외부 은하와 우주 팽창_암흑 물질과 암흑 에너지

(5) 빅뱅 우주론의 한계와 급팽창 우주론

① 빅뱅 우주론의 문제점

• 우주의 평탄성 문제 : 현재 관측 결과 우주느 완벽할 정도로 평타하지만 빅뱅 우주론에서는 그 이유를 설명하지 못하였다.
• 우주의 지평선 문제 : 현재 관측 결과 우주의 모든 영역에서 물질이나 우주 배경 복사가 거의 균일한데 이는 멀리 떨어진 두 지역이 과거에는 정보 교환이 있었다는 것을 의미한다. 그러나 빅뱅 우주론에서는 빛이 이동할 수 있는 시간보다 우주의 나이가 더 적기 때문에 이를 설명하지 못하였다.
• 우주의 자기 홀극 문제 : 빅뱅 우주론에 따르면 현재 우주에는 초기 우주 때 생성된 자기 홀극이 많이 존재하야 한다. 하지만 다양한 실험을 통해 자기 홀극을 발견하기 위해 노력하였으나 지금까지 발견되지 않았다.

※ 자기 홀극

일반적인 자석에는 언제나 N극과 S극이 함께 존재하는데, 이론상 독립적으로 존재하는 N극과 S극을 말한다.

 

②급팽창 우주론(인플레이션 이론) : 빅뱅 이후 우주가 급격히 팽창했다는 이론으로, 빅뱅 우주론에서 설명할 수 없었던 여러 문제들을 해결할 수 있었다.

• 우주가 전체적으로 곡률을 가지고 있더라도 우주 생성 초기에 급격히 팽창하여 공간의 크기가 매우 커지게 되면 관측되는 우주의 영역은 평탄하게 보이게 된다고 주장함으로써 우주의 평탄성 문제를 설명하였다.
• 우주 생성 초기에 우주가 급팽창하였기 때문에 팽창이 일어나기 이전에 가까이 있었던 두 지역은 서로 정보를 교환할 수 있었닥 주장함으로써 우주의 지평선 문제를 설명하였다.
• 우주가 생성 초기에 급격히 팽창하였기 때문에 자기 홀극의 밀도는 관측 가능량 미만으로 회박해졌다고 주장함으로써 우주의 자기 홀극 문제를 해결하였다.

(6) 우주의 가속 팽창

① 1990년대 이후 Ia형 초신성을 외부 은하의 거리를 측정하는 도구로 활용하면서 우주의 거리를 이전보다 훨씬 멀리까지 그리고 정확하게 측정할 수 있게 되었다.

 

② Ia형 초신성은 백색 왜성이 주변의 별로부터 물질을 끌어들여 백색 왜성이 가질 수 있는 질량의 한계를 넘어설 때 중력을 이기지 못하고 붕괴하면서 폭발하는 초신성이다.

 

③ Ia형 초신성은 매우 밝으며, 일정한 질량에서 폭발하기 때문에 절대 등급이 일정해 멀리 있는 외부 은하의 거리 측정에 이용되며, 거리에 따른 겉보기 등급을 분석하여 과거 우주의 팽창 속도를 알아낼 수있다.

 

④ 우주를 구성하는 물질의 인력 때문에 시간에 따라 우주의 팽창 속도가 감소할 것이라고 예상해 왔지만, 1998년 수십 개의 Ia형 초신성 관측 자료를 분석한 결과 우주의 팽창 속도가 점점 증가하고 있다는 것을 알아냈다.

 

※ 백색 왜성

태양 정도의 질량을 가지는 별의 마지막 단계로, 외과 물질을 방출하여 행성상 성운이 생성되고 남은 부분이 핵융합 반응 없이 서서히 식어가는 천체이다.

 

 

3. 암흑 물질과 암흑 에너지

최근 정밀한 결과 우주 배경 복사에 나타난 미세하게 불균일한 정도를 자세히 분석하면 급팽창 시기의 우주의 불균일한 정도를 알아낼 수 있다. 또한 이 불균일함의 변화로 시간에 따른 우주의 변화를 추정해 볼 수 있으며, 이를 통해 우주의 구성 물질, 우주의 팽창 속도, 우주 공간의 기하학적 모양 등을 밝혀낼 수 있다.

