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- 우리 우주의 초기 38만 년은 미지의 영역. 우주 마이크로파 배경 복사 뒤에 가려져 있어
- 고찰의 출발점은 배경 복사가 방출되기 전에도 우주에 격렬한 에너지 폭발이 있었을 것
- 하나,:저에너지 유물(遺物)중성미자, 두 번째 소프트 X-선, 세 번째는 배경복사 핫스팟
- 이 신호들은 우주 발달 초기의 과정에 대한 독특한 통찰력을 제공

우주: "커튼" 뒤를 엿볼 수 있을까?
세 명의 "목격자"가 빅뱅 이후 38만 년에 대한 통찰력을 제공할 수 있을까?

미스터리한 초기 시대:
우리 우주의 초기 38만 년은 미지의 영역으로 여겨졌다. 우주 마이크로파 배경 복사 뒤에 가려져 있었다. 하지만 천체물리학자들은 이제 이 접근하기 어려운 시대의 "전달자"로 추정되는 세 가지를 발견했다. 그들에 따르면, 특정 중성미자, 소프트(soft) X선 피크, 그리고 마이크로파 배경 복사(cosmic microwave background)의 작은 열점들이 우주 초기 폭발의 유물일 수 있다고 한다. 

▲ 빅뱅 이후 첫 38만 년 동안 무슨 일이 일어났을까요? 지금까지 우리는 알지 못한다. 이 시대의 물리적 "증인"이 없기 때문이다. 아니면 있을까? © NASA

빅뱅 직후에는 무슨 일이 일어났을까? 우주 급팽창이 있었을까? 평행 우주가 우리 우주에서 분리되었을 가능성이 있을까? 그리고 암흑 물질은 언제, 어떻게 생겨났을까? 물리학자들은 수십 년 동안 이러한 질문들을 놓고 논의하고 고민해 왔다. 영국의 물리학자 스티븐 호킹조차 2018년 사망 직전에 새로운 모델을 개발했다.

하지만 문제는 우리 우주의 이 중요한 시작이 우리가 볼 수 없는 베일 뒤에 숨어 있다는 것이다. 빅뱅 이후 약 38만 년, 최초의 원자가 형성됐을 때 방사선과 물질이 분리되었다. 이 최초의 빛은 이제 어디에나 존재하는 우주 마이크로파 배경 복사를 형성해 이전의 모든 것을 가리고 압도한다. 이 "베일" 뒤에서 이전 시대를 들여다보는 것은 지금까지 불가능한 것으로 여겨져 왔다.

"목격자"가 있을지도 모른다.

독일 남부 가르싱에 있는 막스 플랑크 물리학 연구소의 레오 스토돌스키(Leo Stodolsky) 와 파리 천체물리학 연구소의 요제프 실크(Joseph Silk)가 보고했듯이, 이러한 상황은 어쩌면 바뀔 수도 있다. 그들은 이 접근하기 어려운 시대의 "목격자" 중 오늘날에도 존재할 수 있는 세 가지를 찾아냈다. 그들의 고찰의 출발점은 배경 복사가 방출되기 전에도 우주에 격렬한 에너지 폭발이 있었을 것이라는 가정이다. 예를 들어 원시 블랙홀이 형성되거나 평행 우주가 분리되었을 때와 같은 현상이다.

▲ 우주 마이크로파 배경 복사는 우주가 창조되기 전에 일어났던 모든 일을 우리가 볼 수 없게 만든다. © NASA

천체물리학자들은 "이러한 강력한 시공간 붕괴가 중성미자와 아마도 다른 펄스를 생성했을 것으로 추정한다"며 "이러한 사건들은 더 직접적으로 관측할 수 없겠지만, 잠재적으로 관측 가능한 신호를 남겼을 가능성도 있다"고 설명했다. 이러한 신호 중 하나는 중성미자로 구성될 수 있다. 중성미자는 초신성과 중성자별 충돌부터 블랙홀이 물질을 삼키는 것까지 우주의 모든 고에너지 사건에서 방출되는 거의 질량이 없는 기본 입자다.

첫 번째 신호: 저에너지 유물(遺物) 중성미자

따라서 초기 우주의 첫 번째 "증인"은 그 시대의 유물 중성미자일 수 있다. 물질과 거의 상호 작용하지 않는 이 고대 입자들은 시간이 흐르고 우주가 팽창하면서 많은 에너지를 잃었을 것이다. 따라서 이들은 현재 과정에서 생성되는 중성미자에 비해 에너지가 극히 낮을 것이다. 스토돌스키와 실크는 "유물 중성미자의 이러한 비(非)열적 성분은 검출하기 매우 어려운 신호가 될 것"이라고 결론지었다.

