초기 우주에서 들려오는 이상한 소리

우리 우주가 탄생한 후 처음 수십만 년 동안 원시의 윙윙거리는 소리가 과열된 입자의 플라즈마를 찢었습니다. 과학자들은 암흑 에너지로 알려진 신비한 힘에 대한 새로운 통찰력을 얻기 위해 이 이야기를 듣고 있습니다. 

별이나 행성이 생기기 전, 블랙홀과 백색 왜성이 생기기 전, 심지어 원자나 빛의 광선이 나오기도 전에 우주는 놀라운 소리, 즉 소리로 울려 퍼졌습니다. 이 원시 윙윙거리는 중입자, 광자, 암흑 물질로 구성된 과열 플라즈마를 통해 빛의 속도의 절반 이상으로 이동했습니다.

이는 전기적으로 충전된 입자 수프에서 음파를 생성하는 고대 힘과 강력한 기본 힘 사이의 줄다리기에서 발생했습니다. 그러다가 불과 수십만 년 만에 플라즈마는 아침 안개처럼 사라졌습니다. 우주는 갑자기 무너졌고, 깊은 침묵을 지켰습니다.

그러나 어디를 봐야 할지 안다면 초기 우주 전체에 퍼져나가는 최초의 음파의 메아리를 포착하는 것이 여전히 가능합니다. 그들이 플라즈마에 생성한 잔물결은 우주 주변의 물질 분포 에 영구적인 흔적을 남겼습니다 . 그리고 그들은 또한 오늘날 우리 우주의 가장 깊은 미스터리 중 하나인 암흑 에너지로 알려진 신비한 힘에 대한 단서를 천문학자들에게 제공하고 있습니다.

중입자 음향 진동(BAO)이라고도 알려진 원시 음파는 초기 우주의 입자가 중력에 의해 서로 당겨지기 시작하면서 형성되었습니다.

중국 양저우 대학교 중력 및 우주론 센터의 라리사 산토스(Larissa Santos) 교수 는 “초기 우주에서 암흑물질의 중력은 플라즈마를 안쪽으로 끌어당기는 ‘잠재 우물’을 만들었습니다.”라고 말했습니다 . 그러나 플라즈마는 너무 뜨거워서 반대되는 외부 힘도 생성했습니다. "광자는 중력에 맞서 싸우는 복사압을 생성하고 모든 것을 다시 밀어냈습니다. 이 싸움은 음향 진동, 즉 음파를 생성했습니다."

BAO는 셀 수 없이 많은 잠재적 우물에서 바깥쪽으로 폭발하여 확장되고 동심원을 이루는 소리 에너지 영역을 형성합니다. 그들은 서로 교차하여 플라즈마를 눈부시게 복잡한 3차원 간섭 패턴으로 조각했습니다.

만약 인간이 "중입자 음향 진동"(BAO) 시대에 존재했다면 그들은 아무 소리도 듣지 못했을 것입니다. 그 소리는 약 450,000광년의 거대한 파장을 지닌 피아노의 최저음보다 약 47옥타브 낮았습니다 .

믿을 수 없을 만큼 깊고 들리지 않는 이 울림은 가장 강력한 망원경으로도 통과할 수 없는 매체를 통해 전달되었습니다. 우리가 우주를 더 깊이 들여다볼수록, 빛이 우리에게 도달하는 데 걸리는 시간으로 인해 우리는 우주의 역사를 더 자세히 볼 수 있습니다. 그러나 우리는 우주의 초기 단계에서 부착되지 않은 양성자와 전자의 전하가 지속적으로 빛을 산란시키고 확산시켜 뚫을 수 없을 정도로 무작위적인 빛을 생성하는 것만 볼 수 있습니다. 그러나 BAO는 이 매체에서 바깥쪽으로 파문을 일으키는 패턴을 만들었고 우리는 오늘날 우주에서 이러한 증거를 볼 수 있습니다.

플랑크 우주 망원경은 초기 우주에서 BAO의 에코를 포착할 수 있었고 과학자들은 아래 예에서 이를 가청 주파수로 변환할 수 있었습니다. 험은 낮은 톤과 높은 배음으로 구성됩니다. 들을 수 있는 윙윙거리는 소리는 사운드 파일을 만드는 데 사용된 처리 과정의 인공물입니다.

그러다가 약 379,000년이 되었을 때 우주는 양성자와 전자가 짝을 이루어 최초의 중성 수소 원자를 형성할 만큼 충분히 냉각되었습니다. 플라즈마가 사라지면서 우주는 갑자기 극적으로 빛에 투명해졌습니다. 동시에 방사선과 중력 사이의 전투가 끝나고 BAO가 중단되었으며 우주는 조용해졌습니다.

