2006년 10월 3일 스웨덴 카롤린스카 연구소 노벨위원회(The Nobel Assembly at Karolinska Institutet)는 노벨상수상위원회(NobelPrize.org)를 통해 “우주 초단파(마이크로웨이브) 배경복사의 이방성(異方性)과 흑체(黑體) 형태의 발견(for their discovery of the blackbody form and anisotropy of the cosmic microwave background radiation)" 공로를 인정해 미국 NASA의 John C. Matter(1946~)와 UC Berkeley 대학의 George F. Smoot(1945~)를 노벨물리학상 수상자로 선정했다고 발표했다.

John C. Mather(1946~)
NASA Goddard Space Flight Center
Greenbelt, MD, USA

George F. Smoot(1945~)
University of California
Berkeley, CA, USA
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[목차]

1. 우주 초단파 배경 복사와 빅뱅 시나리오
2. 우주의 흑체 생성(The blackbody origin of the Universe)
3. 우주배경복사 실제 이미지 측정
4.빅뱅이론에 따른 우주배경복사 온도가 절대온도 2.7K(섭씨 영하 270.3도)임을 밝혀
5. 우주배경복사의 이방성(異方性) 온도 차이(anisotropy) 밝혀내
6. COBE의 위력
7. 용어설명
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1. 우주 초단파 배경 복사와 빅뱅 시나리오

우주 초단파 배경 복사(cosmic microwave background radiation)는 1964년 최초로 발견되었는데, 1978년 이를 발견한 Arno Penzias와 Robert Wilson은 이 공로로 1978년 노벨물리학상을 수상했다. 하지만 이들은 그들의 전파 수신기에 잡힌 이 초단파 배경복사를 아무런 상관없는 잡음(irrelevant noise)으로 인식했다. 사실 초음파 배경복사는 눈보라(blizzard)의 일부분으로 TV 수상기에 이상이 생기면 듣게 되는 잡음과 같은 것이다. 그 이후 1940년대 들어 Alpher, Gamow, 그리고 Herman 등에 의해 초단파 배경복사이론으로 등장하게 되었고, 결국 초단파 배경복사의 발견은 우주의 생성 기원에 아주 지대한 기여를 하게 되었다.

현재까지 우주생성이론에는 두 가지가 등장한다. (1) 우주는 초기 빅뱅으로 만들어졌으며 그 이후 우주는 지속적으로 팽창하고 있다(The Universe had been created in an initial Big Bang and then continued to expand). (2) 우주는 원래 항상 정상 상태로 존재했다(It had always existed in a Steady State). 그런데 빅뱅 시나리오는 초단파 배경복사를 예언하고 있는데, Penzias와 Wilson이 1964년에 이를 발견함으로써 빅뱅 이론에 신빙성을 더해주었다.

빅뱅 시나리오에 따르면, 우리의 우주는 매우 응집된 열 상태(a state of intense heat)로부터 생성 성장했다. 그러나 아직 우주의 초기 상태에 대해 잘 융합되고 합의된 이론은 존재하지 않는다. 그러나 그 이후 우주는 믿을 수 없으리만큼 응축된 복사(intensive radiation)로 뒤덮였을 가능성이 존재한다.

2. 우주의 흑체 생성(The blackbody origin of the Universe)

그런데 그러한 복사는 바로 빛을 발하는 물체(glowing body)에 의해 방출되는데, 이 복사의 스펙트럼은 온도에 따라 그 형태가 달라지게 된다. 조금 이견이 있는 용어이지만 천체물리학에서는 이를 흑체 복사(blackbody radiation)라 한다. 그런데 이러한 흑체 복사의 스펙트럼은 실험실에서 만들 수 있는데, 바로 독일의 Max Planck(Max Karl Ernst Ludwig Planck) 가 최초로 이를 만들어 보여줌으로써 1918년 노벨물리학상을 수상하게 되었다. 우리 태양도 하나의 흑체이다. 하지만 태양의 복사 스펙트럼은 우주 초단파 배경복사의 스펙트럼보다 덜 완벽하다.

3. 우주배경복사 실제 이미지 측정

매서와 스무트는 ‘우주 초단파 배경복사의 이방성(異方性)과 흑체(黑體) 형태의 발견’으로 우주의 초창기(infancy) 모습을 연구하고 별 및 은하의 형성 기원(origin of galaxies and stars)을 이해하는 데 도움을 줬다고 선정 이유를 밝혔다. 국립과학원은 “수상자들은 1989년 미국 NASA가 발사한 우주배경복사 탐사선 ‘코브(COBE) 위성’에서 보내온 매우 상세한 관찰결과를 이용해 현대 우주론(cosmology)을 정밀과학(precise science)으로 발전시키는 데 크게 이바지했다”고 설명했다.

