허블-르메트르 법칙과 우주 팽창#
우주론은 우주의 기원, 구조, 변화 과정을 연구하는 분야이다.
우주가 시간에 따라 어떻게 변하는지에 대해서는 과거에 여러 우주 모형이 제안되었다.
대표적인 우주 모형에는 정적 우주 모형과 팽창 우주 모형이 있다.
정적 우주와 팽창 우주#
정적 우주#
정적 우주는 우주가 전체적으로 팽창하거나 수축하지 않고 일정한 상태를 유지한다고 보는 우주 모형이다.
아인슈타인은 한때 우주가 정적인 상태를 유지한다고 생각하였다.
팽창 우주#
팽창 우주는 우주 공간 자체가 시간에 따라 커지고 있다고 보는 우주 모형이다.
프리드만은 일반 상대성 이론을 바탕으로 우주가 정적인 상태가 아니라 팽창하거나 수축할 수 있다는 우주 모형을 제안하였다.
적색 편이#
적색 편이는 천체가 관측자로부터 멀어질 때, 그 천체의 스펙트럼에 나타나는 흡수선 또는 방출선이 긴 파장 쪽으로 이동하는 현상이다.
빛의 파장에서 붉은색은 파장이 긴 쪽에 해당한다.
따라서 스펙트럼선이 긴 파장 쪽으로 이동하는 현상을 적색 편이라고 한다.
적색 편이
또는
: 고유 파장 : 관측 파장 : 파장 변화량
적색 편이 값이 클수록 천체가 관측자로부터 더 빠르게 멀어지고 있음을 의미한다.
후퇴 속도#
후퇴 속도는 외부 은하가 관측자로부터 멀어지는 속도이다.
외부 은하의 적색 편이가 클수록 후퇴 속도도 크다.
후퇴 속도
또는
: 후퇴 속도 : 빛의 속도, 약 : 적색 편이
허블의 외부 은하 관측#
허블은 외부 은하의 스펙트럼을 관측하여 대부분의 외부 은하에서 적색 편이가 나타난다는 사실을 확인하였다.
이는 외부 은하들이 우리은하로부터 멀어지고 있음을 의미한다.
또한 멀리 있는 은하일수록 적색 편이가 크게 나타났다.
이는 멀리 있는 은하일수록 더 빠르게 멀어지고 있음을 의미한다.
허블-르메트르 법칙#
허블-르메트르 법칙은 외부 은하의 후퇴 속도
: 은하의 후퇴 속도 : 허블 상수 : 은하까지의 거리
즉, 은하까지의 거리가 멀수록 은하의 후퇴 속도는 커진다.
우주의 나이#
우주가 일정한 속도로 팽창했다고 단순하게 가정하면, 우주의 나이는 허블 상수의 역수로 추정할 수 있다.
허블-르메트르 법칙에서
이므로,
여기에
따라서
즉, 허블 상수의 역수를 이용하면 우주의 나이를 대략적으로 추정할 수 있다.
허블-르메트르 법칙과 우주 팽창#
허블-르메트르 법칙은 우주가 팽창하고 있음을 보여 주는 중요한 증거이다.
외부 은하들이 멀어지는 것은 은하가 단순히 우주 공간 속을 날아가고 있다는 뜻이 아니라, 은하들 사이의 공간 자체가 팽창하고 있다는 뜻으로 해석된다.
우주의 모든 지점에서 허블-르메트르 법칙이 성립하므로, 팽창하는 우주의 중심을 특정할 수 없다.
즉, 우주에는 특별한 중심이 없으며, 어떤 은하에서 관측하더라도 멀리 있는 은하일수록 더 빠르게 멀어지는 것처럼 보인다.
우주가 팽창하더라도 은하 자체의 크기가 함께 커지는 것은 아니다.
은하 내부는 중력에 의해 묶여 있기 때문에 우주 팽창의 영향을 거의 받지 않는다.
정상 우주론과 빅뱅 우주론#
우주 팽창을 설명하기 위해 정상 우주론과 빅뱅 우주론이 제안되었다.
정상 우주론#
정상 우주론은 우주가 팽창하더라도 새로운 물질이 계속 생성되어 우주의 밀도가 일정하게 유지된다고 보는 이론이다.
이 이론은 호일 등이 주장하였다.
