우주 탄생 초기: 높은 온도와 밀도, 그리고 빛의 불투명성
우주 탄생 초기에는 높은 온도와 밀도로 인해 빛이 직진할 수 없었습니다. 이는 다소 역설적으로 느껴질 수 있지만, 다음과 같은 이유 때문입니다.
1. 높은 온도와 밀도의 관계
온도와 밀도는 일반적으로 서로 반비례 관계에 있습니다. 즉, 온도가 높아지면 밀도는 낮아지고, 밀도가 높아지면 온도는 낮아지는 경향이 있습니다. 하지만 극한적인 조건에서는 이러한 관계가 달라질 수 있습니다.
2. 우주 탄생 초기의 극한 조건:
빅뱅 직후: 우주 탄생 직후에는 엄청난 에너지 밀도와 온도 (약 10^32 K)를 가지고 있었습니다. 이는 극도로 뜨겁고 밀집된 상태였습니다.
플라즈마 상태: 이러한 극한 조건에서는 물질이 전자와 양성자로 분리되어 플라즈마라는 특수한 상태를 형성합니다. 플라즈마는 전기적으로 중성이지만, 매우 높은 전도성을 가지고 있어 빛과 상호 작용하는 방식이 달라집니다.
3. 빛의 산란:
전자와의 충돌: 빛은 플라즈마 내 존재하는 자유 전자와 충돌하며 산란됩니다. 이는 마치 안개 속에서 빛이 산란되는 것과 유사합니다.
톰슨 산란: 빛의 산란은 빛의 파장에 영향을 받는데, 가시광선과 같은 짧은 파장의 빛은 톰슨 산란이라는 과정을 통해 더욱 효과적으로 산란됩니다.
불투명성: 빛이 충분히 산란되면 원래 방향을 유지하지 못하고, 사방으로 퍼져나가게 됩니다. 이로 인해 빛이 직진할 수 없고, 우주 전체가 불투명해 보이는 현상이 발생합니다.
4. 우주 팽창과 투명해짐:
시간 경과에 따른 온도 감소: 우주가 팽창하면서 에너지 밀도와 온도가 점차 감소했습니다.
재결합: 온도가 충분히 낮아지면서 전자와 양성자가 결합하여 중성 원자를 형성했습니다.
투명성 확보: 중성 원자는 빛과 거의 상호 작용하지 않기 때문에, 빛이 직진할 수 있는 투명한 우주 환경이 조성되었습니다.
