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우주 마이크로파 배경

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1. 개요

우주 마이크로파 배경(CMB)은 우주론에서 매우 중요한 2.72548 K의 흑체 스펙트럼을 갖는 복사이다. CMB는 모든 방향에서 거의 균일하지만, 작은 비등방성을 포함하며, 이는 우주의 초기 상태와 진화에 대한 정보를 제공한다. CMB는 대폭발(빅뱅) 모형, 특히 ΛCDM 모형에 대한 강력한 근거를 제공하며, 온도 및 편광 비등방성 외에도 스펙트럼 왜곡을 특징으로 할 것으로 예상된다. 1940년대에 처음 예측되었고, 1960년대에 아노 앨런 펜지어스와 로버트 우드로 윌슨에 의해 실제로 발견되었다. COBE, WMAP, 플랑크 위성과 같은 관측 실험을 통해 CMB의 특성이 밝혀졌으며, 2006년에는 CMB 연구에 기여한 조지 스무트와 존 매더가 노벨 물리학상을 수상했다. CMB는 우주의 나이, 물질 및 에너지 구성에 대한 정보를 제공하며, 급팽창, 재결합, 재전리와 같은 초기 우주의 사건에 대한 증거를 담고 있다.

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우주 마이크로파 배경
우주 마이크로파 배경
우주 마이크로파 배경의 시간 경과
우주 마이크로파 배경의 시간 경과
다른 이름우주 배경 복사
약칭CMB
탐지1964년
발견자아르노 펜지어스
로버트 우드로 윌슨
관측빅뱅의 잔광
특징
복사 형태전자기파
스펙트럼흑체 복사
온도2.72548±0.00057 켈빈
파장마이크로파 영역
적색편이z ≈ 1089
현재로부터의 거리약 138억 광년
기원
생성 시기재결합 시대
생성 원인우주 초기 플라즈마에서 광자의 산란
관측되는 이유우주가 팽창하면서 파장이 늘어나 마이크로파 영역으로 관측됨
연구
주요 연구우주론 모델 검증
우주 초기의 상태 연구
우주의 나이와 구성 성분 연구
주요 관측 장비COBE
WMAP
플랑크
추가 정보
스냐에프-젤도비치 효과우주 마이크로파 배경 복사의 온도 변화
마지막 산란면우주 마이크로파 배경이 방출된 표면
우주 뉴트리노 배경CMB와 함께 연구되는 우주 초기 입자
외부 링크

2. 정밀한 측정의 중요성

CMB의 정밀한 측정은 우주론에 매우 중요한데, 이는 어떤 제안된 우주 모형이라도 이 복사를 설명해야만 하기 때문이다. CMB는 2,725.48±0.00057 K의 온도에서 열 흑체 스펙트럼을 가진다.[146] 스펙트럼 복사휘도(dEv/dν)는 약 6.626×10-4 eV의 광자 에너지에 해당하는 주파수의 마이크로파 범위에서 160.23 GHz에서 정점에 이른다. 대신에, 스펙트럼 복사휘도(dEλ/dλ)로 정의하면, 그 피크 파장은 1.063 mm (282 GHz, 1.168 × 10-3 eV 광자)이다. 발광은 모든 방향에서 매우 거의 균일하지만, 작은 잔류 변화는 현재 우주 크기로 확장된 상당히 균일하게 분포된 뜨거운 가스에서 예상되는 것과 같은 매우 특정한 패턴을 나타낸다. 특히, 하늘에서 서로 다른 관측 각도에서의 스펙트럼 복사휘도는 작은 비등방성 또는 불규칙성을 포함하며, 이것은 조사된 영역의 크기에 따라 다르다. 그것들은 상세하게 측정되었으며 또한 매우 작은 공간에서 물질의 양자 요동에 의해 생성된 작은 열 변화가 오늘날 우리가 볼 수 있는 관측 가능한 우주의 크기로 확장되었을 때 예상되는 것과 일치한다. 이것은 과학자들이 더 나은 데이터(예: 플랑크 위성)와 팽창 초기 조건들에 대한 더 나은 해석들을 모두 추구하는 한 매우 활발한 연구 분야이다. 많은 다른 과정들이 흑체 스펙트럼의 일반적인 형태를 생성할 수 있지만, 대폭발(빅뱅) 이외의 어떤 모형도 아직 그 요동들을 설명하지 못했다. 결과적으로, 대부분의 우주론자들은 우주의 대폭발 모형이 CMB에 대한 최상의 설명이라고 간주한다.

관측 가능한 우주 전체에 걸친 높은 균일성과 희미하지만 측정된 비등방성은 일반적으로 대폭발(빅뱅) 모형, 특히 ΛCDM("람다 차가운 암흑물질") 모형에 대한 강력한 근거를 제공한다. 더욱이, 그 요동들은 재결합 시 겉보기 우주론적 지평선보다 더 큰 각도 스케일에서 결맞음 상태이다. 그러한 결맞음은 비인과적으로 미세 조정되거나, 또는 우주 급팽창이 발생한 것이다.[147][148]

온도 및 편광 비등방성 외에 CMB 주파수 스펙트럼은 스펙트럼 왜곡으로 알려진 흑체 법칙으로부터 미세한 이탈을 특징으로 할 것으로 예상된다. 이것들은 또한, 원시 우주와 후기에 구조의 형성들에 대한 풍부한 정보를 포함하고 있기 때문에, 향후 수십 년 내에 첫 번째 측정을 희망하는 활발한 연구 노력의 초점에 있다.[149]

CMB 각도 비등방성은 일반적으로 다중극당 전력으로 표시된다.[78] 하늘 전체의 온도 지도, T(\theta,\varphi),구면 조화 함수의 계수로 작성된다.

T(\theta,\varphi) = \sum_{\ell m} a_{\ell m} Y_{\ell m}(\theta,\varphi)

여기서 a_{\ell m} 항은 Y_{\ell m}(\theta,\varphi)에서 각 진동의 강도를 측정하며, ''ℓ''은 다중극 수이고 ''m''은 방위각 수이다. 방위각 변화는 중요하지 않으므로 각 상관 함수를 적용하여 제거하고, 전력 스펙트럼 항 C_{\ell}\equiv \langle |a_{\ell m}|^2 \rangle.를 얻는다. ''ℓ'' 값이 증가하면 CMB의 더 높은 다중극 모멘트에 해당하며, 각도에 따른 변화가 더 빠르다.

3. 특징

우주 마이크로파 배경(CMB)은 2.72548±0.00057 K의 온도에서 열 흑체 스펙트럼을 가지며,[146] 모든 방향에서 매우 균일하지만, 미세한 비등방성을 보인다. 이러한 비등방성은 초기 우주의 밀도 요동과 급팽창 이론을 뒷받침하는 증거로 활용된다.

CMB는 하늘의 모든 부분에서 나오는 균일한 흑체 열 에너지의 방출이며, 대략 100,000분의 1정도로 등방성이다.[151] 즉, 모든 방향에서 거의 같은 세기로 관측된다. 하지만, 배경 복사의 도플러 효과에서 쌍극자 비등방성을 뺀 후 평균 제곱근 변이는 단지 18 μK에 불과하다.[151] 이는 사자자리 방향으로 약 369.82 ± 0.11 km/s의 속도로 움직이는 태양의 특이운동에 의해 발생한다.[152]

대폭발(빅뱅) 모형과 급팽창 이론에 따르면, 초기 우주는 급격한 팽창을 겪으면서 거의 모든 불규칙성이 완화되었고, 남은 불규칙성은 급팽창을 일으킨 인플레이션 장에서의 양자 요동에 의해 발생했다.[155] 이후 우주가 팽창하며 냉각되었고, 재결합 사건을 통해 전자양성자가 결합하여 수소 원자를 형성하면서 광자들이 자유롭게 이동할 수 있게 되었다.[156]

CMB의 에너지 밀도는 0.260 eV/cm3 (4.17 × 10-14 J/m3)이며 약 411 photons/cm3를 가진다.[161]

CMB는 편광 현상을 보이며, 이는 E-모드와 B-모드로 구분된다. B-모드 편광은 급팽창 이론에서 예측하는 원시 중력파의 존재를 확인하는 데 중요한 역할을 할 수 있다.

3. 1. 에너지 분포

WMAP에 의해 관측된 우주 마이크로파 배경 방사


우주 마이크로파 배경(CMB)의 특징 중 하나는 에너지 스펙트럼 분포가 흑체복사와 거의 일치한다는 점이다.

3. 2. 등방성

우주 마이크로파 배경(CMB) 복사는 하늘의 모든 부분에서 나오는 균일한 흑체 열 에너지의 방출이다. 이 복사는 대략 100,000분의 1정도로 등방성이다.[151] 즉, 모든 방향에서 거의 같은 세기로 관측된다. 이는 우주가 모든 방향으로 균일하게 팽창했음을 의미한다.

COBE의 FIRAS 장비로 측정한 CMB 스펙트럼은 자연에서 가장 정밀하게 측정된 흑체 스펙트럼이다.[150] 오차 막대가 너무 작아서 확대된 이미지에서도 볼 수 없을 정도이며, 관측 데이터와 이론 곡선을 구별하는 것 역시 불가능하다.

