빅뱅 우주론은 오늘날 관측되는 우주의 팽창성을 토대로 추정되는 우주의 기원 가설로, 이를 되짚어 태초에는 모든 에너지가 한 점에 모여 있었으며, 이것이 137억9900만 년(±210만 년) 전 대폭발을 일으켜 우주를 형성했을 것이라는 이론이다.
1920년 러시아의 수학자 프리드만이 최초로 주장한 이래 이를 지지하는 많은 증거가 관측되며 정상우주론을 제치고 정설로서 자리 잡았다. 오늘날의 빅뱅 우주론은 초기의 빅뱅 우주론을 토대로 탐사선을 통한 정밀한 관측과 물리학계의 검토를 토대로 보완되었으며, 표준 우주 모형 또는 '우주상수-차가운 암흑 물질 우주론으로 불린다. 대략 우주 밀도의 70%를 차지하는 우주상수와 25%를 차지하는 '암흑 물질'이 우주의 주된 구성 물질이라는 뜻이다.
사실 빅뱅이라는 이름은 영국의 천문학자 프레드 호일이 1950년에 창조의 순간이 존재했다는 주장을 깎아내리려고 만들어낸 용어였다. 빅뱅 직후, 갓 태어난 우주의 최초로 돌아가 보자. 그때는 지금까지 존재했던 모든 물질을 구성하는 입자들이 특이점이라 부르는 엄청나게 뜨거운 일종의 용광로 속에 한데 뭉쳐 있었다.
1948년 러시아의 조지 가모브는 우주 초기에 온도가 매우 높았다면, 대폭발로부터 광자의 형태로 방출된 복사의 일부가 남아 있을 것으로 생각했다. 1940년대 후반 미국의 랠프 앨퍼와 로버트 허먼은 대폭발 당시 나온 복사는 우주가 팽창하면서 냉각되었기 때문에 현재 남아 있는 복사의 잔해는 절대온도로 약 5K 정도 될 것이라고 예측했다. 그러나 1950년대와 1960년대 초반의 물리학자들에게는 우주의 초기 역사를 재구성하는 문제는 심각한 연구 주제가 아니었기 때문에 그들의 논문은 오랫동안 잊힌 채 묻혔다.
1970년 영국의 물리학자인 스티븐 호킹과 로저 펜로즈는 아인슈타인의 방정식에 따르면, 우주가 텅 빈 곳에서 자그마한 물질 한 조각에서부터 팽창한 것이 아니라 4차원 시공간의 한 점에서부터 팽창해 나왔음을 증명했다. 이는 빅뱅이 이미 존재하던 특정한 3차원 시간과 공간이라는 곳에서 발생한 평범한 폭발이 아니라, 폭발과 더불어 시간과 공간이 사실상 창조되었음을 뜻한다. 그와 더불어 창조된 물질과 에너지는 지금 우리가 관측할 수 있는 우주를 가득 채운 은하와 별들로 진화했다. 폭발이 일어나기 전, 즉 137억 년 전에는 시간도 공간도, 물질도 아무것도 없었다. 우주가 팽창하면서 비어 있던 공간을 채우는 것이 아니라, 폭발이 일어나면서 만들어지는 공간만이 존재할 뿐이다.
현재 관측되는 우주 팽창 속도는 1메가파섹당 초속 68~74km다. 즉, 관찰자로부터 1메가파섹(326만 광년) 떨어져 있는 물체는 약 초속 70km의 속도로 멀어지는 것으로 보인다는 의미이다. 관찰자로부터 먼 물체일수록 더 빨리 멀어지는 것으로 보이는 것은 우주 전체가 팽창하므로 당연한 일이며 지구에서뿐 아니라 어디에서든 마찬가지다. 여기서 "물체가 멀어지는 것으로 보인다"는 표현을 썼지만 실제로는 공간이 팽창하는 것이다. 그래서 "멀어지는" 속도가 광속을 넘어설 수도 있다. 질량이 있는 물체는 빛보다 빠를 수 없는 거 아닌가? 라고 생각할 수 있으나, 빛이 지나가는 공간 자체가 늘어나며 상대속도가 늘어나는 거라서 물리법칙을 거스르지 않는다.
