2011 학년도 1 학년 융합과학 수업자료 007 우주 배경 복사와 빅뱅 우주론의 확립

가모 (Gamow, G.) 의 빅뱅우주론 가모는 우주를 구성하는 원소가 대부분 수소와 헬륨이라는 관측 사실에 주목하고 빅뱅우주론을 제안했다. (1948) “ 우주에 수소와 헬륨이 많은 것은 우주 초기의 상태에 그 원인이 있다.”

가모 (Gamow, G.) 의 빅뱅우주론 가모는 우주를 구성하는 원소가 대부분 수소와 헬륨이라는 관측 사실에 주목하고 빅뱅우주론을 제안했다. (1948) [ 증거 1] 우주는 수소와 헬륨 ! [ 증거 2] 우주 배경 복사

가모 (Gamow, G.) 의 빅뱅우주론 가모는 우주를 구성하는 원소가 대부분 수소와 헬륨이라는 관측 사실에 주목하고 빅뱅우주론을 제안했다. (1948) [ 증거 2] 원자가 형성되면서 우주는 투명해졌고, 그 순간 갇혀 있던 빛은 우주로 퍼졌다. 이것이 우주 배경 복사이다.

우주의 시작 그리고, 3 분간 Review

우주는 無 에서 탄생하였 다 매우 짧은 시간에 매우 큰 에너지로 터널효과에 의해 탄생하였다.

인플레이션 - 기하급수적 팽 창 밀도요동 (density fluctuation)

기본 입자들의 생성 쿼크, 전자 – 양성자, 중성자들이 단계적 생성 빅뱅 핵융합 – 수소보다 무거운 원소의 핵 형성 뒤범벅

3 분이 되는 순간 : 재결합 e-e- 전자가 양성자에 포획 되어 중성 수소 탄생 빛이 자유롭게 탈출 : 우주 배경복사 (T=2.7K) 짜잔 ~

물질 의 시대 대부분은 수소 (Matter Dominated Epoch) e-e- ^^V

탄생 후 3 분 뒤 계속 팽창하는 상태 초기의 빛 에너지는 탈출하고 물질이 주를 이루는 우주 그러나 어떠한 별도 존재하지 않았 다. 우주의 암흑시대 (Cosmic DarkAge)

우주의 화석 – 우주 배경 복사 화석과 우주 배경 복사의 유사점은 ?  화석이 지구 과거의 생물과 환경 등을 알려주듯 우주 배경 복사도 우주의 과거 정보를 알려준다.

우주의 화석 – 우주 배경 복사 우주 배경 복사 (CMBR) 이란 무엇일까 ?  우주 배경 복사 (Cosmic microwave background radiation) 란 빅뱅 우주론의 중요한 증거로써 우주의 모든 방향에서 균일하게 검출되고 있는 전파의 일종 이다. 2.7K 의 온도를 가진 물체에서 나오는 전파로써 약 2mm~30cm 정도의 파장을 갖는다.

우주의 화석 – 우주 배경 복사 우주 배경 복사는 빅뱅 우주론의 증거이다 ?  빅뱅 우주론은 우주는 고온의 작은 점에서 팽창하여 시작하였다고 한다. 이번 시간에는 우주 배경 복사가 왜 빅뱅 우주론의 증거가 되는지 알아보자

흐린 우주와 맑은 우주 빅뱅 후 3 분 ~38 만년 전까지의 우주는 ?  우주의 온도가 높은 시기 : 10 만 K ~ 3000K  우주의 온도가 높아 원자핵, 자유전자, 광자가 서로 에너지를 주고 받으며 서로 섞여있는 상태 ( 플라즈마 상태 )  빛은 멀리 나아가지 못하고, 전자에게 흡수와 방출을 반복함  빛이 빠져 나오지 못하므로 우주의 모습이 관측이 안됨 - 흐린 우주 ( 불투명한 우주 )

흐린 우주와 맑은 우주 빅뱅 후 38 만년 이후의 우주는 ?  팽창으로 인한 우주 온도 하강 : 3000K  전자의 운동에너지 줄어듦  원자핵과 전자의 결합 : 단위 면적 당 입자 수가 반으로 줄어듦  빛 ( 광자 ) 과 원자의 상호작용 종료 : 빛은 우주 사방으로 퍼져 나감  빛이 우주 사방으로 퍼져 나가므로 관측이 가능해짐 – 맑은 우주

우주 배경 복사 검출 방법 흑체 복사 이론 – 전자기파란 ?  전자기파는 전기장과 자기장을 만들며 진행하는 파로 파장에 따라 전파, 적외선, 가시광선, 자외선, x 선, 감마선 등이 있다.

우주 배경 복사 검출 방법 흑체 복사 이론 – 흑체 (black body) 란 ?  흑체 (black body) 란 입사하는 모든 전자기파를 완전히 흡수하고, 흡수한 전자기파를 완전히 방출하는 이상적인 물체이다. 흑체라고 하는 이유는 입사된 모든 전자기파를 반사시키지 않으므로 보이지 않기 때문이다.

우주 배경 복사 검출 방법 흑체 복사 이론 – 플랑크 곡선  흑체의 표면에서 방출되는 에너지의 세기는 파장에 따라 다르게 나타나는데, 흑체의 표면에서 방출되는 에너지의 세기와 파장의 관계를 곡선으로 나타낸 것을 플랑크 곡선이라고 한다.

우주 배경 복사 검출 방법 흑체 복사 이론 – 빈의 변위 법칙  흑체의 절대 온도에 따라서 최대 복사 에너지를 가진 전자기파의 파장이 달라진다. 이 관계를 빈의 변위 법칙이라고 하며, 온도가 높을 수록 파장이 짧은 파를, 온도가 낮을 수록 파장이 긴 파를 방출한다.

