3.13 우주 마이크로파 배경: ‘잡음으로 검게 된 판’에서 경로·지형의 미세 무늬로

목차 ／ 제3장: 거시적 우주

용어와 범위
본 절에서는 ‘판의 기원, 무늬의 각인, 시선 경로상의 재가공, 거대 규모 방향성, 편광의 이원성’을 실–바다–텐서 구상으로 하나로 엮습니다. 초기 우주에서는 일반화 불안정 입자(GUP) 가 계속 만들어졌다가 사라졌고, 그 생존 시간의 중첩과 끌림이 통계 텐서 중력(STG) 의 지형을 빚었습니다. 붕괴·소멸로 매질에 되돌아온 약한 파동 묶음은 겹쳐 텐서 배경 잡음(TBN) 이 되었습니다. 이후에는 이 세 용어의 한국어 풀네임만 사용합니다. 개념적 닻으로 한 번만 에너지 실(Energy Threads) 과 에너지 바다(Energy Sea) 를 덧붙입니다.

I. 우리는 무엇을 보고 있는가
우주 마이크로파 배경(CMB) 은 약 2.7 K의 거의 균일한 ‘네거티브’이지만, 단조로운 색면은 아닙니다. 규칙적인 음향 피크–골과 작은 각도에서의 부드러워짐, 그리고 지배적인 E-모드와 더 약한 B-모드로 갈라지는 편광이 보입니다. 매우 큰 각도에서는 반구 비대칭, 저ℓ 정렬, ‘차가운 얼룩’ 같은 방향성 단서도 나타납니다.
핵심 줄기는 셋입니다. 초기에 밑색과 박자를 정한 ‘동결’, 그 뒤 경로를 따라 진행된 ‘렌즈와 매트 처리’, 그리고 지평선 너머 지형이 남긴 약한 방향성입니다. 이 셋이 하나의 연속 사슬로 이어집니다.

II. 밑이 왜 거의 흑체인가: 초기 텐서 배경 잡음이 CMB로 ‘흑화’한 까닭(원리와 시간 순서)

결론부터 말하겠습니다.
초기 ‘에너지 바다’는 광학적으로 매우 두꺼웠습니다. 강한 결합과 잦은 산란 때문에 자유 평균 경로가 극히 짧았습니다. 그 속에서 일반화 불안정 입자가 폭넓고 낮은 결맞음을 지닌 섭동을 계속 주입했습니다. 곧 텐서 배경 잡음입니다. 이 섭동은 강결합 ‘수프’에서 빠르게 흑체 스펙트럼으로 끌려갔습니다. 우주가 투명해진 뒤에는 광자가 그 ‘판’을 오늘까지 운반했습니다.

• 두꺼운 가마: 강결합·강산란
  광자–하전 물질 상호작용이 빈번하여 방향·위상 차가 씻겨나갑니다. 흩어진 에너지도 흡수–재방출을 반복하며 고르게 섞입니다.
• 흑화: 에너지와 ‘색 배합’의 동시 조정
  주파수 편향이 제거되고 방사는 흑체 곡선으로 수렴합니다. 남는 것은 단일 온도 눈금입니다.
• 시간 서열: t_흑화 ≪ t_거시 ≲ t_분리
  흑화가 거시 진화보다 빨랐습니다. 먼저 밑색이 잡히고 이후 천천히 유지됩니다.
• 온도 눈금의 결정
  텐서 배경 잡음의 총 주입량이 밑의 온도를 정했습니다. ‘색 미세조정’ 통로가 차례로 얼자 눈금이 잠기고, 팽창과 함께 2.7 K까지 식었습니다.
• 투명화 이후에도 흑체 형태 유지
  이후의 경로 효과는 주파수에 무관한(아크로매틱) 밝기 오프셋을 만듭니다. 흑체의 형태는 보존되고, 각방향 요철만 덧그려집니다.
• 높은 균일성의 근원
  가장 ‘두꺼운’ 시기에 흑화가 진행되어 방향 차가 빠른 교환으로 씻겼습니다. 분리 순간의 미세 요철이 얼고, 뒤의 재가공은 가벼웠습니다.

요약하면: 텐서 배경 잡음 → 빠른 흑화 → 단일 온도 눈금을 지닌 거의 흑체의 밑. CMB의 높은 균일성과 스펙트럼의 ‘이상성’을 함께 설명합니다.

III. 무늬는 어떻게 새겨졌는가: 압축–되튐의 호흡과 결맞음 창(음향 ‘북살’)

1. 끌림과 압력 사이의 호흡
   광자–바리온 유체가 중력 끌림과 압력 되튐 사이에서 흔들리며, 살짝 누른 북살 위의 잔물결 같은 음향 진동을 만듭니다.
2. 결맞음 창과 표준 자
   모든 스케일이 같은 위상으로 더해지지 않습니다. 특정 파장만 공명이 가장 강하여, 온도·편광 스펙트럼에 규칙적 피크 간격—음향 자—이 남습니다.
3. 분리의 스냅샷
   마지막 산란의 순간, 어디가 압축 피크인지·희박 골인지, 진폭과 박의 밀도가 한 번에 고정됩니다. 홀·짝 피크 대비는 ‘하중과 주행 속도’를 기록하며, 바리온 하중이 압축 피크를 더 높입니다.
4. 독해 포인트

• 피크 간격: 전파 상한·기하 스케일.
• 홀/짝: 바리온 하중·되튐 효율.
• TE 위상: 음향 박의 올바른 기록 여부.