빅뱅 우주론을 지지하는 증거
우주배경복사
빅뱅 우주론의 최대 증거로, 우주배경복사는 과거 우주의 온도가 수천 도에 달할 정도로 뜨거웠고, 물질의 분포 또한 은하나 별이 형성되지 않은 매우 균일한 상태였다는 것을 말해 준다. 특히 우주배경복사의 패턴을 정밀 분석하면 현재의 표준 우주론과 놀라울 정도로 정확하게 들어맞는 것을 알 수 있으며 이로부터 탄생한 우주 거대 구조와 바리온 음향진동 등의 부가적인 현상들은 현재의 우주와도 무수히 많은 교차검증이 이루어졌다.
우주 초기에 관측되는 퀘이사를 비롯한 생성 중인 은하들
퀘이사는 우주의 크기가 현재의 약 1/3 수준이었을 당시 가장 많이 활동했으며, 최근으로 올수록 점진적으로 그 발견되는 수가 줄어든다. 이는 과거 빅뱅 이후의 우주 환경이 비교적 시간이 많이 흐른 뒤인 현재와 달랐다는 것을 말해준다.
우주에 존재하는 수소와 헬륨의 질량비
현재 우주에 존재하는 대부분의 별과 가스에서 발견되는 수소와 헬륨의 질량 비율은 3:1인데, 이는 빅뱅이 일어날 당시 식어가던 우주에서 핵융합에 의해 탄생한 원소의 비율과 일치한다. 현재 우주에 존재하는 양성자의 개수는 중성자의 약 7배이며 이는 우주가 식어갈 때 결합 에너지가 낮은 쪽인 양성자로의 베타 붕괴가 역베타 붕괴에 대해 우세를 점했기 때문이다. 항성 핵융합에 의해 생성되는 중성자와 헬륨의 양은 빅뱅 핵융합에 비하면 매우 미미하다.
대부분의 은하에서 관측되는 적색편이 및 허블-르메트르 법칙
우주가 균일하게 팽창한다는 관측상 증거를 통해 과거에 은하들이 한 곳에 있었다는 것을 쉽게 유추할 수 있다.
빅뱅 이론에는 몇 가지 문제점이 있는데, 먼저 우주의 평탄성 문제이다. 상대성이론의 우주 방정식에 의하면 열린 우주나 닫힌 우주에 상관없이 초기 우주의 모습은 거의 평평한 구조를 지니고 있다. 이는 만약 신이 우주를 창조했다면 모든 물리상수들이 매우 정밀한 오차 범위 내에서 만들어졌음을 뜻한다.
또 하나는 우주의 지평선 문제로서, 현재 우주의 나이는 약 100억 년에서 200억년 사이로 추산된다. 열역학법칙에 의하면 복사 온도는 우주 팽창에 반비례해 감소했을 것이며, 가시적인 우주의 크기와 빅뱅 이후 빛이 진행한 거리가 일치해야 한다. 현재 우리가 관측하는 우주배경복사는 방향에 상관없이 거의 같은 온도를 지니고 있는데, 이처럼 균질해지기에는 시간이 충분하지 못했다. 그럼에도 복사 온도와 팽창률은 우주배경복사가 1,000분의 1 정도의 오차로 같다는 것을 보여 주었다.
마지막으로 자기 단극자문제인데, 자기 단극자는 자석의 S극 또는 N극의 하나만 존재하는 반쪽 자석을 말한다. 우주의 탄생 시점에 전자기력과 약력, 핵력이 서로 통합되어 있었다는 통일장 이론에 의하면 초기 우주는 비균질적이었기 때문에 에너지 덩어리가 뭉친 수많은 자기 단극자가 형성되었을 것으로 예측되었다. 그러나 오늘날 우주의 어디에도 그런 단극자들이 존재한다는 관측 증거는 없다.