초기 우주 구조가 어떻게 진화했는지 보여주는 최초의 빅뱅 시뮬레이션이 성공했다고 사이언스 데일리가 1일 보도했다.

미국 시카고 대학 과학자들은 진공 실험실에서 극저온으로 냉각시킨 세슘 원자를 이용해 빅뱅을 시뮬레이션했으며 이를 통해 초기 우주 마이크로 배경복사와 같은 패턴을 재현했다고 사이언스지 온라인판인 사이언스 익스프레스에 발표했다. 이 연구는 곧 사이언스지에 게재될 예정이다.

연구진은 지난 1990년대 우주배경복사탐사위성(COBE)에 이어 윌킨슨 마이크로파 관측위성(WMAP)이 지난 9년간 수집한 우주배경복사(CMB) 등 방대한 관측 자료를 토대로 137억7천만년 전 초기 우주 전체의 CMB를 보여주는 상세한 분포도를 만들어냈다.

빅뱅 직후 38만년에 걸쳐 빅빙의 메아리인 CMB가 어떻게 진화했는지 보여주는 이 분포도는 절대온도 0도보다 10억분의1도 높은 초저온으로 냉각시킨 세슘 원자들이 진공 실험에서 보여 준 빅뱅 직후 현상의 축소판이다.

실험 결과 특정 조건에서 극저온의 원자들은 집단 여기(勵起) 상태에 빠져 마치 공기중의 음파처럼 움직이는 것으로 나타났다. 밀도 높은 물질 덩어리와 초기 우주의 복사는 COBE와 WMAP 등에서 드러난 것처럼 이와 비슷한 음파의 여기 상태를 만들어냈다. 음파의 동시 발생은 초기 우주의 팽창과 관련된 것으로 알려져 있다.

연구진은 우주의 갑작스러운 팽창으로 빅뱅의 반향 속에서 시공간에 파문이 일어났다고 밝히고 단순하게 보면 소리를 만들어 낸 폭발, 즉 빙뱅을 생각할 수 있다고 말했다. 음파는 다른 음파들과 간섭하기 시작하면서 복잡한 패턴을 만들어냈는데 “이것이 바로 우리가 오늘날 보는 우주의 복잡성의 기원”이라는 것이다.

이런 원자들의 여기상태는 러시아의 물리학자 안드레이 사하로프 박사가 지난 1960년대에 밝혔던 사하로프 음향진동(Sakharov acoustic oscillation)이라고 불리는 현상이다.

연구진은 SAO를 만들어내기 위해 약 1만개의 세슘 원자를 절대온도 0도보다 10억분의1도 높은 온도까지 냉각시켜 ‘2차원 원자 초유체’로 알려진 특이한 상태의 물질을 만들어냈다.

이어 이들은 원자들 사이의 상호작용 세기를 조절하는 과정을 시작했는데 그 결과 상호반응의 강도를 갑자기 높이거나 낮춤으로써 SAO를 만들어 낼 수 있음을 발견했다.

이들이 실험실에서 시뮬레이션한 우주는 머리카락 굵기인 지름 70미크론(μ)에 불과하지만 매우 다양한 크기의 실험 공간에서도 똑같은 물리현상이 일어난다고 연구진은 밝혔다.

이 실험의 목적은 빅뱅 직후 잠깐만 존재했던 유아기 우주의 진화를 이해하는 것인데 유아기 우주가 오늘날 포착되는 CMG 패턴을 남기기 시작할 무렵 우주의 지름은 10억광년에 불과했다.

연구진은 “우주가 오늘날의 CMB 스펙트럼으로 진화하는데는 38만년이 걸렸지만 우리는 이를 10밀리초 안에서 같은 패턴으로 재현할 수 있었다”고 밝혔다.

이들은 “CMB는 오래전 한순간의 우주를 보여주지만 이것만 보고서는 빅뱅 직후 어떤 일이 일어났는지 알 수 없다. 이번 시뮬레이션을 통해 우리는 사하로프 진동의 전체 진화과정을 모니터할 수 있었다”고 강조했다.