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전파천문학은 가시광선 대신 우주로부터 오는 라디오파를 수신하여 우주와 천체의 구조 및 성질을 연구하는 학문입니다. 지금 우리에게 도달하는 라디오 신호는 아주 먼 곳으로부터 우리 기준으로 수 십 억년 동안 빛의 속도로 빛의 속도로 달려온 것입니다.

미국 뉴저지의 벨연구소의 두 연구원 아노 펜지어스와 로버트 윌슨은 유능하고 야심찬 젊은 전파천문학자로, 1964년 여름 이후로 몇 달 동안 전파수신기에서 사방으로 잡히는 잡음의 원인을 규명하려고 노력 중이었습니다. 이들이 사용한 라디오 수신기는 최초의 통신위성인 에코로부터 나오는 전파를 감지하기 위해 만들어진 아주 정교하고 거대한 고가의 특수 장비로, 한해 전인 1963년부터 통신용으로 사용되지 않게 되어, 펜지어스와 윌슨에게 순수하게 과학을 연구하는 용도로 넘겨졌습니다.

펜지어스와 윌슨은 이 정밀한 장비를 마음대로 쓸 수 있어서 기뻤고, 그들은 은하수의 가스에서 발생하는 전파를 수신하는 것으로 관측을 시작했습니다. 그러기 위해서는 우선 장비 자체에서 발생하는 모든 내부의 잡음을 제거해야 했습니다. 그런데 잡음의 원인을 모두 찾아낸 후에도 여전히 설명되지 않은 잡음이 남아 있었습니다. 그들은 비둘기 한 쌍이 망원경에 집을 만들어 놓은 것을 확인한 후, 비둘기를 쫓아내고 배설물들을 모두 치웠지만 잡음은 여전히 없어지지 않았습니다. 마치 교실에서 학생이 웅성거리는 것과 같은 잡음은 무슨 수를 써도 사라지지 않았습니다.

펜지어스와 윌슨은 컬럼비아 대학과 칼텍에서 노벨상 수상자들을 지도교수로 두었고 훌륭한 연구결과를 얻어 좋은 조건으로 벨연구소에 자리 잡은 유능한 젊은 과학자들이었기에 전파망원경에서 발생하는 모든 잡음의 원인을 찾았다고 믿었습니다. 하지만 정체모를 잡음은 여전히 남아있었고 시간적으로도 공간적으로도 모든 방향에서 일정했습니다. 두 사람은 이 잡음의 정체는 무엇일까 하고 계속해서 고민했습니다.

펜지어스는 1964년 12월에 연례 천문학회에서 동료 전파천문학자에게 자신들의 잡음 문제에 대해 털어놨고, 얼마 지나지 않아 새롭고 흥미로운 소식을 접하게 되었습니다. 펜지어스는 프린스턴 대학의 물리학자 로버트 디키의 지도를 받은 제임스 피블스의 논문 초안을 읽어보았는데, 그 논문에서는 우주가 탄생했을 때 생긴 막대한 열 때문에 현재 우주에는 사방으로 균일하게 일정온도의 배경복사가 남아있어야 한다고 주장했습니다. 그는 또 이러한 배경복사가 정밀한 전파망원경에서 일정한 잡음으로 잡힐 것이라고 주장했습니다. 바로 그 순간에 디키 교수는 자신의 대학원생들과 함께 이러한 배경복사를 추적하기 위한 전파망원경을 제작하고 있었다는 것을 펜지어스는 알게 되었습니다.

1920년대 말에 미국의 천문학자 에드윈 허블은 태양을 비롯하여 천억 개의 별이 모여 있는 우리 은하는 우주 공간에 흩어져 있는 천억 개의 은하 중 하나에 불과하다는 사실과 다른 은하들이 우리 은하로부터 멀어지고 있음을 발견했습니다. 즉 우주는 팽창하고 있었던 것입니다. 그리고 멀리 있는 은하일수록 멀어짐의 속도가 빨랐기 때문에, 학자들은 우주가 과거에는 더 작았으며 우주 탄생의 순간이 있었을 것이라는 추론에 이르렀습니다. 다시 말하면 현재 우주가 팽창하고 있다는 점에 착안하여 과거로 돌아가면 모든 것이 한 점에 모여 있었을 것이라 가정하고 그 점으로부터 팽창하여 현재 우주가 되었다는 추론입니다. 이러한 추론을 제일 먼저 논문으로 발표한 학자는 프랑스의 신부 겸 물리학자인 주르주 르메트르이고 그의 1927년 논문은 빅뱅이론의 시초로 인정받습니다.