IV. 길 위의 ‘렌즈와 매트’: 광선 재지향, 에지 연화, E→B 누출(경로 재가공)

1. 통계 텐서 중력은 두껍고 약간 휜 유리 같습니다

• 소규모 연화: 피크와 골이 둥글어지고 전력이 더 큰 스케일로 이동합니다.
• E→B 누출: E-모드가 길 위에서 살짝 비틀려 B-모드가 만들어집니다.
• 공동 지도: B-모드는 수렴/시어(κ/φ)와 양의 상관을 보이며, 스케일이 작을수록 강해집니다. 네 점 함수 렌즈 재구성과 연화량은 같은 지형을 함께 제약합니다.

2. 텐서 배경 잡음은 광대역 ‘서리’처럼 작용합니다
   늦시기의 약하고 확산적인 배경은 흑체 형태를 바꾸지 않습니다. 다만 에지를 조금 더 부드럽게 하고 E→B 누출을 미세하게 돕습니다. 세기는 활동적 구조의 분포와 약하게 연동되지만, 색 분산은 두드러지지 않습니다.
3. 경로 진화: 아크로매틱 블록 시프트
   완만히 진화하는 대용적 지형을 지날 때, 시선 한 덩어리가 통째로 약간 차갑거나 따뜻해집니다. 모든 밴드가 같은 부호로 움직이는 것이 지문입니다. 먼지 같은 색 있는 전경과 구분됩니다. 초기 전이와 후대의 깊어짐/되돌이 모두 기여하며, 대규모 구조 추적자(φ, 은하 밀도)와 약한 양의 상관이 예상됩니다.
4. 재이온화의 얇은 ‘서리’
   자유 전자는 작은 각도의 온도를 살짝 평탄화하고, 큰 각도에서 E-모드를 다시 만들어냅니다. 통계 텐서 중력과 텐서 배경 잡음의 몫과 함께 분배해야 합니다.

판독 체크리스트:

• 같은 영역이 다중 밴드에서 함께 냉/온 ⇒ 경로 진화.
• 소규모 연화가 대규모 구조와 함께 변함 ⇒ 통계 텐서 중력 주도.
• 뚜렷한 분산 없이 약간 넓어짐 ⇒ 텐서 배경 잡음 잔여.

V. 초대형 스케일의 직조와 방향성: 능선과 회랑의 화석

• 선호 축
  지평선 너머 지형에 능선·회랑·계곡이 있으면, 가장 낮은 다중극이 정렬합니다. 반구 차와 저ℓ 정렬은 임의가 아니라 기하 투영입니다.
• 블록형 냉/온 오프셋
  진화 중 지형을 관통하는 시선은 통째로 더 차갑거나 더 따뜻해 보일 수 있습니다. 적분 Sachs–Wolfe, 렌즈 지도, 거리 지표와의 교차에서 약한 동부호 메아리가 기대됩니다.
• 흑체 형태는 유지
  바뀌는 것은 밝기와 방향입니다. 색 배합은 그대로입니다.

VI. 편광의 두 갈래: 본류 E, 비틀림과 누출 B

1. E-모드(메인 플레이트)
   분리 시의 ‘북살’ 이방성이 산란을 통해 질서정연한 편광 무늬로 직인되며, 온도 박자와 1:1로 호응합니다. TE 상관이 그 지문입니다.
2. B-모드(주로 길에서 생성)
   통계 텐서 중력의 재지향이 E 일부를 B로 비틀고, 텐서 배경 잡음이 소폭 누출을 더합니다.

• 그래서 B는 약하며, 수렴/시어와의 상관은 소스케일로 갈수록 강해집니다.
• 큰 각도에서 강한 B가 검출되면 초기 횡파(중력파 계열)의 가능성을 시사하나, 현재 관측된 B 설명에 필수는 아닙니다.

VII. 도표 읽기 운영 가이드

• 자: 피크 간격 ⇒ 음향 스케일·전파 한계.
• 하중: 홀/짝 대비 ⇒ 바리온 하중·되튐 효율; TE 위상·진폭으로 박자 검산.
• 연화: 소스케일이 더 부드러우면 ⇒ 지형이 두껍거나 잡음이 강함; φ 지도·네 점 재구성과 공동 제약.
• 방향: 선호 축/반구 차 확인; 약한 렌즈·BAO·거리 잔차와 대조.
• 아크로매틱: 다중 밴드 동부호 이동 ⇒ 경로 진화; 색 이동이면 ⇒ 전경(먼지, 싱크로트론, free–free).
• B–κ 상관: 소스케일로 갈수록 증대 ⇒ 렌즈 우세; 디렌징 후 B 잔여로 텐서 배경 잡음/횡파를 구속.

