우주팽창과 암흑에너지 인제대학교 컴퓨터응용과학부 명 연수. 철학자 칸트 (1724-1804) 왈 생각할수록 나를 경이감에 빠지게 하는 것이 두 가지가 있는데, 하나는 밤하늘에 반짝이는 별 (star) 이고 다른 하나는 내 마음속에서 빛나는 도덕률이다.

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1 우주팽창과 암흑에너지 인제대학교 컴퓨터응용과학부 명 연수

2 철학자 칸트 (1724-1804) 왈 생각할수록 나를 경이감에 빠지게 하는 것이 두 가지가 있는데, 하나는 밤하늘에 반짝이는 별 (star) 이고 다른 하나는 내 마음속에서 빛나는 도덕률이다.

3 우주론 (cosmology) 우주론이란 ? 우주의 기원, 구성, 그리고 진화를 다루는 학문  관측사실에 기반을 둔 정밀 ( 실험 ) 과학 우주론의 세 번 혁명기 1) 코페르니쿠스의 지동설 2) 허블의 우주팽창과 대폭발 (Big Bang) 이론 3) 1997 년 가속팽창우주발견 우주론의 기본원리 1) 등방성 2) 균질성 3) 중심이 없다 ( 건포도빵모델 )

4 2006 년 노벨 물리학상 수상자는 ? 노벨물리학상 美 매더 - 스무트 공동수상  빅뱅우주론 뒷받침 매더박사는 인공위성 ‘ 코베 (COBE)’ 의 데이터를 분석해 처음으로 우주의 온도 (2.7K) 를 정확히 측정해 우주의 등방성 증 명. 스무트 교수는 여러 온도 데이터에 10 만분 의 1 도씩 차이가 난다는 우주의 비등방성 발견했다.

5 COBEWMAP

6 콜로키움의 목표 우주의 탄생, 급팽창 ( 인플레이션 ), 우주의 팽창에서 현재의 가속우주 까지 20 가지 질문과 그에 대한 답 을 중심으로

7 1, 우주는 어떻게 탄생되었는가 ? 대폭발 (Big Bang) 이론  한점 ( 온도 : 무한대 ; 밀도 : 무한대 ) 에서 폭발하여 우주가 탄생 됨

8 정상우주론 (X) 1940 년대 허먼 본디 와 토마스 골드, 프레드 호일이 제안한 ' 정상 이론 (steady-state theory)'. 시작도 없고 끝도 없으며, 언제나 그 모습 그대로 무한하게 존재 하는 우주

9 대폭발이론 대 정상우주론 대폭발이론 1. 우주의 총 질량은 일정. 2. 시간이 지남에 따라 우주의 평균 밀도는 감소함. 3. 시간이 지남에 따라 우주의 온도는 낮아지고, 점점 어두운 우주가 된다. 정상우주론 1. 시간이 지남에 따라 우주의 총 질량은 증가한다. 2. 우주의 밀도는 일정 3. 우주의 밝기와 온도는 항상 일정하다

10 대폭발이론 ( 밀도감소 ) 대 정상우주론 ( 밀도일정 )

11 2. 우주탄생 경과 후 우주의 온도, 크기 그리고 밀도는 ?

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13 3. 대부분의 원소는 우주탄생 후 몇 분 몇 초 이내에 만들어졌을까 ? 3 분 45 초 이내

14 4. 대폭발이었다는 증거는 ? 1.1929 년 허블의 우주팽창발견  은하의 후퇴속도 = 허블상수 X 은하까지거리 2. 1965 년 Wilson-Penzias 의 적색편이에 의한 등방성의 우주배경복사온도 2.7K 측정  파장이 7cm 인 마이크로파측정 3. 빅뱅 핵합성이론을 실험적으로 관찰됨  대폭발 3 분 후 수소 대 헬륨 비는 3:1 4. COBE- 인공위성을 통해 2.7K 와 비등방성측정 5. WMAP 를 통해 비등방성 더 정확히 측정

15 허블의법칙

16 COBE- 인공위성을 통해 우주배경복사온도 2.7K 측정 우주탄생 후 300,000 년 이 지나면 온도는 3,000 K 되어 전자가 핵 내로 포획되면서, 우주 가 맑아짐 ( 물질과 복사 분리 됨 ). 이 때 현재의 태양과 비 슷한 흑체복사 ( 자외선과 가시광선 ) 가 나오나, 우 주팽창에 의한 적색편이 로 인해 2.7K 됨.

