암흑 시대의 끝

대폭발의 결과

35만 년의 나이를 먹은 우주는 모든 방향으로 방출되어 나가는 복사 에너지를 가진 광자들, 그리고 수소 원자, 헬륨 원자, 중성미자, 그리고 다른 암흑 물질들로 가득 차 있었다. 우주는 이때도 여전히 섭씨2,500도 정도로 뜨거운 복사 에너지로 충만해 있었다. 그러나 그 복사 에너지를 눈으로 볼 수는 없다. 그것은 우주가 팽창하면서 이 복사의 파장이 무시무시하게 늘어났기 때문이다. 이것이 바로 우주 마이크로파 배경 복사(CMBR)이다. 이 광자들은 한때 아주 뜨거운 불덩어리에서 나온 것이었지만 지금은 온도가 섭씨 –270(3K)밖에 안 되는 차가운 물체에서 나오는 것으로 변해 버렸다.

암흑 시기

지구의 천문학자는 최초의 별들이 점화되기 이전 시기에 만들어진 가시광선 빛은 결코 볼 수 없다. 최초의 별들은 대폭발 이후 수억 년이 지나서야 등장하기 시작했다. 그러나 우주론 연구자들은 대폭발과 최초의 별들이 태어난 시기 사이에 어떤 일이 벌어졌는지 다른 데이터, 예를 들면 우주 마이크로파 배경 복사 에너지(CMBR)을 이용해서 재구성할 수 있다. CMBR는 최초 원자들이 생성됐던 시기에 일어난 물질 밀도의 아주 작은 변동까지도 알아낸다. 우주론 연구자들은 중력이 이런 미세 요동들에 작용해 물질로 이루어진 덩어리들과 필라멘트들을 형성하기 시작했다고 생각한다. 이 초창기 물질 구름의 불균질성은 오늘날 거대 규모를 가진 물체, 예를 들면 초은하단의 기본 골격이 되었다. 수십억 년 이상의 시간에 걸쳐 일어난 우주 구조물들의 발현은 컴퓨터를 이용한 모의 실험으로 재현할 수 있다. 이런 모의 실험의 결과는 유아기 우주 안에 있던 물질의 성질과 밀도에 관한 가정과 암흑 에너지에 좌우된다. 현재 우주의 물질 분포와 아주 유사한 모의 실험 결과들이 나오기도 했다.

초기 은하

천문학자들은 지금 첫 세대 별들이 점화된 시점을 정확하게 알아내려 하고 있다. 그리고 이런 일이 일어난 초기 은하의 구조는 어떤 것인지 연구하고 있다. 스피치 우주 망원경과 초거대 망원경을 이용한 최근의 적외선 연구에서는 아주 큰 적색 이동을 가진 어두운 은하를 몇 개 찾아냈다. 그것들은 대폭발 이후 5억 년이 지난 시점에 존재하던 것들이다. 그런 오래된 은하들의 존재는 그 은하의 기원이 되었을 물질 매듭과 응축된 물질덩어리들이 대폭발 후 최소1억 년과 3억 년 사이에 존재했음을 시사한다. 이런 구조물들 내에서 첫 세대 별들이 형성됐을 것이다.

최초의 별들

제1 세대의 별들은 대폭발 이후 2억 년에 태어났을지도 모른다. 당시에는 다른 원소들이 존재하지 않았으므로 그별들은 거의 수소와 헬륨으로 이루어졌을 것이다. 물리학자들은 무거운 원들이 결핍된 별 형성 성운은 오늘날의 것보다 훨씬 더 큰 덩어리로 응축됐을 것이라고 생각한다. 이런 성운에서 생긴 별들은 매우 크고 뜨거웠을 것이며, 어쩌면 태양 질량의 100배에서 1,000배 되는 질량을 가졌을 것이다. 제1 세대 별들은 초신성으로 죽음을 맞기 전까지 겨우 수백만 년 정도만 생존했을 것이다. 이 별들에서 나온 자외선은 우주 진화에 결정적인 역할을 했다. 수소를 재이온화한 것이다. 전기적으로 중성이던 수소 기체를 오늘날 볼 수 있는 이온화된 기체로 바꾼 것이다. 준성에서 나온 복사 에너지도 우주를 재이온화시킨다.

오리온 성운에 있는 젊고 무거운 별들은 그들 주위에 있는기체를 이온화시켜 성운을 빛나게 한다. 현재 은하단들 사이에 있는 이온화된 수소 기체는 제1세대 별들과 하이퍼노바에서 나온 아주 맹렬하고 뜨거운 복사 때문에 만들어진 것이다.

우주의 화학적 풍요로움

별들의 삶과 죽음이 이어지면서 첫 세대의 무거운 별들은 새로운 화학 원소들을 만들어 우주 공간과 원시 은하 사이로 흩뿌렸다. 새로운 원소, 예를 들면 탄소, 산소, 규소, 그리고 철로 된 원소들은 이런 별들의 뜨거운 중심부에서 핵융합으로 만들어졌다. 철보다 무거운 원소들, 예를 들어 바륨과 납 같은 것은 질량이 큰 별들의 장렬한 죽음이 이루어지는 동안에 형성됐다. 원시 초거대 별보다 작은 별들인 제2, 제3세대 별은 화학 원소를 풍부하게 함유한 성간 매질로부터 형성됐따. 이런 별들은 더 무거운 원소들로 만들어졌고 초신성 폭발과 항성풍을 타고 다시 성간 매질로 되돌아갔다. 은하 병합과 은하로부터 나오는 길고 가느다란 분출 기체는 은하 사이의 물질이 더 혼합되고 분산시키는 것을 조장했다. 이런 재순환 과정은 지금도 계속되고 있다. 이 무거운 원소들은 우리 은하, 우리 태양계, 그리고 바위로 된 우리 지구 위에서 유기 물질을 이루었고, 이 유기 물질에서 모든 지구 생명과 인류가 탄생했다.

초기 우주는 미량의 리튬과 수소와 헬륨으로 이루어졌다. 오늘날도 우주는 거의 수소와 헬륨으로 이루어져 있다. 그렇지만 별들의 진화 덕분에 2퍼센트 이상의 다른 원소들을 포함하게 되었다.

살아 있는 유기체

살아 있는 유기체는 정확하게 무엇으로 구성되어 있을까? 다른 세계의 생명을 경험해 본 적이 없으므로, 생명에 관한 연구는 지구 생물에 관한 연구에 의존하고 있다. 그럼에도 불구하고 우주 어딘가에 있을 지구 밖 생명과 비생명을 구분할 수 있는 생명의 정의에 대해 과학자들은 어느 정도 공통된 의견을 가지고 있다. 적어도 생명은 스스로를 복제할 수 있어야 하고, 시간이 지나면 진화할 수 있어야 한다. 이것 말고 생명의 정의로는 일반적으로 동의된 것이 없다. 예를 들어 바이러스는 생물인지 아닌지 불확실하다. 물론 바이러스는 자기 복제를 하지만 대부분 생물학자들이 생물로서 가져야 한다고 생각하는 몇가지 근본적인 특징을 결여하고 있다. 바이러스는 세포 같은 자기만의 생화학적 기작을 가지고 있지 않다는 것이다. 지구 생명의 공통적인 특징, 예를 들어 탄소와 액체 물의 사용 같은 것이 지구 밖 생명 역시 반드시 가져야 하는 특징인지도 불확실하다. 이 외에도 여러 가지 문제가 있어 지구 밖 생명 연구의 걸림돌이 되고 있다.