빅뱅 우주론의 문제#
빅뱅 우주론은 우주의 팽창, 우주 배경 복사, 수소와 헬륨의 질량비 등을 잘 설명한다.
하지만 기존의 빅뱅 우주론만으로는 설명하기 어려운 문제도 있다.
대표적인 예로 지평선 문제와 평탄성 문제가 있다.
지평선 문제#
지평선 문제는 관측 가능한 우주의 서로 반대편에 있는 영역들이 거의 같은 온도의 우주 배경 복사를 보이는 이유를 설명하기 어려운 문제이다.
빛보다 빠르게 전달되는 정보는 없으므로, 멀리 떨어진 두 영역은 서로 상호작용을 할 수 없었던 것처럼 보인다.
그런데 실제 관측 결과, 우주 배경 복사의 온도는 우주의 모든 방향에서 거의 균일하게 나타난다.
기존의 빅뱅 우주론만으로는 서로 정보를 주고받을 수 없었던 먼 영역들이 어떻게 거의 같은 온도를 가지게 되었는지 설명하기 어렵다.
평탄성 문제#
평탄성 문제는 현재 우주가 거의 평탄하게 관측되는 이유를 설명하기 어려운 문제이다.
우주의 모양은 우주의 평균 밀도와 임계 밀도의 관계에 따라 달라진다.
임계 밀도는 우주가 평탄한 구조를 가질 때의 밀도이다.
- 열린 우주:
- 닫힌 우주:
- 평탄 우주:
여기서
우주가 현재처럼 거의 평탄하려면 초기 우주의 밀도가 임계 밀도와 매우 가까운 값을 가져야 한다.
기존의 빅뱅 우주론만으로는 초기 우주가 어떻게 그렇게 정밀한 밀도 조건을 가질 수 있었는지 설명하기 어렵다.
급팽창 우주론#
급팽창 우주론은 빅뱅 우주론의 문제를 보완하기 위해 제안된 이론이다.
급팽창 우주론은 우주 탄생 직후 매우 짧은 시간 동안 우주가 급격하게 팽창했다고 설명한다.
이 이론은 1979년 구스가 제안하였다.
급팽창은 공간 자체의 팽창이므로, 멀리 있는 물체가 공간 안에서 빛보다 빠르게 이동했다는 뜻은 아니다.
우주 공간 자체가 매우 짧은 시간 동안 급격하게 커졌다는 의미이다.
지평선 문제의 해결#
급팽창 우주론에 따르면 급팽창이 일어나기 전의 우주는 매우 작았다.
따라서 급팽창 이전에는 우주의 여러 영역이 서로 상호작용하여 온도가 균일해질 수 있었다.
그 뒤 우주가 급격하게 팽창하면서 서로 멀리 떨어진 영역이 되었기 때문에, 현재 관측 가능한 우주의 여러 방향에서 우주 배경 복사의 온도가 거의 같게 나타난다.
즉, 급팽창 우주론은 멀리 떨어진 우주의 영역들이 거의 같은 온도를 가지는 이유를 설명할 수 있다.
평탄성 문제의 해결#
급팽창 우주론은 평탄성 문제도 설명할 수 있다.
우주가 매우 급격하게 팽창하면 우주의 곡률이 크게 줄어든 것처럼 보인다.
예를 들어 작은 곡면도 매우 크게 확대하면 일부분은 거의 평평하게 보일 수 있다.
따라서 급팽창 이후의 관측 가능한 우주는 실제로 완벽하게 평탄하지 않더라도 거의 평탄하게 관측될 수 있다.
우주의 구성 요소#
현재 우주는 보통 물질, 암흑 물질, 암흑 에너지로 이루어져 있다고 추정된다.
| 구성 요소 | 비율 | 특징 |
|---|---|---|
| 보통 물질 | 약 4.9% | 원자로 구성된 물질이며, 전자기파와 상호 작용하여 관측 가능 |
| 암흑 물질 | 약 26.8% | 전자기파와 거의 상호 작용하지 않아 보이지 않지만, 중력 효과로 존재를 추정 |
| 암흑 에너지 | 약 68.3% | 우주의 가속 팽창을 설명하기 위해 도입된 에너지 성분 |
보통 물질#
보통 물질은 원자로 구성된 물질이다.
별, 행성, 성간 물질, 생명체를 이루는 물질 등이 여기에 해당한다.
보통 물질은 전자기파와 상호 작용하므로 빛을 내거나 흡수하고 반사할 수 있다.
따라서 망원경 등을 이용해 직접 또는 간접적으로 관측할 수 있다.
암흑 물질#
암흑 물질은 전자기파와 거의 상호 작용하지 않아 직접 보이지 않는 물질이다.
