천문학의 세부 분야(우주론)와 중요한 미해결 문제들

앞선 두 포스팅에서 알아본 것은 연구 대상에 따라 천문학의 세부적인 분야를 나누었고, 태양 천문학, 행성 천문학, 항성천문학을 지나 우리은하 천문학과 외부은하 천문학에 대해 심도 있게 다뤄 보았습니다. 천문학이 자연과학에서 가장 오래된 역사를 가지고 있다고 했는데요, 그런데도 지금까지 미지의 영역이 대단히 많다는 것을 알 수 있습니다. 이번 글에서는 우주론 천문학과 아직 해결되지 않은 중요한 질문들을 다뤄보는 시간을 갖도록 하겠습니다.

우주론이란,
물리 우주론이란 우주가 애초에 어떤 방식으로 생겨났으며, 어떤 방식으로 진화하게 됐는지 같은 근원적인 질문을 다루는 분야입니다. 우주론의 바탕이 되는 연구는 우주가 137억년 전에 시간과 공간의 작은 한 점으로부터 시작되어 지금까지 팽창해 왔다는 빅뱅 이론입니다. 우주론의 연구 대상은 우주 마이크로웨이브 배경, 우주의 커다란 구조, 암흑 물질, 암흑 에너지, 빅뱅 핵 합성 등이 있습니다. 1965년 우주 마이크로웨이브 배경이 됐습니다. 이에 따라 빅뱅 이론은 널리 받아들여지게 됩니다. 빠른 팽창 이후에는 중수소나 헬륨 같은 기초 원소들이 만들어졌습니다. 우주를 구성하는 대부분의 물질이 생성된 이 과정을 학계에서는 빅뱅 핵 합성, 혹은 원시 핵 합성이라 부릅니다. 빅뱅 바로 이후 아주 초창기에는 우주가 빅뱅이라 불리는 아주 급격한 팽창을 겪었다고 생각되고 있습니다. 학자들은 이 급격한 팽창 때문에 우주가 지금 관측되는 것처럼 균등하고 등방적으로 되었을 것으로 여기고 있습니다. 우주가 팽창하는 그 시간 동안, 우주는 여러 번의 중요한 단계를 거치게 되었습니다. 우주가 커지고 또 차갑게 식어감에 따라 중성자들이 가장 처음으로 만들어지게 되었습니다. 이 중성자 덕분에 빛이 이온화된 전자에 의해 더 이상 방해받지 않고 움직일 수 있게 되었습니다. 이에 따라 우주가 투명해 보이게 됩니다. 하지만 아직은 발광할 수 있는 별들이 생성되지 않았기 때문에 그 이후의 시기를 학자들은 우주 암흑시대라고 부릅니다. 이 빅뱅 핵 합성 때 발생한 빛이 현재의 우주 마이크로웨이브 배경으로 관측이 됩니다. 우주에 존재하고 있던 크기가 작은 밀도 웨이브로부터 태초의 천체들이 생성되기 시작합니다. 이 별은 내부의 핵융합을 통해서 질량이 큰 원소들을 만들게 됩니다. 이때 발생한 빛은 주위의 기체를 이온화시켜서 재전리하는 과정을 시작합니다. 소위 암흑 물질과 어두운 에너지는 이 우주론의 가장 근원적인 구성 성분이 됐습니다. 암흑 물질과 암흑 에너지 두 성분을 합치면 우주의 대부분인 96%를 차지한다고 사료되고 있습니다. 그러나 어두운 물질과 어두운 에너지가 무엇인지는 지금까지 밝혀지지 않았습니다. 이는 추후 언급할 현대 우주론과 천문학의 주요 미결 문제 중의 하나가 됩니다. 별들이 중력에 의해서 헤치고 모이서 처음으로 은하를 생성하게 됩니다. 이 은하가 다시 중력에 의해 재분포 되면서 은하단이나 은파군과 같은 더욱 커다란 구조들을 만들어 냅니다. 이는 추후 우주의 거대구조를 형성하는 데에 도움을 주게 됩니다. 물질이 밀도가 높은 지역으로 옮겨 뭉치면서, 큰 기체 덩어리를 만들게 됩니다. 여기서 처음으로 별이 만들어지게 되는 것입니다.

천문학의 미해결 문제에는 무엇이 있을까요?
현재의 천문학은 우주와 우주를 구성하는 구성원들의 본래의 진리를 이해하는데 큰 발전을 이룩했습니다. 하지만 여전히 중요한 미결의 문제들이 다수 남아 있습니다. 이런 문제에 답변하기 위해서는 새로운 지상 망원경 및 우주 망원경 혹은 새로운 이론과 실험, 물리학의 발전이 선행되어야 합니다.
아래의 질문들은 어딘가 익숙하기도 하고 우리들의 호기심을 자아내기도 합니다. 우주에는 우리 인간 말고도 다른 생명체가 존재하는지, 혹은 우리와 같은 지성을 가진 외계 생명체가 존재하는지, 외계의 생명체가 존재한다는 의문은 과학뿐 아니라 종교적, 철학적으로도 아주 큰 의미를 지니고 있습니다. 또한 우리가 사는 이 태양계는 평범한 행성계인지, 아니면 다른 행성계와는 다른 특별한 행성계인지? 등의 질문에 현재의 천문학은 답할 수 없습니다. 또한 질량에 따라 별들의 숫자 분포는 어떻게 정해지는지, 즉 별이 생성될 때의 질량 분포도 (초기질량 함수)는 왜 일정해 보이는지? 같은 질문에 답하려면 별 그리고 행성의 생성 과정과 이유에 대한 깊이 있는 이해가 필요합니다. 어두운 암흑물질과 어두운 암흑에너지의 본질은 무엇일까요? 이 암흑물질과 에너지는 우주의 진화와 운명을 결정하는 아주 큰 요소이지만 그 본질은 아직 밝혀지지 않았습니다. 그렇다면 우주의 궁극적인 운명은 무엇일까요? 빅뱅 이후에 생겨난 우주는 결국 어떻게 되는 것일까요? 은하들은 어떻게 처음 형성되었을까요? 우주는 왜 생겨났으며, 이 커다란 블랙홀들은 언제, 어떻게 만들어졌을까요? 우리의 우주를 균등하게 만든 빅뱅은 또 왜 발생했을까요? 중입자 비대칭성이라는 것은 왜 존재하는 것이며, 초고에너지 입자는 도대체 어디서 만들어지는 것일까요?
이런 질문에 답하기 위해서는 여러 가지 학문이 힘을 합쳐 연구하고 고민하며 머리를 맞대야 하고, 더욱더 정밀한 기구가 발명되어야 하며, 학자들이 힘을 합쳐 획기적인 생각을 해내야만 합니다. 우주는 인간의 상상력만으로는 생각해낼 수 없는 자연과학의 커다란 분야이며 이를 이해하는 것은 어쩌면 인간의 삶보다 더 커다란 의미를 가질 수 있을 것입니다. 앞으로 천문학의 귀추가 기대됩니다.