천문학의 우주론과 여러가지 우주이론

우주론

우주의 구조와 발달 과정을 말합니다. 그리고 우주를 빚어낸 힘들을 연구하는 천문학의 한 분야입니다. 우주론자들은 우주가 어떻게 생겨났고, 우주에 어떤 일이 일어났으며, 미래에는 어떤 일이 일어날지 설명하려고 노력합니다. 현대 우주론의 발전에 크게 기여한 여섯 가지 관측이 있습니다. 밤하늘이 어둡고, 은하들이 서로 멀어져 가며, 마이크로파 복사가 우주의 모든 방향에서 균일하게 날아오고, 헬륨이 우주에 풍부하게 존재하며, 가장 오래된 별의 나이는 약 130억 년이고, 멀리서 폭발하는 별인 초신성이 예상보다 희미하게 보인다는 것이 그것입니다.

 

 

어두운 밤하늘

18세기와 19세기에 걸쳐 천문학자들은 밤하늘이 왜 어두울까 의아하게 생각했습니다. 그들이 생각한 단순한 우주모형에 따르면, 별들은 무한한 공간에 균일하게 퍼져 있습니다. 그렇다면 우주공간의 모든 방향에서 별빛이 지구로 날아와 밤하늘은 대낮만큼 밝아야 합니다. 그러나 실제로 관찰되는 밤하늘의 모습이 이와 다른 것은 우주의 구조가 생각보다 훨씬 복잡하다는 것을 암시했습니다. 이러한 모순을 올베르스의 역설이라고 하는데, 이 모순을 제기한 독일의 천문학자 하인리히 올베르스의 이름에서 딴 것입니다.

 

은하들의 움직임

20세기 초에 천문학자들은 먼 은하에서 날아오는 별빛을 분석하면서 그 별빛을 프리즘에 통과시켜 보았습니다. 프리즘은 빛을 무지개 같은 색들의 띠로 나누는데, 그 띠를 스펙트럼이라고 합니다. 가시광선의 스펙트럼에서 한쪽 끝에는 빨간색이, 반대쪽 끝에는 보라색이 자리 잡고 있습니다. 별빛의 스펙트럼에는 또 밝은 선들과 어두운 선들이 여기저기 나타나는데, 그것을 보고 그 별의 바깥층과 대기의 구성 성분을 알 수 있습니다. 천문학자들은 먼 은하에서 날아온 별빛의 스펙트럼을 우리 은하에 있는 비슷한 별의 스펙트럼과 비교해보았습니다. 그 결과, 먼 별에서 온 빛의 스펙트럼선이 가까운 별에서 온 빛의 스펙트럼 선보다 빨간색 끝 쪽으로 더 가까이 이동해 나타나는 것을 발견했습니다. 천문학자들은 적색 이동이라고 하는 이 현상이 다른 은하들이 우리 은하에서 멀어져 가기 때문에 일어난다는 결론을 내렸습니다. 그리고 여러 은하에 나타나는 적색 이동의 정도를 측정함으로써 우주가 팽창하고 있으며, 은하들은 100억 년 이전부터 서로 멀어지기 시작했다는 사실을 알아냈습니다.

 

마이크로파 복사

1965년에 천문학자들은 우주의 모든 방향에서 날아오는 약한 마이크로파 복사를 발견했습니다. 이 복사를 우주 배경 복사라고 합니다. 이 복사의 발견으로 대폭발 이론이 제기한 한 가지 중요한 예측이 확인되었습니다. 이 이론은 우주가 빅뱅이라는 대폭발을 통해 팽창하기 시작했다고 주장합니다. 대폭발 직후에 초기 우주에 존재했던 열은 그 후 우주 팽창과 함께 식어가면서 어떤 에너지의 복사로 변했을 것입니다. 우주 배경 복사는 대폭발 이론에서 예측한 그 복사와 아주 비슷했습니다.

 

풍부한 헬륨

우주 전체의 질량 중 약 76%는 수소가, 24%는 헬륨이, 그리고 1%도 안 되는 질량을 나머지 화학 원소들이 차지하고 있습니다. 별의 뜨거운 중심부에서 수소핵 융합 반응이 일어나면서 헬륨이 만들어집니다. 우주는 별들이 만들어낸 헬륨의 양이 전체 질량의 24%가 될 정도로 나이를 먹지 않았습니다. 따라서 과거에 우주 전체가 수소융합 반응이 일어날 만큼 밀도와 온도가 충분히 높았던 적이 있었다고 볼 수밖에 없습니다.