 

(1) 암흑 물질 :

전자기파로 관측되지 않아 우리 눈에 보이지 않기 때문에 중력적인 방법으로만 존재를 추정할 수 있는 물질이다.

 

(2) 암흑 에너지

① 우주의 모든 물질들 사이에는 인력이 작용하므로 만약 우주를 팽창시키는 어떤 에너지가 없다면 우주는 물질들의 인력에 의해 팽창 속도가 감소하거나 수축할 것이다.

 

② 최근의 관측 결과 현재 우주는 팽창 속도가 계속 증가하는 것으로 밝혀졌다. 이것은 우주 안에 있는 물질들의 인력을 합친 것보다 더 큰 어떤 힘이 우주를 팽창시키고 있음을 의미한다. 과학자들은 이 힘을 발생시키는 에너지를 암흑 에너지라고 하는데, 암흑 에너지는 우주에 널리 퍼져 있으며 척력으로 작용해 우주를 가속 팽창시키는 역할을 하는 것으로 추정하고 있다.

 

※ 암흑 에너지

우주는 우주에 존재하는 물질들에 의해 인력이 작용함에도 불구하고 팽창 속도가 증가하고 있다. 이와 같이 우주의 팽창 속도를 증가시키는 에너지를 암흑 에너지라고 한다.

 

(3) 우주의 구성

① 최근 초신성이나 우주 배경 복사를 플랑크 망원경으로 관측한 결과 과학자들은 약 4.9%의 보통 물질과 약 26.8%의 암흑 물질, 약 68.3%의 암흑 에너지가 우주를 구성하고 있다고 추정하고 있다.

 

② 과학자들은 현재 우주는 평탄하지만 많은 양의 암흑 에너지가 우주를 가속 팽창시키기 때문에 우주는 영원히 팽창할 것이라고 예측하고 있다. 그러나 암흑 물질과 암흑 에너지에 대한 더 많은 이해가 가능해질 때 우주의 정확한 모습이 밝혀질 것이다.

 

(4) 우주의 미래 :

우주가 영원히 팽차할지, 팽창을 멈추게 될지는 우주 내부에 있는 물질과 에너지양에 의해 결정된다.

① 임계 밀도 : 평탄 우주의 밀도이다.

② 우주의 미래 모형

열린 우주	우주의 평균 밀도가 임계 밀도보다 작고, 곡륙이 음(－)인 우주이다.
닫힌 우주	우주의 평균 밀도가 임계 밀도보다 크고, 곡률이 양(＋)인 우주이다.
평탄 우주	우주의 평균 밀도가 임계 밀도와 같고, 곡률이 0인 우주이다.

③ 우주의 미래 모형에 따른 팽창 속도

• 과학자들은 최근의 관측 자료를 근거로 현재의 우주는 평탄하지만 팽창 속도가 점점 증가하는 것으로 보고 있으며, 이처럼 우주의 팽창 속도가 증가하는 것은 척력으로 작용하는 암흑 에너지 때문인 것으로 설명하고 있다.
• 현재 우주는 최근에 관측한 결과 분석하여 팽창 속도가 점점 증가하는 가속 팽창 우주임이 밝혀졌다. 도한 우주의 크기가 0이 되는 점이 대폭발이 일어난 시점이므로 현재부터 이점까지의 시간으로 우주의 나이를 추정할 수 있다. 따라서 우주의 나이는 가속 팽창 우주 모형으로 추정한 값이 평탄 우주 모형으로 추정한 값보다 많다.

※ 우주의 미래

• 평탄 우주 : 우주의 평균 밀도가 임계 밀도와 같을 때 팽창 속도가 점점 감소하면서 영원히 팽차하는 우주 모형이다.
• 열린 우주 : 우주의 평균 밀도가 임계 밀도보다 작을 때 영원히 팽창하는 우주 모형이다.
• 닫힌 우주 : 우주의 평균 밀도가 임계 밀도보다 클 대 팽창 속도가 계속 감소하다가 결국은 수축하여 크기가 다시 감소하는 우주 모형이다.

※ 가속 팽창 우주와 평탄 우주

가속 팽창 우즈는 팽창 속도가 점점 증가하면서 계속 팽창하고, 평탄 우주는 팽창 속도는 점점 감소 하지만 조금씩 계속 팽창한다.