이 포스팅은 귀도 토넬리의 저서 『제네시스』(2024)를 소개하는 기획 시리즈 중 두 번째 글로, 토넬리가 설정한 '7일간의 시간표' 중 셋째 날과 넷째 날의 기록을 담고 있습니다.
토넬리는 찰나의 순간($10^{-6}$초)에서 수 마이크로초 후 탄생한 불멸의 양성자부터 '별의 심장'이라 불리는 원시핵이 형성된 3분까지를 셋째 날의 역사로, 그리고 그로부터 38만 년 후 전자가 원자핵에 포획되며 마침내 빛이 우주를 자유롭게 밝히기 시작한 순간을 넷째 날의 기록으로 기술합니다.
우주가 탄생한 지 불과 38만 년 후, 존재하는 것은 촛불과 같은 뜨거운 플라즈마뿐이었습니다. 양성자와 전자(빨간색과 녹색 공)는 빛을 산란시키며 이리저리 움직였습니다. 광자(파란색)라고 불리는 빛 입자는 전자와 충돌하지 않고는 멀리 나아갈 수 없었습니다. 우주가 식으면서 양성자와 전자는 짝을 이루어 수소 원자를 형성했고, 빛은 비로소 자유롭게 이동할 수 있게 되었습니다.
(출처: https://science.nasa.gov/universe/what-can-we-learn-from-the-universes-baby-picture/)불멸자의 탄생
이제 셋째 날이 되었습니다. 우주는 이제 1,000억km의 크기에 도달했지만, 여전히 팽창을 계속하고 있습니다. 온도는 빠르게 떨어지고 있지만, 여전히 조($10^{12}$)도 단위로 측정됩니다.
온도가 떨어지자 가장 가벼운 입자인 쿼크는 응결되어 특별한 상태가 됩니다. 글루온이 '강력'의 힘으로 쿼크를 속박하여 진공의 국소적 영역을 차지합니다. 이 '부분'은 마치 편안한 집처럼 글루온이 세 개의 쿼크들을 껴안아 묶어둘 만큼 넉넉합니다. 이 글루온이 마치 접착제처럼 강하게 묶어 세 개의 쿼크로 이루어진 입자가 바로 불멸의 존재, 양성자입니다. 우주 탄생 138억 년 동안 지금까지 존재해 온 불멸자입니다.
그리고 전자가 힉스 장과의 상호작용을 통해 갖게 된 특정 질량은, 전자가 양성자 주위를 안정적으로 공전하여 원자와 분자를 형성할 수 있도록 합니다. 이런 식으로 거대한 기체 성운이 생성되었고, 그로부터 최초의 별과 은하, 행성과 태양계가 탄생하였으며, 최초의 생명체가 생겨나 점점 더 복잡해져 결국 우리에게까지 이르게 되었습니다.
가장 완벽한 액체
빅뱅 이후 불과 1마이크로초(100만분의 1초, $10^{-6}$초)가 지났을 때, 온도는 10조 도가 넘었고, 우주는 플라즈마 상태로 끓고 있었습니다. 원자에서 전자가 분리될 정도로 고온으로 가열되어 이온화된 기체를 플라즈마라고 부릅니다. 원시 우주를 채우고 있는 플라즈마는 이온과 전자로 구성되어 있지 않고, 온갖 종류의 입자, 특히 쿼크와 글루온으로 구성되어 있었습니다.
쿼크와 글루온 플라즈마는 어떤 저항도 없이 서로 미끄러지며 본질적으로 서로 상호작용하지도 않습니다. 사실상 점도가 없는 완벽한 액체, 이상적인 유체로서 어디서든 쉽게 흐르며 어떤 작은 틈이건 침투할 수 있습니다.
양성자는 영원하다
$10^{-6}$초에서 몇 마이크로초 후 온도가 낮아지면서 쿼크와 글루온 플라즈마가 존속할 수 있는 임계온도를 지나게 됩니다. 이 시점에서 우주는 엄청난 양의 광자로 채워지고, 쿼크와 렙톤(전자 등)은 글루온과 함께 사방으로 날아다니는 한편, 무거워진 $W$와 $Z$는 제한된 범위 내에 있었습니다.
이때의 임계 온도를 '강입자(Hadron) 형성 임계 온도라고 하며, 약 $2 \times 10^{12} \text{ K}$ (2조 도)이며 약 $150 \sim 170 \text{ MeV}$ ($1 \text{ MeV}$는 대략 116억 도에 해당)의 에너지를 갖습니다.
온도가 2조 도보다 높았을 때는 에너지가 너무 커서 쿼크들이 개별적으로 존재할 수 있었습니다. 하지만 임계 온도 아래로 떨어지면 '강력'이 쿼크들을 강하게 움켜쥐어 더 이상 혼자 존재할 수 없게 만듭니다. 즉, 우주가 냉각됨에 따라 글루온에 의한 상호작용은 점점 더 강해지고, 모든 글루온은 결국 어떤 쿼크에 달라붙어 시야에서 사라지고, 물질은 보통 '강입자'라고 부르는 무거운 상태로 응집되기 시작한 것입니다.
