빅뱅 우주론 강의 (한 권으로 읽는 우주의 역사 | 증보판)

이석영

저자이석영은연세대학교천문우주학과를졸업하고미국예일대학교천문학과에서타원은하의자외광진화에관한이론연구로박사학위를받았다.미국항공우주국(NASA)고더드우주비행센터에서박사후연구원을지내면서허블우주망원경프로젝트에참여해이론적연구를수행했다.그후미국캘리포니아공과대학물리학과교수를지냈다.2005년에는별생성을멈춘것으로알려졌던타원은하가별을꾸준히생성하고있다는것을발견해세계천문학계를놀라게했다.이업적을인정받아미국천문학회의초청을받고기조강연을하기도했다.현재연세대학교천문우주학과교수로학생들을가르치며,타원은하의별생성과정과초거대블랙홀과의관계를밝히는연구를하고있다.은하의진화연구로천문학분야최고권위학술지인《미국천체물리학회지》,《영국왕립천문학회지》,《사이언스》,《네이처》등에100편이상의논문을발표했고,미국과학한림원협력연구상을받았다.저서로는『초신성의후예』가있다.

증보판을펴내며 진심으로‘모든사람’을위해7
책을시작하며 하늘의높이라고?10

1강 당신의우주는얼마나큰가요?15
2강 무게있는아름다움23
우주망원경연구소41
3강 우주는왜한점으로수축하지않을까?43
예일대학교59
4강 빛은137억년의세월을뚫고61
프리스턴대학교와고등과학원74
5강 우주의나이가38만년이되기까지77
옥스퍼드대학교92
6강 태초의3분95
케임브리지대학교107
7강 우주의운명은?109
카네기천문대123
8강 빅뱅우주론은완벽하지않았다127
파리천체물리연구소144
9강 보이는게전부가아니다!147
캘리포니아공과대학170
10강 초강력다리미,급팽창173
매사추세츠공과대학185
11강 정체모를에너지가우주를지배한다!187
하버드대학교205
12강 우주배경복사의비등방성207
하버드대학교221
13강 우리가아는것은겨우4퍼센트225
캘리포니아주립대학교샌타크루즈캠퍼스232
14강 암흑물질은은하의요람235
막스플랑크연구소247
15강 별보다은하249
레이던대학교와흐로닝언대학교271
16강 하나의별이탄생해사라지기까지273
파도바대학교290
17강 21세기는천문학의시대293
미국항공우주국303
18강 이모든것이빅뱅의산물이다307

부록 편평한우주의팽창314
찾아보기317
사진및그림저작권320

‘대한민국대표우주론교과서’대망의증보판출간!
★APCTP선정“우리시대의과학고전50”
★융합형과학교육의필독서

지금인류는갈릴레오,뉴턴,아인슈타인의시대이상의지식혁명시대를살고있다.우주의기원과운명이밝혀지고있기때문이다.우주의기원과운명,이것이야말로인류지식의궁극적목표가아닐까?―본문에서

21세기에들어선오늘날은또다른천문학혁명기에놓여있다.플랑크우주망원경은우주배경복사의비등방성을정밀관측해우주의남은비밀들을풀어나가고있다.앞으로허블을대체할제임스웹우주망원경이가져올변화는감히예상할수없을정도이다.오늘날우리는우주137억년의역사와미래의운명을놀라울정도로견고하게파악해나가고있다.바로빅뱅우주론을통해서말이다.
융합형공교육을목적으로개편된고등학교과학교과에천문학의비중이확대되었다.특히‘우주의기원과진화’,즉빅뱅우주론에관한내용이교과서의첫머리를장식하고있다.‘융합형교과시대’를예고했던2009년,이석영교수(연세대학교천문우주학과)의『모든사람을위한빅뱅우주론강의』는출간과함께대중의관심을불러일으켰다.KBS「인문강단락(樂)」초청강연과,이명현교수등저명한천문학계인사들의찬사속에서이책은단번에베스트셀러로자리매김했다.우리사회가빅뱅우주론의중요성을체감하고현대인이반드시알아야할기초소양으로인정했다는뜻이다.
2018년부터문이과통합과학시험이출제되면빅뱅우주론에대한깊은이해가수험생들에게요구될것이다.빅뱅우주론이통합과학,즉137억년에걸친빅히스토리의시작이기때문이다.이제중고등학생도반드시읽어야할이책은진정으로‘모든사람을위한’책이되었다.