정상 우주론에 따르면 우주는 시간에 따라 팽창하지만, 전체적으로 보면 우주의 모습과 밀도는 변하지 않는다.
빅뱅 우주론#
빅뱅 우주론은 우주가 매우 뜨겁고 밀도가 큰 상태에서 시작하여, 시간이 지나면서 팽창하고 식어 왔다고 보는 이론이다.
이 이론은 가모프 등에 의해 발전하였다.
빅뱅 우주론에 따르면 우주는 팽창하면서 온도와 밀도가 계속 낮아졌다.
빅뱅 우주론의 주요 과정#
-
빅뱅 직후
- 우주는 매우 뜨겁고 밀도가 높은 상태였다.
- 쿼크, 전자, 광자 등이 존재하였다.
-
헬륨 원자핵 생성
- 빅뱅 후 약 3분이 되었을 때 양성자와 중성자가 결합하여 헬륨 원자핵이 생성되었다.
-
중성 원자 생성
- 빅뱅 후 약 38만 년이 되었을 때 원자핵과 전자가 결합하여 중성 원자가 생성되었다.
- 이때 빛이 물질과 분리되어 우주 공간으로 퍼져 나갈 수 있게 되었다.
정상 우주론과 빅뱅 우주론 비교#
| 구분 | 정상 우주론 | 빅뱅 우주론 |
|---|---|---|
| 우주 팽창 | 팽창함 | 팽창함 |
| 우주의 질량 | 새로운 물질 생성으로 증가 | 전체 질량은 거의 일정 |
| 우주의 밀도 | 일정하게 유지 | 시간이 지날수록 감소 |
| 우주의 온도 | 일정하게 유지 | 시간이 지날수록 감소 |
| 우주의 시작 | 뚜렷한 시작이 없음 | 뜨겁고 밀도가 큰 초기 상태에서 시작 |
빅뱅 우주론의 증거#
빅뱅 우주론을 지지하는 대표적인 증거에는 수소와 헬륨의 질량비, 우주 배경 복사 등이 있다.
수소와 헬륨의 질량비#
빅뱅 우주론에 따르면 우주 초기에는 양성자와 중성자가 결합하여 헬륨 원자핵이 만들어졌다.
우주의 나이가 약 3분이 되었을 때 중성자와 양성자의 개수비는 약 1:7이었다.
중성자와 양성자가 결합하면 헬륨 원자핵이 형성된다.
이 과정의 결과로 우주에 존재하는 수소 원자핵과 헬륨 원자핵의 질량비는 약 3:1이 된다.
실제로 관측되는 우주의 수소와 헬륨 질량비가 이와 비슷하게 나타나므로, 이는 빅뱅 우주론을 지지하는 증거가 된다.
우주 배경 복사#
우주 배경 복사는 빅뱅 이후 우주가 식으면서 방출된 복사 에너지이다.
빅뱅 후 약 38만 년이 지나 우주의 온도가 약 3000K가 되었을 때, 원자핵과 전자가 결합하여 중성 원자가 형성되었다.
중성 원자가 형성되면서 빛은 물질에 방해받지 않고 우주 공간으로 퍼져 나갈 수 있게 되었다.
이때 방출된 빛이 현재까지 우주 전역에 남아 있는 것이 우주 배경 복사이다.
현재 우주 배경 복사는 약 2.7K의 흑체 복사와 거의 일치한다.
우주 배경 복사의 발견은 빅뱅 우주론을 지지하는 강력한 증거가 되었다.
정리#
허블의 외부 은하 관측 결과, 대부분의 외부 은하에서 적색 편이가 나타났다.
이는 외부 은하들이 우리은하로부터 멀어지고 있음을 의미한다.
허블-르메트르 법칙에 따르면 외부 은하의 후퇴 속도는 은하까지의 거리에 비례한다.
이 법칙은 우주가 팽창하고 있음을 보여 주며, 우주의 중심을 특정할 수 없다는 점도 설명한다.
정상 우주론은 우주가 팽창하면서도 새로운 물질이 생성되어 밀도가 일정하다고 보았다.
반면 빅뱅 우주론은 우주가 뜨겁고 밀도가 큰 초기 상태에서 시작하여, 팽창하면서 온도와 밀도가 낮아졌다고 본다.
수소와 헬륨의 질량비, 우주 배경 복사는 빅뱅 우주론을 지지하는 대표적인 증거이다.