그 결과 항상 균형이 잡혀 결코 흔들리지 않는 3개의 다리가 달린 탁자처럼, 기발한 단순함을 갖춘 구조가 탄생합니다. 전하가 $+\tfrac{2}{3}$ 인 UP쿼크 2개와, 전하가 $-\tfrac{1}{3}$인 Down쿼크 1개가, 순수 양전하 $+1$인 시스템을 구성하는데, 이를 양성자라고 합니다.
글루온이 운반하는 강력의 끈끈이에 들러붙은 3개의 회전하는 쿼크의 조합은 일종의 난공불락의 요새를 만듭니다. 하나의 양성자는 $0.938 \text{GeV}$의 질량을 가지고 있습니다. 3개의 가벼운 쿼크는 그들의 질량의 합보다 훨씬 큰 결합에너지로 연결되어 있습니다.
하나의 양성자가 가진 $0.938 \text{GeV}$의 무게 중, 정작 쿼크 자신의 무게는 $1$%에 불과합니다. 업(Up)쿼크 약 $0.002 \text{GeV}$, 다운(Down) 쿼크 약 $0.005 \text{GeV}$, 3개 쿼크의 질량을 모두 더하면 약 $0.009 \text{GeV}$ 입니다. 나머지 $99$%는 요새 내부에서 휘몰아치는 강력의 결합에너지 그 자체입니다. 바로 쿼크들을 묶어주는 강력과 그 매개 입자인 글루온의 운동 에너지에서 기인합니다. 아인슈타인의 $E=mc^2$에 따르면 에너지는 곧 질량입니다. 양성자라는 좁은 요새 안에서 쿼크들이 빛의 속도에 가깝게 움직이며 만들어내는 운동 에너지, 그리고 글루온이 쿼크 사이를 오가며 발생하는 상호작용 에너지가 응축되어 '질량'이라는 형태로 나타나는 것입니다. 쿼크들을 떼어놓으려 할수록 강력의 끈은 더 팽팽해지며 에너지가 급증합니다. 이 거대한 에너지의 장 자체가 양성자의 묵직한 무게를 형성합니다.
우주가 점점 더 냉각되어 결합에너지보다 훨씬 낮은 에너지 수준을 지나면서 양성자는 분해되기 점점 더 어려워집니다. 양성자의 수명은 '수명 하한선'을 두는 것만이 가능했는데, 이는 $10^{34}$년 이상으로 밝혀졌습니다. 실험의 한계내에서 보면 양성자의 수명은 영원한 것입니다. 우주의 나이가 $10^{10}$년을 조금 넘었다(138억 년)는 것만 생각해도 알 만합니다.
가볍지만 없어서는 안 되는 입자
그러나 우리가 알고 있는 안정된 물질을 구성하는 데 필요한 두 가지 성분이 아직 빠져 있습니다. 첫 번째는 양성자의 중성 버전인 중성자입니다.
중성자는 2개의 다운 쿼크(각각 $-\tfrac{1}{3}$ 전하)와 하나의 업 쿼크(전하 $+\tfrac{2}{3}$)로 이루어져 있습니다. 그 결과 질량은 크지만 전하가 없는 물체가 만들어집니다. 중성자의 질량은 $0.93957 \text{ GeV}$(약 $939.57 \text{ MeV}$) 입니다. 양성자($0.93828 \text{GeV}$, 약 $938.28\text{ MeV}$)보다 겨우 $1.29\text{MeV}$, 즉 $0.14$% 더 무겁습니다.
양성자와 중성자는 그 반입자들과 함께 지속적으로 형성됩니다. 반대되는 2개가 만나면 즉시 서로를 소멸시켜 광자를 생성하지만, 환경이 너무 뜨거워서 입자/반입자 쌍이 진공에서 계속 추출되어 방금 사라진 입자를 대체합니다. 이 과정은 온도가 허용하는 한 모든 곳에서 지속적으로 반복됩니다. 이 매우 빠른 탄생과 소멸의 순환에서 물질과 반물질 사이의 작은 초기 비대칭이 증폭됩니다. 느리지만 확실하게, 극미한 개체 수 차이로 모든 반양성자와 반중성자가 이후 세대에서 사라집니다. 이렇게 우주는 물질로만 이루어지는 방향으로 나아갑니다.
우주가 안정된 물질의 시대로 나아가기 위해 반드시 필요한 또다른 성분이 바로 '전자'입니다. 양성자와 중성자가 원자핵이라는 '심장'을 만든다면, 전자는 그 주위를 감싸며 우리가 만지고 느낄 수 있는 '물질의 부피'와 '화학적 성질'을 완성합니다.
