우주(宇宙)의 연주(演奏)는 왜 불협화음(不協和音)일까

연주를 잘 하는 오케스트라에서 주요 악기들이 엉뚱한 부분을 연주해서 만드는 불협화음처럼, 우주배경복사라는 “음악”의 관측과 이론 사이에 묘한 불일치들이 생겨났다. 관측이 잘못된 되었든지, 생각보다 우주를 잘 모르기 때문일 것이다.
글 | Glenn D. Starkman, Dominik J. Schwarz













엄청나게 거대한 오케스트라가 140억 년에 걸쳐 연주하는 모습을 상상해보자. 처음에는 선율이 조화롭게 들린다. 그러나 더욱 주의깊게 들어보자. 무언가 음조에서 벗어나 있다. 당황스럽게도 튜바와 콘트라베이스가 살며시 다른 음악을 연주하고 있는 것이다.

이것은 과학자들이 우주배경복사1) 속에서 우주가 연주한 음악을 “감상”할 때와 같은 상황이다. CMB는 우리가 초기 우주 상태를 들여다 볼 수 있는 가장 큰 창문(窓門)이다. 빅뱅2) 직후, 우주의 에너지 밀도에 무작위(無作爲)의 요동(搖動)이 - 아마도 양자역학적인 작용 때문이라고 생각되는 요동 - 분명 발생했다. 이들의 크기가 부풀면서 결국 오늘날의 은하단(galaxy cluster)이 되었다. 이 요동은 음파와 매우 유사하며(일반적인 음파는 공기 밀도의 진동이다), 140억 년 전 우주 전체에 울렸던 “소리”는 CMB에 각인(刻印) 되었다. 현재 우리는 CMB의 온도 변동이라는 형태로 하늘에 그려진 이 소리의 지도를 보고 있다.

음파와 비슷하게, CMB 요동은 이를 구성하는 배음(倍音, harmonics)으로 나누어서 분석할 수 있다. 이는 서로 다른 진동수(frequency)를 가진 순수한 음들의 집합체나 혹은 볼 수 있는 것처럼, 오케스트라에서의 서로 다른 악기들에 비유할 수 있다. 이러한 배음 중 일부는 원래보다 더 작게 연주되고 있다. 게다가 이 배음들은 이상한 방식으로 배열되어 있어서, ......