이유는 다음과 같다. 첫째, 우주 원시 시대의 이러한 소수의 저에너지 "전달자"는 수많은 새로운 우주 중성미자의 배경 잡음에 묻혀 사라지기 때문이다. 둘째, 이러한 입자의 속도가 느리고 에너지가 낮을수록 검출하기가 더 어렵다. 물질과의 상호작용이 훨씬 적어지기 때문이다. 따라서 중성미자 검출기와도 상호작용하지 않는다. 천체물리학자들은 현재 기술로는 이러한 유물 중성미자를 아직 검출할 수 없다고 설명했다.

▲ 배경 복사가 방출되기 전의 중성미자는 오늘날까지 남아 있었을 수도 있다. 하지만 검출하기는 매우 어려웠을 것이다. © Cush/ 퍼블릭 도메인

두 번째 전달자: 연X선(Soft X-ray)

원시 시대의 두 번째 신호는 검출 가능성이 더 높다. 이 신호는 전자의 반물질 대응물인 양전자로 구성되어 있으며, 유물 중성미자가 물질과 상호작용할 때 방출된다. 이 양전자는 생성 직후 전자와 접촉하여 소멸될 것이다. 그러나 중요한 점은 이 소멸 과정에서 광자가 방출된다는 것이다. 연구진은 "적색편이 때문에 오늘날에는 연X선일 것"이라고 기술했다.

원시 시대의 두 번째 신호는 가능성이 더 높다. 이 X선 신호는 이론적으로 현재의 방법으로 검출될 수 있다. 그러나 이 X선 복사는 2~3킬로전자볼트(kV)에 불과한 매우 낮은 에너지이기 때문에 쉽게 간과된다. 스토돌스키와 실크는 "이 에너지 범위에서 X선 ​​하늘은 국부적인 방출에 의해 지배된다"고 설명했다. 예를 들어, 은하수의 확산 가스와 우리 은하의 국부적인 거품 또한 이 범위의 복사를 방출한다. 천체물리학자들은 이 고대 신호가 스펙트럼에서 특징적인 "혹" 모양으로 식별될 수 있을 것으로 추정한다.

▲ 초기 폭발은 우주 마이크로파 배경 복사에 작은 핫스팟을 남겼을 가능성이 있다. © ESA/Planck Collaboration

세 번째 신호: 마이크로파 배경 복사의 "핫스팟“

세 번째 "증인"은 우주 마이크로파 배경 복사에 숨겨져 있을 수 있다. 스토돌스키와 실크에 따르면, 초기 우주에서 발생한 강력하지만 공간적으로 제한된 폭발은 이 배경 복사에 일종의 "에너지 흔적"을 남겼을 수 있다. 이러한 흔적은 이 복사 담요에서 증가된 에너지의 작은 핫스팟으로 나타나야 한다. 연구진은 "이 신호는 작은 영역에서 플랑크 스펙트럼과의 편차로 보일 것이다"고 설명했다.

그러나 문제는 배경 복사가 이미 수많은 따뜻한 점과 차가운 점, 그리고 영역이 뒤섞인 조각처럼 보인다는 것이다. 천체물리학자들은 "따라서 이 신호를 다른 온도 변동 원인과 구별할 필요가 있을 것이다"고 설명했다. 하지만 이는 마이크로파 배경 복사를 높은 각도 분해능으로 매핑하고 고급 통계적 방법을 사용해 "분석"해야만 가능하다.

"관측 우주론의 새로운 시대"

초기 우주에서 이 세 가지 "증인" 중 단 하나라도 검출하기는 쉽지 않겠지만, 그럴 만한 가치가 있을 것이다. 이 신호들은 우주 발달 초기의 과정에 대한 독특한 통찰력을 제공할 수 있다. 스토돌스키와 실크는 "이러한 신호들 중 어느 것도 검출하기 쉽지 않더라도, 그 검출은 우주 역사상 가장 극적인 사건들에 대한 증거를 제공하고 관측 우주론의 완전히 새로운 시대를 열 수 있다"고 말했다.

따라서 천체물리학자들은 자신들의 이론적 고찰이 이러한 신호들을 미래에 관측 가능하게 만드는 발전, 즉 초기 우주에서 직접 온 메신저로서의 역할을 하는 발전에 자극제가 되기를 바라고 있다.

참고: The Astrophysical Journal, 2025; doi: 10.3847/1538-4357/ae01a4)
출처: The Astrophysical Journal, 막스 플랑크 물리학 연구소

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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