양성자는 (+) 전하를 가집니다. 우주가 전기적으로 중성이 되어 안정된 원자를 형성하려면, 동일한 수의 (-) 전하를 가진 전자가 반드시 필요합니다. 우리가 보는 모든 사물, 생명체의 DNA, 단백질 결합은 원자들끼리 전자를 주고받거나 공유하면서 일어납니다. 전자가 없다면 분자도, 생명도 존재할 수 없습니다.
전자는 렙톤(Lepton, 경입자) 계열의 기본 입자입니다. 질량은 약 $0.000511 \text{ GeV}$ ($0.511 \text{ MeV}$)로, 양성자 질량($0.938 \text{ GeV}$)의 약 1,836분의 1밖에 되지 않을 정도로 가볍습니다. 전자 역시 힉스 메커니즘을 통해 질량을 얻었습니다. 만약 전자가 질량을 얻지 못해 빛의 속도로 계속 날아다녔다면, 양성자 주위에 붙잡히지 못해 '원자'라는 구조 자체가 만들어질 수 없었을 것입니다.
빅뱅 후 얼마 지나지 않아 우주는 가장 가벼운 하전 입자(쿼크, 전자, 양성자 등)들로 가득 차게 됩니다. 이제 안정된 물질이 형성되는 데 필요한 모든 필수 성분이 들어 있지만 아직 조금 남았습니다.
하전 입자
빅뱅 초기 우주를 가득 채웠던 하전 입자는 전자기적 상호작용을 할 수 있게 하는 '전하'를 띠고 있는 입자를 의미합니다. 단순히 말해, 플러스(+) 또는 마이너스(-)의 전기적 성질을 가진 아주 작은 알갱이들입니다.
물리학에서 하전 입자는 전자기장의 영향을 받으며, 스스로도 전자기장을 형성하는 입자를 말합니다. 우주 초기 단계에서 등장한 대표적인 하전 입자들은 다음과 같습니다.
• 쿼크(Quark): 양성자와 중성자를 구성하는 기본 입자로, $+\tfrac{2}{3}$ 또는 $-\frac{1}{3}$의 전하를 가집니다.
• 전자(Electron):$-$의 전하를 가진 가장 가벼운 안정적 하전 입자입니다.
• 양성자(Proton): $+$의 전하를 가진 입자로, 초기 우주에서 전자를 붙잡아 원자핵을 형성하는 핵심 요소입니다.
빅뱅 직후 우주는 온도가 매우 높았기 때문에, 이 하전 입자들이 서로 결합하지 못하고 에너지가 넘치는 플라즈마(Plasma)상태로 존재했습니다. 당시 우주에는 빛(광자)도 존재했지만, 사방에 널린 하전 입자(특히 자유 전자)들에 부딪혀 곧바로 방향이 꺾였습니다. 이를 '톰슨 산란'이라 부르며, 이 현상 때문에 초기 우주는 빛이 직진하지 못하는 불투명한 상태였습니다. 입자들이 전하를 띠고 있었기에 이들 사이에는 강력한 전자기력이 작용했고, 이는 우주의 팽창 및 물질의 응집 과정에 결정적인 근거가 되었습니다.
우주가 팽창하며 온도가 약 $3,000\text{K}$까지 낮아졌을 때, 양성자가 전자를 붙잡아 중성 상태인 '수소 원자'를 형성했습니다. 이를 재결합(Recombination) 사건이라고 합니다. 하전 입자들이 중성 원자로 바뀌면서 빛은 더 이상 방해받지 않고 직진하게 되었는데, 이것이 오늘날 우리가 관측하는 우주 배경 복사의 기원입니다. 참고로 빅뱅 우주에서 말하는 ‘재결합’은 결합의 회복이 아니라, 우주 역사상 최초로 전자와 양성자가 안정적인 원자를 이룰 수 있게 된 순간을 가리키는 역사적 명칭이다.
중성미자
우주가 양성자와 중성자로 가득 차면서 중성미자의 개체 수도 증가했습니다. 중성미자는 렙톤 중 가장 가볍습니다. 최근에 중성미자의 질량이 $0$과 약간 다르다는 것이 밝혀졌습니다.
중성미자는 렙톤이어서 강력의 영향을 받지 않으며 중성이어서 전자기력과도 상호작용하지 않습니다. 그들과 관련된 유일한 힘은 약력뿐입니다. 그래서 중성미자는 전면에 나서지 않으며 매우 부드럽게 행동합니다. 중성미자는 매우 수줍은 입자로 매우 섬세하게 움직이기 때문에, 막대한 양의 물질을 통과하면서도 눈에 띄지 않고 아주 작은 교란도 일으키지 않습니다.