빅뱅이론에 따르면 빅뱅은 물질 덩어리가 폭발한 뒤 그 파편이 공간 안으로 퍼져나간 것이 아니라, 공간 자체가 갑자기 생겨나서 팽창을 시작한 것입니다. 따라서 멀리 떨어진 은하를 관찰하면 이 은하가 우리로부터 달아나고 있는 것처럼 보이는 것은 우리와 은하 사이의 공간이 빅뱅의 결과로 팽창하고 있기 때문이라고 해석합니다. 한편 1948년에 프레드 호일을 대표로 하는 일부 천문학자들은 정상우주론을 제안했습니다. 이 이론에 따르면 우주는 일정한 비율로 팽창하고 있지만 동시에 우주 전 부분에서 새로운 물질이 생성되어 팽창된 영역을 보충해주기 때문에 우주의 밀도는 항상 일정하다는 것입니다.

정상우주론은 약 17 년간 빅뱅이론의 가장 강력한 도전자의 영역을 구축했습니다. 하지만 60년대 초중반에 들어서자 빅뱅이론을 지지하는 천문학적 발견이 이어졌고, 빅뱅이론은 정상우주론에 점점 앞서가기 시작했습니다. 그리고 빅뱅의 증거를 확인할 수 있는 방법이 그 시점에 이론적으로 확립되었습니다. 빅뱅이론의 핵심은 물질들이 과거에는 더 작은 곳에 압축되어 있었기에 과거로 갈수록 우주의 밀도와 온도가 높아집니다. 즉 빅뱅이론은 우주가 점점 팽창하면서 식어왔다고 주장합니다.

빅뱅은 아인슈타인의 일반상대성이론으로 설명될 수 있는데, 아인슈타인의 중력방정식은 물질의 밀도와 온도가 중력과 시간에 의해 어떻게 달라지는지를 보여줍니다. 중력방정식에 따르면 빅뱅 후 1초가 지났을 때 우주의 온도는 수백억 도에 달했습니다. 이처럼 뜨거운 우주는 플라즈마 상태로 전자기파에서 진동수가 매우 높은 감마선을 방출하고 이는 흑체복사로 전환됩니다. 그리고 우주가 팽창하고 식어가면서도 흑체복사는 계속 유지되면서 온도가 낮아집니다. 따라서 빅뱅이후 약 140억년이 지난 오늘날에도 우주는 흑체복사로 채워져 있어야 합니다. 마치 식은 목욕물처럼 말입니다. 이것이 바로 조지 가모브 등의 과학자들이 예측했던 우주배경복사입니다. 거기에다 우주탄생 100초 후에 이론적으로 구한 물질의 밀도와 오늘날 관측한 물질의 밀도를 비교함으로써 우주배경복사의 온도를 계산한 결과 절대온도 3도로 식어 있어야 한다는 것으로 추정되었습니다.

펜지어스는 로버트 디키 교수에게 전화를 걸어서 자신들이 발견한 잡음에 대해 이야기를 나눴습니다. 전화를 끊은 후 디키 교수는 프린스턴에서 바로 차를 운전해 같은 뉴저지 주에 있는 벨연구소에 순식간에 도착했고, 펜지어스와 윌슨의 전파망원경과 데이터를 조사했습니다. 그 직후 디키 교수는 자신의 일생 일대 과업이 아무 것도 모르는 젊은이들로 인해 무너져 버렸음을 알고 비탄에 빠졌습니다. 프린스턴으로 돌아온 디키 교수는 대학원생들에게 모든 것이 끝났다고 한탄했습니다. 팬지어스와 윌슨은 빅뱅 이론의 강력한 증거인 우주배경복사를 우연히 발견한 것입니다. 그들이 제거하려던 잡음은 바로 우주가 탄생한지 1초도 지나지 않았을 때 생긴 빛의 흔적이었습니다.

