에너지로 똘똘 뭉친 우주와 크기 및 우주관과 미래

우주

모든 물질과 모든 빛, 여러 가지 형태의 복사, 에너지로 이루어진 공간입니다. 우주는 시간과 공간에 존재하는 모든 것을 포함합니다. 우주에는 지구와 지구 위에 있는 모든 것, 지구 속에 있는 모든 것이 포함되며, 태양계에 있는 태양을 비롯한 8개의 행성과 혜성, 소행성, 유성체 등도 포함됩니다. 태양을 비롯한 모든 별은 우주의 일부입니다. 일부 항성들은 주위에 행성들을 거느리고 있습니다. 행성, 항성, 그 밖의 천체들에 더하여 기체, 먼지, 자기장, 우주선이 우주에 포함됩니다. 별들은 모여서 은하를 이룹니다. 태양은 수천 억 개의 항성을 가진 거대 나선은하인 우리 은하의 일원입니다. 우리 은하의 지름은 약 10만 광년입니다. 은하들은 무리를 지어 은하단을 이룹니다. 그리고 은하단들이 모여 초은하단을 이루기도 합니다. 우리 은하는 국부 은하군이라고 부르는 은하단의 일원입니다. 이 은하단의 지름은 300만 광년입니다. 국부 은하단에는 우리 은하 외에 안드로메다 은하와 산각형자리 은하가 있고, 그 밖에 난쟁이 은하라고 부르는 30여 개의 작은 은하가 포함됩니다. 국부 은하군은 지름이 1억 광년에 이르는 국부초은하단의 일부입니다. 더욱더 큰 규모로 보면 은하들은 필라멘트라고 부르는 거대한 그물 구조로 존재합니다. 이 필라멘트를 둘러싼 공간의 빈 영역을 공동이라고 합니다.

 

 

 

우주의 크기

우주가 무한한지, 아니면 유한한 크기를 가지는지에 대해서는 아무도 확신하지 못합니다. 광학망원경으로 하늘을 관측해 보면, 관측할 수 있는 우주에는 적어도 1000억 개의 은하가 존재합니다. 지구에서 가장 먼 은하는 약 120억~130억 광년 떨어져 있습니다. 이런 은하들이 하늘의 어느 방향에서도 분포하고 있는 것입니다. 지금까지 관측된 것 중에서 가장 멀리 떨어진 천체는 퀘이사라고 하는 아주 밝은 천체입니다. 퀘이사 하나는 우리 은하 전체보다 1000배 이상 밝습니다. 퀘이사의 중심에는 거대한 블랙홀이 존재한다는 증거가 있습니다. 중심의 블랙홀로 물질이 추락하면 퀘이사가 복사를 방출합니다.

 아주 멀리 떨어진 물체까지의 거리는 그 물체의 적색 이동 효과를 측정하여 계산할 수 있습니다. 적색 이동이란 그 물체가 방출하는 빛과 그 밖의 복사의 파장이 길어지는 것입니다. 파장이 길어지는 것을 적색 이동이라고 하는 이유는 가시광선 중에서 적색광의 파장이 가장 길기 때문입니다. 지구에서 멀리 떨어진 물체일수록 적색 이동이 큽니다. 적색 이동은 빛을 방출하는 물체가 관측자에게서 멀어질 때 나타납니다. 물체가 빨리 멀어질수록 적색 이동이 큰 것을 우주가 팽창하고 있다는 중거라고 해석합니다. '우주가 팽창한다.'는 말은 '우주의 모든 지점이 다른 지점으로부터 멀어진다.'는 뜻입니다. 그러나 특정 물체에 모여 있는 물질들은 원자와 분자간 인력으로 결합되어 있기 때문에, 우주의 팽창이 특정 물체 내부의 물질을 팽창하게 하는 것은 아닙니다. 이와 비슷하게 중력은 은하 내부의 별들이 서로 멀어지지 못하게 합니다. 하지만 은하들은 서로 멀어지고 있습니다.

 

 

