우주를 확장하다: 우주가 점점 커지고 있다는 것을 아는 방법
1. 움직이는 우주
언뜻 보기에는 밤하늘이 고정된 별자리에서 반짝이는 별, 희미하고 먼 은하 등 정적으로 보일 수 있습니다. 하지만 실제로 우주는 가만히 있는 것이 아니라 팽창하고 있습니다. 그리고 천천히가 아니라 가속하고 있습니다. 이 우주 팽창은 현대 천문학에서 가장 중요한 발견 중 하나이며 우주에 대한 우리의 이해에 혁명을 일으킨 발견 중 하나입니다. 하지만 우주가 팽창하고 있다는 것을 어떻게 알 수 있을까요? 이 심오한 아이디어를 뒷받침하는 증거는 무엇일까요? 그리고 그것이 우리가 알고 있는 모든 것의 운명에 어떤 의미가 있을까요?
2. 에드윈 허블과 적색편이의 발견
이 이야기는 1920년대에 우주가 팽창하고 있다는 증거를 처음 제시한 미국 천문학자 에드윈 허블과 함께 시작됩니다. 허블은 마운트 윌슨 천문대의 100인치 후커 망원경을 사용하여 먼 은하를 관측하고 그들의 빛 스펙트럼을 측정했습니다. 허블이 발견한 것은 거의 모든 은하가 스펙트럼의 빨간색 끝으로 이동하여 현재 적색편이로 알려진 현상이라는 획기적인 사실이었습니다. 이 적색편이는 이 은하들이 우리로부터 멀어지고 있다는 것을 의미했습니다. 더 중요한 것은 허블이 은하가 멀어질수록 더 빨리 후퇴하는 것처럼 보인다는 사실입니다. 이로 인해 현재 허블의 법칙으로 알려진 은하의 거리와 후퇴 속도 사이의 선형 관계가 밝혀졌습니다. 이는 우주가 정적인 것이 아니라 모든 방향으로 뻗어 있다는 최초의 관측 증거였습니다.
3. 빅뱅 이론
시작이 있는 우주 지금 우주가 팽창하고 있다면 과거에는 우주가 더 작았을 것입니다. 거꾸로 추정하면 모든 물질과 에너지가 극도로 뜨겁고 밀도가 높은 지점, 즉 특이점에 집중되었던 시대로 이어집니다. 이 아이디어는 우주가 약 138억 년 전에 시작되어 그 이후로 팽창하고 있다고 가정하는 빅뱅 이론의 기초를 형성했습니다. 빅뱅은 단순한 폭발에 대한 이론이 아니라 우주 자체가 시간이 지남에 따라 어떻게 팽창했는지 설명하는 모델입니다. 우주 마이크로파 배경 복사, 수소와 헬륨과 같은 가벼운 원소의 풍부함, 우주의 대규모 구조를 설명합니다. 팽창하는 우주의 개념은 빅뱅 모델의 핵심입니다.
4. 팽창 측정
허블 상수 천문학자들은 팽창 속도를 정량화하기 위해 허블 상수(H ₀)라는 값을 사용합니다. 이 숫자는 우주가 거리 단위당 얼마나 빠르게 팽창하고 있는지를 나타내며, 일반적으로 메가파섹당 초당 킬로미터로 표시됩니다. 그러나 현대 우주론의 가장 흥미로운 수수께끼 중 하나는 H ₀을 측정하는 방법에 따라 약간 다른 결과가 나온다는 것입니다. 우주 마이크로파 배경에서의 관측은 한 가지 값을 제안하는 반면, 초신성과 세페이드 변광성을 기반으로 한 국소 측정은 다른 값을 제안합니다. 허블 장력이라고 불리는 이 불일치로 인해 일부 과학자들은 이를 해결하기 위해 새로운 물리학이 필요할 수 있다고 추측하고 있습니다.
5. 우주 가속에서 암흑 에너지의 역할
중력이 시간이 지남에 따라 우주의 팽창을 늦출 것이라고 예상할 수 있습니다. 하지만 1998년, Ia형 초신성을 연구하는 두 독립적인 연구팀은 팽창이 느려지는 것이 아니라 속도가 빨라지고 있다는 사실을 발견했습니다. 이 충격적인 발견은 우주를 밀어내는 신비한 힘, 즉 암흑 에너지의 존재를 암시했습니다. 암흑 에너지는 우주의 약 68%를 차지하는 것으로 알려져 있지만, 우리는 암흑 에너지에 대해 거의 아무것도 알지 못합니다. 암흑 에너지는 우주 자체에 반발력을 일으켜 우주 팽창을 가속화하는 것으로 보입니다. 암흑 에너지가 없다면 우주는 결국 스스로 붕괴할 수도 있습니다. 암흑 에너지가 있다면 우주는 영원히 팽창할 수도 있습니다.
6. 우주의 미래에 대한 함의
이 모든 것이 우주의 장기적인 미래에 어떤 의미가 있을까요? 현재의 추세가 계속되면 은하는 점점 더 멀어질 것입니다. 결국 먼 은하는 관측 가능한 지평선 너머로 이동하여 영원히 도달할 수 없게 될 수 있습니다. 원자재가 소진되면 별 형성은 중단될 것입니다. 수조 년에 걸쳐 우주는 어둡고 춥고 외로운 곳, 즉 물리학자들이 우주의 '열사'라고 부르는 곳이 될 수 있습니다. 또는 암흑 에너지가 시간이 지남에 따라 다르게 작용한다면 원자조차 찢어지는 빅 립을 비롯한 다른 운명도 가능합니다. 팽창하는 우주를 이해하는 것은 학문적인 것뿐만 아니라 우주의 미래를 예측하는 데 필수적입니다.
7. 우주 진리로의 창으로서의 확장
팽창하는 우주는 우리의 직관에 도전하고 상상력을 확장합니다. 우주는 역동적이고 진화하며 우리가 이제 막 이해하기 시작한 힘에 의해 지배되고 있다는 것을 알려줍니다. 에드윈 허블의 망원경부터 오늘날의 심우주 관측소까지 우주 팽창을 이해하기 위해 내딛는 모든 발걸음은 우주의 궁극적인 본질과 그 안에서 우리의 위치를 이해하는 데 더 가까워집니다. 우주가 계속 가속하든 새로운 놀라움을 드러내든 한 가지 확실한 것은 우주가 가만히 서 있지 않는다는 것입니다. 그리고 우주를 이해하려는 우리의 여정도 마찬가지입니다.