1.외부 은하와 우주 팽창
1)허블의 은하 분류 체계
허블은 외부 은하를 가시광선 영역에서 관측되는 형태에 따라 타원 은하, 나선 은하, 불규칙 은하로 구분합니다.
타원은하는 원에서 타원형태를 한 은하이며, 나선 은하는 기본적으로 타원은하와 비슷한 구조이나 주변부에 나선팔을 가진다는 점에서 다릅니다.
나선팔에는 젊은별과 성운들이 모여 있고, 중심부에는 은하핵를 포함한 중앙 팽대부라고 하는 밀도가 큰 부분이 위치합니다.
나선 은하는 중심부의 형태에 따라 다시 정상 나선 은하와 막대 나선 은하의 두 가지로 구분됩니다.
불규칙 은하는 타원 은하나 나선 은하에 속하지 않는 불규칙한 형태를 띠는 은하들이며, 비대칭적 원리, 성간 물질과 젊은별을 포함합니다.
허블은 은하의 형태가 방향성을 가지고 변화하는 것으로 생각하여 이를 통해 은하의 진화를 설명하고자 하였으나, 이 생각은 곧 잘못된 것으로 밝혀졌습니다.
그러나 이 분류 체계는 외부 은하의 중요한 물리적 특징을 대략적으로 반영하고 있어 은하의 특성을 체계적으로 연구할 수 있는 기준을 제공합니다.
타원 은하는 대문자 E로 표현하며, 숫자가 커질수록 납작한 타원 모양을 합니다.
나선 은하는 S로 표현하고, 막대 나선 은하는 B를 붙여 구분합니다.
막대 나선 은하의 경우 뒤에 붙은 소문자 순에 따라 점점 중심부가 축소하고 나선팔이 발달하는 양상을 보입니다.
은하: 항성과 성간물질, 암흑물질 등이 중력에 의해 묶여있는 천체의 집합체
2)특이 은하
다양한 관측 장비가 개발되고 은하 연구가 지속됨에 따라, 허블의 분류 체계로는 설명하기 어려운 특성을 지닌 은하들이 발견되었습니다.
이 은하들은 일반적인 은하에 비해 전파나 X선 영역에서 강한 에너지를 방출할 뿐만 아니라, 그 밝기가 시간에 따라 변하는 등 일반 은하와는 다른 특성을 보입니다.
이런 은하들을 일반적인 은하와 구분하여 특이 은하라고 합니다.
특이 은하에는 퀘이사, 전파 은하, 세이퍼트 은하 등이 있습니다.
전파 은하
보통 은하보다 수백배 강한 전파를 방출합니다.
관측 방향에 따라 중심부에서 뚜렷한 전파원, 제트로 연결된 로브가 중심 양쪽에 대칭으로 나타나는 모습으로 관측됩니다.
퀘이사
수많은 별들로 이루어진 은하이지만, 너무 멀리 있어 하나의 별처럼 보입니다.
- 퀘이사는 적색편이가 매우 크게 나타나며, 이를 통해 구한 후퇴 속도가 빛의 속도의 약 0.1~0.82 배
- 퀘이사 대부분이 우주 생성 초기에 생성됨(약 7억년전)
- 방출에너지는 보통 은하의 수백배나 되지만 에너지가 방출되는 영역의 크기는 태양계 정도
여기에서 적색 편이가 크다는 것은 퀘이사가 매우 먼 거리에서 빠른 속도로 멀어지고 있는 것입니다.
