우주 초기 원소의 생성 과정

우주의 시작과 빅뱅우주론

우주의 시작은 빅뱅우주론으로 설명을 할 수가 있는데, 약 138억년 전 초고온, 초고밀도의 한 점에서 빅뱅(Big Bang, 대폭발)으로 인한 우주의 탄생으로부터 현재까지 우주가 지속 팽창하고 있다는 빅뱅우주론에서 출발을 합니다. 이러한 빅뱅우주론의 관점에서 우주 초기 원소가 어떻게 생성되었는지 그 과정을 간략하게 정리해 보겠습니다. 참고로, 우주의 시작에서부터 원소가 생성되는 과정을 교과 과정으로 학습을 한다면, 시간이 경과하면서 팽창과 함께 온도가 낮아지는 점, 그리고 각 단계별로 온도와 각 단계의 시점을 기억해 두어야 합니다.

 

 

우주 초기 원소의 생성 과정

아래 이미지에 우주 초기에 원소가 어떻게 생겨났는지 시간 순으로 잘 정리가 되어 있는데요, 이를 설명해 보도록 하겠습니다. 아래 글을 읽으면서 이미지와 함께 보시면 도움이 될 것 같네요. 참고로, 고교 과정에서 나오지 않는 글루온(gluon)과 같은 내용과 쿼크에 대한 자세한 설명은 생략하도록 하겠습니다.

빅뱅 후 약 38만년이 지나 수소와 헬륨 원자가 생성되었다. 이미지 출처: astronomy.com

 

1. 기본 입자의 생성

 

• 시점 : 빅뱅 후 약 10^(-35)초 경과
• 온도 : 1000조K

 

위의 이미지를 보면 빅뱅이 138억년 전에 일어났죠. 최초에 우주는 엄청난 고온이었는데 급격한 팽창으로 인하여 온도가 낮아지게 됩니다. 팽창이 되면 당연히 온도가 낮아진다는 것을 생각해야 합니다. 따라서 빅뱅 이후에 시간의 흐름에 따라 우주가 팽창하므로 온도 역시 계속 낮아지는 것이죠. 이때 쿼크(quark)나 전자(electron)와 같이 더 이상 분해할 수 없는 기본 입자가 생성이 됩니다. 물질의 기본 단위가 생겨난 것인데요, 참고로 쿼크는 위 쿼크(up), 아래 쿼크(down), 맵시 쿼크(charm), 바닥 쿼크(bottom), 꼭대기 쿼크(top)의 6종류가 있습니다.

 

2. 양성자와 중성자의 생성

 

• 시점 : 빅뱅 후 약 10^(-6)초 경과 (1 microsecond)
• 온도 : 약 100억K

 

우주의 온도는 팽창과 함께 점점 낮아져 쿼크 3개가 결합한 양성자(proton)와 중성자(neutron)가 생성되었습니다. 양성자와 중성자는 같은 종류의 쿼크 2개와 다른 종류의 쿼크 1개로 이루어지는데, 양성자는 위 쿼크(up) 두 개와 아래 쿼크(down) 1개가 결합되어 양전하를 띠고 있으며, 중성자는 위 쿼크 1개와 아래 쿼크 2개가 결합되어 중성을 띠고 있습니다. 이 부분을 조금 설명하면, 쿼크의 특성 중 하나로 쿼크의 전하는 기본 전하의 정수배를 띠고 있지 않은데, 위 쿼크는 전하량이 2/3, 아래 쿼크는 전하량이 -1/3입니다. 그러면 양성자는 2/3 + 2/3 - 1/3이므로 전하량이 +1이 되죠. 중성자는 2/3 - 1/3 - 1/3이므로 전하량이 0, 즉 중성이고요. 여기서, 생성된 양성자와 중성자는 개수비가 생성 초기에는 1:1이었다가 후에 약 7:1로 변하게 되는데, 이는 빅뱅 우주론의 근거가 되는 중요한 내용입니다.

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3. 원자핵의 생성 (Atomic nucleus)

 

• 시점 : 빅뱅 후 약 3분 경과
• 온도 : 약 10억K

 

 

수소의 원자핵은 양성자 하나로 이루어져 있죠. 따라서, 양성자는 그대로 수소의 원자핵이 됩니다. 그리고, 여기서 우주의 온도가 지속적인 팽창과 함께 약 10억K로 낮아지게 되면서 양성자 2개와 중성자 2개가 결합하여 헬륨 원자핵을 생성하게 됩니다. 이때 온도는 우주의 극초기 대비해서 많이 낮아지긴 하였으나 여전히 10억K라는 고온이기 때문에 양성자와 중성자가 생성되었음에도 불구하고 서로 결합은 할 수가 없었기 때문에 전자와 같은 기본 입자들과 함께 존재하게 됩니다.

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4. 원자의 생성

 

• 시점 : 빅뱅 후 약 38만년 경과
• 온도 : 약 3000K

 

빅뱅 후 약 38만년이 경과된 시점에서 온도가 약 3000K 수준으로 낮아지면서 원자핵과 전자가 결합을 하기 시작하고 원자가 생성되었습니다. 원자핵의 생성 부분에서 언급하였듯이 양성자 1개는 그대로 수소의 원자핵이 되고 전자 1개와 결합을 하면 수소 원자가 됩니다. 그리고 양성자 2개와 중성자 2개가 결합한 헬륨 원자핵이 전자 2개와 결합하면서 헬륨 원자가 생성되었죠. 이때 우주배경복사가 생성되었는데 원자가 생성되기 이전에는 전자가 우주를 자유롭게 돌아다니면서 빛과 빈번하게 충돌하였기 때문에 빛이 직진하지 못하여 우주가 불투명하였다가 전자가 원자핵과 결합함으로 인해 빛이 직진을 할 수 있게 됩니다. 따라서, 불투명하였던 우주가 투명해지게 되었죠.

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우주 초기 원소가 생성되는 과정에서 우주의 팽창과 함께 온도가 점차 낮아지는 것, 그리고 각 단계별 해당 시점과 온도를 기억하면 좋겠습니다.