우주론, 100년

밝힐수록 짙어지는
우주라는 수수께끼

아인슈타인은 일반 상대성 이론을 바탕으로 우주가 균질하고 등방하다는 대담한 가정을 세웠다. 하지만 그것은 증거가 아니라 신념에 가까웠다. 이에 프리드먼은 우주가 팽창하거나 수축한다고 제안했고, 르메트르도 혼자 팽창하는 우주 모형을 발견했다. 허블은 은하들이 서로 멀어지고 있다는 관측을 통해 적색이동과 거리의 관계에 대해 발표하면서 팽창하는 우주라는 그림에 힘을 실었다. 그렇다면 우주는 정말로 팽창하는 것일까, 아니면 처음부터 지금과 가은 모습이었을까? 이후 수십 년간, 정적인 우주 모형과 빅뱅 우주 모형이 분분히 경쟁했다. 가모프는 뜨거운 초기 우주에서 헬륨이 만들어졌다는 파격적인 아이디어를 내놓았으나, 그의 이론은 오랫동안 학계의 주목을 받지 못한 채 묻혀 있었다. 그러다 1960년대 펜지어스와 윌슨이 우연히 원인을 알 수 없는 잡음을 포착했다. 그 잡음은 훗날 우주 배경 복사로 밝혀졌고, 이 발견을 통해 빅뱅 우주론은 마침내 설득력 있는 표준 이론으로 자리 잡기 시작했다.
한편 천문학자들은 은하 주변에서 보이는 질량보다 훨씬 큰 중력의 흔적을 발견했다. 이 잃어버린 질량은 여러 이름으로 불리며 논쟁을 낳았다. 입자물리학자들은 이 정체불명의 질량이 중성미자일 수도 있다는 가설을 제기했으나, 곧 차가운 암흑 물질이라는 새로운 후보가 등장하며 논의의 중심이 되었다. 1980년대에는 우주론적 급팽창이라는 또 하나의 아이디어가 등장했고, 이후 20여 년간 수많은 변형이 제안되고 검증받아 왔다.
1998년, 초신성 관측을 통해 우리는 우주가 가속 팽창하고 있다는 사실이 밝혀졌다. 그리고 거의 동시에 우주 배경 복사에 대한 정밀 측정이 놀라운 결과를 일치를 보여 주었다. 서로 다른 두 방법이 같은 결론에 도달하며 우주론은 혁명적인 시기를 맞이했다. 이 혁명을 통해 오늘날 표준 모형으로 불리는 ΛCDM 우주론이 확립되었다. 그러나 그 표준 모형을 이루는 것, 우주를 이루는 암흑 물질과 암흑에너지의 정체는 여전히 밝혀지지 않았다. 100년 전 아인슈타인이 던진 질문은 여전히 다음 세대를 향해 열려 있다.

모든 과학의 출발점
세계를 이해하는 가장 빠른 지름길

우주에서 우리는 티끌보다도 작은 존재다. 그런데 그 작은 존재가 우주 전체의 모양과 역사를 그려내고자 한다. 손닿을 수 없는 것을 이해할 수 있다는 사실은 대단하다. 밤하늘을 올려다볼 때 우리가 보는 별빛은 이미 사라진 과거에서 온 것이다. 우주론은 그 빛을 거슬러 읽으며 시간의 흔적을 되살리는 작업이다. 이 작업이 가능하려면 지금 여기에서 가능한 물리법칙이 저 먼 은하에서도 똑같이 작동해야 한다. 그래서 우주론을 검증한다는 것은 곧 물리학의 보편성 자체를 시험하는 일이 된다.
또한 우주론은 인간이 '내가 틀렸다'는 사실을 받아들이는 훈련장이기도 하다. 이 학문의 곳곳에는 오래 믿어 온 모형이 하나의 관측으로 뒤집히는 순간들이 있다. 여러 실패가 쌓여 지금의 우주론이 되었다. 이 과정에서 얻은 위성 측정 기술과 신호 처리 방법은 뜻밖에도 우리 일상에서 쓰이는 기술이 되기도 했다. 이처럼 우주론은 다른 모든 자연과학이 딛고 서는 발판이 되기도 한다. 우주론을 이해한다는 것은 다른 과학들이 서 있는 무대를 이해하는 것과 같다.
지금 우리가 가진 우주의 그림은 완성된 초상이 아니라, 계속 덧그릴 밑그림에 가깝다. 이 그림에 다음 선을 그을 사람이 누구든, 새 선을 긋기 위해서는 지금까지의 발걸음을 알아야만 한다. 우주론이 중요한 이유는 결국 여기에 있다. 우리가 세계를 이해해 온 방식을 보여 주기 때문이다.

서울대학교 물리천문학과 황호성 교수의
섬세한 번역과 해제로 만나는 우주론

카이스트와 서울대학교를 거쳐 하버드-스미스소니언 천체물리연구소에서 연구하고, 피블스와 직접 학문적인 인연을 맺었던 황호성 교수가 이 책의 번역을 맡았다. 같은 학문의 언어로 사고해 온 사람의 시각으로 원작의 전문성과 현장감을 완전히 담아냈다. 또한 번역에 그치지 않고 별도의 해제를 더해, 국내 독자들이 이 책이 다루는 100년의 흐름을 더 깊이 있게 이해할 수 있도록 길잡이 역할을 자처했다. 노벨상 수상자가 쓴 원문이 그 학문적 계보를 잇는 번역자의 손을 거쳐 국내 독자에게 전해진다는 것, 이것이 이 책을 신뢰할 수 있는 또 하나의 이유다.