중성미자는 전하를 띠지 않고 오직 '약한 핵력'을 통해서만 물질과 상호작용합니다. 이 힘은 작용 범위가 너무나 짧아서, 중성미자가 원자핵과 정면으로 충돌할 확률은 극도로 낮습니다. 평균적으로 중성미자 한 개를 확실히 멈추게 하려면 약 1광년(약 9조 4,600억 km) 두께의 납 벽이 필요하다고 계산됩니다. 태양에서 날아온 중성미자는 지구와 같은 행성을 수조 개 쌓아 놓아도 그중 단 몇 개만이 상호작용할 뿐, 나머지는 아무런 저항 없이 관통합니다. 우리 몸에는 매초 수십조 개의 중성미자가 지나가고 있지만, 우리는 평생 단 한 번의 충돌도 느끼지 못할 확률이 높습니다. 중성미자가 "막대한 양의 물질"을 통과한다는 것은 그만큼 다른 입자들과의 관계 맺기에 서툴다는 뜻이기도 합니다.
중성미자는 우주의 열적평형을 유지하기 위해 균형추 역할을 합니다.
우주 탄생 직후, 에너지가 충분히 높았을 때는 양성자와 중성자는 고정된 존재가 아니었습니다. 중성미자와 전자 등이 매개체가 되어 양성자 → 중성자 또는 중성자 → 양성자와 같이 양방향으로 활발하게 일어났습니다.
이처럼 입자들이 서로 부딪히며 성질을 바꾸는 속도가 우주의 팽창 속도보다 훨씬 빨랐기 때문에, 우주는 모든 입자가 골고루 섞여 온도가 일정한 '열평형 상태'를 유지할 수 있었습니다.
하지만 우주가 팽창하면서 밀도와 온도가 급격히 낮아지면서 두 가지 결정적인 변화가 이러한 동적 과정을 중단시킵니다. 첫 번째, 입자들 사이의 거리가 멀어져 중성미자가 양성자나 중성자와 부딪힐 확률이 희박해집니다. 두 번째, 양성자보다 0.14% 더 무거운 중성자를 만들기 위해서는 외부 에너지가 유입되어야 하는데, 우주의 온도가 낮아지면서 더 이상 그 에너지를 공급받을 수 없게 됩니다.
결국 $t=1$ 초 무렵, 우주의 팽창으로 밀도가 낮아지자, 유령처럼 투명한 중성미자가 다른 입자들과 부딪힐 확률이 급격히 줄어들고(탈동기화) 이때부터 중성미자는 물질과 상호작용하지 않고 우주를 홀로 떠돌게 됩니다.
동적 과정이 멈추기 전까지는 양성자와 중성자의 비율이 비슷했지만, 온도가 떨어지면서 에너지가 덜 드는 양성자 쪽으로 무게중심이 쏠리게 되었습니다. 평형이 깨지는 순간 양성자와 중성자의 비율은 약 6:1로 고착되었습니다. 이후 중성자의 자연 붕괴를 거쳐 헬륨 합성이 일어날 때는 약 7:1이 됩니다.
138억 년이 지난 오늘날, 아주 오래된 우주 중성미자는 여전히 모든 곳을 계속 떠돌고 있습니다. 토넬리의 계산에 따르면 우주의 모든 입방 센티미터에는 600개의 중성미자가 있어야 하는데, 이는 상당한 숫자처럼 들리지만 중성미자는 물질과 매우 약하게 상호작용하기 때문에 지금까지 아무도 그 존재에 대한 증거를 수집하지 못했습니다. 그러나 토넬리는 중성미자가 여전히 우리 주변에 존재하고 있다고 말합니다. 또한 우주의 팽창으로 인해 중성미자의 온도는 오늘날 약 1.95K일 것으로 추정하고 있습니다. 우주배경복사(CMB)의 온도인 2.73K보다 낮은 이유는, 중성미자가 분리된 직후 전자-양전자 쌍소멸이 일어나면서 광자(빛)의 온도는 추가로 높아졌지만 중성미자는 그 혜택을 받지 못했기 때문입니다.
별의 심장
우주 탄생 후 약 1분이 경과하자 에너지 밀도가 낮아지며 양성자와 중성자의 비율이 7:1로 정착되었습니다. 이 시기 우주의 온도는 별의 내부와 비슷해졌으며, 강력에 의해 양성자와 중성자가 결합하기 시작했습니다. 양성자와 중성자가 융합하여 중수소핵을 형성합니다. 두 개의 중수소핵이 다시 융합하여 매우 안정적인 구조를 가진 헬륨핵이 탄생합니다. 자유 중성자들이 대부분 헬륨핵(질량 기준 약 24%)으로 편입되었고, 나머지 양성자(약 75%)는 향후 수소 원자가 될 준비를 마쳤습니다. 오늘날 우주 전체의 수소와 헬륨 비율이 3:1인 것은 이 짧은 3분간의 핵융합이 남긴 결정적 증거입니다.