천문학의시대,필수교양이된빅뱅우주론
융합형교과시대의청소년과일반인의필독서

이번에㈜사이언스북스에서새롭게펴낸『(증보판)모든사람을위한빅뱅우주론강의』는우주의원리를설명하는유일무이한이론으로자리매김한빅뱅우주론의핵심과최근이슈를모두담았다.새로운천문학혁명을직접경험하는‘감격을나만알수없다’는저자이석영교수가직접들려주는빅뱅우주론의최신연구결과를이번증보판을통해확인할수있다.빅뱅우주론의기초부터최전선의풍경까지모두담은강의라고할수있다.
특히증보판에새롭게추가된12강「우주배경복사의비등방성」은최전선의핵심을이루고있다.최근10년간WMAP와플랑크우주망원경의측정결과에따르면,우주배경복사의온도분포는완전히고르지않고10-5~10-6의편차를보인다.이미세한온도편차를우주배경복사의비등방성이라고한다.그동안측정상의오차로치부했던비등방성이현재우주의거대구조를결정하는씨앗역할을했다는사실이오늘날밝혀지고있다.이론적예측과놀랍도록일치하는비등방성연구결과와우주거대구조의형성과정을이책에서확인할수있다.
한편저자는편평한우주가언젠가팽창을멈출것이라는대중의오해를바로잡기위해특별히수학적증명과정을수반한부록「편평한우주의팽창」을추가했다.심지어고등학교과학교재들조차이러한오류를범하고있는지금,이책은정확한내용을바탕으로‘대한민국대표우주론교과서’로자리매김하고있다.
이석영교수는연세대학교천문우주학과를졸업하고예일대학교에서타원은하에관한이론으로박사학위를받았다.타원은하에관한논문으로학계에서크게인정받은그는미국천문학회에서기조강연을하기도했다.졸업후에는곧바로미국항공우주국(NASA)고더드우주비행센터에서연구원으로재직하면서허블우주망원경프로젝트에참여했다.뿐만아니라캘리포니아공과대학에서선임연구원으로지낸이력도있다.국내천문학계가배출한최고의인재라고감히말할수있다.
이책은그가옥스퍼드대학교와연세대학교에서교수로재직하며학생들에게강의한빅뱅우주론의모든것을담고있다.자칫어려울수도있을내용들을최대한쉽게설명하는이석영교수의강의를통해,우리는새로운천문학혁명의맥락을따라잡을수있다.요컨대『(증보판)모든사람을위한빅뱅우주론강의』는우주137억년의역사를단한권에담은책이다.