COBE 위성의 자료들과 이들의 연구는 우주 생성 기원(origin of the Universe)에 대해 ‘빅뱅 시나리오(Big Bang scenario)’가 강력한 지지기반을 얻게 됐다고 평가했다. 빅뱅 이론(시나리오)에 따르면 우주에는 생성된 초기 단계(earliest phase of the Universe)의 흔적(relic)인 우주 극초단파 배경복사(cosmic microwave background radiation)가 존재한다고 예측하고 있는데, 이번에 COBE에 의해 실제 측정되었기 때문이다. 따라서 이들의 연구는 우주론을 정밀과학으로 인식하는 계기를 만들었다는 평이다.

COBE에 이은 WMAP 위성은 더욱 선명한 배경복사 이미지를 잡아냈으며, 조만간 유럽의 Planck(플랑크) 위성이 더욱 선명하고 자세한 배경 복사를 연구하기 위해 발사될 예정이다.

4.빅뱅이론에 따른 우주배경복사 온도가 절대온도 2.7K(섭씨 영하 270.3도)임을 밝혀

빅뱅 이론에 따르면, 빅뱅(big bang) 직후의 우주는 복사선을 방출하는 빛나는 물체(glowing "body emitting radiation)에 비유되는데, 이때 방출된 복사선의 파장은 전적으로 온도에만 의존하기 때문에 온도에 따라 파장이 틀리게 된다. 이같은 복사선의 스펙트럼 형태는 따라서 흑체 복사(blackbody radiation)라는 특별한 형태를 띠게 된다. 이 흑체 복사가 방출되었을 때 우주(the Universe)의 온도는 섭씨 3,000 도로 측정되었다. 그 다음 빅뱅 이론에 따라 우주가 팽창하면서 배경복사의 온도가 점점 낮아지고 있는 것으로 관측돼왔는데, 매서와 스무트는 COBE와 WMAP 위성에서 잡은 흑체 스펙트럼을 이용하여 오늘날 우주배경복사의 온도가 절대온도 2.7K(섭씨 영하 270.3도)임을 밝혀냈다.

이것은 무엇을 의미하는가 하면, 흑체 복사의 원칙을 의미하는데 온도가 낮으면 낮을 수록 파장은 길어지는 것을 의미한다. 따라서 다음 그림에서 보듯이 배경복사의 극초단파(마이크로웨이브)는 우리가 보는 가시광선(visible light, 파장이 짧음)보다 파장이 긴 것이다.

5. 우주배경복사의 이방성(異方性) 온도 차이(anisotropy) 밝혀내

또한 이들은 COBE를 이용하여 우주의 서로 다른 방향에서 아주 미비한 온도차이가 나는 "이방성(異方性) 온도 차이(anisotropy)"를 발견해냈다. 우주배경복사에서의 이같은 아주 작은 온도차이는 1/100도 ~ 1/1000도 정도인데, 이는 바로 별과 은하(galaxies)둘이 어떻게 생성되었는지 그 실마리를 제공하고 있다. 즉, 이와 같은 온도의 차이는 우주에서의 물질(matter, 빛)들이 어떻게 응축(aggregate)되었는지를 보여주는 것이다. 이와 같은 온도 차이는 은하, 별, 그리고 인간도 마찬가지로 생성되고 성장하는데 필수적인 요인이다. 만약 이 같은 이방성의 온도차이 메커니즘이 없었다면, 물질들은 완전히 다른 형태를 취해 우주에 골고루 흩어졌을 것이다.
[그림 : COBE에 의해 측정된 이방성 온도차이 맵. 빨강색은 고온, 푸른색은 저온. 온도차이는 아주 작아 1/100-1/1000 도 정도임. 사진 : 노벨상위원회(03/Oct/2006)]

6. COBE의 위력

지구의 땅은 대부분의 배경복사를 흡수하기 때문에 높은 고도에서 측정해야 한다. 물론 높은 고도에서도 공기에 의해 대부분 흡수되기 때문에 대기권 밖으로 나가 배경복사를 측정해야 한다. 따라서 Arno Penzias와 Robert Wilson이 1964년 최초로 발견한 배경복사도 거의 조작할 수 없는 수준이었다. 또한 아무리 높은 곳에서 측정한다해도 우주의 모든 방향에서 측정할 수 없다. 이를 해결하기 위한 프로젝트가 바로 1974년에 시작된 COBE-project 로 COsmic Background Explorer의 약자이다.

COBE는 1989년 11월 18일에 발사되었다. 첫번째 COBE의 결과가 관측개시점에서 9분후에 보내왔는데, 완벽한 흑체 스펙트럼(perfect blackbody spectrum)을 기록하여 보내온 것이었다. 이 흑체 스펙트럼은 그 다음 우주천체물리학 컨퍼런스에서 발표되었는데, 그 결과 아주 견고한 갈채와 지지(standing ovation)를 이끌어냈다.
[그림 : 모든 방향에서 우주 초단파 배경복사를 측정할 수 있는 COBE. 사진 : 노벨상위원회(03/Oct/2006)]

COBE 위성의 성공적인 발사와 자료들은 1,000명의 연구원, 엔지니어 및 기타 참석자들의 피나는 노력의 결과이며, NASA의 고다드 우주비행센터의 매서는 바로 이 전제 과정을 코디하고 초단파 배경복사를 측정하는 실제 책임자였다. 버클리대학의 스무트는 배경복사의 이방성 온도차이를 측정하는 책임을 맡았었다.