우주의 모든 원시핵이 형성되는 데는 3분밖에 걸리지 않습니다. 3분이 지나면 온도와 밀도가 더 이상 핵반응을 유지할 만큼 높지 않게 됩니다. 이는 좋은 일이 될 것입니다. 이 과정이 너무 오래 지속되었다면 우주는 더 무거운 핵을 만들기 위해 많은 양의 자유 양성자를 소비했을 것이기 때문입니다. 이 계산으로 10분만 지속되었더라도 거의 모든 수소가 사라졌을 것이라고 토넬리는 말합니다.
우주에 헬륨이 풍부하다는 것은 빅뱅 이론의 또 다른 확증이 됩니다. 원시 헬륨이 없다면 우주의 모든 별이 140억 년 동안 수소를 태우더라도 현재 관측되는 양만큼 풍부하게 헬륨을 생산할 수는 없었을 것입니다. 이때 생성된 핵은 수십억 년 동안 변하지 않았고 오늘날에도 우주에 존재하는 핵의 대부분을 이루고 있습니다.
이론적 계산에 따를 때, 양성자와 중성자의 질량 차이가 조금이라도 더 컸더라면 참담한 결과가 초래되었을 것으로 추정됩니다. 만약 이 질량 차이가 조금이라도 컸다면 수소는 사라지고 헬륨만 가득한 암흑의 우주가 되었을 것입니다. 수소가 부족했다면 별이 탄생하지 못했을 것이고, 별의 내부에서 만들어지는 무거운 원소와 그로 인한 행성, 나아가 생명체와 지성체 또한 존재할 수 없었을 것입니다.
마침내 빛이 있었다
원시핵이 형성된 후로 모든 것이 계속 팽창하면서 식어간다는 점을 제외하고, 수십만 년 동안 중요한 일이 일어나지 않았습니다. 단 한 줄기 빛도 어둡고 혼란스러운 플라즈마를 통과하지 못한 불투명한 어둠의 왕국은 수십만 년 동안 지속되었습니다.
팽창이 증가함에 따라 우주 온도가 3,000도까지 떨어집니다. 그러자 전자는 운동에너지가 감소하고 양성자에 속박되어 더 이상 자유롭지 못하고 원자핵 주위를 공전할 수밖에 없습니다.
최초의 원자들이 형성됩니다. 주로 수소와 헬륨입니다. 플라즈마는 엄청난 양의 가스(핵과 전자의 무리)로 분해됩니다. 원자 궤도의 껍질에 갇혀 체념한 전자에게는 자유의 끝이지만 광자는 해방됩니다.
물질의 속박에서 해방된 광자는 이제 자유롭게 뛰어다니며, 사방에 빛을 비춥니다. 우주는 갑자기 투명해지고 눈부시게 빛납니다. 요컨대, 마침내 빛이 있었습니다. 토넬리가 설정한 7일간의 시간표에 따르면, 넷째 날이 끝났고, 38만 년이 지났습니다.
암흑 물질
핵이 형성되는 몇 분의 시간이 지나면, 수천 년 동안은 중요한 일이 일어나지 않았습니다. 우주의 팽창과 냉각은 계속되고, 우주의 크기는 1,000광년을 넘어섰고, 온도는 수백만 도 단위로 측정되었습니다. 엄청나게 뜨겁고 빛이 없고 어둠의 존재들로 가득 찬 지옥 같은 세계입니다.
이 이상한 세계의 어둠 속에는 훨씬 더 신비로운 형태의 물질이 존재합니다. 그것은 비발광 물질로서 스위스의 물리학자 프리츠 츠비키는 이를 '암흑 물질'이라고 불렀습니다.
우주의 약 4분의 1이 암흑 물질로 이루어져 있습니다. 하지만 그것이 정확히 무엇인지 아는 사람은 아직 아무도 없습니다.
토넬리에 따르면 암흑 물질은 아마도 급팽창 단계 직후에 등장했습니다. 암흑 물질로 인해 빅뱅 후 냉각되면서 처음에는 완벽하게 균일했던 에너지 분포에 미세한 온도 차이가 나타나기 시작합니다. 이러한 차이는 급팽창에 의해 증폭된 초기의 양자 요동과, 사방에서 소용돌이치는 거친 광자 바다와의 상호작용에서 발생합니다.
토넬리는 암흑 물질을 일종의 가는 그물망으로 상상합니다. 즉 모든 것을 혼합하고 감싸는 검고 얇지만 촘촘한 그물망 말입니다. 암흑 물질의 응축 메커니즘이 발동되면 미세한 에너지 변동이 있는 곳에서 물질은 더 두꺼워집니다. 얇은 그물망의 더 조밀한 매듭 부분은 물질 세계가 두꺼워지기 시작할 씨실이 됩니다. 그곳에서 최초의 별들이 탄생하고 은하의 씨앗이 꽃을 피웠습니다.
