천문학에서의 우주 에너지와 그 연구분야

목차

1. 우주에너지에 대한 고찰

2. 우주론으로서의 입자 물리학

3. 초창기 우주에 대해

 

 

1. 우주에너지에 대한 고찰

우주에서의 에너지는 우주의 대부분을 차지하고 있는 원소인 수소와 헬륨이 핵합성이라는 과정을 통하여 빅뱅이 발생되는 동안에 만들어지게 되었다. 이러한 항성들의 핵합성 반응에서 작은 원자핵들이 그보다 큰 원자핵과 결합함으로써 가장 큰 핵 결합 에너지를 가지고 있는 철이나 니켈 같은 원소들을 형성하게 되었다. 이러한 과정들은 빅뱅 이후에 에너지 방출을 뜻하는 것이다. 이러한 핵원소들의 반응은 새로운 별과 같은 격변하는 변광성에서 아주 갑작스러운 에너지의 방출을 만들어 낼 수가 있는 것이다. 블랙홀에 의한 물질의 중력 붕괴는 퀘이사와 활동하는 은하를 만드는 은하 핵 영역에서 대체적으로 알 수 있는 에너지가 아주 많이 생성되는 과정에 동력을 제공하게 된다. 천문학자나 소위 우주론자들은 우주의 가속화된 팽창과 관련된 현상과 같은 모든 우주 현상들에 대해서 에너지 형태로는 설명이 잘 안 되었다. 하지만 우주론자들은 우주의 모든 공간에 존재하는 암흑 에너지라는 새로운 개념의 에너지를 주장하게 되었다. 여기서 하나의 가설은 암흑 에너지가 양자물리학에서의 불확정성의 원리로 인해 존재되는 가상 입자와 관련된 비어있는 공간에서의 구성 요소인 진공 에너지가 대부분일 거라는 것이다.  가장 유명한 물리학에서의 중력 이론인 일반 상대성이론을 활용하여 우주의 총에너지를 계산하는 정확한 방법은 존재하지 않는다. 그래서 팽창하고 있는 우주에서 전체적인 에너지가 보존되는 것인지에 대한 진위여부는 여전히 논란거리이다. 예를 들자면 우주의 은하 공간을 이동하는 광자들은 적색 편이 효과로 인하여 에너지를 잃게 된다. 이 에너지들은 분명 다른 어떠한 시스템으로 전해지지 않는 것으로 보여 영원히 없어지는 것처럼 보인다. 하지만 우주론자들의 입장에서는 이 에너지들이 어떠한 의미에서는 보존이 된다고 믿고 있다. 이것 또한 에너지 보존 법칙을 따른다고 생각하기 때문이다. 물론 다른 형태의 에너지가 우주 전체를 지배하고 있을 수 있다. 복사에너지 라고 하는 상대론적 입자나 물질이라고 하는 비상대론적인 입자들이 바로 그것이다. 여기서 말하는 상대론적 입자란 정지한 질량이 운동 에너지에 비해서 제로 이거나 무시할 정도의 입자 이므로 빛의 속도로 아주 빠르게 이동하거나 빛에 매우 가깝다고 본다. 비상대론적 입자는 에너지보다 훨씬 더 높은 정지 질량을 가지고 있어서 빛의 속도보다는 훨씬 느리게 움직인다고 본다. 우주가 팽창함에 따라서 이 물질과 복사들은 모두 없어지게 된다. 하지만 복사와 물질의 에너지 밀도는 또 다른 비율로서 희석이 되게 된다. 어떤 특정 부피가 팽창함에 의해서 질량과 에너지 밀도는 부피의 증가에 의해서만이 바뀌게 되지만 복사 에너지 밀도는 부피의 증가와 그것을 구성하고 있는 광자 파장의 증가됨에 의해서 모두 바뀌게 된다. 그러므로 인해 복사 에너지는 팽창됨에 따라 물질 에너지 보다 우주 전체 에너지의 훨씬 더 작은 부분으로 된다. 아주 초창기의 우주는 복사 에너지에 의해 지배됐다고 하는데 이런 복사는 팽창의 감속을 통제했다고 보고 있다. 나중에는 광자 하나당 평균 에너지가 대략 10eV 이하가 되면서 물질이 감속도를 결정하게 되게 된다. 우주의 팽창이 계속 진행될수록 물질은 더욱더 희석이 되고 우주상수는 더욱더 지배적이게 되어서 우주의 팽창은 더욱 가속화된다고 본다. 표준우주론모형에서는 전체 우주를 지배하고 있는 운동 방정식이 아주 적은 양의 우주상수를 가지는 일반 상대성이론에서 파생되었다. 우주팽창으로 인하여 우주 방사성과 물질들이 냉각되면서 희석이 된다. 최초에 우주복사와 물질을 서로 끌어당기는 중력에 의해서 팽창이 느려졌다. 하지만 이런 것들이 희석이 될수록 우주상수가 더욱 지배적이게 되었고 오히려 우주의 팽창속도는 더더욱 가속화되기에 이른다. 이런 일들은 이미 수십억 년 전에 일어난 일이었다고 추측하고 있다.

 

2. 우주론으로서의 입자 물리학

초창기 우주에서는 평균 에너지 밀도가 아주 높아서 입자 물리학에 대한 지식들이 이러한 환경을 이해하는데 아주 중요하게 작용하였다. 불안정한 소랍자의 산란이나 붕괴들은 이 시기에 우줄 노적 모형을 구축하는데 중요한 역할을 하였다. 그리고 산란과 붕괴 과정들은 그런 과정들을 설명하는 시간적인 규모가 우주가 팽창하는 시간적인 규모보다 작거나 이와 유사한 경우에는 특정 시대에 우주론적으로 중요한 부분이었다.

 

3. 초창기 우주에 대해

연구에 의하면 우리가 현재 관측할 수 있는 우주는 대략 138억년 전에 탄생했다고 보고 있다. 초창기 우주가 시작된 이래 우주는 세 가지의 진화과정을 거쳤는데 초기 우주에서는 우주 전체가 너무나 뜨거워서 입자들이 아주 높은 에너지를 지니고 있었던 시기였다. 초기의 우주에서는 고에너지 물리학에 의하여 우주 진화가 진행되었다고 한다. 처음에는 양성자, 전자 그리고 중성자가 만들어진 다음에 핵이 만들어지고 마지막으로 원자가 형성이 되었다. 그리고 중성 수소가 형성이 되면서 우주 마이크로파 배경이 방출하게 되었다. 최종적으로는 물질들이 항성과 퀘이사로 모이기 시작하면서 궁극적으로는 은하와 초은하단이 만들어지면서 구조 형성의 시대가 시작되게 되었다. 앞으로의 우주의 미래는 확실하진 않지만 계속해서 무한히 확장될 거라 추측하고 있다.