5장: 우주 (더 큰 은하를 배경으로 앞에 놓인 나선은하의 정면사진) 1. 별과 은하 2. 팽창하는 우주 3. 우주의 역사

별과 은하 우주는 언제 어떻게 시작되었고 끝날 것인가? 우주 저 멀리에는 끝이 있는가? 우주는 무엇으로 이루어졌는가? 1. 별과 은하 별과 은하 우주는 언제 어떻게 시작되었고 끝날 것인가? 우주 저 멀리에는 끝이 있는가? 우주는 무엇으로 이루어졌는가? 관측된 우주에는 천억 개의 별을 담은 은하를 천억 개 이상이 담겨져 있다. 현대물리학과 천문학은 우주는 변하지 않는 절대적인 존재가 아니라 지구에서 우리가 파악한 자연법칙을 따라 생성하고 변화하며 사라지는 역동적인 것임을 알려준다.

참고: 광년(ly) – 빛이 진공에서 1년간 진행하는 ~ 1016 m 1. 별과 은하 우리은하 우리은하는 약 천억 개의 별로 구성되어 있다. 폭은 약 10만 광년이고 두께는 2,000 광년 전도로 가운데가 볼록한 원반형태이다. 우리은하는 위에서 보면 거대한 팔을 가진 나선형 은하로 가운데를 중심으로 회전하고 있다 참고: 광년(ly) – 빛이 진공에서 1년간 진행하는 ~ 1016 m

태양의 위치 태양은 우리은하 중심에서 2만 8천 광년 떨어져 250 km/s 의 속력으로 2억 년을 주기로 회전하고 있다. 1. 별과 은하 태양의 위치 태양은 우리은하 중심에서 2만 8천 광년 떨어져 250 km/s 의 속력으로 2억 년을 주기로 회전하고 있다. 태양에서 가장 가까운 별은 프록시마 켄타우리로 4.3광년 떨어져 있다. (우리은하에서 태양의 위치; 출처, Wikipedia)

2. 팽창하는 우주 질문: 펄서의 출력 태양질량의 1.5배이며 지름이 10 km인 펄서가 초당 1번 회전하고 있다. 만일 이 회전운동에너지 중에서 10억 분의 1 정도로 에너지가 빛으로 바뀐다면 이 펄서의 빛 에너지 출력은?

1. 별과 은하 우리은하의 총 질량 은하의 대부분의 질량이 은하의 볼록한 중심에 모여 있다고 하고 은하에 대한 태양의 운동으로부터 은하의 총 질량을 계산해 보자

1. 별과 은하 궁수자리와 블랙홀 은하의 중심은 10광년 반경 내에 태양의 천만 배 이상의 질량을 가지고 있다. 이는 은하중심에 거대 블랙홀이 있음을 암시한다. 거대 X선 만원경으로 관찰한 결과 궁수 A* 자리에 태양의 260만 배 되는 질량의 거대 블랙홀이 있는 것으로 추정된다. (궁수A* 자리의 찬드라 위성사진; 출처, Wikipedia )

1. 별과 은하 외부은하와 은하밀도 에드윈 허블(Hubble)은 1923년 팔로마산 200인치 반사만원경으로 안드로메다가 우리은하 밖의 은하임을 알아냈다. 이는 우주가 광대함의 결정적 증거가 되었다. 더욱 정밀한 측정으로 안드로메다는 약 200만 광년정도 떨어져 있다. (안드로메다 은하; 출처, Wikipedia)

1. 별과 은하 타원형 은하 은하수 내부와 외부에는 별뿐만 아니라 성운(nebulae)들이 보인다. 이 성운은 성단, 은하와 빛을 내는 기체로 이루어진 보통의 성운의 모습을 하고 있다. 은하는 형태가 나선모양, 타원모양 그리고 불규칙적인 모양도 있다. (타원형 은하 ESO 325-G004)

은하의 분포 은하들이 분포한 모습은 완전히 고르게 퍼져 있지 않고 덩어리나 필라멘트처럼 뭉쳐 있다 (왼쪽 사진). 1. 별과 은하 은하의 분포 (12도 두께 135도 안의 5억 광년 거리 안의 거리에 따른 은하분포 ) (2 백만 개의 은하 분포) 은하들이 분포한 모습은 완전히 고르게 퍼져 있지 않고 덩어리나 필라멘트처럼 뭉쳐 있다 (왼쪽 사진). 더 크게 관찰해 은하분포를 거리에 따라 보아도 덩어리로 뭉쳐있는 것을 볼 수 있다 (오른쪽 사진).

