빅뱅 이론은 약 138억 년 전에 초고온, 고밀도의 한 점에서 대폭발(빅뱅, big bang)이 일어난 것으로 우주의 탄생을 설명하고 있습니다. 그리고, 우주는 계속 팽창하고 있다고 하죠. 이러한 빅뱅 이론을 지지하는 증거는 몇 가지가 있는데요, 그중의 하나인 우주의 원소 분포에 대한 내용을 정리해 보겠습니다.
우주의 원소 분포
1. 우주 생성 초기에는 양성자와 중성자가 서로 변환되면서 개수가 약 1:1로 존재하였습니다.
2. 우주의 온도가 점차 낮아지면서 일부 중성자들은 양성자로 변환이 되기 시작합니다. 이때 양성자와 중성자의 개수비가 약 7:1로 형성이 됩니다.
3. 양성자는 그 자체로 수소의 원자핵이 되고, 양성자 2개와 중성자 2개가 결합하여 헬륨 원자핵이 생성이 됩니다.
위의 이미지를 보고 이해를 하면 되는데, 정리를 하면 우선 전자의 질량은 무시하고 중성자와 양성자의 질량은 같다고 가정을 합니다. 개수비를 보면 수소 원자핵 : 헬륨 원자핵이 12:1이 됩니다. 그런데, 수소 원자핵과 헬륨 원자핵을 보면 질량은 헬륨 원자핵이 수소 원자핵의 4배가 되므로 수소 원자와 헬륨 원자의 질량비는 3:1이 됩니다.
우주의 원소 분포 측정과 빅뱅 이론의 증거
우주에서 오는 별빛의 스펙트럼 분석을 통해 원소의 종류와 함량을 알 수 있습니다. 동일한 원소의 흡수선과 방출선은 동일한 파장에서 나타나고, 원소의 종류에 따라 선의 위치와 굵기가 다르기 때문에 별빛의 흡수 스펙트럼을 관측하면 우주의 별을 구성하는 원소의 종류를 알 수 있습니다. 그리고, 흡수선의 세기가 원소의 밀도에 비례하므로, 흡수선의 선폭 비교를 통해서 원소의 질량비 역시 파악이 가능하죠.
예시로 태양의 스펙트럼은 아래의 이미지와 같습니다. 태양의 대기가 수소, 헬륨, 나트륨 등 여러 원소들로 이루어진 것을 확인할 수가 있습니다.
수소와 헬륨의 질량비가 3:1이 된다는 것은 빅뱅 우주론에서 예측한 값과 별빛의 스펙트럼으로 관측한 값이 거의 일치한다는 것을 뜻하는데요, 그렇기 때문에 빅뱅 우주론을 지지하는 증거 중의 하나가 됩니다. 또 다른 빅뱅 우주론의 증거로 우주 배경 복사의 예측과 관측이 일치한 것도 있는데, 아래의 포스팅을 참고하면 되고, 빅뱅 이론의 증거로 두 가지를 들 수 있습니다.
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