“당신의우주는얼마나넓습니까?”
한국대표천문학자가들려주는우주137억년의이야기

나는감히“꽃보다아름다운것이우주공간에있다.”라고말하고싶다.우주에는단순한아름다움을넘어‘무게있는아름다움’이있다.―본문에서

『(증보판)모든사람을위한빅뱅우주론강의』는새롭게추가된강의를포함해총18강으로구성되어있다.1강「당신의우주는얼마나큰가요?」에서저자는우주구성의개괄적인배경지식과함께방대하고심오한빅뱅우주론의세계로들어가는우리를맞이한다.
본격적으로강의가시작되는2~4강에서는빅뱅우주론의탄생과정을다룬다.먼저2강「무게있는아름다움」에서는허블우주망원경을통해관찰한은하와은하단의모습을통해앞으로다룰탐구대상(우주)의규모를체감할수있다.지름10만광년의은하,태양질량의1000조배에해당하는은하단,수십억년에걸쳐진행되는은하의모습변화등은감히우리의일상적인사고방식으로는상상할수없는규모이다.독자스스로가이러한‘천문학적관점’을정립했다면,이제껏그누구도헤아리지못한세계를탐구한다는자부심을갖고다음강의로넘어가도좋다.
3강「우주는왜한점으로수축하지않을까?」는빅뱅우주론의실마리를제공한동시에그것을부정했던아인슈타인의이야기로시작한다.빅뱅우주론이생명력을얻은것은오히려프리드만의(아인슈타인의방정식을통한)수학적증명과허블의관측덕분이었다.이러한역설적인탄생이후빅뱅우주론은본격적으로발전을거듭해천문학의핵심이론으로자리잡는다.
4강「빛은137억년의세월을뚫고」에서는우주의‘끝’에서‘137억년의세월을뚫고’우리에게도달한우주배경복사의발견에대한이야기를다룬다.우주배경복사의발견은,그리고그것의에너지스펙트럼이열역학이론과정밀하게일치한다는사실은빅뱅우주론을증명할수있는직접적인증거에해당한다.

우주가과거로부터지금까지팽창해왔다면앞으로는어떻게될까?끝도없이팽창할까?아니면언젠가는다시줄어들까?빅뱅우주론에따르면우주의운명은우주탄생과함께이미결정되었다.이것은마치로켓을공중으로쏘아올릴때초기속도를알면로켓의최후를알수있는것과같다.―본문에서

5~7강은빅뱅우주론이밝혀낸우주의역사를다룬다.5강「우주의나이가38만년이되기까지」에서는빅뱅직후부터38만년의기간에일어난우주의변화에대해설명하고있다.대통일이론시대,급팽창의시대,강입자의시대,핵합성의시대를비롯해우주역사38만년까지개괄적으로이해할수있다.특히앞서이야기한‘천문학적관점’이매우긴시간뿐만아니라매우짧은시간(10-43초)에대한이해역시요구한다는것을미리일러두고싶다.
이렇게짧은시간을조금이나마헤아릴수있다면6강「태초의3분」으로넘어와도좋다.태초의3분은이후137억년의역사와견줄정도로역동적인변화가있었던시기다.강입자와수소원자가지배했던이시기의우주는빅뱅핵합성이론을통해잘설명된다.수소원자의핵합성작용을시작으로헬륨등의물질들이만들어지며현재의우주가형성되었다는것이다.
7강「우주의운명은?」에서는그렇게만들어진우주의미래를예측하고있다.우주가계속가속팽창해서극히낮은밀도를갖게될것인지,아니면서서히팽창을멈추고특정한크기를갖게될것인지등의다양한가능성이있다.심지어다시한점으로수축할것이라는‘빅크런치’가설도있다.그누구도미래를완벽히헤아릴수없지만초기조건을통해과학적으로어느정도예측할수는있다.그래서천문학자들은빅뱅초기우주의상태를알고자했는데,이과정에서치명적인문제점들을발견했다.

그저공상에그치고말것인가?
빅뱅우주론의3대난제와해결책

1920년말허블의우주팽창발견,1960년대우주배경복사의발견,1950년대부터의이론연구와1980년대의관측연구를통해완성된빅뱅핵합성이론등은빅뱅우주론을현존하는최고의우주론으로서자리매김하게만들었다.하지만빅뱅우주론에도문제는있었다.그것도매우심각한문제가말이다.―본문에서