우주관의 변화

옛날에는 우주가 사람이 살고 있는 세상과 전설 속의 세상, 그리고 태양, 달, 행성, 별들로 이루어져 있다고 생각하는 문명이 많았습니다. 그리고 그 문명의 사람들은 하늘에 있는 천체가 신과 정령이라고 믿었습니다. 그러나 1543년에 폴란드의 천문학자인 코페르니쿠스는 지구와 다른 행성들이 태양의 주위를 돌고 있다고 주장했습니다. 그 뒤에 등장한 천문학자들은 태양도 보통의 별에 지나지 않음을 보여 주었습니다. 망원경, 감광판, 분광기(빛을 분석하는 기구)의 발달과 더불어 우주에 관한 지식은 증가했습니다. 그리하여 천문학자들은 마침내 태양이 우리 은하라는 거대한 별들의 집단 내부에서 운직이고 있음을 알아냈습니다. 1920년 무렵에는 밤하늘에서 뿌옇게 빛나는 성운 중에는 우리 은하의 외부에 존재하는 것도 있다는 사실을 알게 되었습니다. 관측 결과 많은 성운들은 외부은하였습니다. 그 뒤 먼 은하들의 적색 이동 현상을 발견하면서 팽창 우주에 대한 이론이 제시되었습니다. 대폭발 이론은 우주의 기본 관측 결과글을 가장 잘 설명하는 이론이었습니다. 이 이론에 따르면, 우주의 역사는 약 140억 년 전에 대폭발(또는 빅뱅)이라는 폭발이 일어나면서 시작되었습니다. 폭발 직후의 우주는 고밀도의 복사와 뜨거운 입자들로만 이루어져 있었습니다. 이 복사는 다양한 종류의 물질과 에너지와 함께 '태초의 불덩어리'라고 부르는 빠르게 팽창하는 영역을 형성했습니다. 수천 년이 지나면서 이 불덩어리는 냉각되었습니다. 시간이 흐르면서 냉각된 불덩어리는 다시 거대한 덩어리들로 부서졌습니다. 덩어리들은 운하가 되었고, 많은 운하가 모여서 은하단과 초은하단과 필라멘트를 만들었습니다. 은하의 내부에 생긴 작은 덩어리들은 별이 되었습니다. 작은 덩어리들 중에 하나가 태양과 태양계 내의 천체들을 이루었습니다. 우주공간 사방에서 들리는 미약한 전파의 관측은 대폭발 이론에 강력한 증거를 제공했습니다. 우주 배경 복사라고 부르는 이 복사를 천문학자들은 '태초의 불덩어리'의 잔해라고 보고 있습니다. 정상 우주론은 우주의 팽창과 관측 결과들에 대해서 대폭발 이론과는 다른 관점의 설명을 합니다. 정상 우주론에 따르면, 우주는 현재의 상태대로 언제나 존재해 왔습니다. 은하가 멀어짐에 따라 새로운 물질이 은하들 사이에 나타나서 새로운 은하를 만듭니다. 그러나 우주 배경 복사의 존재와 은하와 초신성에 대한 면밀한 연구 결과는 정상 우주론을 지지하지 못합니다. 또한 가까운 별, 먼 은하, 우주 배경 복사에 대한 연구는 우주를 이루는 물질과 에너지가 기존에 생각했던 것과 다를 것이라는 추측을 낳게 했습니다. 이러한 연구에 따르면, 전체 우주에서 보통의 물질과 복사가 차지하는 양은 약 4% 정도입니다. 보통의 물질은 대부분 수소와 헬륨이며, 복사에는 가시광선과 전파, 우주선과 같은 그 밖의 복사들이 포함됩니다. 그리고 우주의 나머지는 직접 관측할 수 없는 물질과 에너지로 이루어져 있습니다. 우주의 약 23%는 관측 가능한 빛이나 다른 어떤 복사도 방출하거나 반사하거나 흡수하지 않는 암흑물질입니다. 우주의 나머지 73%는 암흑에너지로 이루어져 있습니다. 암흑에너지네 대해서는 알려진 것이 거의 없고, 다만 에너지로서 우주의 팽창을 점점 더 빠르게 만드는 역할을 한다는 것만 알려져 있습니다. 최근에 과학자들이 초신성과 우주 배경 복사의 관측 결과로 계산해 보았더니, 우주의 나이는 약 137억 년으로 나왔습니다. 이 나이는 우리 은하에서 가장 오래된 별들을 포함한 구상성단의 나이와 일치합니다.

 

우주의 미래

많은 연구 결과에 따르면, 우주는 계속 팽창할 것이라고 합니다. 외부은하에 있는 초신성의 밝기와 적색 이동의 측정 결과는, 현재 우주의 팽창 속도가 증가하고 있음을 나타냅니다. 우주 배경 복사의 관측 결과는, 우주를 이루고 있는 물질과 에너지는 계속해서 팽창을 계속한다는 증거를 제공합니다. 이 두 종류의 관측 결과는, 우주는 계속 팽창할 것이라는 예측을 가능하게 합니다. 독일 태생의 물리학자 아인슈타인의 일반상대성이론을 적용하면, 우주는 우주의 모든 물질이 다시 수축하여 대함몰(또는 빅 크런치)을 일으킬 수도 있습니다. 즉, 우주에 존재하는 물질의 중력이 팽창을 이겨낼 정도로 강하다면 대함몰이 일어날 것입니다. 대함몰이 일어날 때 전 우주는 수축하고, 이 수축 뒤에 다시 폭발하여 지금의 우주와 닮은 새로운 우주가 시작됩니다. 그러나 우주 배경 복사에 대한 연구 결과는, 우주가 무한한 질량과 공간을 가지고 있으며, 끝없이 팽창할 것을 뒷받침합니다.