현재 우주 전체에 퍼지고 있는 빛 에너지의 폭발은 너무나 강력해서 130억 년이 지난 후에도 우주 마이크로파 배경 복사로 알려진 신호로 여전히 전파 망원경을 어지럽히고 물리학자들을 감질나게 합니다. "CMB"는 초기 우주에 대한 가장 오래되고 상세한 시각적 기록입니다. 여기에서도 과학자들은 우주 최초의 소리에 대한 "화석 기록"을 볼 수 있습니다.

"우리는 그것들이 우주 마이크로파 배경과 우주의 대규모 구조에 각인되어 있는 것을 봅니다"라고 오랫동안 침묵했던 노래의 현대적 반향을 분석하는 새로운 국제 전파 망원경 프로젝트의 일원인 Santos는 말합니다. "그들의 특징은 150메가파섹(약 5억 광년)의 고정 규모로 분리된 은하 쌍의 수에서 약간 초과된 것으로 발견됩니다."

BAO 서명은 초기 우주의 소리를 암시할 뿐만 아니라 또 다른 보이지 않는 현상인 암흑 에너지의 영향을 측정하는 통치자 역할 도 합니다.

암흑에너지는 우주를 팽창시킨다. 그 효과는 어디에나 있지만 그 성격은 알려져 있지 않습니다. 지구로부터 다양한 거리에서 BAO 신호의 규모를 연구하면 우주 역사에 걸쳐 암흑 에너지의 영향이 어떻게 변했는지에 대한 이야기를 알 수 있습니다.

"우리는 그것을 표준 통치자라고 부릅니다"라고 Santos는 말합니다. "우리는 고정된 규모를 가지고 있습니다. 우리는 시간이 지남에 따라 우주가 어떻게 진화했는지를 통해 알 수 있습니다."

그녀는 현재 브라질 북동부 파라이바 주에서 건설 중인 "Bingo" 전파 망원경 프로젝트 의 일부입니다 . 빙고(" 통합 중성 가스 관측의 BAO "를 의미함 )는 우주에서 가장 단순하고, 오래되고, 가장 풍부한 원자인 수소의 독특한 방사선 특성에 맞춰져 있습니다.

원시 플라즈마에서 생성된 잔물결은 은하와 별이 뭉치는 방식에서 여전히 볼 수 있는 방식으로 물질을 뭉치게 했습니다(제공: Nasa Goddard)

수소 원자는 인간의 눈에는 보이지 않지만 전파 망원경을 통해 감지할 수 있는 21cm 파장의 방사선을 방출합니다. 더 멀리 떨어져 있는 수소 구름에서 나오는 이 방사선은 암흑 에너지에 의해 늘어나 여기 지구에서 관측되는 파장을 증가시킵니다. 더 멀리 이동할수록 더 많이 늘어납니다.

"측정하려는 우주의 시대에 따라 전파 망원경의 주파수를 선택합니다"라고 Santos는 말합니다. 빙고(Bingo)는 10억 광년에서 40억 광년 떨어진 곳, 즉 우주적 시간과 공간 규모에서 상대적으로 가까운 수소 분포를 매핑하도록 설계되었습니다.

빙고의 두 개의 우뚝 솟은 포물선 거울은 이 원시 방사선을 "뿔"이라고 알려진 50개의 플레어 파동 감지기 배열에 반사합니다. 망원경의 주요 움직이는 부분은 그것이 놓여 있는 행성입니다. 회전하는 지구는 별 아래로 망원경을 움직여 하늘을 15도 x 200도로 스캔합니다.

미묘한 통계 계산을 사용하여 Santos는 데이터를 분석하여 수백만 개의 은하계를 찾고, 서로의 상대적 거리를 조사하고, 그 시대에 암흑 에너지가 BAO 패턴에 어떤 영향을 미쳤는지 더 깊이 파고들 것입니다.

"빙고는 암흑 에너지가 이미 팽창을 지배하고 있는 후기 우주를 바라볼 것입니다. 이는 다른 실험과 매우 보완적입니다."라고 그녀는 말합니다.

다른 많은 실험은 이미 계획되었거나 진행 중입니다.

산토스는 또한 BAO가 379,000년 두께의 플라즈마 벽을 뚫고 우주의 과거에 대해 더 많은 것을 밝혀주기를 바라고 있습니다.

"수소 강도 매핑은 원칙적으로 현재부터 CMB까지 우주의 모든 것을 측정할 수 있습니다. 이는 탐구할 수 있는 엄청난 양입니다"라고 캐나다 몬트리올의 McGill University에서 수소 밀도를 연구하는 물리학 교수인 Cynthia Chiang 은 말합니다. "빙고 및 기타 유사한 실험은 은하 내부에 살고 있는 가스를 찾습니다. 그것은 물질이 어디에 있는지 추적합니다."

