우주의 탄생과 진화 : 우주는 137 억년전 무에서 탄생 태양계와 우주 (2014.3.24.) 인제대학교 컴퓨터시뮬레이션학과 명 연수.

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1 우주의 탄생과 진화 : 우주는 137 억년전 무에서 탄생 태양계와 우주 (2014.3.24.) 인제대학교 컴퓨터시뮬레이션학과 명 연수

2 우주론 (cosmology) 우주론이란 ? 우주의 탄생, 구성, 그리고 진화를 다루는 학문  관측사실에 기반을 둔 정밀 ( 실험 ) 과학 우주론에서 세 번 변혁기 1) 코페르니쿠스의 지동설 2) 허블의 우주팽창과 대폭발 (Big Bang) 이론 3) 1998 년 가속팽창우주발견 우주론의 기본원리 1) 등방성 2) 균질성 3) 중심이 없음 현대우주론 대폭발 (Big Bang)+ 급팽창 (inflation)

3 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 ( 현 이대 WCU 교수 ) 여러 온 도 데이터에 10 만분의 1 도씩 차이가 난다 는 우주의 비등방성 발견했다.

4 COBE vs WMAP(NASA)

5 Planck Satellite (ESA)

6 COBE(1992)WMAP(2004) 빅뱅 -38 만 년후 태초우주 빛 분포 ( 온도차, 물질밀도차 )

7 시대별 우주배경복사 온도분포

8 Cosmic microwave background seen by Planck (2013.3.21,ESA)  Planck reveals an almost perfect Universe

9 우주는 어떻게 탄생되었는가 ? 대폭발 (Big Bang) 이론  한점 ( 온도 : 무한대 와 밀도 : 무한대 ) 에서 폭발하여 우주가 탄생 됨. 1940 년대 가모프와 디케등이 주창함. 그러나 명명은 호일이 함.

10 우주탄생 경과 후 우주의 온도, 크기 그리고 밀도는 ?  기본원소의 합성은 우주탄생 후 몇 분 몇 초 이내에 만들어졌을까 ?  3 분 45 초 이내

11 대폭발이었다는 증거는 ? 1.1929 년 허블의 우주팽창발견 ( 지구표면 )  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 관찰함  대폭발 3 분 후 수소 대 헬륨 비는 3:1 4. COBE- 인공위성을 통해 2.7K 와 비등방성측정 5. WMAP- 관측위성을 통해 비등방성 더 정확히 측정 허블 이전 : 우리은하  우주전체

12 허블의법칙 (1 번 증거 )

13 윌슨 - 펜지아스 우주배경복사 온도 발견 우주배경복사온도의 등방성

14 전자기파 스펙트럼과 태양의 흑체복사

15 COBE- 인공위성을 통해 우주배경복사온도 2.7K 측정 (1 번과 4 번 증거 ) 우주탄생 후 380,000 년 이 지나면 온도는 3,000 K 되어 전자가 핵 내로 포획되면서, 우주 가 맑아짐 ( 물질과 복사 분리 됨 ). 태초의 빛생성 이때까지 현재의 태양과 비슷한 흑체복사 ( 자외선 과 가시광선 ) 였으나, 우 주팽창에 의한 적색편이 로 인해 마이크로파가 되어 그 온도는 2.7K 됨. 2.7K

16 허블 망원경이 관측한 탄생 후 40 억년 (100 억년전 ) 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

17 허블 망원경이 찾아낸 최초 은하와 최초 별 (Nature 469,504,2011) The tiny, dim object observed by Hubble could be a compact galaxy of blue stars that is seen as it was only 480 million years after the Big Bang. The rate of star formation was about 200 million years later. Ultra-deep-field exposure taken with NASA’s Hubble Space Telescope

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

21 인플레이션 (inflation)

22 인플레이션

23 평탄성문제해결

24 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.

25 인플레이션의 간접적인 증거는 ? 온도  COBE & WMAP 등의 관측위성 통해 확인 1) 우주배경복사의 온도 등방성 확인 인플레이션 중 진공 ( 양자 ) 섭동으로 온도와 밀도가 다른 현재우주거대구조 (Large Scale Structure) 생성됨 2) 우주배경복사 (CMBR) 의 온도 비등방성을 1/100,000 도까지 측정하여 인플레이션섭동이론결과와 일치함을 확인함. 밀도  거대구조 (LSS) 관찰을 통해 확인 3) SDSS 나 2dF 관찰을 통해 스케일에 따른 밀도 균질성 및 비균질성이 인플레이션섭동이론 (power spectum  분포의 편차측정 ) 과 일치함을 확인

26 세기의 발견 : 인플레이션 직접증거 ( 빅뱅의 지문 ) (2014 년 3 월 18 일 ). 미국 하버드 스미스소니언 천체물리센터는 17 일 ( 현지시각 ) 약 138 억년 전 대폭발 이후 지금과 같은 우주가 생긴 우주 인플레이션의 직접적 증거를 최초로 발견했다고 밝혔다. 하버드 스미스소니언 천체물리연구센터가 우주 인플레이션의 증거로 ‘ 중력파 ’ 를 탐지했다. 중력파는 질량을 가진 물체가 가속 운동을 할 때 방출되는데, 전하를 가진 전자를 흔들어 주면 전자기파가 방출되는 것과 비슷한 원리다. 그러나, 중력파의 존재는 아인슈타인의 일반상대성이론에 따라 예측됐고 이론상으로 존재했지만 직접 검출은 성공한 적이 없었다. 연구자들은 남극에 설치한 바이셉 2(BICEP2) 라는 관측 장비로 우주 전체에 가득한 ‘ 우주 마이크로웨이브 배경 복사 ’ 의 편광을 분석해 중력파의 패턴을 파악했다. 연구자들은 빅뱅 직후 찰나의 순간에 중력파가 특징적인 흔적을 남겼으며, 그 흔적이 우주 배경 복사 에 남아 있다고 보고 있다. 이번 발표는 이 인플레이션 우주론의 직접적인 증거가 되는 초기우주가 만 들어낸 중력파를 검출한 것으로 빅뱅부터 현대우주까지의 인과관계를 잘 설명하는 직접적인 관측적 증거라고 연구진은 소개했다. 과학계는 이번 연구가 이번 세기 가장 중요한 과학적 발견 가운데 하나로 꼽을 수 있을 것으로 보고 있다.

