적색편이로 알아낸 팽창하는 우주

안녕하세요. 

천문학과 물리학 이야기입니다. 

스티븐 호킹 박사의 "그림으로 보는 시간의 역사"책을 읽으며 내용을 포스팅 하고 있습니다.  원제목은 "The illustrated a brief history of time" 입니다.

오늘의 주제는 팽창하는 우주입니다. 

은하수(Milky way)

밤에 빛나는 별들은 도처에 퍼져 있는것 처럼 보입니다.  하지만 띠를 이루어 집중되어 있는 곳이 있습니다. 이를 우리는 은하수라고 부릅니다. 

은하수가 띠처럼 보이는 것은 대부분의 관측 가능한 별들이 하나의 원반과 같은 형태로 배치기 되어 있기 때문입니다. 

월리엄 허셜은 엄청난 수의 별들의 위치와 거리를 목록으로 작성하면서 이 사실을 우리에게 밝혀 주었습니다. 사실 이런 우주상이 받아들어진 것은 최근의 일입니다.

 1924년 미국의 천문학자인 허블은 우주에는 우리 은하이외에도 수많은 은하가 존재하며 은하 사이들에는 엄청난 면적의 빈 공간이 있음을 증명하였습니다. 

별의 겉보기 밝기는 별의 실제 광도와 거리에 의해서 결정됩니다. 우리는 별의 겉보기 밝기와 거리를 알 수 있음으로 별의 광도를 계산할 수 있게 됩니다.  

거꾸로 별들의 광도를 알고 겉보기 광도를 안다면 거리를 측정할 수도 있지요.  이런 특성들을 이용해 허블은 아홉 개의 다른 은하들의 거리를 측정했습니다. 

 

우리가 사는 은하 

우리가 사는 은하는 직경이 10만 광년입니다. 느린 속도로 회전하고 있고 나선의 팔을 이루고 있습니다. 

나선에 있는 별들은 수억 년에 한 번정도 우리 은하의 중심을 회전합니다. 

우리가 살고 있는 태양은 은하의 나선팔의 안쪽 가장자리 근처에 있는 아주 평범한 보통 크기의 노란색 별입니다.  우리는 결코 우주의 중심이 아니지요. 

도플러 효과에 의한 적색편이로 알아낸 팽창하는 우주  

우리가 별들을 관찰할 수 있는 거의 유일한 특성은 별빛의 색입니다. 별들로 부터 방출되는 빛의 스펙트럼을 분석해서 그 별의 온도도 알 수 있고 그 별의 대기에 어떤 원소들이 있는지도 정확히 알 수 있습니다. 

천문학자들은 다른 은하의 별빛 스펙트럼을 분석하다가 하나의 사실을 알아 냈습니다. 우리 은하의 별들처럼 특정 색들이 빠져 있었는데요. 붉은색 끝이 상대적으로 동일한 양만큼 편이가 되어 있었던 것입니다. 

가시광선은 전자기장 속의 파동으로 이루어 집니다. 빛의 파동의 주기는 극히 짧습니다. 여러가지 빛의 파장이 사람의 눈에 여러가지 색으로 보이게 합니다. 

일정한 거리를 유지하는 광원이 있다고 하면 여기서는 일정한 파장의 빛의 파동이 발생될 것입니다. 광원이 가까워지면 빛의 파장은 줄어들고, 반대로 멀어지면 파장은 길어지게 됩니다. 

따라서 별들이 우리로부터 멀어지면 우리가 받는 빛의 스펙트럼의 적색 끝 부분으로 이동하는 적색편이가 나타나게 됩니다. 반대로 다가오는 별들의 스펙트럼은 청색편이가 될 것입니다. 

이런 파장과 속도 사이의 관계를 우리는 도플러 효과라고 부릅니다.  예를들면 자동차가 우리에게 다가올 때에는 엔진의 음조가 높아집니다. 이는 음파의 파장이 짧아지고 진동수가 높아지기 때문입니다. 반대로 자동차가 멀어지면 엔진의 음조는 낮아집니다. 

경찰들은 차량이 속도를 측정할 때 이런 도플러 효과를 이용하여 차량에서 반사되어 되돌아 오는 전파 펄스의 파장을 측정합니다. 

대단히 놀랍게도 대부분의 은하들은 적색편이가 발생했습니다. 거의 모든 은하들이 우리로부터 멀어지고 있는 것입니다. 

허블은 1929년에 적색편이의 크기가 거리에 정비례한다는 것을 발표했습니다. 즉 은하가 더 멀리 있을수록 더 빠른 속도로 멀어진다는 것입니다. 

이는 결국 우주가 팽창하고 있다는 것을 알려 주었습니다. 은하들 사이의 거리는 항상 늘어나고 있는 것입니다. 

우주가 팽창한다는 사실의 발견은 20세기에 이루어진 위대한 지적혁명입니다. 

 

러시아의 수학자이자 물리학자인 알렉산드르 프리드만은 우주에 대해서 아주 간단한 가정 2가지를 했습니다. 

하나는 우주가 어느 방향에서 똑같은 모습을 하고 있다는 것이고 또하나는 우주 공간의 어는 곳에서 우주를 관측한다 해도 같은 모습을 볼 수 있으리나는 가정입니다. 

이러한 생각으로 프리드만은 우주가 정적이라고 기대할 수 없음을 입증했습니다. 그리고 이를 에드윈 허블이 수년 후에 발견해낸 것입니다. 

우주가 모든 방향에서 같은 모습으로 보인다는 것은 전혀 사실이 아닙니다. 은하는 밤하늘을 가로지는 뚜렷한 빛의 띠를 가지고 있는 것처럼 말이지요.