물질의 시대
우주는 빅뱅 이후 오랜 시간 동안 우주 복사 광자가 지배하는 불투명한 상태에 놓여 있었습니다. 이 시기에는 전자와 양성자, 그리고 광자가 끊임없이 충돌하며 강한 열평형을 유지했고, 물질은 복사의 바다 속에 완전히 잠겨 있었습니다.
그러나 우주의 팽창이 계속되면서 온도가 약 3,000K 이하로 떨어지는 임계점에 도달하자, 상황은 돌이킬 수 없게 변했습니다. 그 핵심 이유는 물질과 복사가 팽창에 대해 서로 다르게 반응하기 때문입니다.
우주가 팽창하면 물질의 에너지 밀도는 부피 증가에 따라 반지름의 세제곱에 반비례해 감소하지만, 복사는 여기에 더해 파장 증가로 인한 에너지 손실까지 겪습니다. 그 결과 복사 광자의 에너지 밀도는 물질보다 더 빠르게 감소합니다.
빅뱅 이후 약 38만 년이 지난 시점에서 파국적으로 균형이 무너집니다. 우주 복사 광자는 더 이상 물질과 충분히 상호작용하지 못하고, 열평형이 붕괴되며 물질과 분리됩니다. 이 순간부터 복사는 우주 지배자의 자리를 내려놓고, 점차 미미한 에너지 성분으로 전락하는 긴 쇠퇴의 길로 들어섭니다.
온도가 더 낮아지면서 전자기적 결합 에너지가 열 운동 에너지를 능가하게 되고, 전자와 양성자는 안정적으로 결합합니다. 과학자들은 이 시기를 재결합(Recombination) 시대라고 부릅니다. 이로써 최초의 원자, 특히 수소와 헬륨이 생성되고, 다음으로 리튬, 베릴륨 및 기타 가벼운 원소가 생성됩니다. 광자와 지속적인 상호작용에서 벗어난 원자는 자체 안정성을 찾게 됩니다.
재결합(Recombination)
우주는 탄생 직후 극도로 뜨겁고 밀도가 높은 상태에서 시작했습니다. 시간이 흐르며 팽창이 진행되자, 온도와 에너지는 단계적으로 낮아졌고 그에 따라 물질의 형태도 변해갔습니다.
빅뱅 이후 약 $10^{-32}$초, 급팽창(inflation)이 끝나면서 우주는 균질한 배경 위에 미세한 밀도 요동을 남깁니다. 이 시기에는 아직 우리가 아는 의미의 입자 구조는 성립하지 않았고, 에너지가 모든 것을 지배했습니다.
약 $10^{-11}$초, 우주의 온도가 약 $10^{15}K$ 수준으로 낮아지면서 힉스 메커니즘이 작동합니다. 이 순간, 기본 입자들은 힉스 장과의 상호작용을 통해 질량을 획득합니다. 이로써 “질량을 지닌 물질”이 물리적으로 정의되기 시작합니다.
약 $10^{-6}$초, 온도가 $10^{13}K$ 이하로 떨어지면서 쿼크들이 더 이상 자유롭게 존재하지 못하고, 강한 상호작용(글루온)에 의해 양성자와 중성자로 결합합니다. 이때 비로소 핵물질의 기본 단위가 형성됩니다.
이후 수 분이 지나면서 빅뱅 핵합성이 일어나 원시핵(수소핵, 헬륨핵, 소량의 중수소핵, 리튬핵)이 만들어지지만, 전자는 여전히 자유 입자 상태로 존재합니다. 이 시기의 우주는 전자–양성자–광자가 강하게 결합된 플라즈마 상태이며, 전자와 양성자가 순간적으로 결합을 시도하더라도 곧바로 고에너지 광자에 의해 다시 이온화됩니다. 즉, 안정된 원자는 아직 존재할 수 없습니다.
우주가 계속 팽창하면서 온도가 점차 낮아지고, 약 38만 년이 지난 시점, 평균 온도가 약 $3,000K$에 도달합니다. 이때 광자의 평균 에너지가 수소의 이온화 에너지보다 낮아지면서, 전자는 처음으로 양성자에 안정적으로 포획됩니다. 이 사건이 바로 재결합이라 불리는 과정이며, 물리적으로는 우주 역사상 최초의 안정적인 중성 원자 형성 순간을 의미합니다.
이와 동시에 광자는 더 이상 전자에 의해 산란되지 않고 자유롭게 우주를 여행하게 되며, 그 흔적이 오늘날 우리가 관측하는 우주배경복사(CMB)로 남아 있습니다.