 

별들의 나이

천문학자들은 우리 은하에 있는 가장 오래된 별들의 나이를 계산해보았습니다. 오래된 별들은 구상성단에 있는데, 성단에 있는 별들은 모두 같은 시기에 생긴 것으로 보입니다. 관측 결과, 구상성단에서 사장 오래된 별의 나이는 약 130억 년으로 추정되었습니다. 태초의 우주에서 별이 탄생하기까지는 시간이 조금 걸리기 때문에, 우주의 나이는 그것보다 좀 더 많은 140억 년쯤 되었을 것입니다. 이 나이는 측정된 우주 배경 복사를 바탕으로 계산한 값과 일치합니다. 우주의 나이가 유한하다는 사실은 올베르스의 역설을 해결하는 데 도움을 줍니다. 아주 멀리 떨어져 있는 별들의 빛은 아직 지구에 도착할 시간이 되지 않았다고 설명할 수 있기 때문입니다.

 

희미한 초신성

초신성은 폭발하는 별이라 아주 밝게 빛납니다. 천문학자들은 Ia형이라는 특별한 초신성 집단에 대해 알고 있어, 이 집단에 속한 초신성이 방출하는 빛의 밝기(절 대광도)를 알아낼 수 있습니다. 빛의 밝기는 거리가 멀어질수록 감소하므로, 그 겉보기 밝기를 측정함으로써 Ia형 초신성까지의 거리를 계산할 수 있습니다. 1998년에 천문학자들은 먼 은하에 있는 Ia형 초신성의 밝기가 우주의 팽창 속도가 느려지고 있다고 가정했을 경우보다 더 어둡다는 사실을 발견했습니다. 이 결과는 우주의 팽창 속도가 점점 빨라지고 있음을 나타냅니다.

 

우주의 미래

천문학자들은 팽창하는 우주, 수축하는 우주, 팽창과 수축을 반복하는 우주, 팽창하지도 수축하지도 않는 우주를 나타내는 모형을 만들었습니다. 현재 우주는 팽창하고 있지만, 우주의 미래는 현재 우주에 존재하는 물질과 에너지의 양에 따라 달라집니다. 지금까지 발견된 물질이 존재하는 모든 것이라고 가정해봅시다. 그렇다면 0.76㎥의 공간에 수소원자가 한 개꼴로 존재할 것입니다. 이 경우, 우주는 끝없이 팽창을 계속합니다. 그러다가 마침내 모든 별에서 빛을 내는 에너지가 완전히 사라지고 말 것입니다. 그러나 간접적으로 관측한 결과에 따르면 암흑물질이라는 보이지 않은 형태의 에너지인 암흑에너지가 우주의 팽창을 가속시키고 있는 것으로 보입니다. 암흑물질과 암흑에너지는 우주에 존재하는 전체 물질과 에너지 밀도의 약 95%를 차지하고 있는 것으로 생각됩니다. 우주의 미래는 아직 그 정체가 명확하게 밝혀지지 않은 암흑에너지가 좌우할 것으로 보입니다. 예를 들면, 암흑에너지는 우주의 모든 점에 주위의 점에서 끊임없이 작용하는 척력으로 나타날지도 모릅니다. 만약 그렇다면 우주의 팽창 속도는 계속 빨라질 것입니다. 오랜 시간이 흐른 뒤, 먼 은하와 그리고 우리 은하 안의 별들도 지구에서 아부 빠른 속도로 멀어져 가 그 빛이 우리에게 결코 도달하지 못하게 될 것입니다.

 

그 밖의 이론

정상 우주론은 우주는 늘 지금과 같은 상태로 존재해왔고, 은하들이 서로 멀어져 가면 그 사이에서 새로운 물질이 생겨나 새로운 운하를 만들어낸다고 주장합니다. 정상 우주론은 한때 대폭발 이론만큼이나 큰 인기를 끌었지만, 지금은 정상 우주론이 대폭발 이론만큼 우주를 잘 설명한다고 믿는 과학자는 거의 없습니다. 일부 과학자는 대폭발 이론이 기본적으로는 옳지만, 우주 초기에 인플레이션이라는 급속한 팽창 기를 겪었다고 생각합니다. 이러한 개념을 인플레이션 이론이라고 합니다.