27 The BICEP (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) telescope at the South Pole, designed to measure polarized light from the early Universe. BICEP and B-mode of primordial gravitational waves Primordial gravitational waves give the divergence-free B component in the CMB polarization.

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29 WMAP 를 통해 온도비등방성측정 (2 번 증거 )

30 우주의 거대구조 (Large Scale Structure: LSS) 1.2dF 에서 은하들 (galaxies) 의 분포 (Two Degree Field Galaxy Redshift Survey, 2001 년 ) 2. 250,000 은하들의 분포 ( 우리 : 중심, 경계면은 약 1Gpc 에 존재함 ) 3. 적색편이 ( 지구로부터 거리 ) 와 각 위치를 이용해 3 차원분포를 2 차 원 평면으로 투사함

31 은하분포

32 우주진화과정 (38 만후  137 억년까지 우주크기는 약 100,000 배증가 )

33 인플레이션 이후 어떤 과정을 거쳐 현재의 우주로 진화했나 ? 빅뱅  양의가속도우주 ( 인플레이션 )  가속도 =0 우주  음의 가속도 우주 (slowing expansion) (Reheating  복사지배우주  물질지배우주 )  가속도 =0 우주 ( 곡률지배우주 )  양의 가속도 우주 (accelerating expansion)  계속 팽창하는 우주 ( 미래의 우주 )?  w<-1( 팬텀물질 ) 이면 우주가 산산 조각 난 Big Rip( 우주의 운명 )?

34 현재우주의 물질분포는 ? 암흑에너지 ( 집적화불가능 ) 암흑물질 ( 집적화가능 ) 물질 : 양성자 + 중성자 ( 집적 및 관측가능 )

35 암흑물질 이 존재한다는 증거는 ? * 1933 년 프리츠 즈위키에 의해 은하회전속도 관찰 결과 암흑물질 존재 가능성 제시 * 전자기파로 탐지불가능 * 우주전체질량의 90% 로 중력이 작용함 * 중력렌즈현상을 이용해 간접적으로 각 은하의 암흑물질 분포 확인가능 * 암흑물질의 정체를 밝히면 노벨상 ( 향후 5-10 년 내 가능 )

36 나선은하 M33 의 회전속도 Solid line: total rotation curve Dot-dashed line: dark matter Short-dashed line: stellar disk Long-dashed line: gas At large radii, dark matter dominates.

37 중력렌즈현상과 암흑물질등고선

38 중력렌즈에 의해 4 개로 보이 는 은하 : 멀리 있는 은하에서 나온 빛이 블랙홀로 짐작되는 물체를 스 쳐 지나오면서 휘어져서 4 개 의 영상으로 보인다. 중력렌즈현상

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40 암흑에너지 가 존재한다는 증거는 ? 1) Ia 형 초신성 ( 표준전구 ) 들은 같은 밝기로 연소하기 때 문에 이들의 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 에너지가 있다는 것을 알아냄. 4) 2010 년 허블망원경 초신성팀이 557 개 초신성관찰을 통해 가속팽창을 99% 확신함.

41 2011 노벨 물리학상 솔 펄머터, 브라이언 슈밋, 애덤 리스 노벨물리학상에 펄머터 등 3 人 … 우주 가속팽창 규명 별의 마지막 순간인 100 억광년 떨어진 초신성 50 개 밝기 관찰 ( 초신성은 우주 연구에서 거리를 재는 이른바 ' 표준 척도 ) 끌어당기는 중력과 반대인 밀어내는 암흑에너지 예견 … 아인슈타인 우주론 입증 (?)

42 팽창하는 우주

43 가속팽창 - 허블의 법칙 [ 초신성 후퇴속도 ] 초신성까지거리초신성까지거리

44 거리 - 적색편이 식 :

45 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.

46 암흑에너지 정체는 무엇인가 ? 지구상의물질분류 고체, 액체, 기체 태양계에서 물질분류 고체, 액체, 기체, 플라스마 ( 태양 : 스타 ) 우주에서 물질분류 ( 상태방정식 : ) 딱딱한물질 (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)

47 우주상수란 무엇인가 ? * 아인슈타인이 우주팽창이론을 싫어해 도입한 양의 상수 ( ) * 양의 에너지밀도와 음의 압력을 갖고 시간과 공간에 일정하게 분포되어 있음. * 이 경우 우주 내 모든 점에서는 척력이 작용하여 중력의 인력을 이기고 가속팽창이 가능함 * 문제점 : 우주상수문제 (fine-tuning problem: 실제와 이론 사이에 배 차이 ) * 해결방안 : f(R) gravity, Massive gravity 등의 수정된 중력이론 도입하여 설명.

48 우주탄생이전과 우주밖에는 무엇이 있는가 ? - 어리석은 질문이다. -- 검증할 방법이 현재로는 없다.  이런 질문 하는 사람을 위해 조물주는 지옥을 만들었다.