머리말과 감사의 글
옮긴이의 글

1장. 소개
1.1 과학으로서의 우주론과 그 철학
1.2 개요

2장. 균질한 우주
2.1 아인슈타인의 우주론 원리
2.2 비균질성에 대한 초창기 증거
2.3 균질성에 대한 초창기 증거: 등방성
2.4 균질성에 대한 초창기 증거: 은하 개수 세기와 적색이동
2.5 정상 확률 과정으로서의 우주
2.6 프랙털 우주
2.7 맺음말

3장. 우주 모형들
3.1 상대론적으로 팽장하는 우주의 발견
3.2 상대론적 빅뱅 우주론
3.3 정상 우주론
3.4 정상 우주론의 실증적 평가
3.5 빅뱅 이론의 비실증적 평가
3.5.1 초창기 생각
3.5.2 우주론적 급팽창
3.5.3 편향
3.6 빅뱅 이론의 실증적 검증
3.6.1 시간 척도
3.6.2 1970년대의 우주론 검증
3.6.3 질량 밀도 측정: 소개
3.6.4 질량 밀도 측정: 허블에서 혁명까지
3.6.4 질량 밀도 측정: 평가
3.7 맺음말

4장. 흔적들: 마이크로파 복사와 가벼운 원소들
4.1 팽창하는 우주의 열복사
4.2 가모프의 구상
4.2.1 가모프의 1948년 논문들
4.2.2 우주 배경 복사의 현재 온도 예측
4.2.3 알퍼, 베테, 가모프의 논문
4.3 뜨거운 빅뱅으로부터의 헬륨과 중수소
4.3.1 우주 화석으로부터 헬륨의 인식
4.3.2 1964년과 1965년에 일어난 발전
4.4 마이크로파 복사의 원인
4.4.1 성간 시아노겐
4.4.2 벨 연구소에서의 검출
4.4.3 젤도비치 그룹
4.4.4 디키의 그룹
4.4.5 우주 배경 복사의 인식
4.5 우주 배경 복사 스펙트럼의 측정
4.5.1 1970년대의 상황
4.5.2 대안적 해석
4.5.3 서브미리파 이상 징후
4.5.4 우주 배경 복사의 열 스펙트럼 확립

5장. 우주 구조는 어떻게 성장했을까?
5.1 중력 불안정
5.1.1 르메트르의 풀이
5.1.2 리프시츠의 섭동 분석
5.1.3 중입자와 우주 배경 복사의 비중력적 상호작용
5.1.4 진스질량
5.2 모형
5.2.1 혼돈과 질서
5.2.2 원시 난류
5.2.3 은하 회전의 중력적 기원
5.2.4 폭발
5.2.5 자발적으로 깨진 균질성
5.2.6 초기 조건들
5.2.6 상향식 또는 하향식 구조 형성
5.3 맺음말

6장. 저광도 질량6.1 은하단
6.2 은하군
6.3 은하의 회전 곡선
6.3.1 안드로메다 성운
6.3.2 NGC 3115
6.3.3 NGC 300
6.3.4 NGC 2403
6.3.5 버비지의 프로그램
6.3.6 도전
6.4 나선 은하의 안정화
6.5 저광도 물질의 인식
6.6 저광도 물질의 본질은 무엇인가?

7장. 비중입자 암흑 물질
7.1 뜨거운 암흑 물질
7.1.1 중성미자 정지 질량의 측정
7.2 차가운 암흑 물질
7.2.1 1977년에 무슨 일이 있었나?
7.2.2 1980년대 초반의 상황
7.2.3 암흑 물질 검출 연구

8장. 다양한 우주 모형의 역사
8.1 우주 배경 복사는 왜 이렇게 매끄러운가?
8.2 반례: 차가운 암흑 물질
8.3 차가운 암흑 물질과 구조 형성
8.4 주제의 다변화
8.4.1 TCDM
8.4.2 DDM과 MDM
8.4.3 ΛCDM과 τCDM
8.4.4 다른 생각들
8.5 이 모든 것들이 어떻게 잘 맞아떨어질 수 있을까?

9장, 1988~2003년의 혁명
9.1 적색이동-등급 테스트
9.2 우주 배경 복사 온도의 비등방성
9.3 세기의 전환기에 무슨 일이 있었나?
9.4 물리학적 우주론의 미래

10장. 연구 방법들
10.1 기술
10,2 인간의 행동
10.3 선택하지 않은 길
10.4 과학의 사회적 구성

해제 현대 우주론 발전의 100년을 돌이켜 보며
참고문헌

제임스 피블스 프린스턴대학교 물리학과 명예 교수. 평생을 프린스턴대학교에서 연구하며 현대 우주론의 표준 모형인 ΛCDM 확립에 결정적으로 기여하는 등 현대 우주론의 토대를 이루는 연구들을 주도한 천문학의 거장이다. 2019년 "물리적 우주론에 대한 이론적 발견"으로 노벨 물리학상을 받았다. 《우주론, 100년》 은 그가 직접 몸담으며 목격한 현대 우주론 100년 역사의 집대성이다.