우주배경복사

우주배경복사는 우주에 존재하는 모든 종류의 전자기파가 총체적으로 누적되어 전 하늘에 비교적 매끄럽게 관찰되는 복사이다. 이 복사는 하늘의 전 방향에서 우리은하에 있는 관측 대상의 뒤쪽에서 들어오는 은하 외부적인 신호이므로 배경복사라는 말이 붙게 되었다. 빛의 파장 대역에 따라 마이크로파 배경복사, 적외선 배경복사, X-선 배경복사, 감마선 배경복사 등 다양한 배경복사가 존재한다. 개별 배경복사의 생성 기작은 우주에서 일어난 다양한 천체물리학적 현상에 따라 제각기 다르며, 정도의 차이는 있으나 우주 공간의 팽창에 의해 최대 세기의 파장이 전반적으로 단파장에서 장파장 대역으로 이동된 상태로 관측된다. 

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태초의 대폭발에 의해 생겨난 뜨거운 흑체 복사가 우주의 팽창 역사 동안 충분히 식어서 현재 mm 파장에서 두드러지게 나타나는 복사이다. 1946년 디키(Robert Dicke)와 가모브(George Garmow), 1948년 알퍼(Ralph Asher Alpher)와 허먼(Robert Herman)에 의해 그 존재가 예측되었으며, 1965년 미국 벨 연구소의 펜지아스(Arno Penzias)와 윌슨(Robert Woodrow Wilson)에 의해 처음으로 검출되었다. 마이크로파 배경복사는 현재 온도 2.725 K의 차가운 흑체복사의 성질을 지니고 있으며, 태초의 원시 요동의 흔적을 보여주는 미세한 온도 요동을 지니고 있다 (그림 1). 1990년대 미국 나사의 COBE(Cosmic Microwave Background Explorer) 위성이 우주마이크로파배경복사에 담겨 있는 온도 요동을 처음으로 검출하는 데 성공하였으며, 2000년 대에 들어와 미국 나사의 WMAP(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) 위성과 유럽 우주국의 Planck 위성이 우주마이크로파 배경복사의 온도 요동과 편광을 정밀하게 관측하였다.

그림 1. WMAP이 9년동안 관측해 얻은 다중 주파수 온도요동 관측자료를 선형조합하여 만든 오염원이 제거된 우주배경복사 온도요동지도(1도 해상도).(출처: , Bennett, C. L., et al. 2013, ApJS, 208, 20)

우주적외선배경복사는 최초의 별과 은하가 형성될 때 방출된 단파장 빛이 우주 팽창에 의하여 적외선 영역에서 잔존해 형성한 배경복사이다. 우주적외선배경복사에는 별빛을 흡수한 먼지가 원적외선 영역에서 재방출한 성분도 포함되어 있으며, 별생성이 활발한 초발광적외선은하(ultraluminous infrared galaxy)에서 이 성분이 많이 방출되었을 것으로 생각된다. 또한, 퀘이사의 중심부에서 방출된 X선이 주변 먼지에 흡수되었다가 재방출된 성분도 포함된다. 우주적외선배경복사는 COBE(Cosmic Background Explorer) 위성에 장착된 적외선 관측 장비(DIRBE)로 관측한 원적외선 영역에서 처음으로 검출되었다(그림 2).  

그림 2. COBE-DIRBE가 관측한 우주적외선배경복사. 위: 원적외선의 여러 파장에서 얻은 관측 결과를 합성해 만든 전천 원적외선 지도. 가운데: 태양계의 황도광을 제거한 원적외선 지도. 아래: 우리은하의 전경오염을 제거한 지도. 이 희미한 은하외부적 신호는 우주적외선배경복사로 해석되었다.(출처: )

우리은하 바깥에 존재하는 X-선 광원들에서 방출된 X-선 복사가 누적되어 나타난 것으로, 찬드라 X-선 우주망원경의 관측에 의하면, 상당 부분의 X-선 배경복사는 중심부에 초대질량블랙홀을 보유한 활동은하핵에서 방출된 고에너지 빛으로 보인다 (그림 3). 

그림 3. ROSAT 전천 탐사에서 얻어진 엑스선 배경복사 지도.(출처: )

은하 외부의 영역에 존재하는 감마선 광원들이 방출한 감마선 복사가 배경복사를 형성한 것으로서 페르미 감마선 우주망원경의 관측 결과에 따르면, 우주감마선 배경복사는 블레이저(blazers)로 불리는 활동은하핵, 전파은하, 별생성 은하 등에서 방출된 빛이 누적되어 생성된 것으로 보인다(그림 4).    

그림 4. 페르미 감마선 우주망원경이 2009년부터 2013년까지 5년 동안 관측한 1 GeV 이상의 에너지 대역에서 얻은 감마선 배경복사 분포.(출처: )