새로운 질서에서 생겨난 중성 물질은 복사와 거의 상호작용하지 않게 되고, 자유 전자가 원자에 귀속되자, 전자의 방해를 받던 광자들이 마침내 속박에서 풀려나 자유롭게 우주 공간을 가로지르게 되었습니다. 이로써 우주는 안개 걷힌 풍경처럼 '투명'해졌습니다. 복사가 우주를 지배하던 수천 년이 지난 후, 이 충격적인 분리는 복사가 지배하던 시대의 종말이자, 물질 시대의 시작을 의미합니다.
그 결과 수소와 헬륨으로 이루어진 거대하고 희박한 물질 구름이 우주를 채우며, 이후 은하·별·행성 형성의 출발점이 됩니다.
속박에서 풀려난 광자는 벗어나려야 벗어날 수 없을 것 같았던 포옹에서 해방되어 마침내 어디든지 자유롭게 여행할 수 있게 되었습니다. 이 빛은 인간의 가시광선보다 긴 파장을 가진 적외선 영역의 붉은 빛으로 나타납니다. 이는 오늘날 우리가 관측하는 우주배경복사(CMB)의 기원이며, 우주가 투명해졌다는 물리적 증거입니다.
광자의 해방
빅뱅 초기 우주는 온도가 너무 높아 원자핵(양성자)과 전자가 서로 결합하지 못한 채 따로 노는 '플라즈마' 상태였습니다. 광자는 전하를 띤 입자, 특히 가벼운 전자와 부딪히면 튕겨 나가는 성질(톰슨 산란)이 있습니다. 안개(물방울)가 자욱할 때 빛이 앞으로 나아가지 못하고 산란되어 앞이 보이지 않는 것과 같습니다. 초기 우주에서 전자는 빛을 가로막는 빽빽한 '안개' 역할을 했습니다.
빅뱅 초기 우주의 에너지가 너무 커서($T > 3,000\text{ K}$) 전자가 양성자 곁에 머물 수 없었습니다. 전자기력에 의해 전자가 양성자 주위로 끌려가 원자를 형성하려 해도, 주변의 고에너지 광자들이 전자를 때려내어 다시 튕겨 나가게 만들었습니다. 광자가 전자를 때려내는 에너지($E = h\nu$))가 전자의 결합 에너지보다 컸기 때문에 전자는 계속해서 자유로운 상태로 존재하며 빛의 진로를 방해했습니다.
초기 우주는 자유 전자의 밀도가 극도로 높았습니다. 광자가 한 발자국만 움직여도 전자가 앞을 가로막고 있는 형국이었습니다. 광자의 자유 행로, 즉 충돌 없이 이동할 수 있는 거리가 사실상 '제로'에 가까웠기 때문에 우주는 칠흑 같은 어둠이 아니라, 빛이 갇혀 밖으로 나오지 못하는 불투명한 유백색 안개 혹은 짙은 연무와 같았습니다.
빅뱅 이후 약 38만 년이 지나고 우주의 온도가 3,000K 아래로 떨어지자 돌이킬 수 없는 일이 벌어졌습니다. 첫 번째, 전자의 운동에너지가 낮아져 양성자의 전자기적 인력에 포획됩니다. 두 번째, 양성자(+)와 전자(-)가 결합하여 중성 수소 원자가 됩니다. 세 번째, 전하가 중성으로 바뀌자 광자는 더 이상 전자와 부딪히지(산란되지) 않게 됩니다. 네 번째, 방해물이 사라진 광자들이 일제히 직진하기 시작하며 공간에 고르게 분포되었고, 우주는 '투명'해져 빛이 통과할 수 있게 되었습니다. 이때 해방되어 138억 년을 달려온 빛이 바로 우리가 보는 우주 배경 복사입니다.
하지만 빛(광자)은 팽창으로 인해 파장이 가시광선의 범위를 넘어 늘어나면서 이제 희미해져 사라졌습니다. 우주는 복사로 가득 차 있고 여전히 뜨겁지만 다시 완전한 어둠 속으로 빠져들었습니다.
우주배경복사(CMB)
우주배경복사는 빅뱅 이후 약 38만 년이 지난 시점에 물질과 분리된 원시 광자가 남긴 흔적으로서 우주의 기원과 그 변화에 관한 가장 귀중한 정보원입니다.
첫 번째, 우주는 온도 분포가 극도로 균일하다는 것입니다. 우주배경복사는 이상적인 흑체 스펙트럼을 가지고 있으며 복사는 매우 미약하여 우주의 온도는 절대영도보다 2.725K 높습니다.
두 번째, 전체적으로는 균일해 보이나, 10만 분의 1 수준의 온도 비등방성을 보입니다. 이 미세한 파동은 급팽창(Inflation) 당시의 양자 요동이 거대한 우주 규모로 확대된 흔적입니다. 이 온도 편차는 물질 밀도의 차이를 의미하며, 훗날 중력에 의해 별과 은하가 형성되는 '우주 거미줄'의 토대가 됩니다.