17 WMAP 를 통해 비등방성측정

18 허블 망원경이 관측한 100 억 전 우주의 모습 ( 가장 유명한 사진 ) 만약 우주 팽창 과정을 필름 에 담아 다시 거꾸로 돌리면 지금까지 팽창하는 우주 속의 은하들은 반대로 수축하는 우 주 속에서 서로 가깝게 접근. 결국 우주의 모든 은하는 한 점 ( 작은 구 ) 에 모이는 ‘ 특이 상황 ’ 이 발생하게 될 것이다

19 5. Big-Bang 의 문제점은 ? * 평탄성문제 우주초기와 현재우주가 왜 그렇게 평탄한가 ? * 지평선문제 태초부터 현재까지 빛이 간 거리가 우주의 지평선인데, 빅뱅이론을 통해 역으로 계산하면 지금부터 10 억 년 전부터는 서로 빛으로 소통할 수 없을 정도로 멀리 떨어져 있음.

20 닫힌우주, 열린우주, 임계우주 1 ) 닫힌우주 (closed universe)  물질이 많아 중력이 크게 작용하여 우주를 수축시킴. 2) 열린우주 (open universe)  물질이 적어 중력이 약해 계속 우주를 팽창시킴 3) 임계우주 (critical universe)  두 우주 사이에 있는 현재우주

21 평탄성문제 밀도 파라메터 : Ω= 밀도 / 임계밀도 1) 복사지배우주 및 물질지배우주에 Ω>1 이었다면 우주는 수축했음. 2) 복사지배우주 및 물질지배우주에 Ω<1 이었다면 우주는 팽창하여 은하 및 별을 못 만듦. 3) 현재 Ω 를 프랑크 시간으로 맵핑시키면 4) 이것은 우주는 현재나 과거나 거의 평탄했음을 보여줌. 5) 그러나, 실제로 우주탄생직후는 곡률이 무한대에 가까운 닫힌 우 주였음.

22 지평선문제 1. 현재 우리는 130 억년 전 CMB 관찰. 2. 그러나 빛이 나올 때는 지금부 터 300,000 년 전임. 3. 이 당시까지 빛의 간 거리는 아주 적음. 4. 두 구 에 있는 사람은 빛으로 소통 불가능함. 5. 그런데, 왜 현재 우주의 온도 는 모든 점에서 2.7K 일까요 ?

23 6. Big Bang 이론의 문제점을 해결하려면 ? 급팽창 ( 인플레이션 ) 이 필요 Guth ( 등방성이용 )  Old inflation(X) Linde, Albrecht & Steinhardt  New inflation (slow-roll inflation)

24 평탄성문제해결

25 지평선 문제해결 급팽창 중에는 빛의 속도 보다 빨리 팽창함  초기우주 지평선거리 내에 있던 두 점이 급팽 창을 통해 빛이 도달할 수 있는 거리의 몇 십 배로 멀어졌다.  그래서, 현재와 같은 모든 방향 모든 위치에 서 빛으로 소통되는 등방성을 유지할 수 있다.

26 7. 인플레이션의 증거는 ? COBE & WMAP 등의 관측위성 1) 우주배경복사의 등방성 확인 2) 우주배경복사 (CMBR) 의 비등방성을 1/100,000 도까지 측정함  인플레이션 중 진공 ( 양자 ) 섭동으로 온도와 밀도가 다른 현재우주 구조 생성 3) 인플레이션 중 발생한 중력파를 측정 ?

27 8. 인플레이션 이후 어떤 과정을 거쳐 현재의 우 주로 진화했나 ? 양의가속도우주 ( 인플레이션 )  가속도 =0 우주  음의 가속도 우주 (Reheating  복사지배우주  물질지배우주 )  가속도 =0 우주 ( 곡률지배우주 )  양의 가속도 우주 ( 암흑에너지지배우주 )  계속 팽창하는 우주 ( 미래의 우주 )?  w<-1( 팬텀물질 ) 이면 우주가 산산 조각 난 Big Rip( 우주의 운명 )?

28 9. 현재우주의 물질분포는 ? 암흑에너지 ( 집적화불가능 ): 74% 암흑물질 ( 집적화가능 ): 22% 물질 ( 집적 및 관측가능 ): 4%

29 10. 암흑물질이 존재한다는 증거는 ? * 1933 년 프리츠 즈위키에 의해 은하단의 회전속도 관찰 결과 암흑물질 존재 가능성 제시 * 전자기파로 탐지불가능 * 중력렌즈현상을 이용해 각 은하의 암흑물질 분포 확인가능

30 중력렌즈현상과 암흑물질등고선

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32 11. 암흑에너지가 존재한다는 증거는 ? 1) Ia 형 초신성들은 같은 밝기로 연소하기 때문에 이들 의 밝기를 이용하면 각자의 상대적 거리를 계산할 수 있음. 2) 애덤 리스 박사팀이 1998 년 이 초신성들의 밝기가 예 상보다 어둡다는 데 주목, 우주의 팽창 속도가 점점 빨 라지고 있다는 사실을 발견했음. 3) 이런 현상의 배후에는 물질을 밀어내는 암흑 에너지 가 있다는 것을 알아냄.