CMB가 높은 정확도로 등방적이지만, 극히 미미하게 관측되는 비등방성 중 가장 큰 성분은 이극 성분(180도 스케일의 어긋남)이며, 그 크기는 단극 성분(전체 평균)의 10-3 정도이다. 이는 지구(태양계)가 CMB에 대해 약 370km/s의 속도로 운동하고 있음을 나타낸다. 이는 은하계 자체의 운동(약 600km/s)[138]과 태양계가 은하 중심을 공전하는 운동(초속 230km)의 벡터 합성이다.

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3. 2. 1. 비등방성

우주 마이크로파 배경(CMB)은 모든 방향에서 거의 균일하게 관측되지만, 미세한 온도 차이, 즉 비등방성이 존재한다. 이 비등방성은 초기 우주의 밀도 요동에서 기원하며, 현재 우주의 구조 형성에 중요한 단서를 제공한다.[4]

CMB의 비등방성은 1/100,000 정도의 매우 작은 수준(약 10-5)이며, 제곱평균근 변화는 배경 복사의 도플러 효과에서 쌍극자 비등방성을 뺀 후 100 μK를 약간 넘는다.[5] 이러한 비등방성은 삭스-울프 효과에 의해 발생하는데, 이는 CMB 광자가 중력 적색편이를 겪으면서 나타나는 현상이다.[32] 급팽창 이론에 따르면, 이 비등방성의 기원은 양자 요동이 급팽창으로 인해 확대된 초기 우주의 요동 그 자체이다.[32]

비등방성의 각도에 관한 파워 스펙트럼은 이론적으로 계산 가능하며, 여기에는 여러 개의 피크와 골이 존재한다.[32] 이 피크와 골의 위치는 허블 상수와 같은 우주론적 매개변수와 우주의 기하학에 따라 달라지므로, 실제 관측 결과와 비교하여 우주 모형을 검증하고 결정할 수 있다.[32]

온도 비등방성 외에도, CMB는 편광에서 각도 변화를 보인다.[4] 편광은 E-모드와 B-모드로 구분되는데, E-모드는 온도 비등방성과 상호 연관되어 있으며, B-모드는 더 약하지만 추가적인 우주론적 정보를 담고 있을 수 있다.[4]

또한, CMB 주파수 스펙트럼은 스펙트럼 왜곡으로 알려진 흑체 법칙에서 미세하게 벗어나는 현상을 보일 것으로 예상된다.[9] 이는 초기 우주와 후기 구조 형성에 대한 정보를 담고 있어, 향후 연구를 통해 더 많은 사실이 밝혀질 것으로 기대된다.[9]

외부 물리 과정에 의한 CMB의 변화도 존재하는데, 대표적인 예로 선야에프-젤도비치 효과가 있다.[32] 이는 고에너지 전자를 포함하는 구름에 의해 CMB 방사가 산란되면서 CMB 광자가 에너지를 얻어 더 높은 온도로 관측되는 현상이다.[32]

4. 역사

우주 마이크로파 배경(CMB)은 1948년 랠프 앨퍼로버트 허먼조지 가모프의 연구와 관련하여 처음 예측했다.[162][163][164][165] 앨퍼와 허먼은 CMB의 온도를 5K로 추정했지만, 2년 후 허블 상수의 잘못된 추정으로 인해 28K로 다시 추정했다. 이전에도 우주의 온도를 추정한 몇 가지 사례가 있었지만, 이들은 우리 은하 가장자리의 특별한 지점에 의존했고, 복사가 등방성이라는 것을 제안하지 않아 한계가 있었다.[166]

1960년대 초 야코프 젤도비치로버트 헨리 딕이 각각 독립적으로 CMB를 재발견했다. 1964년 봄, 소련의 천체물리학자 안드레이 도로슈케비치와 이고리 노비코프가 탐지 가능한 현상으로서 CMB 복사를 처음으로 인식했다.[168]

1964년 미국 벨 연구소의 아르노 펜지어스와 로버트 우드로 윌슨은 안테나 잡음 연구 중 CMB를 발견했다.[139] 같은 해, 프린스턴 대학교데이비드 토드 윌킨슨과 피터 롤은 CMB 측정을 위해 딕 복사계를 만들기 시작했다.[169] 펜지어스와 윌슨은 뉴저지주 홀름델 타운쉽 근처 벨 연구소 크로포드 힐에서 딕 복사계를 이용해 전파 천문학과 위성 통신 실험을 했다.[167] 1964년 5월 20일, 이들은 마이크로파 배경의 존재를 명확히 보여주는 첫 번째 측정을 수행했다.[170] 프린스턴과 크로포드 힐 그룹 간의 회의에서 안테나 온도가 실제로 마이크로파 배경 때문이라고 결론지었다. 펜지어스와 윌슨은 이 발견으로 1978년 노벨 물리학상을 수상했다.[173]

1960년대에는 CMB의 해석을 두고 정상우주론 지지자들과 논쟁이 있었다.[174] 1941년 앤드루 맥켈러는 별 스펙트럼의 흡수선 연구를 바탕으로 성간 공간의 회전 온도를 2K로 계산했다.[175] 1970년대에 들어서면서, 새로운 측정 결과 스펙트럼이 열 흑체 스펙트럼으로 나타나면서 CMB가 빅뱅의 잔재라는 합의가 이루어졌다.[176]

해리슨, 피블스, 유와 젤도비치는 초기 우주가 10−4 또는 10−5 수준의 비균질성을 필요로 한다는 것을 발견했다.[177][178][179] 라시드 수냐에프는 이러한 비균질성이 CMB에 미치는 영향을 계산했다.[180] 1980년대 지상 실험과 1983년 발사된 소련의 RELIKT-1 위성은 비등방성에 대한 상한값을 제시했다. NASA COBE 임무는 1992년 미분 마이크로파 복사계 장비로 주된 비등방성을 확인했고, 이 팀은 2006년 노벨 물리학상을 수상했다.

COBE 결과에 영감을 받아 이후 10년간 지상 및 풍선 기반 실험들이 더 작은 각도 스케일에서 비등방성을 측정했다. 첫 번째 음향 피크는 Toco 실험에서 잠정적으로 검출되었고, BOOMERanG 및 MAXIMA 실험에서 확인되었다.[184][185][186] 이 측정들은 우주의 기하학이 평평함을 입증하고,[187] 우주 끈을 배제하고 우주 급팽창 이론을 지지했다.[188]

WMAP은 두 번째 피크를 확정적으로 감지하고 세 번째 피크를 잠정적으로 감지했다.[189] 2010년 현재 DASI, WMAP, BOOMERanG, QUaD, 플랑크 위성, 아타카마 우주론 망원경, 남극 망원경, QUIET 망원경 등에서 작은 각도 스케일의 편광 및 마이크로파 배경 측정 개선 실험이 진행 중이다.

4. 1. 초기 예측

우주 마이크로파 배경(CMB)은 1948년 랠프 앨퍼로버트 허먼조지 가모프의 연구와 관련하여 처음 예측했다.[162][163][164][165] 앨퍼와 허먼은 우주 마이크로파 배경의 온도를 5K로 추정했지만, 2년 후 허블 상수의 잘못된 추정으로 인해 28K로 다시 추정했다. 이전에 우주의 온도를 추정한 몇 가지 사례가 있었지만, 이들은 두 가지 결점을 가지고 있었다. 첫째, 우주의 유효온도를 측정했고, 우주가 열적 플랑크 스펙트럼으로 채워져 있다고 제안하지 않았다. 둘째, 우리 은하 가장자리의 특별한 지점에 의존했고, 복사가 등방성이라는 것을 제안하지 않아 지구가 우주의 다른 곳에 있다면 다른 예측을 했을 것이다.[166]



앨퍼와 허먼의 예측은 1955년경까지 물리학계에서 논의되었으나, 주류 천문학계는 우주론에 큰 관심이 없었다. 1960년대 초 야코프 젤도비치로버트 헨리 딕이 각각 독립적으로 재발견했다. 1964년 봄, 소련의 천체물리학자 안드레이 도로슈케비치와 이고리 노비코프가 탐지 가능한 현상으로서 CMB 복사를 처음으로 인식했다.[168]

4. 2. 발견

1964년 미국벨 연구소의 아르노 펜지어스와 로버트 우드로 윌슨은 안테나 잡음 연구 중 우주 마이크로파 배경을 발견했다.[139] 이 발견으로 1978년 노벨 물리학상을 수상했다.[173]

1964년, 프린스턴 대학교로버트 헨리 딕의 동료인 데이비드 토드 윌킨슨과 피터 롤은 우주 마이크로파 배경 측정을 위한 딕 복사계(Dicke radiometer)를 만들기 시작했다.[169] 같은 해, 아노 펜지어스로버트 우드로 윌슨뉴저지주 홀름델 타운쉽(Holmdel Township) 근처 벨 연구소 크로포드 힐(Crawford Hill)에서 전파 천문학과 위성 통신 실험에 사용할 딕 복사계를 만들었다.[167] 1964년 5월 20일, 이들은 마이크로파 배경의 존재를 명확히 보여주는 첫 번째 측정을 수행했는데, 이는 설명할 수 없는 4.2K 초과 안테나 온도를 가진 장비로 이루어졌다.[170] 크로포드 힐로부터 전화를 받은 딕은 "얘들아, 우리가 특종을 잡았다."라고 말했다.[143][171][172] 프린스턴과 크로포드 힐 그룹 간의 회의 결과, 안테나 온도가 실제로 마이크로파 배경 때문이라고 결론지었다.[173]