위 이미지는 우주가 탄생한 지 38만 년 되었을 때의 모습을 담고 있습니다. 지도상의 붉은색과 푸른색 점들은 약 10만 분의 1도(약 0.00001도) 수준의 극미한 온도 편차를 나타냅니다. 이 미세한 불균일성이 결국 중력에 의해 물질을 모으고, 오늘날 우리가 보는 은하와 별들을 만드는 씨앗이 되었습니다.
(출처: https://www.jpl.nasa.gov/news/planck-mission-brings-universe-into-sharp-focus/)세 번째, 이러한 불균일성의 크기와 각도 분포로부터 우주가 평평하다는 명백한 증거를 얻습니다. 이는 물질의 밀도가 임계 밀도에 매우 가깝다는 것을 의미합니다. 따라서 우주배경복사는 오늘날 우리가 정확히 확립할 수 있는 비율로 물질과 암흑 에너지의 존재를 추가로 확인시켜줍니다. 가장 최근의 데이터에 따르면 우주는 암흑 에너지 68%, 암흑 물질 27%, 일반 물질 5%로 구성되어 있습니다.
네 번째, 우주배경복사는 암흑 물질이 휘어 놓은 시공간을 통과하면서 미세하게 왜곡됩니다. 이 왜곡을 역산하면 암흑 물질의 3차원 분포 지도를 재구성할 수 있습니다. 이는 은하와 은하단이 형성되는 우주 거미줄 구조의 직접적 증거이고, 최초의 별과 은하 형성 메커니즘을 이해하는 핵심 단서가 됩니다.
다섯 번째, 우주배경복사는 물질과의 산란 과정에서 편광됩니다. 선형 편광(E-mode)은 이미 검출되었고, 물질 밀도와 연결되어 분리 순간의 암흑 물질 분포를 상세히 알려줍니다. 소용돌이 유형(B-mode) 편광은 원시 중력파와 광자의 상호작용으로 생성되는 이 신호는 급팽창의 명백한 흔적입니다. 이를 찾으면 빅뱅 후 처음 1초도 안 되는 순간 동안 초기 요동이 생성되는 데 필요한 에너지 규모를 결정할 수 있을 것입니다. 인플라톤 장(Inflaton Field)은 급팽창을 유발한 스칼라장의 미세한 요동 궤적을 연구하여 우주 초기 구조의 형성 원리를 추적합니다.
빅뱅 이후 38만 년이 지난 우주는 매우 흥미로운 단계에 접어들고 있었습니다. 일련의 변화를 통해 첫 번째 별이 탄생하려는 것입니다. 그리고 별의 중심부에서 탄생한 무거운 원소들은 다른 형태의 응집체를 생성합니다. 바로 우리 지구와 같은 행성입니다.
별의 원소들은 암석, 공기, 물, 식물과 동물, 그리고 우리 자신으로 변합니다. 우리는 별의 아이입니다. 급팽창에 의해 확장된 양자 요동의 증손자입니다.
💡 요약
우주 형성의 결정적 타임라인1️⃣ $10^{-6}$초 (1마이크로초): 온도가 10조 도 이상인 쿼크-글루온 플라즈마 상태, 점도가 없는 '완벽한 액체'의 시대입니다.
2️⃣ $10^{-6}$초에서 수 마이크로초 후: 2조 도의 임계 온도 아래에서 강력에 의해 쿼크가 결합하며 양성자와 중성자가 형성됩니다.
3️⃣ 1초 무렵: 중성미자가 물질과 상호작용을 멈추고 우주를 홀로 떠돌기 시작하는 '탈동기화'가 일어납니다.
4️⃣ 1분 ~ 3분: 별의 심장과 같은 온도에서 헬륨핵 등의 원시핵 융합이 완료됩니다.
5️⃣ 38만 년: 우주는 충분히 식어서 온도가 3,000K로 떨어지며 전자와 양성자가 결합하여 수소 원자를 처음으로 만들 수 있게 되었습니다 . 과학자들은 이 시기를 재결합 시대라고 부릅니다. 수소 원자는 자유 전자만큼 빛을 잘 굴절시키지 못하기 때문에, 우주를 가로지르던 안개가 걷히게 되었습니다. 이제 빛은 우주를 가로질러 먼 거리를 이동할 수 있게 되었습니다. 광자가 해방되어 우주가 투명해집니다(우주배경복사의 탄생).
핵심 입자들의 주요 특징 및 역할
(이미지: 엑셀로 제작)(끝)
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"이 포스팅은 귀도 토넬리의 저서 『제네시스』(김정훈 옮김, 쌤앤파커스, 2024)를 소개하는 동심헌(童心軒)의 기획 시리즈입니다."