펜지어스와 윌슨은 곧바로 두 페이지 분량의 논문을 작성했고, 그 논문은 자신들의 발견을 해석한 디키의 논문과 함께 1965년 미국천문학회 저널 같은 호에 연속으로 실렸습니다. 그들의 ‘4,080MHz 대역에서 측정된 초과 온도’라는 제목의 논문은 그들이 감지한 진동수 4,080MHz의 라디오파 잡음을 측정하여 예상보다 3.5K 높은 값을 얻었고, 이 초과온도는 방향에 무관하고 비편광이고 계절적 변동에 상관없다는 내용이었습니다. 펜지어스와 윌슨은 우주배경복사를 찾고 있지도 않았고, 그것이 무엇인지도 몰랐기에 논문에서 빅뱅이나 우수배경복사를 언급하지도 않았습니다. 하지만 그들의 논문은 우주론 논쟁에서 정상우주론의 종말을 고하게 했고, 빅뱅이론의 결정적인 증거를 제공했기에, 펜지어스와 윌슨은 1978년에 노벨 물리학상을 수상하게 됩니다. 1978년에는 거의 모든 천문학자와 천체물리학자가 우리 우주는 빅뱅에 의해 탄생했음을 의심하지 않게 되었기 때문입니다.

1980년대 초까지 과학계의 극히 일부에서 여전히 빅뱅의 증거가 충분하지 않다는 주장이 있었으나 1989년 11월에 발사된 우주배경복사 탐사선(COBE)은 초단파 잡음이 빅뱅의 잔재라는 것을 더는 의심할 수 없을 정도로 확실하게 우주배경복사의 온도를 측정했습니다. 우주배경복사에 대한 관측은 빅뱅이론을 뛰어넘어 입자물리학에 관한 새로운 이론을 실험하는데도 쓰이고 있습니다. 2001년에 발사된 윌킨슨 초단파 비등방 탐사선(WMAP)은 우주배경복사온도를 더 정밀하게 측정하여 빅뱅을 확실히 입증했으며, 우주의 나이가 1% 오차 내에서 137억 년이고, 우주의 물질과 암흑물질, 그리고 암흑에너지 비율이 각각 4.6%, 23%, 72%라는 것을 알아냈습니다.

빅뱅이론(The Big Bang Theory)이라는 인기 미드가 몇년째 방영되고 있고, 요즈음 빅뱅 우주론은 학자들 뿐 아니라 일반인들의 대화 소재로도 흔히 등장합니다. 저는 예전부터 빅뱅이론이 무엇인가에 대한 질문을 받아왔습니다. 똑같은 빅뱅이론이라는 말을 쓰지만 그 단어가 뜻하는 내용은 1960년대와 지금이 다릅니다. 1960년대의 빅뱅이론은 빅뱅의 결과 우리 우주가 형성되었다고 주장하는 내용이 요지입니다. 그 당시에는 정상우주론 등 빅뱅 자체를 부인하는 학자들이 적지 않았을 때입니다. 현재는 빅뱅이 존재했음을 부인하는 전공학자는 아무도 없습니다. 현재 말하는 빅뱅이론은 빅뱅으로부터 지금의 우주가 어떻게 만들어졌는가를 구체적으로 설명하는 이론을 통틀어 일컫는 말입니다. 그들 이론 중에서 현재 가장 많은 학자들에게 지지를 받는 것은 1980년에 미국의 물리학자 앨런 구쓰에 의해 발표되었그 후에 많은 학자들에 의해서 발전되고 있는 인플레이션(Inflation) 이론입니다.

빅뱅으로 인해 우리 우주가 만들어진 것은 반박의 여지가 없는 과학적인 사실이지만 그것으로부터 빅뱅이 우리 우주의 기원이라는 결론으로 이어지지는 않습니다. 진화론이 생명의 기원에 대한 어떤 이야기도 하지 않는 것과 마찬가지로 빅뱅이론은 우주의 기원에 대해 어떤 이야기도 하지 않습니다.

펜지어스와 윌슨이 운좋게(?) 노벨상을 수상한데 반해 로버트 디키 교수는 노벨상 수상에는 실패했지만 미국 과학자 최고의 영예인 미국 국가 과학메달(National Medal of Science)를 비롯한 많은 상을 수상하는 등 학자로서의 큰 영예를 누리다 1997년에 사망했습니다.

펜지어스와 윌슨에게 노벨상을 안겨준 1965년 논문은 아주 간단한 보고서입니다. 분량이 극히 짧은 관계로 그 논문의 전문을 사진 파일로 첨부합니다.