1960년대에는 우주 마이크로파 배경이 먼 은하계에서 산란된 별빛의 결과라고 주장하는 정상우주론 지지자들과 논쟁이 있었다.[174] 1970년대에 들어서면서, 새로운 측정 결과 스펙트럼이 열 흑체 스펙트럼으로 나타나면서 우주 마이크로파 배경이 빅뱅의 잔재라는 합의가 이루어졌는데, 이는 정상우주론 모형이 재현할 수 없는 결과였다.[176]

4. 3. 우주론적 기원



우주 마이크로파 배경(CMB)은 1948년 랠프 애셔 앨퍼로버트 허먼이 처음 예측했으며, 이는 조지 가모프의 연구와 관련이 깊다.[162][163][164][165] 앨퍼와 허먼은 우주 마이크로파 배경의 온도를 처음에는 5K로 추정했지만, 나중에 28K로 수정했다. 초기 우주 온도에 대한 다른 추정치들도 있었지만, 은하 가장자리의 특정 위치에 의존하고 복사가 등방성이 아니라는 가정을 하는 등의 결함이 있었다.[166]

1960년대 초, 야코프 젤도비치로버트 헨리 딕이 앨퍼와 허먼의 예측을 재발견했다. 1964년 봄, 소련의 천체물리학자 안드레이 도로슈케비치와 이고리 노비코프는 CMB 복사를 탐지 가능한 현상으로 처음 인식했다.[168] 같은 해, 프린스턴 대학교데이비드 토드 윌킨슨과 피터 롤은 우주 마이크로파 배경을 측정하기 위해 딕 복사계를 만들기 시작했다.[169]

아노 앨런 펜지어스로버트 우드로 윌슨뉴저지주 홀름델 타운쉽 근처 벨 연구소에서 딕 복사계를 만들었다.[167] 1964년 5월 20일, 그들은 마이크로파 배경의 존재를 명확히 보여주는 첫 번째 측정을 수행했다.[170] 프린스턴 그룹과의 회의에서 안테나 온도가 실제로 마이크로파 배경 때문이라는 결론을 내렸고, 펜지어스와 윌슨은 이 발견으로 1978년 노벨 물리학상을 수상했다.[173]

1960년대에는 우주 마이크로파 배경의 해석을 두고 논쟁이 있었다. 일부 정상우주론 지지자들은 마이크로파 배경이 먼 은하계에서 산란된 별빛의 결과라고 주장했다.[174] 그러나 1970년대에 들어서면서, 새로운 측정 결과 스펙트럼이 열 흑체 스펙트럼과 일치한다는 것이 밝혀지면서, 우주 마이크로파 배경이 빅뱅의 잔재라는 합의가 이루어졌다.[176]

4. 4. 이론 발전

우주 마이크로파 배경(CMB)은 1948년 랠프 앨퍼로버트 허먼이 처음 예측했으며, 이는 조지 가모프의 연구와 관련이 깊다.[162][163][164][165] 앨퍼와 허먼은 우주 마이크로파 배경의 온도를 처음에는 5K로 예측했지만, 2년 후 28K로 수정했다. 이 예측은 허블 상수의 잘못된 추정 때문에 부정확했고, 이후 초기 예측값으로 돌아갔다. 이전에도 우주 온도 추정은 있었지만, 유효온도 측정이었고 열적 플랑크 스펙트럼을 가정하지 않았으며, 우리 은하 가장자리의 특정 위치에 의존하여 등방성을 고려하지 않아 다른 위치에서는 다른 예측을 낳는다는 단점이 있었다.[166]

1955년경 앨퍼와 허먼이 응용 물리학 연구소를 떠나면서 이들의 연구 결과는 물리학계에서 논의되었지만, 주류 천문학계는 우주론에 큰 관심이 없었다. 1960년대 초 야코프 젤도비치로버트 헨리 딕이 이 예측을 재발견했고, 1964년 봄 소련 천체물리학자 안드레이 도로슈케비치와 이고리 노비코프가 CMB 복사를 탐지 가능한 현상으로 처음 인식했다.[168] 1964년 프린스턴 대학교데이비드 토드 윌킨슨과 피터 롤은 CMB 측정을 위해 딕 복사계를 제작하기 시작했다.[169] 같은 해 아노 앨런 펜지어스로버트 우드로 윌슨뉴저지주 홀름델 타운쉽(Holmdel Township) 벨 연구소의 크로포드 힐(Crawford Hill)에서 딕 복사계를 이용해 전파 천문학과 위성 통신 실험을 수행했다.[167] 1964년 5월 20일, 이들은 초과 4.2K 안테나 온도를 통해 마이크로파 배경의 존재를 확인하는 첫 측정을 수행했다.[170] 딕은 이 소식을 듣고 "우리가 특종을 잡았다"고 말했다.[143][171][172] 프린스턴과 크로포드 힐 그룹 간 회의에서 안테나 온도가 실제로 마이크로파 배경 때문이라는 결론이 내려졌고, 펜지어스와 윌슨은 이 발견으로 1978년 노벨 물리학상을 수상했다.[173]

1960년대에는 정상우주론 지지자들이 마이크로파 배경을 먼 은하에서 산란된 별빛으로 해석하는 등 논쟁이 있었다.[174] 1941년 앤드루 맥켈러는 별 스펙트럼의 흡수선 연구를 바탕으로 성간 공간의 회전 온도를 2K로 계산했다.[175] 그러나 1970년대에 새로운 측정 결과 스펙트럼이 열 흑체 스펙트럼으로 나타나면서, 우주 마이크로파 배경이 빅뱅의 잔재라는 합의가 이루어졌다.[176]

해리슨, 피블스, 유와 젤도비치는 초기 우주가 10−4 또는 10−5 수준의 비균질성을 필요로 한다는 것을 발견했다.[177][178][179] 라시드 수냐에프는 이러한 비균질성이 우주 마이크로파 배경에 미치는 영향을 계산했다.[180] 1980년대 지상 실험과 1983년 발사된 소련의 RELIKT-1 위성은 비등방성에 대한 상한선을 제시했다. NASA COBE 임무는 1992년 미분 마이크로파 복사계(Differential Microwave Radiometer) 장비로 주된 비등방성을 확인했고, 이 팀은 2006년 노벨 물리학상을 수상했다.

COBE 결과에 영감을 받아 이후 10년간 지상 및 풍선 기반 실험들이 더 작은 각도 스케일에서 비등방성을 측정했다. 첫 번째 음향 피크는 Toco 실험에서 잠정적으로 검출되었고, BOOMERanG 및 MAXIMA 실험에서 확인되었다.[184][185][186] 이 측정들은 우주의 기하학이 평평함을 입증하고,[187] 우주 끈을 배제하고 우주 급팽창 이론을 지지했다.[188]

WMAP은 두 번째 피크를 확정적으로 감지하고 세 번째 피크를 잠정적으로 감지했다.[189] 2010년 현재 DASI, WMAP, BOOMERanG, QUaD, 플랑크 위성, 아타카마 우주론 망원경, 남극 망원경, QUIET 망원경 등에서 작은 각도 스케일의 편광 및 마이크로파 배경 측정 개선 실험이 진행 중이다.

1970년대 여러 연구를 통해 CMB의 미세한 편차가 초기 우주의 사건으로 인해 발생할 수 있음이 밝혀졌다.[25] 해리슨,[26] 피블스와 유,[27] 젤도비치[28]는 초기 우주에 10−4 또는 10−5 수준의 온도 비등방성을 초래하는 양자 비균질성이 필요함을 알아냈다.[25] 라시드 수냐에프는 이러한 비균질성이 우주 마이크로파 배경에 미치는 관측 가능한 영향을 계산했다.[29]

우주가 계속 팽창하여 빅 크런치나 빅 립과 같은 종말을 맞지 않으면, 우주 마이크로파 배경은 더 이상 감지할 수 없을 때까지 계속해서 적색편이를 일으킬 것이다.[102] 이는 항성광에 의해 생성된 배경과, 먼 미래에 일어날 수 있는 양성자 붕괴, 블랙홀 증발, 포지트로늄 붕괴 등의 배경 방사선장에 의해 대체될 것이다.[103]

4. 5. COBE

앨런 구스가 우주 팽창 이론을 제안하여 대규모 등방성을 설명한 1980년대에,[25] 미국 항공 우주국(NASA)의 COBE(우주 배경 탐사선) 위성은 1989년부터 1996년까지 궤도를 돌며 탐지 능력의 한계 내에서 대규모 비등방성을 탐지하고 정량화했다.

