우주론 강의 4. 인플레이션 이론(급팽창 이론)

Question

https://orbi.kr/00064014811

우주론 강의 2. 우주의 밀도와 우주 모형

https://orbi.kr/00064022385

우주론 강의 3. 우주론에서 다루는 거리 개념

https://orbi.kr/00064038085

1. 빅뱅 우주론의 문제점

초기의 빅뱅 우주론에는 몇 가지 의문점이 있었다. 먼저 그 중 3가지를 알아볼 것이다.

1-1. 평탄성 문제

지금 우주 배경 복사를 관측하여 우주의 곡률을 측정하였을 때 얻는 결과는 지금 우주는 거의 평탄하다는 것이다. 여기서 사람들이 가지는 의문점은 ‘왜 하필 지금 우주가 거의 평탄한가?’라는 것이다. 조금 더 자세히 설명하면, 빅뱅 직후 1초가 되었을 때, 우주의 밀도 변수를 Omega라고 하자(이 값은 1이다.). 만약 Omega가 빅뱅 직후 1초인 시점에서 지금 우주를 이룬 값보다 10^-17 정도 차이가 났다면, 우주는 닫힌 우주가 되어 이미 수축을 했거나, 혹은 열린 우주가 되어 우주의 밀도가 너무 낮아 지금 현재와 같이 별이나 은하들을 만들지 못 했을 것이다. 그런데 우리가 살고 있는 이 우주는 그렇지 않고, 평탄한 곡률을 가지고 있다. 아주 약간만 밀도 차이가 발생했어도 우리는 존재하지 못 했을 것인데, 왜 하필 우주는 빅뱅 직후 우리가 존재할 수 있는 적절한 밀도를 가졌던 것일까?

1-2. 지평선 문제

이전 글에서 Omega_m = Omega = 1 인 우주의 경우 지평선 거리가 3ct로 주어짐을 보였다. 이것이 정보 교환이 가능한 거리이다. 우리가 우주의 어느 한 점 A에서 오는 우주 배경 복사를 관측하면, A점과 지구 사이 거리는 약 3ct_0가 된다(t_0는 현재 우주의 나이). 이제 지구에서 봤을 때 A의 반대 방향에 있는 점 B를 생각해보자. 마찬가지로 B점에서 출발한 우주 배경 복사가 지금 지구에 도달한다면 B점과 지구 사이 거리도 3ct_0가 될 것이다. 그러면 A와 B점 사이 거리는 6ct_0이다. 문제는 A와 B점의 온도가 거의 같은 것으로 관측된다는 것이다. 두 점은 정보 교환이 가능한 거리가 아니다. 어째서 두 점은 거의 같은 온도를 가지는가?

조금 더 보충해서 설명하면, 우주 배경 복사가 우주의 나이 38만 년에 출발한다. 그러면 이 시점에서 정보 교환이 가능한 거리는 3*38만 광년이 된다. 그리고 우주의 크기는 이 시기 이후로 약 1100배가 되었다. 따라서 우주 배경 복사가 출발했던 시기에 정보 교환이 가능했던 거리는 지금 기준으로 3*38만*1100 광년이 된다. 만약 지금 우주가 Omega_m = Omega = 1 인 우주이고, 우주의 나이가 138억 년이라면, 우주 배경 복사가 출발한 지점까지 거리는 3*138억 광년이 되고, 우주 배경 복사가 출발했던 시기에 정보 교환이 가능했던 거리는 지구에서 볼 때, 약 1.74˚가 될 것이다(3*38만*1100/(3*138억)*180/pi = 1.74˚ ). 그러나 우주 배경 복사는 전 방위에서 거의 동일한 값을 가진다. 어째서 이것이 가능한가?

1-3. 자기 홀극의 문제

현대 물리학의 표준 모형에서는 빅뱅 직후 막대한 양의 자기 홀극이 발생했을 것으로 예측한다. 그러나 인류는 아직까지 자기 홀극을 발견한 적이 없다. 인류는 어째서 자기 홀극을 발견하지 못했는가?

2. 급팽창 이론(인플레이션 이론)

앨런 구스라는 학자는 이에 대해서 급팽창 이론을 주장하였다. 빅뱅 직후 매우 짧은 시기에 급팽창이 일어나 우주가 매우 커졌다는 것이다. 빅뱅 이후 10^-36 초 ~ 10^-34 초 사이에 급팽창이 일어났으며, 이 시기 동안 우주의 척도인자가 약 10^43배가 되고, 지평선 거리는 6*10^-28 m에서 10^16 m가 되었다고 예측한다(출처 : 천문학 및 천체물리학, p565. 다만, 이 계산 값은 모형마다 조금씩 다르다.).

2-1. 평탄성 문제

우주가 어떤 곡률을 가지고 휘어져 있었다고 해도, 우주의 크기가 10^43배나 커지게 된다면, 우리는 평탄하게 볼 것이다. 쉽게 이야기하면, 평면에 곡선이 있을 때, 곡선의 작은 영역을 확대해서 볼 경우, 이 부분이 휘어지지 않은 것처럼 보이는 것과 같다.

2-2. 지평선 문제

급팽창 이전에 작은 영역에서 정보 교환을 통해 열적 평형을 이루고 있었고, 이 영역이 급팽창으로 인해 급격히 커졌고, 우리가 우주 배경 복사 이후로 보는 영역은 초기의 열적 평형을 이루었던 작은 영역의 일부라는 설명이다. 이러면 지평선 문제는 해결된다.

2-3. 자기 홀극의 문제

우주가 급팽창으로 인해 매우 커졌으므로, 발견하기 어려울 것이다. 비유를 하자면, 만약 학교에 빼빼로를 10개 숨기고 학생들에게 찾으라고 한다면, 10개를 다 찾지는 못해도 몇 개는 찾을 수 있을 것이다. 그런데 만약 전세계에 빼빼로를 10개 숨긴다면, 1개 찾기도 쉽지 않을 것이다. 그런데 급팽창 이론에서는 우주가 이런 비유보다도 훨씬 더 커진다. 따라서 자기 홀극의 개수 밀도가 급감하여 거의 0에 근접할 것이며, 이에 우리가 자기 홀극을 발견하기 어렵게 된다.

3. 여전히 남은 문제점

평탄성 문제는 현재 관측되는 우주가 하필이면 평탄하기 때문에 제기된 문제이다. 그런데 한편으로 중력효과를 발생시키는 물질의 밀도를 계산해보니, 이 값이 임계 밀도보다 훨씬 작다는 것이 알려졌다. 우주의 밀도가 임계 밀도와 같아야지 우주는 평탄한데, 중력효과를 발생시키는 질량은 이보다 훨씬 적은 것이다. 도대체 이것은 어떻게 된 것일까?

멈뭉이 · Accepted Answer

흥미롭네요 잘읽었어요

우주론 강의 4. 인플레이션 이론(급팽창 이론)

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