[펌] 과학자들이 초기 우주는 오렌지색이었다고 주장하는 이유.jpg

[펌] 과학자들이 초기 우주는 오렌지색이었다고 주장하는 이유.jpg

우주에는 전자파라는 개념이 있다.

온도가 있는 모든 것은 전자파를 내뿜는다.

이 짤은 전자파의 분광방사휘도와

파장의 상관관계를 알아보기 위한 그래프이다.

전자파는 온도에 따라서 색이 바뀐다.

2800K~3000K의 전자파는

노란색~오렌지색의 가시광선을 방사한다.

그리고 이 그래프는

온도와 파장을 나타낸 그래프이다.

이 그래프에서 제일 왼쪽 점선이

우주배경복사인데

우주배경복사의 파장은

1.9mm

160.2Hz에 피크가 있으니

이걸 온도로 환산하면

2.7K

즉 우주의 온도는

약 -270도라는 이야기이다.

근데 문제는 이 마이크로파가

우주 전체에서 퍼지고 있다는 점이다.

이 파장 1.9mm짜리 우주배경복사를 보면

명확하게 피크가 존재한다는게 보인다.

신기한건 우주 전역에서 오는 마이크로파의

꼭지점이 여러개가 아니라는 사실이다.

그말은 즉

우주배경복사의 발원점은

단 한 곳이라는 사실을 가리킨다.

축하합니다.

당신은 지금 빅뱅이론의

실험적 증거를 보고계십니다.

빅뱅 직후 일어난 급격한 팽창, 우주 인플레이션

아무튼 그렇게 빅뱅이 일어나고

10의 -36승초에서 10의 -32승초까지

급격한 팽창이 일어났다.

이걸 우주 인플레이션이라고 한다.

빅뱅 직후 약 20분 뒤,

빅뱅원소합성으로 인해

우주 인플레이션이 일단 종료되는데

이때 소립자들이 안정되어서

원자와 같은 것들이 생겨난다.

근데 그냥 생기는게 아니라

끈적끈적한 수프 상태로

우주 전체가 충만해졌다.

물론 팽창은 계속된다.

이때 우주의 온도는 약 10억도 정도이다.

10억도에서 내뿜는 빛은

얼핏 굉장히 밝을 것 같지만

파장이 짧기 때문에

인간의 눈으로는 볼 수가 없다.

그 후 우주가 팽창하고

우주의 온도도 내려간다.

근데 온도가 내려가니까

전자파의 파장이 길어지고,

감마선에서 엑스선,

엑스선에서 자외선으로 변화하기 시작한다.

이렇게 빅뱅 이후 37만년 후,

우주는 태양과 같이 흰색 같은

노란 빛깔을 띠게 되었다.

이 시절 우주는 양성자와 전자가

자유롭게 움직이는 플라즈마 상태였다.

이건

태양의 내부구조와 매우 흡사하다.

플라즈마 상태에서는 전자파가

직선으로 움직이지를 못한다.

빛은 전자로 산란해서

이리가고 저리가고 하는데

그게 너무 걸리는 것이다.

실제로 태양 내부의 빛이

태양 외부로 빠져 나오는데만

100만년이 걸린다고 한다.

초기 우주도 이와 똑같았다.

이렇게 우주의 온도가 계속해서 낮아지다가

3000도가 되었을 때 갑자기

우주가 투명해진다.

지금까지 자유롭게 움직이고 있던 전자가

양성자에 붙들려버려 원자가 되어버렸다.

그러면서 수소, 헬륨 같은 물질이 만들어지면서

우주가 투명해졌다.

이때 플라즈마에 속박당한 전자파가 해방되면서

갑자기 공간을 직진하기 시작한다.

이렇게 우주는 3000도가 방사한 전자파로

가득 차게 되어버렸다.

그럼 3000도의 온도가 발하는

전자파의 가시광선은 무슨 색인가?

오렌지 색이다.

그래서 초기 우주는

오렌지색이었을 거라고 추측하는 것이다.

켈빈 온도는 절대영도부터 시작하여 재는

온도 측정 방식이라서 섭씨보다 낮다.

과학자들이 밝혀낸, '우주가 투명해졌을 때'

우주의 크기는

'우리 은하 5개 사이즈' 정도였을 것이라 한다.

우주는 계속 팽창한다.

그 결과 초기 우주에서 빠져나온 전자파도

파장이 늘어지게 되는데

이걸 적색편이라고 부른다.

우주배경복사의 풀네임은

'우주 마이크로파 배경복사'이다.

거의 균일하지만

불균형한 곳이 군데군데 많다.

똑같이 빅뱅이라는 하나의 광원에서

발생한 마이크로파인데

왜 이렇게 불균일할까?

탄생 후 10초뒤 불투명한 플라즈마 상태가 된 우주

하지만 양성자와 전자의 중력과

전자파의 방사압 때문에 곳곳에서

수축하고 팽창한다.

