원자핵과 원자우주 마이크로파 배경은 어떻게 시작되었나

우주 마이크로파 배경은 빅뱅의 잔광입니다. 빅뱅 약 38만 년 뒤, 전자가 원자핵에 붙잡히면서 우주가 투명해지고 첫 빛이 미래를 향한 여정을 시작할 때 만들어졌습니다. 그 빛은 지금도 측정할 수 있습니다. 그보다 앞선 3분에는 질량의 약 25%가 헬륨으로 바뀌었고, 가장 가벼운 원소들의 비율은 20분이면 정해졌습니다.

이 시대는 3분부터 1억 5천만 년까지이며 세 부분으로 나뉩니다. 가장 가벼운 원소를 만드는 핵합성, 빛이 처음으로 자유롭게 퍼지는 재결합과 투명화, 마지막으로 별이 없고 중성 수소만 식어 가던 긴 암흑 시대입니다.

여섯 개의 사건

• 3분 · 빅뱅 핵합성: 질량의 약 25%가 헬륨이 됩니다.
• 20분 · 리튬-7 생성: 가장 가벼운 원소들의 비율이 정해집니다. 새 원소는 별이 나올 때까지 기다려야 합니다.
• 4만 7천 년 · 물질 우세: 물질 밀도가 복사 밀도를 넘어, 물질이 빛과 복사보다 무거워집니다.
• 38만 년 · 재결합: 전자가 원자핵에 붙잡힙니다.
• 38만 년 · 우주 마이크로파 배경: 우주가 투명해지고 첫 빛이 미래로 향합니다. 짙은 안개가 갑자기 걷히는 것과 같습니다.
• 38만 년~1억 5천만 년 · 암흑 시대: 별은 없고 중성 수소만 식어 갑니다.

가벼운 원소의 비율

랠프 앨퍼와 조지 가모프는 빅뱅에서 가벼운 원소가 어떻게 만들어졌는지 계산했고, 한스 베테의 이름이 더해져 "αβγ"라는 농담이 완성되었습니다. 논문 제목은 "화학 원소의 기원"입니다(Alpher, Bethe and Gamow, Physical Review, 1948). 위의 연표와 맞춰 보면, 헬륨은 3분에 이미 풍부했고 리튬-7은 20분까지 나타나 가장 가벼운 원소들의 비율이 정해졌습니다.

두 사람이 우연히 맞닥뜨린 잔광

벨 연구소의 두 연구자는 안테나의 잡음을 없앨 수 없었습니다. 그것이 빅뱅의 잔광임을 마침내 깨달았고, 1978년 노벨상을 받았습니다. 논문 제목은 소박하게도 "A measurement of excess antenna temperature at 4080 Mc/s"입니다(Penzias and Wilson, The Astrophysical Journal, 1965). 공교롭게도 프린스턴의 한 팀이 바로 이 복사를 찾으려고 준비하다가 이웃에게 선수를 빼앗겼습니다. 그들은 이론적 설명을 정리했고, 제목은 "Cosmic black-body radiation"입니다(Dicke, Peebles, Roll and Wilkinson, The Astrophysical Journal, 1965).

잔광을 더 정밀하게 재기

COBE가 측정한 스펙트럼은 이론적인 흑체 곡선과 거의 완벽하게 일치해 빅뱅 이론에 결정적인 뒷받침을 주었습니다. 논문은 "A preliminary measurement of the cosmic microwave background spectrum by the Cosmic Background Explorer (COBE) satellite"입니다(Mather et al., The Astrophysical Journal Letters, 1990). 2년 뒤, 같은 위성의 자료는 배경 복사에서 10만분의 1 수준의 온도 변화를 보여 주었습니다. 이 작은 차이가 나중에 은하가 될 씨앗이었습니다. 논문 제목은 "Structure in the COBE Differential Microwave Radiometer first-year maps"입니다(Smoot et al., The Astrophysical Journal Letters, 1992). 초기 우주의 음파는 은하 분포에도 약 5억 광년이라는 특징적인 규모를 남겨, 우주를 재는 자가 되었습니다. 논문은 "Detection of the baryon acoustic peak in the large-scale correlation function of SDSS luminous red galaxies"입니다(Eisenstein et al., The Astrophysical Journal, 2005). 마지막으로 플랑크 위성은 잔광의 미세한 물결을 측정했습니다. 보통 물질은 우주 전체 에너지의 약 5%, 암흑 물질은 약 27%, 나머지는 암흑 에너지입니다(Planck Collaboration, Astronomy & Astrophysics, 2020).

암흑 시대를 "보는" 법

별이 없으면 볼 빛도 없으므로, 연구자들은 수소에 의지합니다. 인류는 먼저 중성 수소의 21cm 전파 방출을 검출했고, 이로써 은하수에서 다른 방법으로는 보이지 않는 가스를 "볼" 수 있게 되었습니다. 논문 제목은 그저 "Observation of a line in the galactic radio spectrum"입니다(Ewen and Purcell, Nature, 1951). EDGES 실험은 1세대 별이 남긴 21cm 흡수 신호를 보고했습니다. 논문 제목은 "An absorption profile centred at 78 megahertz in the sky-averaged spectrum"입니다. 이 결과는 아직 논쟁 중이며 독립적인 검증을 기다리고 있습니다(Bowman et al., Nature, 2018).

원자 안에는 무엇이 있을까

알파 입자가 금박에 가끔 튕겨 돌아오는 것에서 어니스트 러더퍼드는 원자의 질량이 아주 작은 핵에 모여 있다고 추론했습니다(Rutherford, Philosophical Magazine, 1911). 논문 제목은 "The scattering of α and β particles by matter and the structure of the atom"입니다.

게임에서는 어떻게 보여 줄까

게임에서 원자핵과 원자 시대의 시간 범위는 "3분~1억 5천만 년"이고 자원은 원자입니다. 생성기는 양성자 포획, 중수소 핵 융합, 헬륨-4 합성, 전자 포획이며, 핵합성에서 원자 형성까지의 과정에 대응합니다.