1. 별과 은하 은하단 우리은하는 안드로메다, 마젤란 성단 등과 함께 30여 개의 은하가 모여 1 Mpc 크기의 국부 은하군을 형성한다. 국부 은하군 밖에 2,000 여 개의 은하가 있는 5 Mpc의 폭을 가진 Virgo 은하단이 있다. 국부 은하군과 Virgo 은하단은 50 Mpc 폭의 국부 초은하단에 속해 있다. 초은하단들은 서로 연결되어 만리장성과 같은 거대한 모양(great wall)을 이룬다. (허블 만원경으로 찍은 은하단의 모습) 참고: 파섹(pc) = 3.26 광년

1. 별과 은하 우주 속의 물질 분포 우주 은하단 은하군 우리은하 (은하수) 태양계 행성들 지구

허블 깊은 마당 (Hubble Deep Field) 영상 1. 별과 은하 허블 깊은 마당 (Hubble Deep Field) 영상 동영상 (출처: YouTube)

외부은하까지 거리 측정 2. 팽창하는 우주 은하까지 거리는 은하 속에 있는 표준광원의 밝기를 측정해 알아낸다 많은 경우에 은하에 빛의 밝기가 주기적을 변하는 세페이드(Cepheid) 변광성이 있어 은하까지 거리를 측정하는데 활용할 수 있다. 겉보기 밝기는 거리의 제곱에 반비례함으로 절대밝기와 비교해 거리를 측정할 수 있다. (변광성 주기와 절대밝기 관계) (겉보기 밝기를 활용하여 거리측정)

외부은하의 속도 측정 속도 측정은 도플러 효과 이용 빛은 전자기 파동으로 파장의 성질 가지고 있음 2. 팽창하는 우주 외부은하의 속도 측정 속도 측정은 도플러 효과 이용 빛은 전자기 파동으로 파장의 성질 가지고 있음 멀어지고 있는 물체는 빛의 파장이 길어지고, 다가오는 물체는 빛의 파장이 짧아진다. 매우 정확한 속도측정이 가능하다.

은하의 적색편이 거리 더 먼 천체의 칼슘이온 흡수 스펙트럼선의 더 큰 적색편이가 관측된다. 2. 팽창하는 우주 은하의 적색편이 거리 더 먼 천체의 칼슘이온 흡수 스펙트럼선의 더 큰 적색편이가 관측된다. 은하가 멀어지고 있고 더 멀리 있는 것일수록 더 빨리 멀어진다.

2. 팽창하는 우주 밝은 은하의 후퇴속도 계산

우주팽창의 발견 (1929) 허블 (1889-1953) 후퇴속도(km/s) 휴메이슨 (1891-1972) 거리(Mpc) 2. 팽창하는 우주 우주팽창의 발견 (1929) 허블 (1889-1953) 변호사 → 천문학자 1차 대전 참전 아마추어 권투 후퇴속도(km/s) 휴메이슨 (1891-1972) 천문대 마부와 청소원 힘든 관측 도맡아 함 거리(Mpc)

허블의 법칙 멀리 있는 은하는 우리로부터 멀어지고 있다. 그냥 멀어지는 것이 아니라 멀수록 더 빠르게 멀어지고 있다! 2. 팽창하는 우주 허블의 법칙 멀리 있는 은하는 우리로부터 멀어지고 있다. 그냥 멀어지는 것이 아니라 멀수록 더 빠르게 멀어지고 있다! (WMAP 관측으로 결정된 허블상수의 현재 값)

1. 전자와 그 형제들 질문: 큰곰자리까지 거리 큰곰자리는 우리로부터 1.5x104 km/s 로 멀어지고 있다. 허블의 법칙을 활용하여 큰곰자리까지의 거리를 구해라.

