섭씨 5.5조 도! 우주 역사상 가장 '뜨거웠던' 순간

이 세상은 화산이나 초신성 등 많은 고온의 물질로 가득차 있습니다만, 우주의 스케일로 보면, 그것을 훨씬 상회하는 고온의 물질이 있습니다. 역사에 기록된 가장 고온은 2012년에 열린 LHC라고도 불리는 '대형 하드론 충돌형 가속기'의 기록입니다. 그 온도는 무려 섭씨 5.5조 도까지 도달했습니다. 그러나 우주의 역사를 되돌아보면, 더욱 고온의 상태가 있었습니다. YouTube의 인기 과학채널 'SciShow'에서 역사상 가장 고온의 물질에 대해 소개합니다.

What Was the Hottest Thing Ever?
https://youtu.be/a4wicOIGlJA

우선은 역사에 기록된 가장 고온의 기록을 세운 '대형 하드론 충돌형 가속기'를 살펴봅시다.

입자가 무엇으로 되어 있는지, 그리고 그것이 서로 어떻게 연동하는지를 규명하기 위해 LHC는 이온이나 양성자의 속도를 서로 충돌하기 직전까지 빛의 속도 가까이 끌어올릴 수 있다고 합니다. 이러한 충돌은 일반적으로 폭발을 일으키는데, 특히 이번 경우는 평소보다 상당히 큰 폭발이 이루어졌습니다.

2012년 8월, 과학자들은 ALICE(대형이온충돌실험장치)라는 실험에 임했습니다.

이 실험이 목표로 하는 것은 '쿼크 글루온 플라스마'라는 시간의 시작 물질에 대해 규명하는 것이었습니다.

쿼크와 글루온 입자의 기본으로, 양성자와 중성자 같은 큰 입자를 형성하고 있습니다.

인류는 쿼크와 ​​글루온을 단독으로 본 적이 없습니다. 그러나 우주의 초기에는 매우 고온인 '쿼크 글루온 플라스마'라 불리는 액상의 물체가 넘치고, 그 속에서 쿼크와 글루온이 대부분 단독 상태에서 질주하고 있었습니다.

입자의 온도가 내려가면 점차 서로 붙어 큰 입자를 형성합니다. 그러나 그것이 실제로 어떻게 일어나는지 알려져 있지 않습니다. 따라서 입자 자체를 만들어 식는 과정을 관찰함으로써 과학자들은 그 과정을 찾으려고 했습니다.

그러나 '쿼크 글루온 플라스마'를 일으키기 위해서는 거대한 폭발이 필요합니다. 폭발을 일으키기 위해서는 물체를 충돌시키는 것이 가장 좋은 방법입니다. ALICE 실험에서는 LHC가 무거운 중이온의 속도를 빛의 속도 가까이 올리고 서로 충돌할 때 큰 압력과 열을 생산할 수 있는 충분한 에너지를 가했습니다.

그 결과, 순간적으로 이온을 용해시켜 '쿼크 글루온 플라스마'를 형성시킬 만큼 뜨거운 불덩어리가 되었습니다. 이 불덩어리는 섭씨 5.5조 도에 도달했습니다. 입자가속기는 그 이전에도 고온의 폭발을 일으켰지만, 이번의 폭발은 특별히 고온이었습니다. 왜냐하면, 이 때 사용된 것은 비교적 무거운 중이온이었기 때문입니다.

쿼크와 글루온에 관한 공식적인 결과는 발표되고 있지 않지만, LHC는 초기 우주의 상황을 재현하는 데 있어서 인류에게 지금 할 수 있는 최선이며 가장 강력한 수단입니다.

빅뱅 직후의 상상을 초월하는 고온

ALICE는 우주 제일의 고온에 도달했지만, 그것은 순간에 불과했습니다. 보통 우주에서 가장 뜨거운 물질을 찾기 위해서는 지구로부터 멀리 떨어진 곳까지 여행해야 합니다.

은하와 은하 사이에는 다른 종류의 매우 고온의 입자가 있고, 그것은 '은하단 가스'라 불리는데 그 온도는 섭씨 3억 도까지 오른다고 합니다. 인류는 아직 그것이 어디에서 왔는지 알고 있지 않지만 왜 그렇게 고온인지는 규명되고 있습니다. 은하단이 형성되기 전에 그것은 단지 거대한 소용돌이 모양의 공 같은 물체였습니다.

시간이 지날수록 그 물체는 응축되어 별과 은하와 행성을 형성하고, 그 과정에서 엄청난 에너지를 방출하기 때문에 그것이 결과적으로 열량이 된 것입니다.

은하가 방대해질수록 더욱 에너지가 방출되어 은하단 가스를 고온으로 만듭니다. 그러나 은하는 수십억 년 전에 형성되었기 때문에, 은하단 가스는 현재 식어있다고 생각됩니다만, 관측의 결과 그렇지 않았습니다. 왜냐하면 블랙홀에 의해 고온의 상태가 지켜지고 있었기 때문입니다.

블랙홀의 중력이 물체를 흡입하면 에너지를 방출하고 그것이 열로 바뀝니다. 많은 은하 중심에 블랙홀이 있기 때문에 은하가 형성되었을 때의 고온의 가스를 유지하는 것이 가능한 것입니다.

역사상 전체 우주 규모로 가장 뜨거운 순간이 있었습니다. 그것은 바로 빅뱅 직후입니다.

우주가 시작되었을 때, 그것은 한없이 작고, 한없이 조밀한 점이, 우리가 파악하는 모든 것으로 퍼졌다는 것입니다. 우리의 물리 법칙은 그 우주가 태어난 순간 무슨 일이 일어났는지에 대한 답을 내기에는 이르고 있지 않습니다.

하지만 빅뱅 직후 매우 짧은 사이에 일어난 현상에 대해 가정을 세울 수 있습니다. 그 아주 찰나의 순간에 우리의 우주는 1에 32개의 0이 붙을 정도로 매우 뜨거웠을지도 모릅니다.

온 우주의 모든 물질과 에너지가 한 장소에 집결했기 때문에, 즉 모든 것이 아주 큰 압력 하에 놓였기 때문에 그런 고온이 되었습니다. 그 순간은 물체가 '절대고온'으로 불리는 사상 최고의 고온에 도달했을지도 모릅니다.

그것은 절대영도의 반대로, 절대영도는 물체가 식을 수 있는 한계 온도로 섭씨 -273.15도 또는 0켈빈이라고 합니다. 물리학자들은 절대고온은 섭씨 10^32도라고 추정하고 있습니다.

우주가 확장으로 온도가 하강하여 쿼크와 글루온이 결합하고, 아톰이 형성되어 인류가 알고 있는 모든 것이 존재하게 된 것입니다.