33 허블의 법칙 ( 거리 : 적색편이, 초신성 Ia)

34 초신성의 양파구조 ( 태양질량의 1.4 배 이상인 별 ) 1. 종류  다섯가지 (Ia,Ib,Ic, IIP,IIL) 2. Ia  밝기 ( 태양의 100 억배 ) 일정하여 가속팽창 검증 용 (standard candle) 3.IIP,IIL  8Ms 별의 붕괴 4. 핵융합 :He(4)  Fe(56) 5. 초신성 :Fe  U(92) 중원소 합성기

35 초신성의 폭발과정 ( 중력붕괴  중성자별생성  충격파로 별외부가열  초신성폭발 )

36 암흑에너지 승리시기 1) 초기 우주를 구성하는 물질은 중력 때문에 안쪽으로 끌려 들어가 팽창 속도가 줄어 듬. 2) 60 억 ~50 억년 전부터 우주의 팽창에 가속도가 붙음  암흑 에너지가 우주 전쟁에서 승리한 시기 3) 암흑 에너지가 90 억년 전부터 활발하게 활동 증거 (2006 년 11 월 16 일 NASA, 애덤 리스박사팀 )  허블 우주망원경 통해 24 개 초신성 관측.  은하들을 점점 빠른 속도로 밖으로 밀어내는 반 ( 反 ) 중력의 힘이 오늘날과 비슷함.

37 90 억년전부터 암흑에너지가 존재했었다는 것을 허블 우주망원경 통해 24 개 초신성 관측으로 확인

38 12. 암흑에너지 정체는 무엇인가 ? 지구상의물질분류 고체, 액체, 기체 태양계에서 물질분류 고체, 액체, 기체, 플라스마 ( 태양 : 스타 ) 우주에서 물질분류 ( 상태방정식 : ) 물질 (stiff matter: w=1), 복사 (radiation: w=1/3), ( 암흑 ) 물질 (cold dark matter: w=0) 곡률 (curvature: w=-1/3) 가속암흑에너지 (dark energy: -1/3<w<-1) 우주상수 (cosmological constant: w=-1) 팬템물질 (phantom: w<-1)

39 13. 우주상수란 무엇인가 ? * 아인슈타인이 우주팽창이론을 싫어해 도입한 양의 상수 * 양의 에너지밀도와 음의 압력을 갖고 시공간에 일정하게 분포되어 있음. * 이 경우 우주 내 모든 점에서는 척력이 작용하여 중력의 인력을 이기고 가속팽창이 가능함

40 14 전자기력과 중력의 차이점 ? 전자기력 : 인력과 척력  물질생성 중력 : 인력 ( 불안정 )  씨앗 ( 급팽창섭동 ) 에 작용하여 우주구조생성

41 15. 일반상대론이 필요한 곳은 ? 큰 스케일의 우주론 강한 중력장이 작용하는 블랙홀

42 16 뉴턴역학으로 우주론 설명 가능한가 ? 물질중심우주는 설명이 가능하다. 음의 우주상수  조화진동자 ( 중심으로 인력작용 ) 양의 우주상수  반조화진동자 ( 중심으로부터 척력작용 )

43 17 우리 우주 내 별과 은하의 개수는 ? 은하  100 억 개의 별로 이루어짐 우주 ->1000 억 개의 은하가 있음 우주 내 별의 개수 ( 거시세계 )  10^{23}  아보가드로수  1 몰 당 기체 분자수 ( 미시세계 )

44 18 인간은 소우주란 말의 타당성은 ? * 세포 내 분자 수  10^{12} 개 * 우리 몸의 세포 수  60 조 ~10^{12} 개 * 우리 몸의 총 분자수  10^{24} 개  별의 개수  소우주

45 19 우주의 크기는 ? 태초로부터 빛이 간 거리 = 우주의 나이 (130 억년 x3.1x 천만초 ) X 빛의 속도 (300 억 cm/ 초 ) =10^{28}cm

46 20 우주탄생이전과 우주밖에는 무엇이 있는가 ? 어리석은 질문이다. 이런 질문 하는 사람을 위해 조물주는 지옥을 만들었다. 최근 끈 이론으로 다 우주 모델이 나오고 있으나, 검증할 방법이 현재는 없다.

47 결론 眞物不煇 ( 진물불휘 ) 참된 물질 ( 에너지 ) 는 번쩍거리지 않는다.

48 결론 - 칸트말 수정 ( 우주론 ) 생각할수록 나를 괴롭게 하는 것이 두 가지가 있는데, 첫째는 밤하늘에 반짝이는 별 (star) 이고 둘째는 내가 보지 못한 것도 믿어야 한다는 사실이다.