팽창 우주론 과거에는 은하들이 더 가까이 있었다. 이는 우주가 시간이 지남에 따라 팽창하고 있음을 보여 준다. 2. 팽창하는 우주 팽창 우주론 동영상 과거에는 은하들이 더 가까이 있었다. 이는 우주가 시간이 지남에 따라 팽창하고 있음을 보여 준다. 우주가 팽창하는 것은 우주의 어느 곳에서도 어느 방향으로 보아도 동일하다. 즉 팽창하는 고무풍선이 두 점 사이의 관계와 같다.

우주의 배경복사 1964년 펜지아스와 윌슨은 우연히 우주의 모든 방향에서 나오는 7.35 cm 파장의 전자기파 잡음을 발견함 2. 팽창하는 우주 우주의 배경복사 Holmdel 혼 안테나 펜지아스와 윌슨 1964년 펜지아스와 윌슨은 우연히 우주의 모든 방향에서 나오는 7.35 cm 파장의 전자기파 잡음을 발견함 추후에 이 잡음이 우주초기의 상태를 알려주는 신호임이 밝혀짐.

우주의 배경복사 관측의 발전 우주 배경복사 곡선은 흑체복사곡선과 완벽하게 일치함 2. 팽창하는 우주 우주의 배경복사 관측의 발전 우주 배경복사 사진 선명도 향상 COBE의 우주배경복사 곡선 우주 배경복사 곡선은 흑체복사곡선과 완벽하게 일치함 우주가 불덩어리로 만들어진 후 팽창했다는 강력한 증거

2. 팽창하는 우주 우주 배경복사의 근원 WMAP 위성 WMAP의 우주 배경복사 사진 우주초기의 대폭발로 만들어진 불덩이는 계속 팽창하면서 식어가 (10-5 정도의 변이가 증폭되어) 은하들이 생성되면서 현재 우리가 보는 우주가 되었다. 이때 생성된 빛도 우주 팽창에 따라 파장이 길어져 현재 마이크로파에 해당하는 전자기파가 우주공간에 퍼져있다.

2. 팽창하는 우주 질문: 우주 배경복사 파장 우주 배경복사에 의해 우주 전체가 온도가 2.7 K인 흑체복사를 하고 있다. 이 흑체복사의 대표적인 파장은 무엇인가? (아래에 주어진 빈의 법칙을 쓰자.)

2. 팽창하는 우주 우주의 가속 팽창 발견 (1998, 2011년 노벨 물리학상)

표준광원 (Standard Candle) 2. 팽창하는 우주 표준광원 (Standard Candle) 초신성 – 먼 거리 셰페이드 변광성– 가까운 거리 초신성은 태양의 수백억 배 밝기 (셰페이드 변광성은 태양보다 천만 배까지 밝음) 수십억 광년 떨어진 곳에서도 관측가능

2. 팽창하는 우주 초신성 폭발 영상

가속팽창우주론 암흑에너지에 의해 우주는 영원히 팽창 한다! 2. 팽창하는 우주 가속팽창우주론 암흑에너지에 의해 우주는 영원히 팽창 한다! 팽창의 역사를 거슬러 올라가면 과거 우주는 고온과 고밀도 상태이었다. 즉 우주는 빅뱅으로 시작! 우주는 점점 더 빠르게 팽창 한다 = 가속팽창 가속팽창은 지금부터 약 30억 년 전 본격 시작 이전엔 우주 가속팽창 상상하기 힘들었음 ⇒ 천체물리 패러다임 변혁!

3. 우주의 역사 우주의 역사 빅뱅이론에 따른 우주의 역사

(1) 우주의 시작 (0초 ~ 10-43초) 중력의 양자역학적 기술이 요구되는 시기 (아직 정립된 이론이 없음) 3. 우주의 역사 (1) 우주의 시작 (0초 ~ 10-43초) 중력의 양자역학적 기술이 요구되는 시기 (아직 정립된 이론이 없음) 이 시기를 규정하는 시간, 에너지 그리고 온도는 빛의 속력, 중력상수, 프랑크 상수로 결정할 수 있다.

