138억 년 전 우주에서 <물질이 태어난 순간>(3/4)

138억 년 전 우주에서 <물질이 태어난 순간>(3/4)

--단 <10억분의 1초>로 이 세계의 모든 것이 폭탄이 폭발하듯 탄생...!

138억 년 전의 우주에서 <물질이 태어난 순간>--

 

 

 

3, 초기우주의 원소 합성

 

우주는 그 탄생 직후부터 빅뱅 곧 영어로 <큰 폭발>이라고 이름 붙일 만큼 격한 팽창을 경험해 왔다.

그것은 대폭발이라 하듯이 우주 전체를 싸버리는 빛의 덩어리가 격하게 팽창하는 현상이다. 빛의 덩어리란 많은 소립자가 격하게 빛나면서 충돌하고 있는 상태이다. 그것이 시간과 함께 크게 팽창한다.

 

우주팽창이란 소립자 자체가 팽창하는 것이 아니라 그들 입자와 입자의 간격을 넓히면서 팽창해가는 것을 의미한다.

당시 작았던 우주 안에서는 입자의 밀도가 높고 입자끼리의 산란이 격해서 비산하는 광자 등의 소립자가 고에너지의 상태인 채로 폐쇄되어 불덩이처럼 되어 있었다.

예를 들면 태양의 빛나는 부분(광구)의 모습은 그 상황에 매우 비슷하다. 태양의 광구는 5500도가 넘는 고온의 빛이 입자와의 산란에 따라 태양 속에 가두어져 있는 상태이다.

 

우주초기의 불덩어리(火玉)는 약 1000억 도가 넘는 온도였다. 이 불덩어리가 138억 년에 걸쳐서 팽창하여 그와 함께 온도가 낮아지고 현재의 138억 광년(그 사이 팽창을 계속하고 있으므로 정확하게는 약440억 광년) 끝까지 퍼질 절대온도 약 3도(마이너스270도C)의 극저온의 우주가 되었다.

 

초기 우주의 원소합성의 이야기는 우주의 연령이 약 10억분의 1초보다 훨씬 앞, 우주의 불덩어리의 온도가 약 1000억 도보다 훨씬 높은 때부터 시작한다. 크기가 약 30센티에도 차지 않은 불덩어리 속에는 광자, 전자, 뉴토리노, 쿼크, 구루온 등의 소립자와 그 반소립자가 꽉꽉 채워져 있어서 격하게 반응하고 있었다. 이 무렵에 어떤 기구에 의하여 쿼크의 수와 반쿼크의 수 사이에 비대칭이 생겼다고 생각되고 있다.

 

이 쿼크. 반쿼크의 사이의 비대칭성 곧 물질과 반물질 사이의 비대칭성의 탄생은 <바룐 수 Baryon number、NB=입자의 성질을 나타내는 양자수의 하나이다)의 생성기구>라 불린다.(바룐 수란 정미의 원자의 수를 말함) 이 때부터 쿼크의 수가 반쿼크으이 수보다 약 10억 개에 1개만 많은 우주가 된 것이다. 이것이 엄밀한 의미로 우주에 있어서의 물질의 탄생이다.

 

그 후 우주의 연령이 약 1만분의 1초 후 온도가 약 1조도 정도가 되면 약간 많은 물질과 약간 작은 반물질과 비대칭성으로 존재한 쿼크와 굴르온(gluon=바토론 내부에서 강한 상호작용을 전하는 스핀1의 보스입자이다)에서 양자와 중성자가 만들어진다. 양자는 수소원자의 원자핵이다.

 

이 무렵 양자와 중성자는 약한 힘(약한 상호작용)으로 전자와 뉴트리노를 교환하면서 격하게 바꾸어진다. 약한 힘은 크기는 전자기력보다 약하지만 이 시기는 양자와 중성자에 매우 높은 빈도로 작용하고 있다. 이 때의 양자에 대하는 중성자의 비율은 꼭 1;1이다. 중성자는 겨우 양자보다 무거우니까 그 비율은 시간과 함께 점점 변해간다.

 

우주의 영령이 액 1초까지 진행하여 온도가 약 10억 도가 되면 약한 상호작용을 하는 뉴트리노가 불덩어리 속의 산란만으로는 가두어지지 않게 되어 자유로 날아 돌아다니게 된다. 그래서 이 무렵에 같은 약한 상호작용에 의한 양자와 중성자의 바뀌는 반응이 중지된다. 어쩌면 그때에 이론계산에 따라 알 수 있는 것이지만 중성자의 수는 양자의 수의 약 7분의 1까지 줄어든다. 그리고 이 7분의 1이라는 중성자의 수가 후의 우주 전체의 헬륨의 양을 결정하고 만다.

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