8~9강은빅뱅우주론이지닌문제점들을다루고있다.8강「빅뱅우주론은완벽하지않았다」는빅뱅우주론에위기를가져온대표적인문제점들을소개한다.정보교환의한계범위를넘어서는두지점으로부터같은정보가관측된다는‘우주의지평문제’,현재의우주가만들어지기위해서는초기우주의밀도가조금의오차도없이매우신묘하게결정되었어야한다는‘편평도문제’,초기우주에존재했을원시입자를현재전혀발견할수없다는‘원시입자문제’등을이번강의에서확인할수있다.
9강「보이는게전부가아니다!」에서도문제가발생한다.눈에보이는우주의밀도보다실제밀도가훨씬더높다는것이다.더골치아픈일은그것까지감안해계산한우주의팽창속도와달리실제로는훨씬더빠른속도로우주가팽창하고있다는것이다.이것들을설명하기위해오늘날에는각각암흑물질과암흑에너지라는개념이도입되었다.

여기저기구겨진모습에서맵시있는셔츠를상상할수없는것처럼급팽창전초기우주만봐서는지금같이멋진우주를생각해낼수있을것같지않았다.그런데급팽창이라는최신다리미를사용해쓱쓱다렸더니원래의구김살이작았든컸든상관없이무조건깨끗하게펴지는것이아닌가!―본문에서

10~13강에서는틀린이론으로낙인찍힐위기에봉착한빅뱅우주론을기사회생시킬뿐만아니라오히려더견고하게만들어준해법이소개된다.10강「초강력다리미,급팽창」은앨런구스가주장한급팽창이론을다룬다.물이끓으면부피가급격히증가하듯이매우뜨거웠던초기우주역시급격한부피팽창을거쳤다는것이다.가설을넘어급팽창이론이될수있었던증거들과함께,이것이앞서언급한빅뱅우주론의문제점들을멋지게해결하는모습을확인할수있다.
11강「정체모를에너지가우주를지배한다!」는암흑에너지에대해집중조명한다.암흑에너지는중력에반하는척력으로작용해우주를가속팽창시키는미지의에너지이다.특히아인슈타인의실수로여겨졌던우주상수가바로암흑에너지의정체일가능성이있다는것은매우흥미로운사실이다.

잡음이들려주는우주탄생의비밀
우주배경복사에숨겨진우주의비등방성을국내최초해설!

최근우주론의가장큰쾌거는우주배경복사의비등방성에관한발견이다.―본문에서

서로완전히다른각도에서진행된연구들이여기저기에서서로들어맞기시작하더니그럴듯한우주의모습하나가그려지기시작한것이다.우리는드디어우주의역사를알게된것인가?―본문에서

앞서언급한12강「우주배경복사의비등방성」은급팽창이론의새로운증거가되는연구결과를다루고있다.우주공간이균일하고등방적이라는‘우주론의기본원리’가무너졌지만이를통해급팽창을거친우주탄생과정을훨씬더자세히이해하게되었다.관측기술이발달함에따라더새로운비밀들이밝혀질것으로기대되는데,이때문에저자는오늘날이혁명기라고말한다.
13강「우리가아는것은겨우4퍼센트」는빅뱅우주론의문제점부터해결책까지이어지는기나긴내용의소계에해당한다.초기빅뱅가설부터비등방성에관한최신연구에이르기까지결국우리가깨달은것은오직우주의4퍼센트만이해했다는것.나머지96퍼센트를이루고있는암흑물질과암흑에너지는여전히미지의영역이다.하지만무엇을모르고있는지알고있다는사실만으로도빅뱅우주론의의의는충분하다.

아낌없이사회에환원하는이들이가끔씩있어,이사회가그나마살만한것처럼느껴지듯이,자신이만든원소들을아낌없이돌려준거대한별들이있기에이우주가아름다운게아닌가싶다.―본문에서

14강「암흑물질은은하의요람」은96퍼센트의미지의영역에서비롯된별과은하의탄생에대해다루고있다.암흑물질의중력분포가만들어놓은우주공간의‘웅덩이’로입자들이모여들어핵융합과정을거쳐최초의별과은하가탄생했다.15