인간은 우주가 팽창하고 있다는 것을 어떻게 알았지?
우주가 팽창하고 있다는 사실은 여러 가지 천문학적 관찰과 이론을 통해 알 수 있습니다. 그 중 가장 중요한 것은 '레드시프트'라는 현상과 '코스믹 마이크로웨이브 배경 복사(CMBR)'라는 증거입니다.
레드시프트: 천문학자들은 먼 천체에서 오는 빛의 색상을 분석하여 그 천체가 우리로부터 멀어지고 있는지, 가까워지고 있는지를 알 수 있습니다. 이를 '도플러 효과'라고 하는데, 이는 소리나 빛 등의 파동이 관찰자에게 접근하거나 멀어질 때 그 파장이 변화하는 현상을 말합니다. 천체가 우리로부터 멀어지면 그 천체에서 나오는 빛의 파장이 늘어나고(즉, '레드시프트'되고), 가까워지면 파장이 줄어듭니다(즉, '블루시프트'됩니다). 1929년 에드윈 하블은 먼 은하들이 모두 우리로부터 멀어지고 있음을 발견하였는데, 이는 그 은하들에서 오는 빛이 레드시프트되어 있음을 통해 알 수 있었습니다. 이를 '하블의 법칙'이라고 하며, 이는 우주가 팽창하고 있음을 보여주는 중요한 증거입니다.
코스믹 마이크로웨이브 배경 복사(CMBR): CMBR은 빅뱅 이론을 뒷받침하는 중요한 증거입니다. 이는 우주의 초기 단계에서 방출된 복사 에너지로, 현재까지 우주 곳곳에서 관찰됩니다. CMBR의 분포와 세기를 통해 우주의 팽창 속도와 우주의 나이, 물질과 에너지의 분포 등을 추정할 수 있습니다. 또한, 우주의 팽창은 '인플레이션 이론'과 '다크 에너지'라는 두 가지 중요한 우주론적 개념과도 관련이 있습니다. 인플레이션 이론은 우주의 초기 단계에서 지수적인 팽창이 있었다는 이론으로, CMBR의 관찰 결과와 잘 일치합니다. 다크 에너지는 우주의 팽창을 가속화하는 미지의 에너지로, 현재 우주의 에너지 밀도의 대부분을 차지하며, 이를 통해 우주의 팽창이 가속화되고 있음을 설명하고 있습니다. 이렇게 여러 천문학적 증거와 이론을 통해 우리는 우주가 팽창하고 있다는 사실을 알 수 있습니다. 이는 우리가 우주와 그 기원에 대해 이해하는 데 있어 핵심적인 개념입니다.
도플러 효과는 소리나 빛과 같은 파동이 움직이는 출처로부터 관찰자에게 도달할 때, 그 출처의 움직임에 따라 파동의 주파수가 변화하는 현상을 말합니다. 이를 좀 더 이해하기 쉽게 설명해 보겠습니다.
소리의 도플러 효과: 경적을 울리며 달리는 소방차를 생각해 보세요. 소방차가 당신에게 접근하면서 경적 소리는 높아집니다. 그러나 소방차가 당신을 지나쳐 멀어질 때는 경적 소리가 낮아집니다. 이는 소방차의 움직임이 소리의 주파수를 변경시키기 때문입니다. 이처럼 소리의 주파수가 변하는 현상을 '소리의 도플러 효과'라고 합니다.
빛의 도플러 효과: 이와 유사하게, 빛도 도플러 효과에 따라 변화합니다. 별이나 은하 등이 우리에게 접근하면 그 빛의 주파수는 높아져서 '블루시프트'되며, 멀어지면 주파수는 낮아져서 '레드시프트'됩니다. 이는 우주의 팽창을 관찰하는 데 중요한 도구로 사용됩니다. 도플러 효과는 파동의 속성과 움직이는 객체의 상대적인 움직임을 이해하는 데 도움이 되며, 천문학, 물리학, 의학 등 다양한 분야에서 활용됩니다.
