우주의 팽창 expansion of the universe

 

 

1. 우주의 팽창   Expansion of the universe

 

 

우주의 팽창에 대하여 소개하기 전에 도플러 효과에 대하여 알아보자. 기차가 기적을 울리며 다가오면 기적소리가 점점 커져가며 관찰자를 지나쳐 멀어지면 소리가 점점 작아지는 현상을 경험한 일이 있을 것이다. 이 현상은 음원이 음파(소밀파)의 파장이 관찰자에게로 접근하면 짧아져 소리가 크게 들리고 관찰에게서 멀어지면 길어져 소리가 작아지는 현상이다. 광원의 경우에도 비슷한 현상이 발견된다. 즉 광원이 가까워지면 파장이 짧아져 청색으로 편이 되며(청색편이), 광원이 멀어지면 파장이 길어져서 적색으로 편이(적색편이) 된다.

 

 

 

1929년에 허블이 윌슨 산에 설치된 100인치 망원경을 사용하여 은하들의 적색편이가 지구로부터의 거리에 비례하여 증가한다는 현상을 관찰하였다. 이 현상을 관찰하기 위해서는 별 또는 성운, 성단의 거리를 계산할 수 있어야 한다. 거리를 계산하는 방법 역시 허블에 의하여 발견되었다. 성운에 있는 변광성의 겉보기 밝기를 측정하고 절대밝기를 주기로부터 추정해서 그 들의 거리를 금방 계산할 수 있었다. 예를 들면 안드로메다 성운에 속하는 케페이드 변광성의 겉보기 밝기가 절대밝기에 비례하고 거리의 제곱에 반비례하는 간단한 법칙을 사용해서 안드로메다 성운의 거리를 계산할 수 있었다. 적색변이가 지구에서의 거리에 비례하여 증가하는 사실에서 우주는 팽창하며 지구에서 멀리 떨어질수록 더 빨리 멀어진다는 현상이 밝혀졌다.  

 

 

 

그러면 여기에서 의문이 생긴다. 우주는 계속하여 팽창할 것인가? 아니면 어느 시기에 팽창을 멈추고 수축하겠는가? 전자의 경우라면 빅뱅이 일회성이며 우주는 계속 팽창하여 결국에는 암흑만이 지배하는 세계가 전개될 것이며 후자의 경우라면 빅뱅, 팽창, 수축, 다시 빅뱅, 팽창, 수축, … 이 계속해서 일어날 것이다. 어느 쪽이 맞느냐는 우주의 곡률이 양이나 음이냐에 달려 있다. 유클리드 기하학이 성립하는 면을 평면, 성립하지 않는 면을 곡면이라고 하는데 평면에 삼각형을 그리고 세 각의 합을 구하면 180도 이지만 양의 곡률을 가진 곡면 (예: 구)에서는 180도보다 커지며 음의 곡률을 가진 곡면 (예: 말안장)에서는 180도보다 작아진다. 아직까지는 어느 가설이 옳은가는 확실하게 밝혀지지 않고 있다. 미래의 언제인가 밝혀지겠지만 나는 빅뱅, 팽창, 수축이 반복되기를 바란다.