최초의 3분 Chapter 2. 우주의 팽창 Prepared by: <1조> 김경준

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1 최초의 3분 Chapter 2. 우주의 팽창 Prepared by: <1조> 2000011361 김경준
최성우 한정훈 정민호 이도영 이상기 임송균 Confidential

2 Introduction Have you thought about… 저 별처럼 언제나 여기에 서 있을게~
어느 머리 좋은 카사노바의 거짓말.. 지금 이 순간에도 우주는 변하고 있다. 초기 우주는 언제부터..? Confidential

3 현재 우리의 우주는? 우주는 격렬한 폭발 상태에 있다. =>Doppler effect로 알 수 있음.
폭발을 시간적으로 거꾸로 연장. 초기우주(Early universe)를 가정. Early universe 모든 물질이 매우 가깝게 존재. 원자나 원자핵들조차도 따로 떨어져 존재 못함. 2019년 4월 25일 Confidential

4 MESSIER CATALOGUE 1770년대 Charles Messier가 자신이 관찰한 103개의 흐릿한 물체에 번호 (Messier numbers)를 붙여 목록을 만들었음. 처음에는 혜성을 찾기위해 혜성이 아닌 것들을 구별하기위한 목록을 작성하여 만들어진 것. Confidential

5 성 운? or 은하? 칸트 :성운 중 일부를 은하로 제안 성운 또는 성운의 일종이 우리은하와 대략 같은 크기와 모양을 가진 원반들이라고 주장 19세기까지의 천문학자들의 반대 “먼 거리에 있으면서도 그렇게 밝은 빛(에너지)을 내는 엄청난 폭발은 있을 수 없다.” 그 폭발은 초신성의 폭발이었으며 1893년에는 이를 아무도 모르고 있었음 Confidential

6 (참고) 초신성 폭발 무거운 별의 일생 : 원시별 원시 주계열별 주계열별 적색거성 초신성 중성자별,블랙홀
: 원시별 원시 주계열별 주계열별 적색거성 초신성 중성자별,블랙홀 (무거운 별이 수명이 다해 수축했다가 폭발하는 현상으로 목성의 태양공전 궤도만큼 크기가 크고, 우리은하의 크기만큼(천왕성궤도) 밝다.) Confidential

7 (우리) 은하수 (Our Galaxy) 지름: 8만 광년 두께: 6000만 광년 질량: 태양의 약 1000억 배
지름 10만 광년 정도의 은하헤일로(나선은하를 둘러싸며 엷게 흩어져 있는 별들)로 둘러쌓임 태양계의 위치: 원반의 중심부에서 북쪽방향으로 3만 광년 정도 벗어나 있음 매초 약 250km의 속도로 회전 나선팔 은하수의 나선팔 Confidential

8 Before we start… What’s the “Cosmological Principle”?
What’s the “Hubble Constant”? What’s the “Doppler effect”? Confidential

9 Cosmological Principle
-영국의 천체물리학자 Edward Arthur Milne이 명명. 우리 우주에 물질이 어떻게 분포하는지에 대한 가정 균일성(Homogeneous) & 등방성(Isotropic) Confidential

10 우주원리와 허블법칙 우주원리 우주는 공간적으로 균질한 등방성을 가진다는 가정 등방성 : 어느 방향이든지 우주의 모습은
크게 다를 것이 없음 균질성 : 우주가 등방적이라면 필연적으로 균질 해야 함 Confidential

11 균질성과 허블법칙 각 은하에서 본 다른 은하의 상대속도는 같아야 함 (균질성) 은하사이 거리가 2배, 3배 늘어날수록,
상대속도 또한 2배, 3배 비례하여 증가 허블법칙을 통해 우주의 균질성 입증 2019년 4월 25일 Confidential

12 우주원리의 제한 관측 가능한 은하가 작은 규모로 국한되어 있다.
광속에 접근하는 속도에서는 허블의 비례관계가 성립하지 않는다.(특수 상대성 이론) Confidential

