플라스마 우주론(정의 및 예시, 생성과정 및 특성, 천문학 응용)

오늘은 플라스마 우주론에 대해 알아보겠습니다. 플라스마 우주론이 무슨 내용인지, 전자기력은 무슨 역할을 하는지, 현대천문학에서 플라스마 우주론이 어떻게 이용되고 있는지에 대해 알아보고자 합니다.

정의 및 예시

플라스마는 고온에서 이온화된 가스로 전자와 이온이 자유롭게 움직일 수 있는 상태를 의미합니다. 우주의 약 99%가 플라스마로 구성되어 있으며, 우주의 은하 및 별 사이의 매질 또한 플라스마 형태로 존재합니다. 이러한 플라스마는 전자기장과 중력의 상호작용으로 우주의 구조를 형성하는데 영향을 끼칩니다. 플라스마 우주론은 이중 전자기장에 집중합니다. 전자와 이온으로 구성된 플라스마는 전자기적 상호작용이 아주 활발하기 때문입니다. 플라스마는 지구의 대기에서도 관측할 수 있는데, 오로라, 번개, 태양풍, 인공적 플라스마가 대표적인 예입니다. 오로라는 태양풍에서 방출된 고에너지 입자들이 지구의 자기장과 충돌하여 발생하는 현상으로, 그 결과로 아름다운 빛의 패턴을 보여줍니다. 주로 극지방에서 관찰되는 특성이 있습니다. 번개는 대기 중 플라스마가 생성되는 대표적인 예시입니다. 뇌우 발생 시 생기는 강한 전기장이 대기 중의 공기를 이온화 시킵니다. 이 현상에서 발생한 플라스마는 전기적 방전으로 이어져 번개가 생깁니다. 번개는 다시 매우 높은 온도와 압력으로 주변 대기를 이온화시키게 됩니다. 태양에서 발생한 태양풍은 지구의 자기장에 의해 차단됩니다. 하지만 이 중 일부 입자는 대기 상층부에서 플라스마를 형성하고, 이 과정에서 지구와의 에너지 교환으로 다양한 현상을 일으킵니다. 우리의 행동은 인공적 플라스마를 형성합니다. 핸드폰 사용이나 컴퓨터 같은 전자기기에서 발생하기도 하고, 인공위성의 엔진이나 로켓에서도 발생합니다. 이렇게 다양한 지구 내 플라스마는 대기 물리학 분야에서 중요한 연구 주제입니다.

생성과정 및 특성

초기 우주에서 플라스마의 모습은 여러단계로 나눌수 있습니다. 첫번째로 빅뱅은 약 138억년 전 , 매우 높은 온도와 밀도를 가지고 발생했습니다. 이 때의 극한 에너지는 우주를 이루는 기본 입자인 쿼트와 렙톤을 형성했습니다. 두번째로 빅뱅 후 초기 우주의 온도는 매우 높아 쿼크와 글루온이 자유롭게 존재했습니다. 고온의 상태에서 쿼크가 서로 결합하여 더 복잡한 입자를 형성하기는 어려웠으며 그 때문에 쿼크-글루온 플라스마 현상이 발생했습니다. 세번째 단계는 핵합성으로 우주가 팽창하고 기온이 떨어지면서 쿼크와 글루온은 합성하여 프로톤과 중성자로 결합되었습니다. 이때부터 원자핵이 만들어지기 시작했습니다. 네번째로, 본격적인 플라스마 상태의 생성입니다. 계속해서 기온이 하락하자, 우리가 알고 있는 전자와 이온이 분리된 상태인 플라스마가 형성되었습니다. 이때의 온도는 약 3,000도 켈빈 정도로 그 전처럼 쿼크와 글루온이 합성하여 중성자로 결합되기 어려운 기온이었습니다. 다섯번째 단계는 재결합으로 더이상 합성되지 않던 중성자가 약 38만년 후 다시 만들어지기 시작했습니다. 이로써 플라스마에서 중성 가스로의 전환이 발생했으며 이 때의 우주는 투명해지고 우주배경복사를 방출하기 시작했습니다. 이러한 단계들은 초기우주에서 플라스마를 만들어내는 과정과 시간이 흐르며 물질의 구조를 만들어내는 과정을 설명합니다. 플라스마의 주요 특성에 대해 간단히 알아보겠습니다. 이온과 자유전자를 갖고있는 플라스마는 매우 높은 전기전도성을 가집니다. 때문에 전류를 흐르게 하고 외부 전자기장과 상호작용 할 수 있습니다. 플라스마는 고온상태에서 존재하므로 매우 높은 열에너지를 가집니다. 이는 플라스마의 열적 성질을 의미합니다. 또 다른 플라스마의 특성은 비선형 동역학입니다. 플라스마의 작은 변화가 큰 현상으로 이어지는 이유를 설명하며, 플라스마가 복잡성을 띄는 것을 설명할 수 있는 중요한 성질입니다.

천문학 응용

최근 몇 년동안 플라스마 우주론은 더욱 큰 관심을 받고 있습니다. 플라스마 우주론은 전통적인 중력을 중심으로 하는 우주 이해에서 벗어나 전자기적 상호작용의 중요성을 대두시킨 이론으로 큰 의미를 가지고 있습니다. 앞서 알아본 우주배경복사, 우주팽창, 은하의 분포 등의 다양한 현상들을 설명할 수 있는 플라스마 우주론의 원리는 현대 천문학에서 우주를 이해하는데 큰 역할을 하였습니다. 현재 플라스마 우주론은 우주 탐사와 관련한 다양한 연구에도 적용되고 있습니다. 태양풍 등 태양이 우리 지구에 미치는 영향과 우주선이 우주 내에서 어떻게 작용하는지, 우주 내 타 생명체의 존재 가능성을 설명하는데도 큰 기여를 하고 있습니다. 천체물리학자들은 우주 속의 플라스마를 예측하기 위해 수치 모델링, 시뮬레이션 등을 사용합니다. 이렇게 만들어진 모델은 우주에서의 플라스마의 흐름과 상호작용을 이해하는데 큰 역할을 합니다. 플라스마 관측을 위해서 다양한 관측기법이 사용되는데 전파망원경이 그 중 하나입니다. 플라스마의 전자기파를 관측하고 이를 이용해 우주의 다양한 현상을 분석하기도 합니다. 또한, 플라스마를 응용한 기술은 다른 과학 분야에서도 사용되고 있는데, 대기압 플라즈마가 대표적인 예시입니다. 대기압 플라즈마는 반도체 제작, 디스플레이 제작, 환경오염 가스 제거 기술 등에 사용되고 있습니다.  

 

오늘은 플라스마 우주론에 대해서 알아보았습니다. 다음 글에서는 양자얽힘 현상에 대해 알아보겠습니다.