우주는 왜 끊임없이 팽창하는가?(Feat. 아인슈타인의 실수)

안녕하세요~ 흥미롭고 재미있는 과학의 흥. 재. 과입니다!

 

지금은 우주가 끊임없이 팽창한다는 사실이 당연한 상식으로 받아들여지지만.

20세기 초반까지만 해도 과학자들은 우주가 팽창속도를 늦추며

점차 수축하는 방향으로 갈 거라 믿었는데요.

 

하지만 천문학자들의 관측한 데이터는 기존의 예측과 정반대였습니다.

먼 우주에서 폭발한 초신성으로 인해 우주의 본질과 구성요소들을 바꿔 놓았는데요.

 

1929년 에드원 허블이 망원경으로 은하들 사이의 거리를 분석하여 제시된 우주 팽창론이

70년이 지난 후에 정설로서 자리 잡게 된 것이죠.

 

오늘은 빅뱅 이후의 우주와 초신성과의 관계, 그리고 암흑에너지까지 알아보도록 하겠습니다!

 

우주의 팽창

 

1. 초신성(Supernova)

초신성은 별이 일생의 마지막 단계에서 폭발하며 엄청난 에너지를 방출하는 현상인데요!

순간적으로 은하 전체보다 더 밝은 빛을 발산하기도 하기에 천문학적으로 극적인 현상 중 하나입니다.

초신성은 발생 원인에 따라  Ia, Ib, Ic, II 등 외에도 세부적으로 몇 가지 유형으로 나뉘는데

그중  Ia형 초신성이 가진 특성은 표준 광원으로서 우주의 거리와 팽창 속도를 측정하는데 가장 이상적입니다.

 

※ Ia형 초신성의 특성 : 최고 광도가 일정하며 거의 동일한 절대 밝기를 가지기에 겉보기 밝기와 비교하여 거리 계산

 

초신성이 발산하는 빛의 겉보기 밝기를 측정한 뒤 절대 밝기(-19.3)를 식에 대입하면 거리가 나오게 되는데요.

여기서 빛이 멀어질수록 빛의 파장이 길어져 붉은색을 내는 적색 편이 현상을 이용해 은하가 멀어지는 속도를 구할 수 있었고,

1998년 세 명의 천문학자(솔 파마터, 브라이언 슈미트, 애덤 리스)는 우주의 공간 자체가 팽창하고 있다는 사실을 밝혀냈습니다.

이 세 명의 천문학자들은 우주 팽창을 발견한 공로가 인정되어 2011년 노벨 물리학상을 수상하기도 하였죠.

 

우주의 시작 : 빅뱅 - 2(인플레이션 빅뱅)

우주의 시작 : 빅뱅 - 2(인플레이션 빅뱅)

 

 

초신성 폭발

 

2. 암흑에너지

우주는 팽창하고 있다는 사실을 관측을 통해서 알아냈지만 그 이유에 대해서는 아직까지도 명확하지 않은데요.

물질은 중력을 가지고 있기에 팽창하던 우주도 결국 은하의 중력에 의해 수축하는 것이 일반적인 생각입니다.

 

그렇다면 왜 우주는 지금도 끊임없이 팽창하고 있는 것일까요?

 

현대과학에서는 암흑에너지의 개념을 도입해 이를 설명하고 있는데요,

우주의 약 68%를 차지하고 있는 암흑에너지는 우주를 가속 팽창하게 만들어주는데요.

Ia형 초신성의 겉보기 밝기와 절대 밝기를 이용한 거리 측정 결괏값보다 더 멀리 떨어져 있다는 사실이 밝혀지면서,

단순히 우주가 팽창하는 것이 아닌 가속 팽창하는 것이 밝혀졌습니다.

이 원인을 설명하기 위해 암흑에너지가 도입된 것이죠.

 

즉, 우주는 물질로만 가득 찬 것이 아니며, 입자도 빛에너지도 아닌 우주를 가속 팽창시키는 에너지로 가득 차있습니다

 

우리는 우주의 단 5%밖에 알지 못한다 : 암흑물질과 암흑에너지

우리는 우주의 단 5%밖에 알지 못한다 : 암흑물질과 암흑에너지

 

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3. 아인슈타인의 우주 상수

1917년 아인슈타인의 논문에서 처음 등장한 "우주 상수"는 일반 상대성이론을 우주 전체에 적용하기 위해 도입했는데요!

당시 천문학계는 관측 장비의 한계로 인해 우주가 정적이고 불변하다 믿었고 이를 정상 우주라고 합니다.

아인슈타인의 일반 상대성이론은 이런 정상 우주를 설명하지 못했는데요!

하여 아인슈타인은 우주상수(Λ)를 도입하여 우주가 팽창/수축하지 않고 안정된 상태를 유지할 수 있도록 했습니다.

 

하지만 1929년, 에드윈 허블은 직접 40여 개의 외부 은하를 직접 관찰하여 대부분의 은하가 우리 은하에서 멀어지고 있었고,

심지어 멀리 있는 은하일수록 더욱 빠르게 멀어지고 있다는 사실을 밝혀냈습니다!

결국 아인슈타인은 이를 받아들이고 정상 우주라는 가정을 고수하기 위해 인위적으로 우주 상수를 추가한 것을 후회했는데요

이를 두고 아인슈타인은 자신의 최대의 실수(Greatest Blunder)로 표현하기도 하였습니다.

 

이후 약 100년이 지난 지금, 정말 아인슈타인의 우주 상수는 최대의 실수였을까요?

 

물리학계에서 오랫동안 폐기된 우주 상수는 미지의 암흑에너지를 간단하게 설명할 수 있게 되어 다시 재조명받았는데요!

물론 아인슈타인이 도입했던 우주 상수와 현대 우주의 표준모델에 도입된 우주상수는 다른 값을 가지지만,

우주를 이해하기 위해 우주 상수를 도입했다는 것은 아인슈타인의 수많은 도전의 결과물이라고 생각합니다.

이 도전의 결과물이 100년이 지난 지금 다시 재해석되어 가속 팽창을 설명하는 핵심 요소로 재탄생하게 된 셈입니다!

 

아인슈타인의 우주 상수는 단순한 오류로 남지 않았습니다.
우주에 대한 이해, 관측 기술, 이론의 발전 등이 어떻게 심화되었는지를 보여주며,
오늘날 우리가 우주를 연구하는데 필수적인 개념으로 자리 잡았습니다.

우주의 암흑에너지

 

2011년 노벨 물리학상 수상 이후 아직까지도

Ia형 초신성의 절대 밝기에 대한 의혹이 있고 명확이 밝혀지지 않았습니다.

과학이 발달하고 노벨상을 받았다고 해서 반드시 진리가 아니며,

아인슈타인이 그랬던 것처럼 끊임없는 검증을 통해 발전된다는 것을 다시금 느끼게 해 주는데요!

앞으로도 이러한 과정을 통해 우주에 대한 새로운 발견이 기대됩니다!

 

이상 흥. 재. 과였습니다!