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

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

2 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.”

3 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

4 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.

5 우주의 시작 그리고, 3 분간 Review

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

7 인플레이션 - 기하급수적 팽 창 밀도요동 (density fluctuation)

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

9 3 분이 되는 순간 : 재결합 e-e- 전자가 양성자에 포획 되어 중성 수소 탄생 빛이 자유롭게 탈출 : 우주 배경복사 (T=2.7K) 짜잔 ~

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

11 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)

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

13 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.

14 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

15 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 )

16 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

17 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.

18 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.

19 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.

20 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.

21 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

22 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

23 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.

24 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.

25 우주 배경 복사의 발견 과정

26 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.

27 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)

28 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 )

29 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)

30 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

31 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

32 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

33 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