13 허블의 발견 허블이 은하의 적색편이가 거리에 비례해 증가한다는 것을 발견했다고 밝힌 후 인정받음 2019-04-25
Confidential

14 허블 - 성운의 정체를 밝힘 허블 - 100인치 허블 망원경설치 - 안드로메다 성운을 분해해서 봄
  - 안드로메다 성운을 분해해서 봄 나선팔에서 변광성(Cepheid variables)에서 주기적인 밝기 변화 관측 변광성의 주기와 절대밝기 사이의 밀접한 관계가 있음이 미리 밝혀졌기 때문에 변광성 발견이 중요 (리비트 & 섀플리) Confidential

15 (참고) 세페이드 변광성(Cepheid Variables)을 이용한 은하간 거리 측정(1)
log(P)와 log(L) 사이에 일정한 관계가 성립 ( P: 맥동 주기, L: 절대 밝기) 맥동 주기측정 → 절대밝기 추정 →측정된 겉보기 밝기와 비교 →절대밝기와 겉보기 밝기의 비교로 천체의 거리를 알 수 있다. Confidential

16 (참고) 세페이드 변광성(Cepheid Variables)을 이용한 은하간 거리 측정(2)
Confidential

17 절대등급 과 겉보기 등급 겉보기 등급 - 눈으로 보았을 때 밝기 - 5등급 감소하면 100배 밝아짐 절대 등급
- 별을 10pc에 놓았을 때의 겉보기 등급 Confidential

18 외부은하의 적색편이 현상 적색편이 용어의 정의 분석 성운의 스펙트럼선이 파장이 약간 긴 쪽으로 몰려 있는 현상
도플러 효과로 해석하여 적색편이 정도를 통해 멀어지는 은하의 속도 추정 Confidential

19 (참고)도플러 효과(Doppler effect)
이동하면서 나오는 파장은 짧아지고, 파장이 짧아지면 에너지가 커진다. Confidential

20 도플러 효과 (Doppler effect)
즉 성운들의 스펙트럼선이 이동한다는 것은 성운들이 지구를 향하여, 또는 지구에서 멀리 이동한다는 것을 나타낸다. Confidential

21 (참고) 적색편이를 이용한 속도 측정(1) 여기서 암흑선은 빛의 선택적 흡수로 인해 생긴다. 이 암흑선의 이동으로 편이를 알 수 있다. Confidential

22 (참고) 적색편이를 이용한 속도 측정(2) →암흑선의 이동 비율로 광원의 후퇴 속도 측정가능 !
 = (c+u)xt / (ƒ0 x t) = c / ƒ , 0 = c / ƒ0 ƒ = ƒ0 x c / (c+u)←파원이 후퇴하면 진동수가 작아짐. 즉 파장이 커짐 (-0) / 0 = ƒ0 / ƒ - 1 = (c+u) / c – 1 = u/c ← 파장의 증가비율은 광속에 대한 파원후퇴속도와 같음 →암흑선의 이동 비율로 광원의 후퇴 속도 측정가능 ! ƒ0 : 파원이 움직이지 않을 때 진동수 , ƒ: 파원이 움직일 때의 진동수 0:파원이 움직이지 않을 때의 파장 , :파원이 움직일 때의 파장 C:파원이 내는 빛의 속도 , u: 파원이 움직이는 속도 Confidential

23 허블상수를 이용한 우주의 나이 추정 (1) 허블상수 [Hubble constant] V = H x R
허블상수를 이용한 우주의 나이 추정 (1) 허블상수 [Hubble constant] : 허블의 법칙 (멀리 떨어진 은하들 간의 속도와 거리 사이에는 언제나 일정한 비율이 존재한다는 법칙으로 1929년 미국천문학자 에드윈 포웰 허블(Edwin P. Hubble)이 발견)에서 은하간 거리당 속도의 비율 V = H x R V : 은하들 간의 속도 (도플러 효과에 의한 적색편이로 측정한 속도) R : 은하간의 거리 (세페이드 변광성의 주기와 절대밝기의 관계에서 얻어짐) H : 허블상수, 15Km/s/Mly (100만광년 당 매초 15km/s) Confidential

