빅 바운스

2. 역사

빅 바운스 모델은 빌럼 더시터르, 카를 프리드리히 폰 바이츠제커, 조지 C. 맥비티, 조지 가모프 등 여러 우주론자들에게 미학적 이유 등으로 지지를 받았다.^[50][12][29] 가모프는 "물리적 관점에서 우리는 붕괴 이전 시기를 완전히 잊어야 한다"고 강조하기도 했다.^[12][29]

1980년대 초반, 관측 우주론의 발전으로 우주의 대규모 구조가 평평하고, 균질하며, 등방성이라는 사실이 밝혀졌다. 이는 약 3억 광년 이상의 규모에서 적용되는 우주론적 원리로 받아들여졌다. 이로 인해 우주론자들은 지평선 문제, 즉 멀리 떨어진 우주 영역들이 서로 정보를 교환할 시간 없이 어떻게 동일한 물리적 특성을 가질 수 있는지에 대한 해답을 찾아야 했다. 이 문제의 주요 해결책으로 초기 우주에 짧은 기간 동안 공간이 지수적으로 팽창했다는 인플레이션 이론이 등장했다.^[12] 인플레이션 이후 우주는 더 느린 속도로 팽창을 계속한다. 인플레이션 이론은 지평선 문제의 유력한 해결책으로 여겨졌으나, 일부 이론가들은 인플레이션 모델의 변수들을 어떤 관측에도 맞출 수 있다는 점(미세 조정 문제)과 이론 자체가 반증 불가능하다는 문제를 지적했다. 또한 인플레이션은 필연적으로 영원히 지속되어, 관측 가능한 우주의 성질이 우연에 의해 결정되는 것처럼 보이는 무한한 우주들을 만들어낼 수 있다는 문제도 제기되었다.^[30] 이러한 배경 속에서 빅 바운스를 포함한 대안적 이론들이 지평선 문제에 대한 예측 가능하고 반증 가능한 해결책으로 연구되기 시작했으며, 2017년 기준으로도 활발한 연구가 진행 중이다.^[31][32][28]

"빅 바운스"라는 용어는 1987년 볼프강 프리스터와 한스-요아힘 블로메가 독일 학술지 ''Stern und Weltraum''에 발표한 두 편의 논문 제목에 처음 사용되면서 과학 문헌에 등장했다.^[13][33] 이후 1988년 이오시프 로젠탈의 러시아어 서적 영어 번역판 ''빅뱅, 빅 바운스''와 1991년 프리스터와 블로메가 ''천문학 및 천체물리학''에 발표한 영어 논문에서도 사용되었다.^[13][33] 이 용어는 1965년 아르노 펜지어스와 로버트 우드로 윌슨의 우주 마이크로파 배경 발견 이후 빅뱅 모델에 대한 대중적 인식이 높아진 시점인 1969년 엘모어 레너드의 소설 제목에서 유래했을 가능성이 있다.^[13][33]

2000년대 들어 초기 우주에 빅 바운스가 존재했을 가능성은 루프 양자 중력(LQG) 이론에 기반한 연구들을 통해 다시 주목받기 시작했다. 루프 양자 우주론(LQC)은 LQG의 한 분야로, 2006년 2월 펜실베이니아 주립 대학교의 아브하야 아슈테카, 토마스 파블로프스키, 파람프리트 싱이 등방성 및 균질 모델에 대해 처음으로 빅 바운스의 존재를 발견했다.^[14][34] 이 결과는 이후 공간 곡률, 우주 상수, 비등방성, 포크(Fock) 양자화된 불균질성 등을 포함한 다양한 모델로 확장되었다.^[15][35]