4. 6. 정밀 우주론

NASA의 COBE 임무는 미분 마이크로파 복사계(Differential Microwave Radiometer) 장비로 주된 비등방성을 명확히 확인했고, 1992년에 그 발견 내용을 발표했다.[181] 이 발견으로 COBE 팀은 2006년 노벨 물리학상을 받았다.

COBE의 결과에 영감을 받아, 이후 10여 년 동안 더 작은 각도 척도에서 우주 마이크로파 배경의 비등방성을 측정하기 위한 일련의 지상 및 기구 기반 실험이 진행되었다. 이 실험들의 주요 목표는 COBE가 분해하기에 충분한 분해능을 가지지 못한 첫 번째 음향 피크의 규모를 측정하는 것이었다. 이 피크는 중력 불안정에 의해 생성된 초기 우주의 대규모 밀도 변화에 해당하며 플라스마에서 음향 진동을 초래한다.[183] 비등방성의 첫 번째 피크는 Toco 실험에 의해 잠정적으로 검출되었고, 그 결과는 BOOMERanG 및 MAXIMA 실험에 의해 확인되었다.[184][185][186] 이러한 측정들은 우주의 기하학이 구부러지지 않고 대략 평평하다는 것을 입증하였다.[187] 또한, 이러한 실험들은 우주 구조 형성의 주요 성분으로서 우주 끈(cosmic strings)들을 배제하고 우주 급팽창이 구조 형성의 올바른 이론이라고 제안했다.[188]

5. 대폭발(빅뱅)과의 관계

우주 마이크로파 배경(CMB) 복사와 우주론적 적색이동-거리 관계대폭발(빅뱅) 사건의 가장 좋은 증거로 여겨진다. CMB의 측정을 통해 급팽창 대폭발 모형이 표준 우주론 모형이 되었다.[190] 1960년대 중반 CMB의 발견은 정상우주론과 같은 대안적 우주론에 대한 관심을 감소시켰다.[191]

1940년대 후반, 앨퍼와 허만은 대폭발이 있었다면 우주의 팽창으로 인해 초기 우주의 고에너지 복사가 전자기 스펙트럼의 마이크로파 영역으로 확장되고 온도가 약 5K까지 내려갔을 것이라고 추론했다. 비록 그들의 추정치는 약간 빗나갔지만, 그들은 CMB를 예측하는 올바른 착상을 가지고 있었다. 펜지어스와 윌슨이 마이크로파 배경이 실제로 존재한다는 사실을 발견하는 데는 15년이 더 걸렸다.[192]

표준 우주론에 따르면 CMB는 뜨거운 초기 우주가 전자양성자수소 원자를 형성할 수 있을 만큼 온도가 충분히 떨어진 시점의 스냅샷을 제공한다. 이 사건은 빛이 더 이상 자유 전자에서 산란되지(scattered) 않았기 때문에 우주를 복사에 대해 거의 투명하게 만들었다. 이는 대폭발 후 약 380,000년 후에 발생했으며, 이때 우주의 온도는 약 3,000K였다. 이는 약 0.26eV의 주변 에너지에 해당하며, 이는 수소의 13.6eV 이온화 에너지보다 훨씬 적다.[193] 이 시기는 일반적으로 "마지막 산란의 시간", 재결합 또는 디커플링(decoupling) 시기로 알려져 있다.[194]

관측 가능한 우주 전체에 걸친 높은 균일성과 희미하지만 측정된 비등방성은 일반적으로 대폭발 모형, 특히 ΛCDM("람다 차가운 암흑물질") 모형에 대한 강력한 근거를 제공한다. 더욱이, 그 요동들은 재결합 시 겉보기 우주론적 지평선(cosmological horizon)보다 더 큰 각도 규모에서 결맞음 상태이다. 그러한 결맞음은 비인과적으로 미세 조정되거나, 우주 급팽창이 발생한 것이다.[147][148]

CMB는 급팽창 이론의 가장 큰 성공 두 가지인 거의 완벽한 흑체 스펙트럼과 비등방성에 대한 예측을 뒷받침한다. CMB 스펙트럼은 자연에서 가장 정밀하게 측정된 흑체 스펙트럼이다.[150]

5. 1. 일차 비등방성

각도 스케일(또는 다중극 모멘트) 측면에서의 우주 마이크로파 배경 복사 온도 비등방성의 파워 스펙트럼. 표시된 데이터는 WMAP (2006), Acbar (2004), Boomerang (2005), CBI (2004) 및 VSA (2004) 기기에서 가져온 것이다. 또한 한 이론적 모형(실선)도 표시되어 있다.


우주 마이크로파 배경(CMB)의 비등방성 구조는 주로 음향 진동과 확산 감쇠(무충돌 감쇠 또는 실크 감쇠라고도 함)의 두 가지 효과에 의해 결정된다.[197] 음향 진동은 초기 우주에서 광자-중입자 플라즈마의 충돌 때문에 발생한다. 광자들의 압력은 비등방성을 지우는 경향이 있는 반면, 중입자들의 중력은 빛보다 훨씬 느린 속도로 움직이며 중입자를 붕괴시켜 과밀도를 형성하는 경향이 있다. 이 두 가지 효과는 음향 진동을 만들기 위해 경쟁하며, 이는 마이크로파 배경에 특징적인 피크 구조를 부여한다. 피크들은, 대략적으로, 한 특정 모드가 그 피크 진폭에 있을 때 광자들이 디커플링되는 공명들에 해당한다.[197]

피크들은 흥미로운 물리적 특징들을 포함하고 있다. 첫 번째 피크의 각도 스케일은 우주의 곡률을 결정한다(그러나 우주의 위상수학은 아니다). 다음 피크(짝수 피크에 대한 홀수 피크의 비율)는 감소된 중입자 밀도를 결정한다.[197] 세 번째 피크는 암흑물질 밀도에 대한 정보를 얻기 위해 사용될 수 있다.[198]

피크의 위치는 원시 밀도 섭동의 특성에 대한 중요한 정보를 제공한다. 단열적 밀도 섭동과 등곡률 밀도 섭동, 두 가지 유형이 있다.

  • 단열적 밀도 섭동: 각 유형의 입자(중입자, 광자 등)의 분수 추가 개수 밀도는 동일하다. 즉, 한 곳에서 평균보다 1% 더 높은 중입자 수 밀도가 있는 경우 해당 위치에는 평균보다 1% 더 높은 광자 수 밀도(및 중성미자의 수 밀도가 1% 더 높음)가 있다. 우주 급팽창은 원시 섭동이 단열적이라고 예측한다.

  • 등곡률 밀도 섭동: 분수 추가 밀도의 합계(서로 다른 유형의 입자에 대해)는 영이다. 즉, 어떤 지점에서 평균보다 중입자에 1% 더 많은 에너지, 평균보다 광자에 1% 더 많은 에너지와 평균보다 중성미자에 2% ''적은'' 에너지가 있는 섭동은 순수한 등곡률이다. 가상의 우주 끈들은 대부분 등곡률 원시 섭동들을 생성할 것이다.


CMB 스펙트럼은 이 두 가지 유형의 섭동이 서로 다른 피크 위치를 생성하기 때문에 이 두 가지를 구별할 수 있다. 등곡률 밀도 섭동은 각도 스케일(피크의 ℓ 값)이 대략 1:3:5:...의 비율인 일련의 피크를 생성하는 반면, 단열적 밀도 섭동은 위치가 1:2:3:... 비율인 피크를 생성한다.[199] 관측들은 원시 밀도 섭동들이 완전히 단열적이라는 것과 일치하며, 팽창에 대한 주요 지원을 제공하고, 또한, 예를 들어, 우주 끈들과 관련된 많은 구조 형성 모형들을 배제한다.

무충돌 감쇠는 원시 플라즈마를 유체로 취급하는 것이 붕괴되기 시작할 때 발생하는 두 가지 효과에 의해 발생한다.

  • 팽창하는 우주에서 원시 플라즈마들이 희박해짐에 따라 광자들의 평균자유행로 증가.
  • 마지막 산란 표면(LSS)의 유한 깊이. 이는 일부 콤프턴 산란이 여전히 발생하는 동안에도, 디커플링 중에 평균자유행로를 급격히 증가시킨다.


이러한 효과들은 작은 규모에서 비등방성을 억제하는 데 거의 동일하게 기여하고 또한 매우 작은 각도 스케일 비등방성에서 보여지는 특징적인 지수적 감쇠 꼬리를 발생시킨다.

LSS의 깊이는 광자들과 중입자들의 디커플링이 순간적으로 발생하지 않고, 대신 해당 시대까지 우주 나이의 상당 부분을 필요로 한다는 사실을 나타낸다. 이 과정에 걸리는 시간을 정량화하는 한 가지 방법은 ''광자 가시성 함수''(PVF)를 사용하는 것이다. PVF를 ''P(t)''로 표시하면, CMB 광자가 시간 ''t''와 ''t + dt'' 사이에 마지막으로 산란될 확률이 ''P(t) dt''로 주어지도록 정의된다.