치앙은 상대적으로 가까운 지역에 맞춰 조정된 도구에 관심이 있지만 나머지 우주 역사에 대한 답도 갈망합니다.

"나는 이것에 대해 매우 탐욕스러운 접근 방식을 취합니다"라고 그녀는 웃으며 말했습니다. "나는 '암흑시대'에 해당하는 주파수에 맞춰진 실험을 준비하고 있습니다. 그것은 마이크로파 배경이 형성된 직후의 기간입니다. 우리는 이 기간 동안 우주론에 접근한 적이 없습니다. 왜냐하면 그것은 매우 어렵기 때문입니다. ."

중입자 플라즈마가 CMB에 자리를 내준 "마지막 산란 표면"과 첫 번째 별빛이 빛나는 "우주의 새벽" 사이에는 2억 5천만~3억 5천만년이 경과했습니다. BAO는 희미한 줄무늬로 뭉쳐진 수소 구름을 남겼고, 썰물이 모래에 잔물결을 남기는 것을 좋아했습니다.  

치앙이 이 시대의 21센티미터 방사선에 접근하려면 먼저 오래된 데이터를 가릴 수 있는 우리 은하계의 최신 신호를 걸러내는 실험을 설계해야 합니다.

"이 첫 번째 실험은 아직 우주론에 도달하지 못할 것입니다"라고 그녀는 말합니다. "목표는 이러한 주파수에서 은하수 방출을 매우 높은 해상도로 매핑하여 하늘이 첫 번째 패스로 어떻게 보이는지 파악하는 것입니다. 그런 다음 이를 빼서 우주론에 도달할 수 있기를 바랍니다.

"이름에서 알 수 있듯이 암흑 시대에 우주는 매우 어둡고 지루한 곳이었습니다. 그때 얻는 신호는 이 수소 벽에서 거의 균일하게 21cm 방출됩니다. 그러나 그에 따른 밝기에는 희미한 변동이 있습니다. 과밀도와 과소밀도에 이르기까지 작은 추위와 뜨거운 지점이 생깁니다."

그녀는 CMB가 우주 진화의 중요한 순간을 놀랍도록 자세하게 포착하는 스틸 사진과 같다고 말했습니다. 하지만 암흑 시대의 수소 밀도 지도를 작성하면 바로 뒤따르는 수억 년의 시간을 포착할 수 있습니다.

"그것은 조사할 수 있는 3차원 볼륨입니다."라고 Chiang은 말했습니다. "CMB와 동일한 종류의 정보를 측정할 수 있지만 대신 수소에 반영된다면 훨씬 더 많은 정보를 얻을 수 있으며 잠재적으로 우주론적 매개변수를 훨씬 더 많이 제한할 수 있습니다. 만약 우리가 거기에 도달한다면 그것은 놀라운 일이 될 것입니다. 하지만 그것은 매우, 길이 아주 멀다."

빙고 망원경과 함께 Chiang의 계획된 실험은 BAO의 역사, 우주의 대규모 구조, 은하를 분리시키는 보이지 않는 암흑 에너지를 드러내는 점점 더 많은 혁신적인 관측 도구에 추가됩니다.

" 하늘을 측정하면 모든 것을 측정하게 됩니다"라고 Santos는 말합니다. "CMB, 중성 수소, 은하 점 광원, 이런 모든 종류의 것들. 우리는 우주 신호가 무엇인지, 그 밖의 모든 것이 무엇인지 인식할 수 있어야 합니다."

산토스는 또한 BAO가 379,000년 두께의 플라즈마 벽을 뚫고 우주의 "인플레이션 시대"인 이전 1초에 대한 데이터를 제공함으로써 우주의 과거에 대해 더 많은 것을 밝혀주기를 바라고 있습니다. 빛의 속도보다 빠른 속도.

우주론적 인플레이션은 우리 우주가 어떻게 작고 뜨겁고 밀도가 높은 원래 상태에서 오늘날 우리가 보는 우주로 변했는지에 대해 널리 신뢰받는 이론입니다. 이론은 수많은 구체화, 변형, 시뮬레이션을 거쳤습니다. 그것은 테스트되고 검증된 많은 강력한 예측을 내렸지만 이에 대한 직접적인 증거는 없습니다.

Santos는 "우리의 관찰에 따르면 이미 수많은 인플레이션 이론이 폐기되었습니다."라고 말합니다. "우리가 보고 싶은 측정값을 통해 해당 측정값과 가장 잘 일치하는 이론을 결정하고 거기서부터 나아갈 수 있습니다."

중입자 음향 진동은 수십만 년 동안만 존재했지만 보이지 않는 우주의 첫 순간부터 마지막 ​​순간까지의 이야기를 창조하는 데 도움을 줬고, 과학자들이 이야기하는 데에도 도움이 되고 있습니다.