빅뱅에서 태양계 생성까지

빅뱅에서 인간출현에 이르기까지 이어지는 다양한 학문분야는 서로 연결되어 있습니다. 이에 천문학, 지질학, 분자세포생물학,진화학,양자역학,암석학,생리학,우주론, 입자물리학 ,뇌과학등의 핵심적인 지식을 연결하고 통섭하는 학습을 하면서 함께 공부하였으면 합니다.

 

 

138억 년 전 우주출현

138억 년 전 갑자기 우주가 출현했습니다. 빅뱅으로 탄생한 우주와 더불어 시간과 공간도 생겨났습니다. 빅뱅은 시간과 공간의 생성 그 자체이므로, 빅뱅 이전에도 시간이 존재했는지에 대한 문제는 아직까지 과학의 영역이 아닙니다. 빅뱅 후 플랑크 시간이 지나면서 중력이 출현했습니다. 10^-43초인 플랑크 시간은 물리상수를 포함한 공식 t =(hG/2πC5)1/2 에서 구해집니다. 이때 h는 플랑크 상수, G는 만유인력 상수, C는 상수입니다.

빅뱅 후 플랑크 시간까지의 매우 짧은 순간에 우주가 어떤 상태였는지 현대 물리학으로는 설명할 수가 없습니다. 빅뱅부터 중력이 출현하기 전까지 매우 짧은 시간 동안 우주는 초기 불랙홀의 생성과 소멸로 인해 인과론적 세계가 아닌 양자 확률의 물거품 같은 세계였습니다. 플랑크 시간을 통과하면서 우주의 네 가지 힘(중력,강력,약력,전자기력) 중 중력이 최초로 분화되어 팽창하는 우주 속으로 뻗어 나갔습니다. 빅뱅후 10^-53 초를 지나면서 우주는 급속히 팽창하면서 양성자보다 작은 우주에서 1050배 팽창하여 반지름이 약 1 미터인 우주가 되었습니다.

초기 우주가 급팽창했다는 인플레이션 이론은 윌킨슨마이크로파비등방성탐색기(WMAP)와 플랑크 인공위성의 관측결과가 증명하고 있습니다. 급팽창 이론을 활용하면 우주론에서 풀지 못했던 우주의 평탄성과 지평선 문제를 해결할 수 잇습니다. 현재까지 관측한 결과, 우주는 휘어진 구조를 갖지 않고 대단히 평탄한데, 이는 인플레이션으로인한 것입니다. 지평선 문제는 빛으로도 연결할 수 없을 만큼 멀리 떨어진 우주 두 곳이 온도와 밀도가 10만분의 1 수준으로 거의 균일한 현상을 말합니다. 빅뱅초기의 우주가 인플레이션 시기에 가속팽창으로 멀어진 후 서로 연결되지 않고 현재까지 그 상태를 유지하기 때문입니다.

양성자와 중성자의 출현

빅뱅 후 10^-6 초가 지나면서 쿼크들이 강한 상호작으로 결합하여 우주에 양성자와 중성자가 출현했습니다. 중성자는 양성자보다 질량이 조그 더 커 중성자가 에너지가 잦은 양성자로 전환되는 베타붕괴가 일어납니다. 진공에서 중성자는 15분이 지나면 베타붕괴로 인해 전자와 반중성미자를 방출하고 양성자로 전환됩니다. 그래서 현재 우주에서 중성자는 대부분 원자핵에 구속된 상태로 존재합니다. 새로운 중성자 다발은 별 속의 핵변환 과정과 초신성 폭발에서 생성됩니다.빅뱅 후 대략 1초가 지나면서 중성미자가 우주에서 독립된 입자로 출현해 광속으로 달리기 시작했습니다. 중성미자는 별 속의 핵융합 과정에서 대규모로 방출됐는데, 대부분이 별 중심부에서 양성자 4개가 융합하여 헬륨 원자핵인 알파입자로 전환하는 과정에서 감마 파장의 광자와 함께 생겨났습니다. 이후 광자와 중성미자 모두 광속으로 태양을 빠져나왔고 광자는 태양표면까지 나오는 과정에서 많은 입자와 충돌하기 때문에 약 100만 년의 시간이 걸리지만, 중성미자는 물질 입자와 상호작용을 거의 하지 않아 수초 안에 태양을 빠져나옵니다.