마치 수면에 펼쳐지는 파문과 같은 형태로

퍼지기 시작한다.

우주전역 여기저기에서

이러한 파문이 발생하고

우주가 투명해질 때까지 계속해서 발생한다.

우주가 투명해지는 그 순간

파문의 모양이 우주에 고정되어 버리고

그 상태로 전자파가 방사되어 버려서

우리가 보는 우주배경복사가 되어버렸다.

투명해진 순간 그 상태로 고정되어버린 우주 배경복사

다시 우주배경복사를 보면

자칫 난잡하고 무질서하게 보이지만

과학자들은 이것을 자세히 분석해보면

파문에 일정한 규칙성이 있다는 사실을 발견한다.

그 규칙들을 과학자들이 그래프로 정리한 것이

아래 도표이다.

이 그래프는 통칭 파워 스펙트럼이라고 한다.

가로축은 시야각

즉 지구에서 관측한 각도이다.

세로축은 대충 파문이라고 보면 된다.

보면 꼭지점이 여러개 있는게 보이는데

첫번째 꼭지점이 제일 중요하다.

빅뱅 이후 10초~38만년까지의

초기 우주는 플라즈마 수프상태였다.

수프의 파문에도 속도가 있는데

광속의 0.58배였다는 사실을

과학자들이 밝혀내었다.

그럼 최초의 파문은 대략

38만년동안 이동했다는 이야기가 된다.

이걸 계산하면

파문의 사이즈는 22만 광년,

이걸 우주팽창이라는 변수를 고려해서

다시 계산하면

파문의 사이즈는 약 50만 광년이 된다.

즉 우주가 투명해졌을 때 우주의 크기는

우리 은하 5개 사이즈였다는 사실이 도출된다.

이 사실은 초기 우주 파문의

최대 사이즈는 50만 광년에

이 그래프 파워 스펙트럼의

최대 꼭지점이라는 이야기가 된다.

우주의 모습을 예상해보는 잣대가 된 우주배경복사

여기서 과학자들은 한번 더 생각을 했다.

'이거 어쩌면 우주를 측정할 수 있는

잣대가 될 수 있는게 아닌가?'

그래서 배경복사의 길이, 시야각, 거리를 이용해

우주가 어떤 모습을 하고 있는지

알아보려고 하기 시작한다.

방법은 단순하다.

직각삼각형을 이용한다.

만약 우주가 완벽하게 평평하다면

정확한 180도가 나오겠고

만약 그렇지 않으면

구면이나 쌍곡면이 나올 것이다.

과학자들은 우주의 모습 모델을

저렇게 3종류로 가설을 세우고

측정결과를 따라 계산을 하기 시작한다.

그 결과 세 각의 합이 180이 나오면서

우주는 평평하다는 결과가 나왔다.

축하합니다!

당신은 지금 우주의 곡률을 구했고

우주 평평론의

실험적 증거를 보고 계십니다.

근데 여기서 과학자들은 한번 더 생각을 했다.

우주가 평평하다면

우주가 균일하다는 이야기고,

관측 불가능한 우주도

균일하다는 이야기 아닌가?

그래서 과학자들은

파워 스펙트럼을 다시 한번 보기로 했다.

과학자들은 두번째 꼭지점이 첫번째 꼭지점과

상관관계에 있다는 사실을 밝혀낸다.

정확히는 두번째 꼭지점이

감소된 바리온의 밀도를 나타내는데,

이 상관관계를 해석함으로서

관측 가능한 우주의 물질총량을 알게 된다.

세번째 꼭지점은

우주의 전환점을 나타낸다.

초기 우주는 플라즈마 수프 덩어리다.

이때는 물질의 에너지보다

전자파의 에너지가 더 쎘다.

광자가 더 많은 중력을 내고 있고

광자가 지배적인 세상이었다.

전자파 우위의 세상.

근데 지금은 물질 우위의 시대이다.

여기서 세번째 피크를 조사하면

언제 전자파 우위의 우주에서

물질 우위로 세상이 바뀌었는지

그걸 알 수 있다고 과학자들이 밝혀내었다.

그리고 3번째 이후의 꼭지점이 설명하고 있는 것은

바로 암흑물질이다.

세번째 이후의 꼭지점부터

관측 가능한 우주의 에너지를

과학자들이 계산해보니

약 5%가 '물질',

27%가 '암흑물질',

68%가 '암흑에너지'인게 밝혀진다.

축하드립니다!

당신은 암흑물질과 암흑에너지의

산출방법을 배우게 되셨습니다.

우주는 평평하다고 했는데,

이말인즉슨 관측가능한 우주를 넘어

전 우주의 물질이 5%라는 이야기가 된다.

원본 출처 : [유머] 과학자들이 초기 우주가 오렌지색 이였다고 하는 이유.jpg - 루리웹

정말 재미있는 이야기네요!

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