PVF의 최댓값(주어진 CMB 광자가 마지막으로 산란될 가능성이 가장 높은 시간)은 매우 정확하게 알려져 있다. 첫해 WMAP 결과는 ''P(t)''가 최대인 시간을 372,000년으로 표시한다.[200] 이것은 종종 CMB가 형성된 "시간"으로 간주된다. 그렇지만, 광자들과 중입자들이 분리되는 데 걸리는 시간을 파악하려면 PVF의 너비를 측정해야 한다. WMAP 팀은 PVF가 115,000년의 간격에 걸쳐 최댓값의 절반("최대 값의 절반 폭" 또는 FWHM)보다 크다는 것을 발견했다. 이 측정에 따르면, 디커플링은 대략 115,000년에 걸쳐 발생했으며, 그것이 완료되었을 때 우주의 나이는 대략 487,000년이었다.

5. 2. 지연 시간 비등방성

우주 마이크로파 배경(CMB)는 생성 이후 여러 물리적 과정을 거치면서 변화했는데, 이를 통틀어 지연-시간 비등방성 또는 이차 비등방성이라고 부른다. CMB 광자들이 방해받지 않고 자유롭게 이동할 수 있게 되었을 때, 우주의 일반 물질은 대부분 중성 수소 및 헬륨 원자 형태였다. 그러나 오늘날 은하 관측에 따르면 은하간 매질(IGM)의 대부분은 이온화된 물질로 구성되어 있는데, 이는 우주의 일부 물질이 수소 이온으로 분해되는 재전리 기간이 있었음을 의미한다.

CMB 광자는 자유 전하에 의해 산란된다. 이온화된 우주에서 이러한 하전 입자는 이온화(자외선) 방사선에 의해 중성 원자에서 해방된다. 오늘날 이러한 자유 전하는 CMB에 측정 가능한 영향을 미치지 않을 정도로 밀도가 낮지만, 우주 초기에 IGM이 이온화되었다면 CMB에 두 가지 주요 영향이 나타난다.

  • 소규모 비등방성이 지워진다. (안개를 통해 물체를 볼 때처럼 세부 사항이 흐릿하게 보인다.)
  • 자유 전자에 의한 광자 산란(톰슨 산란)은 큰 각도 규모에서 편광 비등방성을 유도한다. 이 광각 편광은 광각 온도 섭동과 상관관계가 있다.


이 두 효과는 모두 WMAP 우주선에 의해 관측되었으며, 우주가 매우 초기(적색편이 17 이상)에 이온화되었다는 증거를 제공한다.[77] 이 초기 이온화 복사의 정확한 출처는 여전히 논쟁거리이며, 최초의 별 집단(종족 III 별)의 별빛, 초신성, 거대 블랙홀의 강착 원반 등이 후보로 거론된다.

우주 마이크로파 배경 방출 이후, 최초의 별 관측 이전 시기는 암흑 시대라고 불리며, 천문학자들은 이 시기를 집중적으로 연구하고 있다(21cm 복사 참조).

재이온화와 우주 마이크로파 배경 관측 사이에 비등방성을 유발하는 다른 효과로는 수냐에프-젤도비치 효과(고에너지 전자 구름이 복사를 산란시켜 CMB 광자에 에너지를 전달)와 삭스-울프 효과(CMB 광자가 중력장의 변화로 인해 중력적 적색편이 또는 청색편이)가 있다.

6. 편광

우주 마이크로파 배경(CMB)은 몇 마이크로켈빈 수준에서 편광되어 있다. 편광에는 E-모드와 B-모드 두 가지 유형이 있다. 이는 정전기학과 유사한데, 전기장(''E''-장)은 회전이 0이고 자기장(''B''-장)은 발산이 0이다. E-모드는 비균질 플라스마에서 톰슨 산란으로 인해 자연스럽게 발생한다.

B-모드는 표준 스칼라 유형 섭동으로는 생성되지 않는다. B-모드는 중력 렌즈 효과나 우주 급팽창에서 발생하는 중력파의 두 가지 메커니즘에 의해 생성될 수 있다. B-모드를 감지하는 것은 매우 어려운데, 그 이유는 전경 오염의 정도를 알 수 없고 약한 중력 렌즈 신호가 상대적으로 강한 E-모드 신호와 B-모드 신호를 혼합하기 때문이다.[202]

6. 1. E-모드

E-모드는 2002년 DASI() 망원경에 의해 처음 발견되었다.[66][67] E 모드는 비균질 플라스마에서 톰슨 산란에 의해 발생한다.[65]

6. 2. B-모드

우주론자들은 두 가지 유형의 B-모드를 예측한다. 첫 번째는 대폭발(빅뱅) 직후 우주 급팽창 중에 생성되었고,[203][204][205] 두 번째는 나중에 중력 렌즈 작용에 의해 생성되었다.[206] B-모드는 E-모드보다 훨씬 약할 것으로 예상된다.

6. 2. 1. 원시 중력파

원시 중력파는 우주 마이크로파 배경의 편광에서 관측할 수 있는 중력파이며 초기 우주에서 그 기원을 갖는다. 우주 급팽창 모형은 그러한 중력파들이 나타나야 한다고 예측한다. 따라서, 중력파 검출은 급팽창 이론을 지지하고, 그 강도는 다른 급팽창 모형들을 확인하고 배제할 수 있게 한다. 원시 중력파는 급팽창적 확장, 급팽창 후의 재가열, 물질과 복사의 난류 유체 혼합 등 세 가지 요인의 결과이다.[207]

2014년 3월 17일, BICEP2 관측 장비는 초기 우주에서 중력파에 존재하는 힘의 양과 초기 우주의 다른 스칼라 밀도 섭동에 존재하는 힘의 양을 비교한 값인 ''r'' = 0.20+0.07

−0.05

수준의 B-모드 편광을 발견했다고 발표했다. 이는 급팽창 및 대폭발(빅뱅) 이론과 일치하는 결과였다.[208][209][210][211][212][213][214] 만약 이 결과가 확인되었다면, 폴 스타인하르트와 닐 투록의 에크파이로틱 우주 모형에 반하는 강력한 증거가 되었을 것이다.[215] 그러나 2014년 6월 19일, 연구 결과를 확인하는 데 있어 신뢰도가 상당히 낮다는 보고가 있었다.[213][216][217] 2014년 9월 19일, 플랑크 실험의 새로운 결과는 BICEP2의 결과가 우주진에 의한 것일 수 있다고 보고했다.[218][219]

초기 우주에서의 "느린 굴러떨어짐"(slow-roll) 우주 팽창 모델은 우주 마이크로파 배경의 편광에 영향을 미치는 원시 중력파를 예측하며, 이는 B-모드 편광의 특정 패턴을 만든다. 이 패턴의 검출은 팽창 이론을 뒷받침하며, 그 강도는 서로 다른 팽창 모델을 확인하고 배제하는 데 사용될 수 있다.[69][74]

BICEP2 장비가 측정한 B-모드 편광 패턴은 플랑크 실험의 새로운 결과에 따르면 우주 먼지에 의한 것으로 밝혀졌다.[75][74]

6. 2. 2. 중력 렌즈

2013년 허셜 우주망원경의 도움을 받아 남극 망원경(South Pole Telescope)에서 B-모드의 두 번째 유형을 발견했다.[220] 2014년 10월, POLARBEAR 실험에서 150GHz의 B-모드 편파 측정을 발표했다.[221] BICEP2와 비교하여 POLARBEAR는 더 작은 하늘 영역에 집중하고 먼지 효과에 덜 민감하다. POLARBEAR가 측정한 B-모드 편광은 97.2% 신뢰 수준에서 우주론적 기원(단순히 먼지 때문이 아님)을 가진다고 보고했다.[222]

7. 마이크로파 배경 관찰

우주 마이크로파 배경(CMB) 관측은 지상, 기구, 우주 기반 망원경 등 다양한 방법으로 이루어지고 있다.

COBE, WMAP, 플랑크 위성의 CMB 결과 비교 (2013년 3월 21일)


CMB 발견 이후, 그 특징을 측정하고 분석하기 위한 수백 건의 실험이 수행되었다. 이 중 가장 유명한 것은 1989년부터 1996년까지 궤도를 돌며 대규모 비등방성을 탐지하고 정량화한 NASA의 COBE 위성이다. COBE의 결과는 극도로 등방적이고 균질한 배경을 보여주었으며, 이후 10년 동안 지상 및 기구 기반 실험들이 더 작은 각도 스케일에서 CMB 비등방성을 측정하는 데 주력했다. 이 실험들은 첫 번째 음향 피크의 각도 스케일을 측정하는 것을 목표로 했으며, COBE는 이 부분에서 충분한 분해능을 가지지 못했다. 이러한 측정 결과는 우주 구조 형성의 주요 이론이었던 우주 끈 이론을 배제하고 급팽창 이론이 옳다는 것을 시사했다.

1990년대에는 감도가 증가하면서 첫 번째 피크가 측정되었고, 2000년 BOOMERanG 실험은 가장 높은 전력 변동이 약 1도 스케일에서 발생한다고 보고했다. 이는 우주의 기하학이 평평하다는 것을 의미했다. 이후 VSA, DASI, CBI 등 지상 기반 간섭계들이 더 높은 정확도로 변동 측정을 제공했다. DASI는 CMB의 편광을 최초로 감지했고, CBI는 최초의 E-모드 편광 스펙트럼을 제공했다.