VIII. 교과서 서술과의 대조: 유지·보강·검증 약속

1. 유지

• 강결합 음향 단계가 분리에서 동결됩니다.
• 후기의 렌즈·재이온화가 가볍게 덧그립니다.

2. 보강/차이

• 밑의 기원: 거의 흑체의 밑은 텐서 배경 잡음의 빠른 흑화로 설명되며, 추가 성분이 필요 없습니다.
• 연화 예산: 소스케일 연화는 ‘통계 텐서 중력 + 텐서 배경 잡음’의 합이며 단일 ‘렌즈 세기’가 아닙니다.
• 이상치의 귀속: 반구 비대칭·저ℓ 정렬·차가운 얼룩은 텐서 지형의 자연스런 표정으로, 다중 자료에서 동부호 메아리가 나와야 합니다.

3. 검증 과제

• 단일 지형 지도로 CMB 렌즈와 은하 약한 렌즈의 잔차가 함께 줄어야 합니다.
• B–수렴 상관이 작은 스케일에서 더 커져야 합니다.
• 아크로매틱 경로 이동이 밴드 간에 함께 움직여야 합니다.
• 차가운 얼룩 방향에서 ISW·거리·수렴이 약하지만 같은 부호로 호응해야 합니다.

IX. 계통·장치 효과 분리

• 아크로매틱 vs 컬러드: 아크로매틱 ⇒ 경로 진화, 컬러드 ⇒ 전경(먼지, 싱크로트론).
• B–κ 크로스체크: 유의하면 통계 텐서 중력의 재지향이 신뢰할 만합니다. 없으면 기기 편광 누설을 점검합니다.
• 다중 밴드 고정: 흑체 곡선으로 밑을 고정하고, 스펙트럼 잔차(μ/y)로 후기 주입 상한을 묶습니다.
• 네 점/φ 재구성: TT/TE/EE 연화량과 합치되면, 동일 지형이 위상·진폭·비가우스성을 함께 지배합니다.

X. 검증과 전망(반증 가능·보강 가능 체크)

• P1 | 공유 지도: 같은 φ/κ 지도로 CMB 연화와 약한 렌즈를 동시 적합하고 잔차의 공수렴을 확인합니다.
• P2 | 디렌징 후 B 잔여: 광대역·저결맞음 기울기면 텐서 배경 잡음의 유한 몫을, 큰 각도 ‘혹’이면 초기 횡파를 지지합니다.
• P3 | 아크로매틱 ISW 교차: CMB–LSS/φ의 동부호 이동이면 경로 진화 해석이 강화됩니다.
• P4 | 차가운 얼룩 에코: ISW·거리·수렴에서 약한 동부호 응답이면 지형 잔흔임을 뒷받침합니다.
• P5 | μ/y 상한: 더 엄격한 분광 상한이면 후기 주입이 약함을, 완화되면 그 몫을 정량화합니다.

XI. 기억 장치: 북살과 서리 낀 유리

1. 북살 단계: 높은 텐서 장력의 막에 미세 방울(주입 섭동)이 흩뿌려져, 장력과 하중이 압축–되튐의 박자를 만듭니다.
2. 스냅샷: 분리가 그 한순간의 무늬를 ‘촬영’합니다.
3. 유리越 보기: 그다음엔 약간 일렁이는(통계 텐서 중력)·옅게 서린(텐서 배경 잡음) 유리를 사이에 두고 판을 봅니다.

• 일렁임은 무늬를 둥글게 하고,
• 서리는 에지를 부드럽게 하며,
• 유리가 천천히 변하면 색은 바꾸지 않고 구역이 함께 차갑거나 따뜻해집니다.
  오늘 우리가 보는 CMB의 핵심입니다.

네 줄 요약

• 밑은 잡음에서 왔습니다. 초기 텐서 배경 잡음이 두꺼운 수프에서 빠르게 흑화해, 단일 온도 눈금의 거의 흑체 밑을 세웠습니다.
• 무늬는 박자에서 새겨졌습니다. 강결합 단계가 일관된 음향 비트(피크–골, E-모드)를 각인했습니다.
• 길 위의 가벼운 수술이 있었습니다. 통계 텐서 중력이 둥글리고 E→B를 만들었고, 텐서 배경 잡음이 더 부드럽게 했으며, 경로 진화가 아크로매틱 이동을 남겼습니다.
• 큰 스케일은 ‘불량 데이터’가 아닙니다. 반구 비대칭·저ℓ 정렬·차가운 얼룩은 텐서 지형의 잔흔이며 다중 관측에서 메아리쳐야 합니다.

결론
‘잡음으로 검게 된 판 + 장력이 걸린 지형의 그림자 + 길 위의 가벼운 덧칠’이라는 통합 그림으로, 교과서의 음향 피크 정수를 보존하면서 연화, B-모드, 방향성, 이른바 이상치에 검증 가능한 물리적 거처를 제시했습니다. 자·하중·연화·방향·아크로매틱 이동·B–κ 상관·디렌징 잔여라는 일곱 걸음으로 우주의 일관된 텐서 지도를 그릴 수 있습니다.