMAP는 CMB의 온도 분포를 검측하면서 많은 사실을 알려주었지만 또 중대한 고민거리 하나를 던져 준 상태다. 상대적으로 뜨겁고 차가운 온도 분포는 순수하게 무작위적으로 분포되어야 할 것으로 기대되었지만 실제 결과는 달랐기 때문이다. 마치 어떤 축을 따라 정렬되어 있는 것처럼 보이기 때문이다. 이를 ICL(Imperial College London)의 Joao Maguelijo가 이끄는 연구팀에서 "axis of evil" 이라고 이름 붙였다. 천문학자들은 이 것이 우주의 실체를 반영한 것인지 아니면 WMAP의 계측기에 의해 발생한 오류인지를 아직 모르고 있다. 플랑크가 이 문제를 해결해 줄 것으로 기대하고 있는 상태다.

왜냐하면 우리가 표준 모델로 삼고 있는 한 점에서 시작된 비그뱅 이후의 팽창(inflation) 모델에 따르면 이에 따라 생성된 비등방성 우주는 어떤 방향에서나 똑같은 모습을 하고 있어야 할 것이기 때문이다. 우주에는 중심이 없고 특별한 방향도 없어야 한다. 이 축의 존재가 사실로 밝혀지면 표준 모델을 기각해야 할지도 모른다. 그렇기 때문에 '악의 축' 이다.

비슷한 문제로 온도 변화의 진폭에 관한 것이 있다. 이론에 따르면 이 분포가 종모양의 가우시안(Gaussian) 분포를 따라야 하는데, WMAP의 관측 결과로는 오차 범위 이상의 non-Gaussian 분포를 보이기 때문이다. 과연 플랑크가 이 문제를 해결해 줄지 아니면 큰 변혁을 가져올지의 귀추가 주목된다.

3. String Theory 의 증거 탐색

끈이론에서는 우리의 우주는 약 10500개의 다중우주(multiverse) 중의 하나라고 말한다. (우리가 우주를 universe 라고 하는 것은 오직 하나의 우주만이 존재한다는 믿음에서 비롯된 것이다) 만약에 우주의 팽창이 끈 이론과 맡물린다면 우리 우주의 곡률은 완전하게 평평한 것이 아니라 아주 약간 휘어져있게 된다. 그리고 플랑크는 그 곡률의 여부를 판별할 정도로 정밀하기 때문에 끈이론이 포함되어 있는 아이디어 모델을 뒷받침하거나 기각하거나 할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

물론 이런 것들이 발견되지 않아서 계속 미궁 속에 있을지도 모릅니다. 그리고 비그뱅 이론이 틀릴 수도 있습니다. 하지만 와인버그가 그의 『처음 3분간』에서 밝힌 것처럼 과학의 발전을 위해서는 오히려 이론적 편견이 필요합니다. 그리고 그 편견의 옳고 그름은 그 결과에 의해 판단되면 됩니다. 아직까지는 이 표준 우주 모델이 성공을 거둬 왔고, 꾸준한 실험 계획에 일관된 이론적 골격을 제공해왔습니다. 바로 이 비싼 망원경들을 우주로 쏘아 올리는 이유입니다. 이것은 비그뱅 이론이나 표준 모델이 진실이라는 것이 아니라 그만큼 진중하게 다루어질 가치가 있음을 의미하는 것입니다.

덧글

  • 변정수 2009/05/14 16:37 # 삭제 답글

    빅뱅 이론이 틀리다면, 'Big Bang Theory' 는 어떻게 되는거죠? ^^
  • 다음엇지 2009/05/14 17:29 #

    일단 시즌 2 17화에 Smoot 가 출연하지 못했겠쥐.. ^^
  • 2009/10/27 17:08 # 삭제 답글 비공개

    비공개 덧글입니다.
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