수소 원자의 출현과 우주마이크로파 배경복사(CMB)

빅뱅 후 약 3분을 지나면서 우주에 알파입자가 출현했습니다. 알파입자는 양성자 2개와 중성자 2개가 강한 상호작용인 핵력으로 결합한 헬륨 원자핵입니다. 별 속의 핵융합 과정에서 알파입자는 다른 알파입자와 핵융합하여 탄소, 네온, 마그네슘, 원자핵을 합성합니다. 빅뱅 후 38만 년이 지나면 우주의 크기가 커진 만큼 온도가 급감하여 3000도 정도가 됩니다. 이때 우주 속 전자들의 운동 속도가 줄어들어 양성자에 전자기력으로 구속되어 드디어 수소 원자가 출현하였습니다.빅뱅 후 38만년 이전까지는 온도가 높아 전자들이 빠른 속도로 움직이면서 광자와 반복적으로 충돌했습니다. 그러나 38만년이 지나면서 전자와 충돌하던 광자가 팽창하는 우주 속에서 광속으로 빠져나오는데 이때부터 자유롭게 된 광자 다발을 우주 마이크로파 배경복사(CMB)라고 합니다.

최초의 별과 은하의 출현

빅뱅 38만 년 이후부터 우주 구성 성분의 비율은 수소 원자 75% 헬륨 원자 24%로 자리 잡았습니다. 초기 우주의 수소와 헬륨 원자들은 이 암흑물질(실체가 밝혀지지 않은 물질)의 중력에 의해 모여들었고, 온도와 압력이 높아짐에 따라 빅뱅 후 약 5억 년이 지나자 최초의 별이 출현했습니다. 최초의 별 중 질량이 태양이 100배가 넘는 것들은 수백만 년 안에 폭발하여 중심부는 블랙홀이 될 확률이 높았습니다.질량이 큰 별들은 수명이 짧으며, 마지막 순간에 폭발하면서 대규모의 성간물질을 만들었습니다. 이 성간물질들은 다시 중력 수축으로 핵융합하는 별이 만들어집니다. 최초의 은하는 빅뱅 후 10억 년 안에 출현했으며 약 132억 년 전 태양이 속해 있는 우리은하인 은하수(Milky Way)가 생겨났습니다.

우주의 시대 구분

우주의 시대는 복사 지배 우주, 물질 지배 우주, 암흑에너지 지배 우주로 구분됩니다. 빅뱅 후 약 5만 년까지는 우주의 구성 성분 중 에너지가 높은 광자가 압도적으로 많은 복사 지배 우주시대(RDU) 엮으며, 빅뱅 후 약 5만 년에서 98억 년까지는 물질 지배 우주시대(MDU)였습니다. 빅뱅 후 98억 년 이후부터는 암흑에너지지배 우주시대(DEDU)이며 현재의 우주는 팽창으로 인해 진공 영역이 확장되면서 진공 자체의 에너지에 의해 지수함수적으로 가속 팽창하고 있습니다.

태양계의 생성

태양은 46억 년 전에 은하수 내 성간물질의 중력 수축으로 탄생하였습니다. 태양이 핵융합을 시작하여 주계열성(수소가 헬륨으로 변환하는 핵융합을 하는 별)이 되면서 태양 생성과 동시에 태양계의 행성들도 만들어졌습니다. 태양이 생성되는 과정에서 산소, 철의 화합물들이 결합하고 점차 질량이 증가하여 중력이 강해지면서 미행성들이 출현했습니다. 미행성들이 합쳐져서 수성, 금성, 지구, 화성 같은 지구형 행성이 탄생했으며 지구형 행성들은 질량이 작고 중력이 약해서 가벼운 수소와 헬륨을 중력으로 구속할 수 없지만, 목성과 토성처럼 중력이 큰 행성들에는 수소와 헬륨이 풍부합니다.

금성은 대기 온도가 높아 액체 물이 기체가 되어 우주공간으로 탈출하여 바다가 점차 사라졌다고 추정하고 있고, 화성은 질량이 작고 자기장이 미약하여 초기에 존재했던 바다가 약 32억년 전에 사라졌습니다.

지구는 물이 기체, 액체, 고체 상태로 존재할 수 있는, 태양과 적당한 거리에 있는 매우 드문 형성되었습니다. 물 분자는 진공에서는 기체 상태로 존재하고 태양계의 행성과 위성에서는 주로 고체인 얼음으로 존재합니다. 지구가 만들어지고 약 1억년 이내에 대기 중의머물던 기체 상태의 수증기가 물방울이 되어 자유낙하하여 드디어 지구의 바다가 출현하게 되었습니다.결국 빅뱅에서부터 태양계의 생성까지 과정을 알아보았습니다.

다음에는 지구에서의 생명이 출현은 어떻게 이루어지는지 알아보는시간을 갖도록 하겠습니다.