우주재결합시대

우주재결합시대(epoch of recombination)는 우주의 탄생 후 우주에 존재하던 양성자와 전자가 최초로 결합하여 중성 상태의 수소 원자가 만들어지는 시기를 일컫는다. 이온화된 원자핵과 전자가 결합하여 중성원자가 되는 과정을 재결합(recombination)이라 부르기에 우주의 역사에서 이 시기를 우주재결합시대라 부른다. 우주 나이가 약 38만년(적색이동 z≈1100)인 시점을 전후한 비교적 짧은 시간을 말하며, 이 시기에 우주의 거의 모든 양성자와 전자가 결합을 마치게 된다. 우주 최초의 양성자와 전자의 결합이므로 '재결합'이라는 용어는 부적절하지만, 빅뱅 우주론이 확립되기 이전의 과학자들이 명명한 후 관습으로 굳어지게 되었다.

목차

우주재결합이 일어나기 이전에는 우주의 온도가 높아서 광자와 양성자나 전자 같은 입자가 수소를 이온화하기에 충분한 에너지를 가지고 있어서 중성수소로 존재할 수 없다. 또한 광자는 많은 자유전자들로 인해 끊임없이 충돌하여 곧게 나아가지 못하기 때문에 우주는 매우 불투명한 상태에 놓여 있다.

광자-전자-양성자의 강한 상호작용에 비해, 암흑물질은 빛과 상호작용하지 않는 성질 때문에 밀도가 높은 곳은 자체 중력으로 계속 수축한다. 바리온(원자핵)은 이 중력에 반응하여 같이 수축을 하려는 경향이 있지만, 광자와의 강한 상호작용에 의하여 이 수축에 반발하여 팽창하려는 경향도 가진다. 이 두 가지 상호 반대되는 작용에 의하여 진동이 일어나는데, 이를 바리온음향진동(baryon acoustic oscillation)이라고 부른다.

계속되는 우주의 팽창으로 우주의 온도는 점점 내려가는데 우주의 온도가 약 3000K가 되면 양성자와 전자들의 재결합이 일어나 자유전자의 수가 급격히 줄어들기 때문에, 자유전자와의 산란은 더 이상 일어나지 않아서 광자는 아주 먼 거리를 직진하여 나아갈 수 있다. 즉, 우주가 투명해 진다. 이 현상은 '광자 분리(photon decoupling)'라 불리며, 우주재결합시기에 발생한다. 이 때 투명해진 우주를 직진하여 여행한 광자는 오랜 시간 후 지구에서도 관측되는데, 이를 우주 마이크로파 배경 복사라 부른다.

그림 1. 우주재결합 이전(왼쪽)과 이후(오른쪽)의 모식도. 자유전자(회색 원), 이온(주황색 원), 광자(노란색 원), 광자의 진행 경로(하늘색 선). 고밀도 자유전자가 가득찬 우주는 빛이 계속 전자에 산란하여 직진하지 못하다가, 우주 재결합 이후에는 자유전자의 결핍으로 산란하지 않고 직진한다.(출처: 한국천문학회)

우주재결합시대는 우주의 투명도를 결정하기도 하지만, 우주 내에서의 구조 형성(structure formation: 헤일로, 은하, 별 등의 다양한 구조 형성)에 있어서도 매우 중요한 역할을 한다. 우주재결합시대 직전에는 고에너지 광자와의 강한 상호작용으로 바리온(전자와 양성자)의 움직임이 여전히 광속에 가깝지만(광속의 약 60%), 우주재결합 이후에는 수십 km@@NAMATH_INLINE@@\,@@NAMATH_INLINE@@s^-1 정도로 급격히 속도가 떨어진다. 따라서 바리온은 이제 빛에 의한 영향보다는 중력의 영향을 크게 받아 이미 수축을 해 온 암흑물질의 중력에 이끌리며, 이후에는 암흑물질과 거의 동조된 움직임을 보이며 각종 구조를 형성한다.

헬륨의 경우에는 수소보다 이온화에너지가 큰데, 이는 핵과 전자가 결합할 수 있는 최대 속도가 수소의 경우보다 더 크다는 것을 의미한다. 따라서, '헬륨의 우주재결합시대'는 수소의 우주재결합시대보다 이전인, 온도가 더 큰 시기(적색이동 z≈2000)에 발생한다.

우주재결합시대 이후에도 이온화도(자유전자의 개수/수소원자의 개수)는 약 0.02% 정도로 미약하게나마 자유전자가 존재하며, 이후 별들에 의한 우주재이온화가 일어나면 이온화도가 다시 100%에 육박하게 된다. 단, 이 때는 우주가 많이 팽창하여 전자 밀도가 우주재결합시대에 비하여 무척 낮으므로, 우주의 불투명도는 약간만 상승한다.

그림 2. 우주 진화 역사의 모식도. 우주탄생-우주재결합시대-우주재이온화 등으로 이어지는 전자-양성자 최초결합(우주재결합시대) 및 재이온화(우주재이온화)의 역사도 살필 수 있다.(출처: )