2001년 6월, NASA는 두 번째 CMB 우주 임무인 WMAP를 발사했다. WMAP는 대칭, 고속 다중 변조 스캐닝, 고속 스위칭 복사계를 사용하여 비 하늘 신호 노이즈를 최소화했다.[195] 2003년에 공개된 WMAP의 첫 번째 결과는 1도 미만 스케일에서 각 파워 스펙트럼을 상세히 측정하여 다양한 우주 매개변수를 엄격하게 제한했다. WMAP는 큰 규모의 각도 변동을 매우 정확하게 측정했지만, 작은 규모의 변동은 측정하지 못했다.

2009년 5월, 유럽 우주국(ESA)의 플랑크 위성이 발사되어 더 자세한 조사를 수행했다. 플랑크는 HEMT 복사계와 볼로미터 기술을 사용하여 WMAP보다 작은 스케일에서 CMB를 측정했다. 플랑크의 탐지기는 남극 Viper 망원경과 w:Archeops 기구 망원경에서 시험되었다.

2013년 3월 21일, 플랑크 위성 연구팀은 우주 마이크로파 배경의 전천지도를 발표했다.[223][224] 이 지도는 우주가 예상보다 약간 더 오래되었음을 시사했다. 지도에 따르면, 우주의 나이가 약 37만 년이 되었을 때 온도의 미묘한 변동이 있었고, 이는 우주 초기 1030분의 1초에 발생한 잔물결을 반영한다. 이 잔물결은 은하단암흑물질의 현재 우주 망을 형성하는 데 기여했다. 2013년 데이터에 따르면, 우주는 4.9% 물질, 26.8% 암흑물질, 68.3% 암흑 에너지를 포함하고 있다. 2015년 2월 5일, 플랑크 임무는 우주의 나이가 137억 9900만 ± 2100만 년이고 허블 상수가 67.74 ± 0.46(km/s)/Mpc로 측정된 새로운 데이터를 발표했다.[225]

남극의 남극 망원경과 제안된 Clover 프로젝트, 아타카마 우주론 망원경, 칠레의 QUIET 망원경과 같은 지상 기반 장비들은 위성 관측에서 얻을 수 없는 추가 데이터를 제공할 것이며, B 모드 편광을 포함할 가능성이 있다.

7. 1. 데이터 축소 및 분석

WMAP이나 플랑크와 같은 우주선에서 나온 미가공 우주 마이크로파 배경(CMBR) 데이터는 전경 효과를 포함하고 있어, 우주 마이크로파 배경의 미세한 구조를 완전히 가린다. 이 미세 구조는 원시 CMBR 데이터에 중첩되어 있지만, 너무 작아서 원시 데이터 규모에서는 보이지 않는다. 가장 눈에 띄는 전경 효과는 CMBR 배경에 대한 태양의 움직임으로 인해 발생하는 쌍극자 비등방성이다. CMBR 배경의 미세 구조를 특징짓는 극히 미세한 변화를 드러내기 위해서는 태양에 대한 지구의 연간 운동과 은하 평면 및 다른 곳의 수많은 마이크로파 광원으로 인한 쌍극자 비등방성 및 기타 요인들을 제거해야 한다.

지도, 각 파워 스펙트럼, 그리고 궁극적으로 우주론적 매개변수를 생성하기 위한 CMBR 데이터의 상세한 분석은 복잡하고 계산적으로 어려운 문제이다. 원칙적으로 지도에서 파워 스펙트럼을 계산하는 것은 간단한 푸리에 변환이지만, 하늘의 지도를 구면 조화 함수로 분해하는 것은 다음과 같다.[226]

:T(\theta,\varphi) = \sum_{\ell m} a_{\ell m} Y_{\ell m}(\theta,\varphi)

여기서 a_{\ell m}항은 평균 온도를 측정하고, Y(\theta,\varphi)항은 변동을 설명하며, Y_{\ell m}(\theta,\varphi)구면 조화 함수를 나타낸다. ''ℓ'' 은 다중극 수이고 ''m'' 은 방위각 수이다.

각도 상관함수를 적용하면, 그 합은 오직 ''ℓ'' 과 파워 스펙트럼 항 C\equiv \langle |a_{\ell m}|^2 \rangle만을 포함하는 식으로 축소할 수 있다. 각진 괄호는 우주의 모든 관측자에 대한 평균을 나타낸다. 우주는 균질하고 등방성이기 때문에 선호하는 관측 방향은 없다. 따라서, ''C''는 ''m'' 으로부터 독립적이다. 다른 ''ℓ''는 CMB의 다중극 모멘트에 해당한다.

실제로 잡음과 전경 광원의 영향을 고려하는 것은 어렵다. 특히, 이러한 전경은 제동 복사, 싱크로트론 복사, 마이크로파 대역에서 방출하는 먼지와 같은 은하 방출에 의해 지배된다. 실제로는 은하를 제거해야 하므로 CMB 지도는 전천 지도가 아니다. 또한 은하와 은하단과 같은 점 광원은 CMB 파워 스펙트럼의 단거리 구조를 왜곡하지 않도록 제거해야 하는 또 다른 전경 광원을 나타낸다.

많은 우주론적 매개변수에 대한 제약 조건은 파워 스펙트럼에 대한 영향으로부터 얻을 수 있으며, 결과는 종종 마르코프 연쇄 몬테카를로 샘플링 기법을 사용하여 계산된다.

초기 우주에서의 "느린 굴러떨어짐"(slow-roll) 우주 팽창 모델은 우주 마이크로파 배경의 편광에 영향을 미치는 원시 중력파를 예측하며, 이는 B-모드 편광의 특정 패턴을 만든다. 이 패턴의 검출은 팽창 이론을 뒷받침할 것이며, 그 강도는 서로 다른 팽창 모델을 확인하고 배제하는 데 사용될 수 있다.[69][74]

BICEP2 장비가 이러한 특징적인 B-모드 편광 패턴을 측정했다는 주장은 플랑크 실험의 새로운 결과로 인해 나중에 우주 먼지로 인한 것으로 밝혀졌다.[75][74]

7. 1. 1. 다중극자 (ℓ ≥ 2)

CMB 온도 지도에서 더 높은 다중극자(ℓ ≥ 2)는 재결합 시대 이전 초기 우주의 밀도 섭동의 결과로 간주된다. 재결합 이전 우주는 뜨겁고 밀도가 높은 전자중입자의 플라즈마로 구성되었다. 이 환경에서 전자와 양성자는 중성 원자를 형성할 수 없었다. 초기 우주의 중입자는 고도로 이온화된 상태로 남아 톰슨 산란을 통해 광자와 밀접하게 결합되었다. 이 현상들은 압력과 중력 효과가 상호 작용하여 광자-중입자 플라스마에 변동을 일으켰다. 재결합 시대 직후, 우주의 급팽창으로 플라스마가 냉각되면서 이 변동들이 현재 관측되는 CMB 지도에 "동결"되었다. 이 과정은 z ⋍ 1100 부근의 적색편이에서 일어났다.[226]

CMB 각 비등방성은 일반적으로 다중극당 전력으로 표시된다.[78]

하늘 전체의 온도 지도, T(\theta,\varphi),구면 조화 함수의 계수로 표현된다.

T(\theta,\varphi) = \sum_{\ell m} a_{\ell m} Y_{\ell m}(\theta,\varphi)

여기서 a_{\ell m} 항은 Y_{\ell m}(\theta,\varphi)에서 각 진동의 강도를 측정하며, ''ℓ''은 다중극 수이고 ''m''은 방위각 수이다.

방위각 변화는 중요하지 않으므로 각 상관 함수를 적용하여 제거하고, 전력 스펙트럼 항 C_{\ell}\equiv \langle |a_{\ell m}|^2 \rangle.를 얻는다. ''ℓ'' 값이 증가하면 CMB의 더 높은 다중극 모멘트에 해당하며, 각도에 따른 변화가 더 빠르다.

7. 1. 2. 기타 이상 현상

WMAP(윌킨슨 마이크로파 비등방성 탐색선)이 제공하는 점점 더 정밀해지는 데이터를 통해, 우주 마이크로파 배경(CMB)이 매우 큰 규모의 비등방성, 비정상적인 정렬, 비가우스 분포와 같은 이상 현상을 보인다는 주장이 여러 차례 제기되었다.[230][231][232] 이 중 가장 오래된 논쟁거리는 low-ℓ 다중극자 논쟁이다. COBE(코비) 지도에서도 사중극자(ℓ=2, 구면 조화 함수)의 진폭이 빅뱅(대폭발)의 예측에 비해 낮은 것으로 관측되었다. 특히 사중극자와 팔중극자(ℓ=3) 모드는 황도면과 분점과 서로, 그리고 서로에 대해 설명할 수 없는 정렬을 보이는 것으로 나타났다.[233][234][235] 여러 연구팀은 이것이 가장 큰 관측 가능한 규모에서 새로운 물리학의 징후일 수 있다고 제안했지만, 다른 연구팀은 데이터의 계통 오차를 의심했다.[236][237][238]

궁극적으로 전파 방해와 우주 분산(cosmic variance) 문제로 인해 가장 큰 모드는 작은 각도 규모의 모드만큼 정확하게 측정될 수 없다. 분석은 전파 방해가 최대한 제거된 두 개의 지도, 즉 WMAP 공동 연구팀의 "내부 선형 조합" 지도와 맥스 테그마크Max Tegmark 등이 준비한 유사한 지도에서 수행되었다.[189][195][239] 이후 분석에서는 이러한 모드가 싱크로트론 방사, 먼지, 제동 복사 방출과 단극 및 쌍극의 실험적 불확실성으로부터 전파 방해 오염에 가장 취약하다는 점을 지적했다.