24 허블상수를 이용한 우주의 나이 추정 (2) V = R x H = R / (1/H) 속력 = 거리 / 시간
허블상수를 이용한 우주의 나이 추정 (2) 속력 = 거리 / 시간 V = R x H = R / (1/H) 허블상수 H 는 거리당 속력(Km/s/Mly)이므로 쉽게 보면 {(거리)/(시간)}/(거리) 의 단위를 가지고 있다고 볼 수 있는데 이것은 1/(시간) 의 단위, 즉 시간의 역수인 것이다. 그러므로 허블상수의 역수를 취하면 그 거리만큼 떨어지기 위한 시간이 나오게 된다. Confidential

25 적색편이 현상과 허블법칙 Graph 분석 허블법칙 거리와 후퇴속도가 근사적으로 비례 Graph의 기울기가 H에 해당
H는 대략 15km/s/MLy Confidential

26 우주의 나이 추정 방법 허블상수 이용방법 방사성 동위원소 반감기법 별의 진화에 기초한 계산법 →모두 100~150억년이 나옴
즉, 허블상수가 우주의 나이를 설명하는 데 타당한 방법임을 우리에게 시사해 줌 Confidential

27 진행중인 허블 프로그램 초기 허블 프로그램 현재의 허블 프로그램 은하 속도와 거리의 비례관계 증명
H를 대략 170km/s/MLy로 추정 우주나이를 약 20억년으로 추정 현재의 허블 프로그램 은하 속도와 거리의 비례관계 재확인 H를 재조정, 대략 15km/s/Mly로 추정 우주나이를 약 200억년으로 추정 Confidential

28 프리드만의 우주모델 프리드만 [Friedmann, Aleksandr Aleksandrovich]
: 러시아의 수학자·물리학자 , 우주 진화에 대한 '대폭발' 모형을 최초로 가정함 우주상수를 제거한 아인슈타인의 중력장 방정식을 연구 → 수축팽창에 대한 세가지 가설을 세움 Confidential

29 우주의 팽창 열린우주 : 닫힌우주: 계속해서 팽창하는 우주 은하속도 > 이탈속도 우주밀도 < 임계밀도
우주밀도 < 임계밀도 닫힌우주: 시간이 지남에 따라 팽창이 멈추고 결국 수축하는 우주 은하속도 < 이탈속도 우주밀도 > 임계밀도 Confidential

30 이탈속도 임계밀도 우주의 밀도 : 아직 정확히 구해지지 않음 , 현재로는 임계밀도보다 작다고 추정
중력에 의한 감속 효과를 극복하고 계속해서 팽창할 수 있을 때의 속도 임계밀도 은하의 이탈속도가 허블법칙에 의해 주어지는 속도와 정확히 같아지는 우주밀도 값 (우주팽창이 멈추기 위한 최소한의 우주밀도) - 현재 추정치 : 5×10 g/㎤ 우주의 밀도 : 아직 정확히 구해지지 않음 , 현재로는 임계밀도보다 작다고 추정 -30 Confidential

31 열린우주의 근거 현재 은하의 감속이 상당히 작은 것으로 추정 (적색편이 대 거리의 곡선의 곡률로서 감속비율을 알 수 있다.) 은하 내 가시물질의 합이 임계밀도 보다 작다. 위 근거의 불확실성의 가능성 밀도를 제공하는 미발견 물질의 가능성 (수소이온으로 이루어진 은하간 기체가 발견되고 있음.) 먼 거리에 있는 은하의 현재 상태 관찰의 어려움 (현재 관찰되는 10광년 거리의 은하는 10년 전 은하의 상태) Confidential

32 Before we finish… 우주원리-현재 우주의 모습을 가정 도플러 효과- 은하의 속도를 계산
허블법칙- 속도와 거리의 비례관계를 추측 허블상수- 은하간 거리당 속도의 비율 허블상수의 역수- 우주의 나이추정 Confidential

33 In Consequence… 초기의 폭발로 시작된 우리의 우주는 지금도 계속 팽창하고 있다. 앞으로도 팽창이 계속될지 여부는 아직 알 수 없다. 다만 우리는 현재의 우주론과 천문학적 관측으로 꽤 명확한 초기우주의 모습을 알 수 있다. Confidential

34 Q & A Confidential