노벨 물리학상 수상자들 “우주에 대한 시각을 영원히 바꾸다”

피블스 프린스턴대 교수, 우주의 화석 ‘우주배경복사’에 대한 이론 정립 … 마요르 · 쿠엘로 최초 외계행성 발견

지난 8일(화) 제임스(짐) 피블스(James Peebles), 미쉘 마요르(Michel Mayor), 그리고 디디에 쿠엘로(Didier Queloz) 교수들이 2019년도 노벨 물리학상을 수상했다고 스웨덴 왕립과학아카데미가 공식 발표했다.

제임스 피블스 (사진=Denise Applewhite)
디디에 쿠엘로(왼쪽)와 마쉘 마요르(오른쪽)의 모습. (사진=Laurent Gillieron, Keystone via AP)


현 프린스턴 대학의 명예교수인 제임스 피블스는 140억년의 우주 진화의 역사를 화석처럼 고스란히 담고있는 우주배경복사(Cosmic Microwave Background)에 대한 이론을 정립해 우주론 및 천체물리학에 큰 토대를 세운 공로로 노벨 물리학상을 수상했다.
미쉘 마요르는 스위스 제네바 대학 교수, 디디에 쿠엘로는 스위스 제네바 대학 및 영국 케임브리지 대학 교수로 재직중이며, 그들이 1995년 태양계 밖의 외계행성을 최초로 발견한 업적과 그 후 천체물리학계에 외계행성 관련 연구를 활성화시킨 공로로 노벨 물리학상을 수상했다.

◈우주 탄생 이후의 첫 화석, 우주배경복사
우주배경복사란 우주론 및 천체물리학자들이 현재 가장 유력한 우주 진화의 모델로 택하고 있는 ‘빅뱅 우주론’의 화석과도 같은 관측 자료다.
학자들이 현재 우리가 관측 가능한 우주를 분석한 결과, 우주는 팽창하고 있으며 그 속도는 우리 관측자들로부터 모든 방향으로 균일하다고 밝혀졌다.
즉 지구의 관측자들로부터 모든 천체들이 멀어지고 있다는 뜻으로, 이 후퇴 속도는 ‘허블 상수’라는 거리당 시공간 팽창율 상수와 우리가 관측하고자 하는 천체까지의 거리를 곱한 값이다.
다시 말해 우리로부터 아주 먼 거리에 있는 천체일수록 광속에 가까운 속도로 후퇴를 하는 것이고, 어느 한계지점 너머에 위치한 천체들은 광속 혹은 그보다 더 빠른 속도로 우리로부터 멀어지는 현상이 발생한다.
광속은 불변이므로 광속 이상의 속도로 우리로부터 멀어지는 천체로부터 출발하는 빛은 우리에게 닿을 수 없다.
이를 우주의 지평선 혹은 ‘허블 반경’이라 부르며, 우리가 관측 가능한 우주는 이 우주의 지평선 안에 한정된다.
중요한 사실은 이 우주의 지평선 가까이에서 출발한 최초의 빛 ‘우주배경복사’가 약 140억년 전의 우주의 기원에 대한 정보를 화석처럼 고스란히 보존하고 있는 것이다.
우주론 및 천체물리학 연구들에 따르면, 관측된 허블 팽창속도를 바탕으로 우주의 진화를 역으로 되감아보면 발생 후 얼마 지나지 않은 우주의 상태는 현재 우주의 모든 물질과 시공간이 한데 뒤얽히고 상상을 초월하는 고온의 플라즈마 형태였을 것이라는 결론이 도출된다.
이 고온의 플라즈마 상태의 우주가 팽창하며 식어가다가 마침내 우주 나이가 약 38만년이 됐을 때 플라즈마에 갇혀있던 빛의 입자가 탈출을 할 수 있었다는 것이 현재 초기 우주 진화 모델의 기본 틀이다.
이때 탈출한 빛인 ‘우주배경복사’를 증거로 찾아내게 되면 비로소 우주론자들은 우주 진화 모델을 증명할 수 있는 것이다.
우주배경복사는 1964년 물리학자 마르노 펜지아스와 전파천문학자 로버트 윌슨이 전파천문학 연구를 위해 사용하는 안테나에 포착된 제거할 수도, 출처를 알 수도 없는 노이즈에 대해 한 물리학 교수의 조언을 구하면서 발견됐다.
이 때 펜지아스와 윌슨이 참고한 것이 피블스의 우주배경복사에 대한 논문 견본이었다.
그 후 펜지아스와 윌슨은 우주배경복사를 발견한 공로로 1978년 노벨 물리학상을 수상했다.
이 우주배경복사는 전 방향에서 우리에게 도달하고 있으며, 균등하지 않고 미세한 온도 변화에 따라 요동치고 있다.

요동치는 우주배경복사를 플랑크 망원경이 관측한 것을 이미지화 한 자료 (사진= ESA and the Planck Collaboration)


이 요동은 우주 형태를 이루는 씨앗이 돼 오늘날 은하들과 그 속에 항성들과 행성계를 이뤘고, 그 중 하나인 지구에서 인류가 다시 약 140억년 전의 우주를 들여다 보고 있는 것이다.
피블스의 공로는 이 우주배경복사 요동의 패턴을 이해하고 은하들과 항성들을 이루는 씨앗이 되는 우주 초기의 구조를 이론적으로 정립한 것이다.
1970년 피블스가 게재한 ‘팽창하는 우주 속 태고의 단열 요동(Primeval adiabatic perturbation in an expanding universe)’이라는 논문부터 시작해 우주의 기원을 밝히기 위한 인류 지식의 지평을 넓히며 인생을 바쳐온 피블스의 연구 업적은 2019년 노벨 물리학상 수상을 통해 대중들의 주목을 끌었다.

◈외계행성계 최초발견자, 마요르와 쿠엘로
마요르와 쿠엘로는 외계행성을 1995년 최초로 발견한 업적을 공로로 인정받아 2019 노벨 물리학상의 공동 수상자들이 됐다.
이들이 최초로 발견한 외계행성은 페가수스자리 51번째 항성(51 페가수스) 주변을 도는 행성이다.

마요르와 쿠엘로가 최초 발견한 외계행성계의 항성 51 페가수스 (사진=Johan Jarnestad)


이들은 항성 51 페가수스와 외계행성이 서로 궤도를 돌면서 상대적인 시선속도에 따라 빛의 정보가 변화하는 일명 ‘도플러 효과’를 이용했다.
마요르와 쿠엘로의 최초 외계행성 발견을 필두로 외계행성에 대한 천문학 연구가 활성화 됐으며, 지금까지 우리 은하에서만 4천개의 외계행성이 발견됐다.


최미영 기자 press6@newskorea.com

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