WMAP 파워 스펙트럼에 대한 완전한 베이즈 분석Λ-CDM 우주론의 사중극자 예측이 데이터와 10% 수준에서 일치하며 관측된 팔중극자는 주목할 만한 것이 아니라는 것을 보여준다.[240] 전천 지도에서 전파 방해를 제거하는 데 사용된 절차를 신중하게 고려하면 정렬의 유의성이 약 5% 감소한다.[241][242][243][244]

플랑크 망원경은 WMAP보다 훨씬 민감하고 각 분해능이 더 큰데, 플랑크 망원경을 이용한 최근 관측에서도 동일한 이상 현상이 기록되었으므로 계측 오류(전파 방해 오염은 아님)는 배제되는 것으로 보인다.[245] 우연의 일치가 가능한 설명이며, WMAP의 수석 과학자인 찰스 L. 베넷Charles L. Bennett은 우연의 일치와 인간 심리가 관련되어 있다고 제안했다. "저는 심리적 효과가 약간 있다고 생각합니다. 사람들은 특이한 것을 찾고 싶어합니다."[246]

8. 미래의 진화

우주가 계속 팽창하고 대함몰, 빅 립 또는 다른 유사한 운명을 겪지 않는다고 가정하면, 우주 마이크로파 배경은 더 이상 감지할 수 없을 때까지 계속 적색편이가 일어나며,[247] 처음 별빛에 의해 생성된 것으로 대체되고, 그리고 아마도 나중에는 양성자 붕괴, 블랙홀의 증발포지트로늄 붕괴와 같은 우주의 먼 미래에 일어날 수 있는 과정의 배경 복사 장에 의해 대체될 수 있다.[248]

9. 예측, 발견 및 해석의 연표

랠프 앨퍼로버트 허먼은 1948년에 조지 가모프의 연구와 관련하여 우주 마이크로파 배경(CMB)을 처음으로 예측했다.[162][163][164][165] 앨퍼와 허먼은 우주 마이크로파 배경의 온도를 5K로 추정했지만, 2년 후 허블 상수의 잘못된 추정으로 인해 28K로 다시 추정했다.[166]

1960년대 초, 야코프 젤도비치로버트 헨리 딕은 앨퍼와 허먼의 예측을 재발견했다. 1964년 봄, 소련의 천체물리학자 안드레이 도로슈케비치와 이고리 노비코프는 CMB 복사를 탐지 가능한 현상으로 처음 인식했다.[168] 같은 해, 프린스턴 대학교데이비드 토드 윌킨슨과 피터 롤은 CMB 측정을 위한 딕 복사계를 만들기 시작했다.[169]

1964년, 벨 연구소에서 아노 펜지어스로버트 우드로 윌슨은 딕 복사계를 이용한 실험 중, 설명할 수 없는 4.2K 초과 안테나 온도를 발견하며 마이크로파 배경의 존재를 명확히 확인했다.[170] 프린스턴 그룹과의 회의에서 이 안테나 온도가 실제로 마이크로파 배경 때문이라는 결론을 내렸다. 펜지어스와 윌슨은 이 발견으로 1978년 노벨 물리학상을 수상했다.[173]

1970년대에는 CMB가 흑체 스펙트럼을 가진다는 사실이 밝혀지면서, 정상우주론 모형은 재현할 수 없는 결과로 인해 대폭발(빅뱅)의 잔재라는 합의가 이루어졌다.[176]

해리슨, 피블스, 유와 젤도비치는 초기 우주가 10−4 또는 10−5 수준의 비균질성을 필요로 한다는 것을 깨달았다.[177][178][179] 라시드 수냐에프는 이러한 불균질성이 CMB에 미치는 영향을 계산했다.[180] 1980년대 지상 기반 실험과 1983년 발사된 소련의 RELIKT-1 위성은 CMB 비등방성에 대한 상한선을 제시했다. NASA COBE 임무는 1992년에 주된 비등방성을 확인했고,[181][182] 이 팀은 2006년 노벨 물리학상을 받았다.

이후 10년 동안, COBE 결과에 영감을 받은 여러 지상 및 풍선 기반 실험들이 더 작은 각도 스케일에서 CMB 비등방성을 측정했다. 첫 번째 음향 피크의 규모를 측정하는 것이 주요 목표였으며, 이는 Toco 실험에 의해 잠정적으로 검출되었고, BOOMERanG 및 MAXIMA 실험에 의해 확인되었다.[184][185][186] 이러한 측정은 우주의 기하학이 평평하다는 것을 입증하고, 우주 끈을 배제하며, 우주 급팽창이 구조 형성의 올바른 이론임을 제안했다.[187][188]

WMAP은 두 번째 피크를 확정적으로 감지하고 세 번째 피크를 잠정적으로 감지했다.[189] 2010년 현재, DASI, WMAP, BOOMERanG, QUaD, 플랑크 위성, 아타카마 우주론 망원경, 남극 망원경, QUIET 망원경 등에서 작은 각도 스케일에서의 편광 및 마이크로파 배경 측정을 개선하기 위한 실험들이 진행 중이다.

다음은 우주 마이크로파 배경(CMB) 예측, 발견 및 해석과 관련된 주요 사건들을 정리한 표이다.

연도사건
1941앤드루 맥켈러가 성간 매질의 가장 차가운 구성 요소로 CMB를 감지, 2.3K의 유효 온도를 발견.[175][255]
1946조지 가모프가 50K의 온도를 계산.[252]
1948랠프 앨퍼와 로버트 허먼이 "우주의 온도"를 5K로 추정.[256]
1949앨퍼와 허먼이 온도를 28K로 재추정.
1953조지 가모프가 7K를 추정.[251]
1956조지 가모프가 6K를 추정.[251]
1955난차이 라디오 천문대의 에밀 르 루가 3K에 가까운 등방성 배경 복사를 보고.[251]
1957티그란 슈마오노프가 4±3K의 절대 유효 온도를 보고.[257][258][259]
1960년대로버트 딕이 40K의 마이크로파 배경 복사 온도를 재추정.[251][260]
1964안드레이 도로슈케비치와 이고르 노비코프가 흑체 복사에 대한 논문을 발표.[261]
1964-1965아노 펜지어스로버트 우드로 윌슨이 약 3K로 측정. 로버트 딕 등이 이 복사를 대폭발의 신호로 해석.
1983은하단에서 수냐에프-젤도비치 효과를 처음으로 감지.
1990COBE 위성의 FIRAS가 CMB 스펙트럼의 흑체 형태를 정밀하게 측정.
1992RELIKT-1과 COBE DMR의 데이터를 분석한 과학자들이 CMB에서 비등방성 발견을 보고.[262][263]
1999TOCO, BOMEANG, Maxima Experiments로부터 CMB 비등방성 각도 파워 스펙트럼에서의 음향 진동들의 첫 측정치들 발표.
2002DASI에 의해 편광 발견.[264]
2003CBI가 획득한 E-모드 편광 스펙트럼 발표.[265]
2004ACBAR가 고해상도 구조의 고품질 지도를 생성.
2005AMI와 SZA가 수냐에프-젤도비치 효과를 이용한 조사를 시작.
2006조지 스무트와 존 매더가 CMBR의 정밀도를 측정한 공로로 노벨 물리학상 수상.
2014BICEP2의 천체물리학자들이 B-모드 파워 스펙트럼에서 급팽창의 중력파를 발견했다고 발표했으나, 신뢰도가 낮아진 것으로 보고됨.[208][209][210][211][213][267]