7. 용어설명

7-1. 복사(輻射, radiation) - 원자핵, 소립자 변환(방사성붕괴, 핵분열, 핵반응, 소립자붕괴, 소립자반응 등)을 제외한 자연적, 인공적 현상 작용에 의해 입자빔 또는 전자기파(전파, 광, X선 등)가 방출되는 현상을 말한다. 복사되는 입자빔, 전자기파를 복사선이라 한다. 복사에 대해서 원자핵, 소립자 변환에 의해 입자빔이나 전자기파가 방출되는 현상을 방사(放射)라 하는데, 방사된 입자빔, 전자기파의 작용에 의해 2차적으로 입자빔, 전자기파가 방출되는 것은 복사 현상에 포함된다. 예를 들면 방사성붕괴의 하나인 β붕괴로, 원자핵으로부터 방출된 β선(고에너지의 전자)이 물질을 통과할 때는 X선이 방출되는데, 이는 복사 현상이며 특히 ＜제동복사(制動輻射)＞라 한다.

7-2. 흑체(黑體, blackbody) - 흑체는 온도에 따라 전자기파를 방출하거나 흡수하는 물질 중에서 파장에 따라 선택적으로 흡수 혹은 방출하지 않고 모든 파장의 전자기파를 흡수 또는 방출 (연속스펙트럼)할 수 있는 가상적인 물체이다. 일반적인 물체는 물체의 구성 성분에 따라 선택적으로 흡수 (흡수스펙트럼)하거나 방출 (방출스펙트럼, 혹은 휘선 스펙트럼)한다. 자연계에서는 별이나 은하가 바로 흑체이다.

7-3. 우주배경복사(宇宙背景輻射, cosmic background radiation) - 1964년 A.펜지어스와 R.W.윌슨이 발견하였다. 이 전파는 파장 0.1mm∼20cm에서 관측되는 마이크로파(초단파-극초단파)로 그 높은 등방성(等方性)으로 미루어, 어느 특정한 천체로부터 오는 것이 아니라 우주공간에 충만된 전파의 배경을 이루는 것으로 생각되어 왔다. 이 전파의 파장별 강도분포의 특성은 2.7K(－270.3℃)의 흑체복사(黑體輻射)임을 나타내며, M.플랑크의 법칙에 의하여 1㎤당 약 400개의 광자(光子:photon)가 평균적으로 우주공간을 메우고 있음을 알려 준다. 이 개수밀도는 현재 관측되는 은하들로부터 추정되는 물질입자(양성자)의 평균 개수밀도의 약 10억 배에 이르므로 우주의 현재 온도가 주로 이 복사에 의하여 결정됨을 알 수 있다. 흑체복사의 법칙과 우주팽창의 법칙으로부터 우주의 크기는 그 온도에 반비례함을 알 수 있다. 우주의 팽창이 대폭발(big bang)로 시작되었다는 대폭발 우주론에 의하여 G.가모는 1940년대에 우주배경복사를 예언한 바 있다. 한때 우주배경복사의 등방성은 우주론의 문제점이 된 적이 있다. 그 까닭은 현재 방향이 2 °이상 틀린 두 곳에서 전파가 출발하였던 당시(T3000 K), 이 두 곳 사이의 거리는 그 때의 우주지평선의 거리(빛의 속도×우주의 나이)보다 크기 때문에 두 곳에서 온도가 같아질 이유를 설명할 수가 없기 때문이다. 이 ‘지평선의 문제’는 1981년 ‘인플레이션(inflation)이론’이 제안되어, 초기의 우주가 종래보다도 훨씬 작은 크기로 축소됨으로써 해결이 되었다. 즉, 오늘날의 우주는 본래 지평선 안의 매우 작은 크기에 국한되었기 때문에 모든 곳이 같은 성질을 이루는 시간적 여유가 있었다는 것이다. 하지만 이번에 매서와 스무트에 의해 등방성이 아니라 이방성의 온도차이를 실제 측정함으로써 별, 은하, 태양, 지구, 인간 등, 서로 다른 물체나 생명체가 빅뱅 직전 어떻게 응축되었는지를 제시하고 있다.

7-4. COBE 위성 - COBE-project 로 COsmic Background Explorer의 약자이다.

7-5. WMAP 위성 - Wilkinson Microwave Anisotropy Probe의 약자이며, 우주배경복사 측정을 추도했던 David Wilkinson이 2002년에 작고하셔 그의 이름을 기리기 위해 그의 이름을 넣었음.

[소스]

[NobelPrize.org - The Nobel Prize in Physics 2006"for their discovery of the blackbody form and anisotropy of the cosmic microwave background radiation"(03/Oct/2006)]
[NobelPrize-Information for the Public-02217-04-2009-SPA-01-E.PDF/K(03/Oct/2006)]