외부 은하와 우주 팽창_허블 법칙과 우주론

 

2. 허블 법칙과 우주론

(1) 외부 은하의 관측

① 외부 은하의 스펙트럼 관측 : 멀리 있는 외부 은하들의 스펙트럼을 관측하면 대부분 흡수선들의 위치가 원래 위치보다 파장이 긴 적색 쪽으로 이동하는 적색 편이가 나타난다.

▶ 적색 편이는 외부 은하가 우리은하로부터 멀어질 때 나타난다.

 

② 외부 은하의 스펙트럼 관측과 후퇴 속도 :

외부 은하의 후퇴 속도(υ)와 흡수선의 파장 변화량(Δλ=관측파장－원래 파장)사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다.

 

υ = c x (Δλ/λ) ( c : 빛의 속도, λ : 원래의 흡수선 파장, Δλ : 흡수선의 파장 변화량)

 

(2) 허블 법칙과 우주 팽창 :

허블은 거리가 알려진 외부 은하들의 적색 편이를 측정하여 은하들의 후퇴 속도와 거리와의 관계를 조사한 결과 은하들의 후퇴 속도가(υ)가 거리(r)에 비례한다는 사실을 알아냈으며, 이 관계를 허블 법칙이라고 한다.

▶ υ = H · r ( H : 허블 상수 )

 

※ 허블 상수(H)

은하까지의 거리와 후퇴 속도가 비례한다는 것을 알려주는 상수로 약 68km/s/Mpc이다.

 

① 외부 은하의 거리와 후퇴 속도의 관계식에서 허블 상수(H)는 1Mpc당 우주가 팽창하는 속도(km/s)를 나타내는 값이다.

 

② 우주의 나이(t) : 우주가 일정한 속도로 팽창한 것으로 가정할 때 허블 법칙으로부터 우주의 나이는

t = r/υ = r/H·r = 1/H 로 구할 수 있다. 현재 우주의 나이는 약 138억 년으로 추정하고 있다.

 

③ 관측 가능한 우주의 크기 : 우주의 크기 (r) = c/H ( c : 빛의 속도 ) 

▶ 우주의 크기는 빛의 속도로 멀어지는 은하까지의 거리에 해당한다.

 

④ 멀리 있는 은하일수록 빠르게 멀어지는 현상은 우주가 팽창한다는 것을 의미한다.

 

※ 우주의 중심

은하들이 서로 멀어지는 우주에서는 어떤 은하에서 보더라도 은하들 사이의 거리가 멀어지는 것으로 나타나기 때문에 특정한 점으로 우주의 중심을 정할 수 없다.

 

※ 등방성

우주를 관측할 때 방향에 따라 물질의 물리적 특성이 변하지 않는 성질이다.

 

 

(3) 빅뱅 우주론(대폭발 우주론)

① 빅뱅 우주론 : 우주의 모든 물질과 에너지가 매우 작고 뜨거운 한 점에 모여 있다가 대폭발이 일어난 후 팽창하면서 냉각되어 현재와 같은 우주가 생성되었다는 이론이다.

 

② 빅뱅 우주론은 우주의 물질이 균일하고 등방적으로 분포하고 있다는 우주론의 원리와 중력의 원리를 설명하는 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 기반하고 있다.

 

구분	빅뱅 우주론	정상 우주론
우주의 팽창 여부	팽창	팽창
우주의 질량	일정	증가
우주의 밀도	감소	일정
우주의 온도	감소	일정
특징	온도와 밀도가 매우 높은 산 점에서 대폭발이 일어난 후 점차 팽창한다.	우주가 팽창하면서 생겨난 빈 공간을 같은 밀도로 채우기 위해 새로운 물질이 계속 만들어진다.

 

(4) 빅뱅 우주론의 근거 :

우주가 팽창한다는 사실은 과거에는 우주의 크기가 매우 작고 뜨거웠다는 사실을 암시하기 때문에 빅뱅 우주론의 가정과 잘 들어맞는다.

① 가벼운 원소의 비율 : 빅뱅 우주론에 따르면 초기 우주는 매우 뜨거워 빅뱅 약 1초 후 우주의 온도는 약 100억 K에 달했으며 양성자, 전자, 중성자 등의 입자들이 모두 뒤엉켜 있었다. 이후 우주가 식으면서 중성자는 양성자와 결합해 중수소가 되었다. 이렇게 만들어진 중수소의 대부분은 빅뱅 이후 처음 약 3분 동안에 헬륨핵으로 합성되었고 소량의 리튬도 만들어졌다.

▶ 빅뱅 우주론에 따르면 우주를 구성하는 물질(암흑 물질을 제외한 보통 물질)의 약 24%가 헬륨으로 이루어져야 수소와 헬륨의 질량비가 약 3 : 1이 되는데, 이 예측은 관측 결과와 잘 들어맞는다.

 

※ 증수소

수소의 동위 원소 중 하나로, 원자핵이 양성자 1개와 중성자 1개로 구성된 원소이다.

 

② 우주 배경 복사

• 빅뱅 우주론에 따르면 우주는 초기에 매우 뜨거운 상태였기 때문에 원자핵과 전자가 결합하지 않은 상태로 뒤엉켜 있었다. ▶ 불투명한 우주
• 빅뱅 후 약 28만 년이 지났을 때 우주는 충분히 식어서 원자핵과 전자가 결합해 중성 원자가 만들어지면서 투명해졌다. 이와 함께 복사와 물질이 분리되기 시작했고, 복사가 우주를 자유롭게 돌아다니기 시작하였다. ▶ 투명한 우주
• 우주 배경 복사는 우주의 온도가 약 3000 K일 때 방출되었던 복사로, 우주가 팽창하는 동안 온도가 낮아지고 파장이 기렁져 현재는 약 2.7 K 복사로 관측되고 있다.
• 1964년 미국의 펜지어스와 윌슨은 통신 위성용 전파 망원경으로 우연히 하늘의 모든 방향에서 같은 세기로 나타나는 7.3cm 파장의 전파를 발견하였는데, 이것이 곧 빅뱅 우주론에서 예상하던 우주 배경 복사임이 밝혀졌다.

※ 우주 배경 복사

우주 온도가 약 3000 K일 때 방출된 복사로, 우주가 팽창하는 동안 파장이 길어져 현재는 온도가 약 2.7K인 복사로 관측된다.