하블의 법칙은 우리 우주가 팽창하고 있다는 사실을 천문학적으로 증명한 법칙입니다. 이 법칙은 1929년에 에드윈 하블이 제안하였는데, 그의 이름을 따서 하블의 법칙이라고 부릅니다. 하블의 법칙은 간단히 말하면 "우리로부터 멀리 떨어져 있는 은하일수록 그 은하가 우리로부터 더 빠르게 멀어져간다"는 내용을 담고 있습니다. 이는 은하들이 우주 공간 자체가 팽창하고 있기 때문에 우리로부터 멀어지는 것이며, 이를 통해 우리 우주가 팽창하고 있다는 것을 알 수 있습니다. 하블의 법칙을 이해하는 데 도움이 되는 예시는 '점찍힌 풍선'입니다. 풍선을 불어서 팽창시키면 풍선 표면의 각 점들이 서로로부터 멀어집니다. 이 때, 가까이 있는 점들은 천천히 멀어지지만, 멀리 있는 점들은 더 빠르게 멀어집니다. 이는 풍선 표면이 팽창하고 있기 때문이며, 우주의 팽창도 이와 같은 원리로 이해할 수 있습니다. 하블의 법칙은 우주의 팽창 속도를 측정하는 하블 상수를 정의하는 데도 사용됩니다. 하블 상수는 현재 약 70 킬로미터/초/메가파섹으로 측정되며, 이는 1 메가파섹 떨어진 거리의 은하가 초당 70킬로미터의 속도로 우리로부터 멀어진다는 것을 의미합니다. 이렇게 하블의 법칙은 우주의 팽창을 이해하고, 그 팽창 속도를 측정하는 데 중요한 역할을 합니다.
빅뱅 이론은 우리 우주의 탄생과 팽창에 대한 가장 널리 받아들여지는 설명입니다. 이 이론은 약 138억 년 전에 모든 물질과 공간, 시간이 한 점에서 폭발적으로 팽창하기 시작한 것으로 우주가 시작되었다는 주장입니다. 이 '한 점'을 '특이점(singularity)'라고 부르며, 이것이 '빅뱅'이라 불리는 이벤트입니다.
초기 우주: 빅뱅 이후 초반의 우주는 뜨겁고 밀도가 높은 상태였습니다. 이 때 우주는 빠르게 팽창하면서 냉각되었고, 이 과정에서 기본적인 입자들이 생성되었습니다. 이 입자들은 후에 원자를 형성하는 데 사용되었습니다.
원자의 생성: 우주가 더욱 냉각되면서, 입자들은 전자와 양성자로 결합하여 수소와 헬륨 같은 가장 간단한 원자를 형성하였습니다. 이 시점부터 우주는 투명해지기 시작했고, 이 때 생성된 빛이 현재까지 우주 곳곳에서 관찰되는 코스믹 마이크로웨이브 배경 복사(CMBR)입니다.
은하의 형성: 수억 년이 지난 후, 원자들은 중력의 작용으로 모여 별과 은하를 형성하였습니다. 이렇게 형성된 별들이 핵융합을 통해 더 무거운 원소를 생성하면서, 우리가 오늘날 보는 다양한 원소와 복잡한 구조를 가진 우주가 형성되었습니다.
빅뱅 이론은 다양한 천문학적 증거, 예를 들어 레드시프트, CMBR, 원소의 비율 등을 통해 입증되었습니다. 이 이론은 우리가 우주와 그 기원에 대해 이해하는 데 있어 가장 중요한 이론 중 하나입니다.
우주가 팽창하고 있다는 것은 대규모 구조, 즉 은하단이나 은하 군집 사이의 거리가 점차 멀어지고 있다는 뜻
그러나 지구와 달, 지구와 태양 사이의 거리는 우주의 팽창에 영향을 받지 않습니다. 왜냐하면 그들 사이의 거리는 중력에 의해 결정되며, 이 중력은 우주의 팽창을 상쇄시키기에 충분하게 강하기 때문입니다. 그러나, 지구와 달의 거리는 매우 미세하게지만 점차 멀어지고 있습니다. 이는 달의 중력에 의해 지구의 회전이 점차 느려지고, 이에 따라 보존되어야 하는 모멘텀의 균형을 맞추기 위해 달이 점차 멀어지는 현상, 즉 '조석 효과' 때문입니다. 하지만 이는 매년 약 3.8cm 정도로 매우 미세한 변화입니다. 지구와 태양 사이의 거리는 대체로 일정하게 유지되지만, 지구의 공전 궤도가 완전히 원형이 아니라 타원형이기 때문에, 일 년 동안에 따라 약간씩 변화합니다. 그러나 이 변화는 매우 일정하고 예측 가능하며, 우주의 팽창과는 무관합니다.