9. 1. 열(비 마이크로파 배경) 온도 예측

연도과학자내용
1896년샤를 에두아르 기욤별의 복사를 5-6 K로 추정.[249]
1926년아서 에딩턴은하에서 별빛의 비열복사를 "...식에 의해 이 밀도에 해당하는 유효온도는 절대온도 3.18°이다... 흑체"라고 추정.[250]
1930년대에리히 리제너Erich Regener은하에 있는 우주선의 비열 스펙트럼의 유효 온도가 2.8 K라고 계산.
1931년마이크로파라는 용어가 인쇄물에 처음 사용됨: "18cm의 낮은 파장을 가진 실험이 알려졌을 때, 마이크로파의 문제가 그렇게 빨리 해결되었다는 명백한 놀라움+이 있었다." Telegraph & Telephone Journal XVII. 179/1
1934년리처드 톨먼팽창하는 우주의 흑체 복사가 냉각되지만 열을 유지한다는 것을 보여줌.
1938년발터 네른스트우주선 온도를 0.75 K로 재추정.
1941년앤드루 맥켈러Andrew McKellarW. S. B형 항성에서 측정한 CN 이중선의 개체수를 비교하여 성간 물질의 "회전" 온도를 2.3 K(켈빈)으로 측정.[110][111]
1946년로버트 딕"우주 물질로부터의 복사"가 20 K 미만일 것이라고 예측했지만, 배경 방사선에 대해서는 언급하지 않음.[251]
1946년조지 가모프50 K (30억 년 된 우주라고 가정)의 온도를 계산하고,[252] "... 성간 공간의 실제 온도와 합리적인 일치"라고 언급했지만, 배경 복사에 대해서는 언급하지 않음.[253]
1948년랠프 앨퍼로버트 허먼"우주의 온도"를 5 K로 추정. 그들은 특별히 우주 마이크로파 배경 복사를 언급하지 않았지만, 추론할 수 있음.[112]
1953년에르빈 핀레이-프룬들리히Erwin Finlay-Freundlich자신의 피로한 빛(tired light) 이론을 지지하기 위해, 확장 우주론과 무한 우주론 사이의 중재자로서 전파 천문학을 제안하는 막스 보른의 논평과 더불어 은하간 공간의 흑체 온도를 2.3 K로 도출.[254]
1953년조지 가모프자유 매개변수에 의존하지 않는 모델을 기반으로 7 K를 추정.[106][113]
1955년낭시 전파 천문대(Nançay Radio Observatory)의 에밀 르 루Émile Le Rouxλ = 33 cm에서의 전천 탐사에서 처음으로 ±2 K의 거의 등방성 배경 복사를 보고했지만, 우주론적 중요성을 인식하지 못함.[106] [25] 나중에 오차 범위를 20 K로 수정.[114][115]
1957년티그란 슈마노프Tigran Shmaonov"전파 방출 배경의 절대 유효 온도 ...는 4±3 K이다"라고 보고.[116] 방사 강도는 관측 시간이나 방향과 무관. 슈마노프는 당시 인식하지 못했지만, 현재 그는 3.2 cm 파장에서 우주 마이크로파 배경을 관측했음이 분명.[117]


9. 2. 마이크로파 배경 복사 예측 및 측정



조지 가모프의 연구와 밀접하게 관련되어 있던 랠프 앨퍼로버트 허먼은 1948년에 우주 마이크로파 배경(CMB)을 처음으로 예측했다.[162][163][164][165] 앨퍼와 허먼은 우주 마이크로파 배경의 온도를 5K로 추정했지만, 2년 후 허블 상수의 잘못된 추정 때문에 28K로 다시 추정했다.[166]

1960년대 초, 야코프 젤도비치로버트 헨리 딕은 앨퍼와 허먼의 예측을 재발견했다. 1964년 봄, 소련의 천체물리학자 안드레이 도로슈케비치와 이고리 노비코프는 CMB 복사를 탐지 가능한 현상으로 처음 인식했다.[168] 같은 해, 프린스턴 대학교데이비드 토드 윌킨슨과 피터 롤은 CMB 측정을 위한 딕 복사계를 만들기 시작했다.[169]

1964년, 벨 연구소에서 아노 펜지어스로버트 우드로 윌슨은 딕 복사계를 이용한 실험 중, 설명할 수 없는 4.2K 초과 안테나 온도를 발견하며 마이크로파 배경의 존재를 명확히 확인했다.[170] 프린스턴 그룹과의 회의에서 이 안테나 온도가 실제로 마이크로파 배경 때문이라는 결론을 내렸다. 펜지어스와 윌슨은 이 발견으로 1978년 노벨 물리학상을 수상했다.[173]

1970년대에는 CMB가 흑체 스펙트럼을 가진다는 사실이 밝혀지면서, 정상우주론 모형은 재현할 수 없는 결과로 인해 대폭발(빅뱅)의 잔재라는 합의가 이루어졌다.[176]

해리슨, 피블스, 유와 젤도비치는 초기 우주가 10−4 또는 10−5 수준의 비균질성을 필요로 한다는 것을 깨달았다.[177][178][179] 라시드 수냐에프는 이러한 불균질성이 CMB에 미치는 영향을 계산했다.[180] 1980년대 지상 기반 실험과 1983년 발사된 소련의 RELIKT-1 위성은 CMB 비등방성에 대한 상한선을 제시했다. NASA COBE 임무는 1992년에 주된 비등방성을 확인했고,[181][182] 이 팀은 2006년 노벨 물리학상을 받았다.

이후 10년 동안, COBE 결과에 영감을 받은 여러 지상 및 풍선 기반 실험들이 더 작은 각도 스케일에서 CMB 비등방성을 측정했다. 첫 번째 음향 피크의 규모를 측정하는 것이 주요 목표였으며, 이는 Toco 실험에 의해 잠정적으로 검출되었고, BOOMERanG 및 MAXIMA 실험에 의해 확인되었다.[184][185][186] 이러한 측정은 우주의 기하학이 평평하다는 것을 입증하고, 우주 끈을 배제하며, 우주 급팽창이 구조 형성의 올바른 이론임을 제안했다.[187][188]

WMAP은 두 번째 피크를 확정적으로 감지하고 세 번째 피크를 잠정적으로 감지했다.[189] 2010년 현재, DASI, WMAP, BOOMERanG, QUaD, 플랑크 위성, 아타카마 우주론 망원경, 남극 망원경, QUIET 망원경 등에서 작은 각도 스케일에서의 편광 및 마이크로파 배경 측정을 개선하기 위한 실험들이 진행 중이다.

다음은 우주 마이크로파 배경(CMB) 예측 및 측정과 관련된 주요 사건들을 정리한 표이다.

연도사건
1941앤드루 맥켈러가 성간 매질의 가장 차가운 구성 요소로 CMB를 감지, 2.3K의 유효 온도를 발견.[175][255]
1946조지 가모프가 50K의 온도를 계산.[252]
1948랠프 앨퍼와 로버트 허먼이 "우주의 온도"를 5K로 추정.[256]
1949앨퍼와 허먼이 온도를 28K로 재추정.
1953조지 가모프가 7K를 추정.[251]
1956조지 가모프가 6K를 추정.[251]
1955난차이 라디오 천문대의 에밀 르 루가 3K에 가까운 등방성 배경 복사를 보고.[251]
1957티그란 슈마오노프가 4±3K의 절대 유효 온도를 보고.[257][258][259]
1960년대로버트 딕이 40K의 마이크로파 배경 복사 온도를 재추정.[251][260]
1964안드레이 도로슈케비치와 이고르 노비코프가 흑체 복사에 대한 논문을 발표.[261]
1964-1965아노 펜지어스로버트 우드로 윌슨이 약 3K로 측정. 로버트 딕 등이 이 복사를 대폭발의 신호로 해석.
1983은하단에서 수냐에프-젤도비치 효과를 처음으로 감지.
1990COBE 위성의 FIRAS가 CMB 스펙트럼의 흑체 형태를 정밀하게 측정.
1992RELIKT-1과 COBE DMR의 데이터를 분석한 과학자들이 CMB에서 비등방성 발견을 보고.[262][263]
1999TOCO, BOMEANG, Maxima Experiments로부터 CMB 비등방성 각도 파워 스펙트럼에서의 음향 진동들의 첫 측정치들 발표.
2002DASI에 의해 편광 발견.[264]
2003CBI가 획득한 E-모드 편광 스펙트럼 발표.[265]
2004ACBAR가 고해상도 구조의 고품질 지도를 생성.
2005AMI와 SZA가 수냐에프-젤도비치 효과를 이용한 조사를 시작.
2006조지 스무트와 존 매더가 CMBR의 정밀도를 측정한 공로로 노벨 물리학상 수상.
2014BICEP2의 천체물리학자들이 B-모드 파워 스펙트럼에서 급팽창의 중력파를 발견했다고 발표했으나, 신뢰도가 낮아진 것으로 보고됨.[208][209][210][211][213][267]


10. 대중문화에서


  • 2009년부터 2011년까지 방영된 TV 시리즈 《스타게이트 유니버스》에서는 시간이 시작될 때부터 남겨진 지각적인 메시지인 CMBR의 패턴을 연구하기 위해 고대(Ancients) 우주선 '데스티니'가 제작되었다.[271]
  • 이언 스튜어트와 잭 코헨Jack Cohen의 2000년 소설 《휠러즈(Wheelers)》에서 CMBR은 고대 문명의 암호화된 전송으로 설명된다.
  • 류츠신의 2008년 소설 《삼체》에서 한 외계 문명의 탐사선은 CMBR을 모니터링하는 장비들을 손상시켜, 한 등장인물이 그 문명이 CMBR 자체를 조작할 수 있는 힘이 있다고 믿도록 속인다.[272]
  • 2017년 스위스 20 프랑 지폐(Swiss 20 francs bill)에는 여러 천체들의 거리가 나열되어 있는데, CMB는 430×1015 광초로 언급된다.[273]
  • 2021년 마블 시리즈 《완다비전》에서는 우주 마이크로파 배경 안에서 신비로운 텔레비전 방송이 발견된다.[274]

참조

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