2007년 7월, 펜실베이니아 주립 대학교의 마틴 보조왈드는 LQG를 이용하여 빅뱅 이전의 시간을 수학적으로 기술할 수 있다고 주장하며, 진동 우주론과 빅 바운스 이론에 새로운 가능성을 제시했다.^[16][36] 빅뱅 이론의 주요 문제점 중 하나는 부피가 0이고 에너지가 무한대인 중력 특이점의 존재인데, 이는 일반 상대성 이론과 같은 기존 물리학 이론이 적용되지 않는 영역으로 해석된다. LQC 연구는 우주가 특이점으로 붕괴하는 대신, 양자 중력 효과가 매우 강해져 우주가 다시 튕겨나가 새로운 팽창 단계를 시작하는 '바운스'가 일어남을 시사한다. 이 과정 동안 우주의 진화는 단일하게(unitary) 이어진다. 보조왈드는 또한 붕괴 이전 우주의 일부 특성을 계산할 수 있다고 주장했지만, 불확정성 원리 때문에 모든 특성을 알 수는 없다고 덧붙였다. 그러나 그의 주장은 바운스를 거치면서 발생하는 변동에 대한 제약 조건과 관련하여 다른 연구 그룹들에 의해 반박되기도 했다.^{[17][18][37][38]} LQG에서 빅 바운스의 존재가 엄밀히 증명된 것은 아니지만, 그 핵심적인 특징들의 타당성은 여러 정확한 계산 결과^[19][39]와 고성능 컴퓨팅을 이용한 수치 시뮬레이션을 통해 확인되고 있다.

2006년에는 LQG 기술을 빅뱅 우주론에 적용하면 반드시 순환적이지 않은 바운스도 가능하다는 주장이 제기되었다.^[20][41]

2010년, 로저 펜로즈는 일반 상대성 이론에 기반한 등각 순환 우주론(CCC)을 제안했다. 이 이론에 따르면 우주는 모든 물질이 붕괴되어 빛으로 변할 때까지 팽창하며, 시간이나 거리 척도가 사라진 상태는 다음 빅뱅과 동일하게 되어 새로운 우주 순환을 시작하는 일종의 빅 크런치(Big Crunch)를 겪는다.^[21][42]

2011년, 니코뎀 포플라프스키는 아인슈타인-카르탄 이론–시아마–키블 중력 이론에서 비특이적 빅 바운스가 자연스럽게 발생함을 보였다.^[22][43] 이 이론은 일반 상대성 이론을 확장하여 아핀 접속의 대칭성 제약을 없애고 그 반대칭 부분인 비틀림 텐서를 동적 변수로 간주하는데, 극도로 높은 밀도에서 페르미온 물질의 스피너 간 상호작용(스핀-스핀 상호작용)이 강해져 비물리적인 빅뱅 특이점을 피하고 유한한 크기에서 첨점(cusp) 형태의 바운스가 일어나게 한다. 이 시나리오는 현재 우주가 거대 규모에서 평평하고 균질하며 등방성인 이유를 설명하는, 우주 인플레이션의 대안이 될 수 있다.^[22][43]

2012년에는 표준 아인슈타인 중력 틀 내에서도 비특이 빅 바운스를 설명하는 새로운 이론이 성공적으로 구축되었다.^[23][44] 이 이론은 물질 반사(matter bounce)와 ekpyrotic 우주론의 아이디어를 결합하여, 균질하고 등방적인 우주 배경이 비등방성 응력 증가에 불안정해지는 BKL 불안정성 문제를 해결한다. 또한 물질 수축 단계에서 생성된 곡률 섭동이 거의 규모 불변적인 원시 파워 스펙트럼을 형성하여 우주 마이크로파 배경 (CMB) 관측 결과를 설명하는 일관된 메커니즘을 제공할 수 있다.^[23][44]

최근에는 ULAS J1342+0928과 같이 빅뱅 직후의 초기 우주에 존재한다고 보기에는 너무 큰 초거대 블랙홀들이 발견되면서, 이들이 빅 바운스 이전에 형성되었을 가능성이 제기되며 빅 바운스의 간접적인 증거가 될 수 있다는 주장도 나오고 있다.^{[24][25][26][45][46][47]}