암흑 물질은 빛을 내거나 흡수하지 않기 때문에 눈이나 일반적인 망원경으로 관측하기 어렵다.
하지만 중력 효과를 통해 그 존재를 추정할 수 있다.
예를 들어 은하의 회전 속도, 은하단의 운동, 중력 렌즈 현상 등은 암흑 물질의 존재를 뒷받침하는 증거가 된다.
암흑 에너지#
암흑 에너지는 우주의 가속 팽창을 설명하기 위해 도입된 에너지 성분이다.
암흑 에너지는 우주 공간 자체와 관련된 에너지로 해석된다.
중력은 물질을 서로 끌어당기는 방향으로 작용하지만, 암흑 에너지는 우주의 팽창을 가속하는 방향으로 작용하는 것으로 본다.
우주가 팽창할수록 물질의 밀도와 중력 효과는 약해진다.
반면 암흑 에너지의 밀도는 거의 일정하게 유지되는 것으로 해석되기 때문에, 시간이 지날수록 암흑 에너지의 영향이 우세해질 수 있다.
강체 회전과 케플러 회전#
은하의 회전 속도를 이해하기 위해서는 강체 회전과 케플러 회전을 비교할 필요가 있다.
강체 회전#
강체 회전은 물체 전체가 하나의 단단한 덩어리처럼 회전하는 경우이다.
강체 회전에서는 중심으로부터의 거리가 멀어질수록 회전 속도가 빨라진다.
케플러 회전#
케플러 회전은 질량이 중심부에 대부분 모여 있을 때 나타나는 회전이다.
케플러 회전에서는 중심으로부터의 거리가 멀어질수록 회전 속도가 감소한다.
태양계에서 태양으로부터 멀리 떨어진 행성일수록 공전 속도가 느린 것이 대표적인 예이다.
암흑 물질의 증거: 나선 은하의 회전 속도#
나선 은하의 회전 속도는 암흑 물질의 존재를 보여 주는 중요한 증거이다.
은하의 질량이 대부분 중심부에만 집중되어 있다면, 은하 중심에서 멀어질수록 별과 가스의 회전 속도는 느려져야 한다.
이는 케플러 회전에 가까운 형태이다.
하지만 실제 관측 결과, 은하 중심에서 멀리 떨어진 곳에서도 회전 속도는 크게 감소하지 않고 거의 일정하게 나타났다.
이는 빛을 내지 않는 물질이 은하의 외곽까지 넓게 분포하고 있음을 의미한다.
이처럼 관측되는 빛만으로는 설명할 수 없는 중력 효과를 만드는 물질을 암흑 물질이라고 한다.
가속 팽창 우주와 암흑 에너지의 증거#
과거에는 우주에 있는 물질들의 중력 때문에 우주의 팽창 속도가 점차 느려질 것이라고 예상하였다.
하지만 Ia형 초신성의 밝기를 관측한 결과, 먼 초신성은 예상보다 어둡게 관측되었다.
이는 우주가 과거보다 현재 더 빠르게 팽창하고 있다는 뜻으로 해석된다.
즉, 현재 우주는 감속 팽창이 아니라 가속 팽창을 하고 있다고 볼 수 있다.
이 가속 팽창을 설명하기 위해 암흑 에너지 개념이 도입되었다.
Ia형 초신성과 우주의 가속 팽창#
Ia형 초신성은 밝기가 비교적 일정하게 나타나는 천체이다.
따라서 Ia형 초신성은 먼 은하까지의 거리를 측정하는 표준 광원으로 사용될 수 있다.
Ia형 초신성의 겉보기 밝기를 이용하면 초신성까지의 거리를 추정할 수 있다.
이 거리와 적색 편이를 비교하면 우주의 팽창 속도가 시간에 따라 어떻게 변했는지 알 수 있다.
관측 결과는 우주가 가속 팽창하는 평탄 우주 모형에 잘 부합하였다.
따라서 Ia형 초신성 관측은 암흑 에너지의 존재를 뒷받침하는 중요한 증거로 여겨진다.
정리#
기존의 빅뱅 우주론만으로는 지평선 문제와 평탄성 문제를 설명하기 어렵다.
급팽창 우주론은 우주 탄생 직후 매우 짧은 시간 동안 우주가 급격히 팽창했다고 설명한다.
이를 통해 우주 배경 복사의 온도가 거의 균일한 이유와 현재 우주가 거의 평탄하게 관측되는 이유를 설명할 수 있다.
현재 우주는 보통 물질, 암흑 물질, 암흑 에너지로 구성되어 있다고 추정된다.
암흑 물질은 은하의 회전 속도 등을 통해 존재를 추정할 수 있고, 암흑 에너지는 Ia형 초신성 관측을 통한 우주의 가속 팽창으로부터 그 존재를 추정할 수 있다.