3. 우주의 역사 (2) 대통일 시기 (10-43 초~ 10-35 초) 중력은 다른 힘과 구별되나 쿼크와 렙톤이 동등하게 상호작용하는 힘이 통일된 시기 이 시기 동안 입자가 반입자의 생성과 소멸 비율이 달라 입자가 약간 더 많이 남게 된다고 보고 있다. 빛은 쿼크와 렙톤과 강하게 상호작용하므로 우주는 불투명한 암흑으로 싸여 있다.

3. 우주의 역사 (3) 급팽창 시기 (10-35 초 ~ 10-12 초) 우주가 식어 온도가 1027 K 정도되어 강력과 약력이 분리되어 쿼크와 렙톤이 구별되기 시작한다. 이 시기에 우주는 끓는 물방울처럼 갑작스런 팽창을 한다. 10-32 초에는 약 1050 배로 팽창했다고 여겨진다.

3. 우주의 역사 (4) 하드론 시기 (10-12 초 ~ 14초) 10-12초가 되면 광자와 W, Z 입자가 구별되며 10-6초가 되면 쿼크대신 양성자와 중성자가 형성된다. 10-2초가 되면 광자에너지로 양성자와 반양성자 쌍을 만들 수 없게 된다. 대통일 시기의 물질-반물질 불균형 효과로 서로 쌍 소멸한 후 입자인 양성자와 중성자가 조금 남게 된다.

3. 우주의 역사 (5) 핵 합성 시기 (14초~38만년) 약 14초가 되면 광자 에너지가 작아져 전자-양전자 쌍을 만들 수 없게 된다. 반입자인 양전자는 소멸하여 없어지고 원자의 구성원인 양성자, 중성자와 전자가 남게 된다. 약 3분 후 온도가 약 109 K로 떨어지면 수소와 더불어 중수소와 헬륨 등이 생겨난다. 현재 발견된 수소나 헬륨은 대부분 이때 만들어진 것으로 추정된다.

(6) 복사 시기 (38만 년이후) 드디어 우주가 보이기 시작하고 원자와 은하가 만들어 지기 시작한다. 3. 우주의 역사 (6) 복사 시기 (38만 년이후) 드디어 우주가 보이기 시작하고 원자와 은하가 만들어 지기 시작한다. 온도가 3000 K 정도로 떨어져 광자의 평균에너지가 eV로 낮아져 전자와 원자핵이 묶이게 되어 중성인 원자가 형성된다. 이 후에 빛은 자유롭게 퍼져 나가게 된다. 바로 이 빛의 잔재가 펜지아스와 윌슨이 발견한 우주 배경복사이다.

3. 우주의 역사 (7) 물질의 형성 전기적으로 중성인 가벼운 원자가 중력에 의해 뭉치고 별과 은하 생성의 복잡한 과정을 거쳐 다양한 종류의 물질이 만들어 진다.

우주의 운명 우주는 영원히 더 빨리 팽창함 1000 억년 후 우리 은하 고립 3. 우주의 역사 우주의 운명 우주는 영원히 더 빨리 팽창함 1000 억년 후 우리 은하 고립 1018 년 후 별들 사멸되고 사멸된 별들과 차가운 행성들을 블랙홀이 흡수 블랙홀도 1072 년 (1 나유타 년) 후 소멸 결국은 아무 것도 없는 무(無) 또는 있어도 없는 것 같은 열적 사멸상태인 우주 !

3. 우주의 역사 질문: 우주의 한계밀도 암흑에너지를 고려하지 않는 경우 물질밀도가 입자의 탈출속도로 정하는 한계밀도보다 크면(같거나 작으면) 우주가 닫힌(평평하거나 열린) 우주가 된다. 이 한계밀도를 구하라.

5장: 우주 단원요약 최신 가속팽창 우주론 우주는 가속팽창하고 있으며 은하들이 서로 멀어져 가는 속도는 은하 사이의 거리에 비례한다. 이 비례상수인 허블상수의 값은 약 71 km/s · Mpc 이다. 우주는 약 140억년 전에 대폭발(Big Bang)으로 시작하여 여러 단계를 거쳐 현재의 우주로 진화하였다. 그 결과 현재 2.715 K의 흑체목사에 해당하는 마이크로 배경복사가 관찰되고 있다.