우주 배경 복사 검출 방법 흑체 복사 이론과 우주 배경 복사  초기 우주를 흑체로 취급하면, 초기 우주의 온도에 따라 해당하는 전자기파 를 방출하며, 이를 측정하면 초기 우주의 온도를 판단할 수 있음

우주 배경 복사의 예측 가모와 앨퍼의 예측 가모 (Gamow, G) 1904~1968  가모 : 빅뱅 우주론을 주장했던 프리드만의 제자  가모는 자신의 제자 앨퍼와 빅뱅 후 38 만년 후 출발한 빛이 우주의 모든 방향에서 검출될 것이라 예측  빛이 우주의 역사만큼 진행하면서 우주는 팽창되어 왔으므로 도플러 효과에 의해 파장이 길어지고, 온도 는 낮아짐  그 온도는 약 5K 정도가 되며, 전자기파의 파장은 약 1mm 정도인 마이크로파가 검출될 것이라 예측

가모와 앨퍼의 예측 빅뱅 우주론의 증거인 우주 배경 복사  빅뱅 후 38 만년 후 출발한 빛이 우주의 모든 방향에서 검출될 것이라 예측  그 온도는 약 5K 정도가 되며, 전자기파의 파장은 약 1mm 정도인 마이크로 파가 검출될 것이라 예측 → 하지만 낙후된 장비로 발견하지 못함.

우주 배경 복사는 어디에 ? 아날로그 TV 와 라디오의 잡음 속 비밀  아날로그 TV 와 라디오 등에서 정규방송이 끝난 후, 또는 주파수가 맞지 않을 때 나오는 잡음에는 우주 배경 복사에 의한 파장이 1~5% 정도 포함 되어 있음.

우주 배경 복사의 발견 과정

펜지어스와 윌슨의 우연한 발견 뿔모양 안테나에서 계속 측정되는 잡음 (I)  미국의 벨 연구소의 거대한 마이크로파 안테나 ( 뿔모양 안테나 ) 를 이용해 잡히는 신호를 연구하던 펜지어스와 윌슨  이상한 잡음 (7.35cm 의 마이크로파 ) 이 모든 방향에서 균일하게 측정이 됨.

펜지어스와 윌슨의 우연한 발견 뿔모양 안테나에서 계속 측정되는 잡음 (II)  펜지어스와 윌슨은 잡음을 제거하기 위해 안테나의 먼지, 부스러기, 새의 배설물 등을 깨끗이 치우고 계속 측정하였으나 잡음은 사라지지 않음.  비슷한 시기에 디케와 피블스도 우주 배경 복사를 찾고 있었으나 발견하지 못하였고, 펜지어스와 디케를 둘 다 알고 있었던 천문학자 버나드 버크는 두 연구팀의 연구 내용이 관련이 있음을 알고 서로 만나게 함.  펜지어스와 윌슨은 자신들이 발견 한 잡음이 우주 배경 복사임을 알게 되고 이는 가모프가 예측한 5K 와 비슷한 3K 의 물체에서 나오는 전파 였음. ( 노벨상 수상 ) 펜지어스와 윌슨이 측정한 우주 배경 복사 지도 (1965)

COBE 탐사선의 발사 정확한 우주 배경 복사 측정을 위한 노력  마이크로파 안테나는 지구상에서 관측하기엔 방해요소가 많음 (3K 의 최대 파장인 2mm 파의 경우 지구 대기에 의해 흡수됨 )  지구 상공 900km 에 COBE 를 띄워 우주 배경 복사 측정 (2.73K 의 흑체에서 나오는 플랑크 곡선과 일치함을 알게 됨, 노벨상 수상 )

COBE 탐사선의 발사 또 다른 발견 - 우주 배경 복사의 비등방성  모든 방향에서 균일할 것이 생각되었던 우주 배경 복사는 위치에 따라서 10 만분의 1 정도의 온도차이가 발견됨 COBE 가 측정한 우주 배경 복사 지도 (1992)

WMAP 탐사선의 발사 우주 배경 복사의 비등방성 측정  2001 년 우주 배경 복사의 비등방성을 측정하기 위해 WMAP 발사  WMAP 탐사선은 지구로부터 150 만 km 에 위치하여 지구의 전파 영향을 받지 않음.  WMAP 에 의해 우주의 나이, 역사, 우주의 물질 분포 등에 대해 알게 됨. WMAP 이 측정한 우주 배경 복사 지도 (2003) 와 WMAP 위성

우주의 비밀을 찾기 위한 노력 Planck 위성의 발사 (2009)  유럽 우주 기관 (ESA) 에서 더 정밀한 측정장치를 탑재한 Planck 위성 발사 Planck 위성의 모습과 우주 배경 복사 측정 모습 동영상

배경 복사 비등방성의 의미 우주 배경 복사 비등방성 – 은하의 씨앗  우주 배경 복사의 비등방성 ( 온도 차이 ) 은 물질 분포의 차이를 의미  물질 분포의 불균일 정도에 따라 중력에 의해 서로 뭉쳐짐 → 은하의 형성

배경 복사 비등방성의 의미 컴퓨터를 이용한 모의 실험 – 은하의 시작  독일 막스 플랑크 연구소와 미국 시카고 대학교에서 물질 분포의 불균일 성에 의해 중력에 의해 어떻게 변할지 컴퓨터 모의실험 실시  현재 우주 거대 구조와 유사한 모양을 이루게 됨