이렇게 작은 공간에서 많은 양의 에너지를 방출 하고 있는 것으로 보아 퀘이사 중심에는 질량이 매우 큰 블랙홀이 있다는 것으로 추정
세이퍼트 은하
일반적은 은하에 비해 핵이 다른 부분보다 상대적으로 밝고, 은하 내의 가스운이 매우 빠른 속도로 움직이고 있어 스펙트럼에서 넓은 방출선 관측
은하의 중심부에 질량이 매우 큰 천체가 있다는 것을 의미, 세이퍼드 은하의 중심부에 거대한 블랙홀이 존재할 것으로 추정
세이퍼드 은하는 대부분 나선 은하의 형태로 관측되고 있음
3)충돌 은하
- 은하 둘중 서로 가까이 있는 은하들 사이에는 큰인력이 작용 충돌
- 충돌할 때 거대한 분자운들이 충돌하게되고 격렬한 충격이 발생하면, 급격히 기체가 압축되어 많은 별들이 생성
- 두 은하가 가까이 접근하여 은하끼리 인력이 작용하여 길게 휘어진 구조물과 같은 특이한 형태가 나타나기
- 현재 약 250만 광년 떨어져 있는 안드로이메가 우리 은하와 점점 가까워 지고 있음.
4)허블의 관측 우주론
외부 은하의 관측
외부 은하의 스펙트럼 관측과 후퇴 속도: 외부 은하의 후퇴 속도와 흡수선 파장변화량(관측 파장 - 원래 파장)
속력: c(빛의 속도)×[흡수선 파장의 변화량/원래 흡수선 파장]
5)허블의 법칙의 발견
허블은 은하의 관측 자료를 분석한 후, 은하가 멀어져 가는 후퇴 속도와 은하까지의 거리가 서로 관계있다는 것을 알아냈습니다.
즉, 은하가 멀리 떨어져 있을수록 후퇴 속도가 더 커진다는 결론을 내리고, 은하의 후퇴 속도와 거리 사이의 관계를 단순하게 정립하였습니다.
이것이 허블 법칙입니다.
은하가 후퇴하는 속도를 u, 관측되는 은하까지의 거리를 d라고 하면 허블 법칙은 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.
u=H×d
여기서 H는 허블 상수입니다.
이처럼 허블 상수는 은하의 거리와 후퇴 속도로부터 알아낼 수 있습니다.
이 허블 상수는 정확하게 측정하기가 매우 어렵기 때문에 새로운 측정을 통해 그 값이 계속 개선되고 있습니다.
허블 법칙에 따르면 우주공간에 있는 두 천체가 서로 멀어져 가는 속도는 거리가 멀수록 더 커진다는 것을 알 수 있으며, 이는 곧 우주가 팽창하고 있다는 것을 알려주는 것입니다.
6)허블 상수의 의미: 우주가 팽창한다면 과거 어느 순간에는 우주의 모든 것이 한곳에 모여 있었던 때가 있었을 것입니다.
우주의 모든 것이 모여 있었을 때는 지금의 은하들도 함께 모여 있었을 것이므로, 이때가 바로 우주의 시작이었습니다.
허블의 법칙으로 알아낸 우주의 후퇴 속도를 이용하면 우주의 모든 은하가 언제 모여 있었는지를 계산할 수 있습니다.
한편, 과거에서 현재까지 우주가 일정한 속도로 팽창하였다면 우주의 나이는 허블 상수의 역수로 알 수 있습니다.
우주의 대략적인 나이 t는
t=d/u=1/H
이 됩니다.
이렇게 얻은 우주의 나이를 허블 시간이라고 하며, 현재까지 알려진 우주의 나이는 약 137억년입니다.
또한, 관측 가능한 우주의 크기(r)는
c/H
이 됩니다.
등방성: 우주를 관측할 때 방향에 따라 물리적 특성이 변화하지 않는 성질
허블 상수의 변화 최초로 구한 허블 상수보다 관측 기술이 발달함에 따라 더 정확하게 관측된 최근에는 크게 줄어들었고, 이에 따라 우리가 측정할 수 있는 지구의 나이는 점점 늘어났고, 우주의 크기는 점점 커지게 되었습니다.
7)대폭발 우주론(빅뱅 우주론)
현재 우주의 팽창을 가장 잘 설명하는 대폭발 우주론은 우주가 급격한 대폭발(빅뱅)에 의해 탄생했다는 이론입니다.
대폭발은 시간과 공간의 시작점이자, 우주의 모든 물질과 에너지가 유래한 대사건입니다.
대폭발 이후 우주는 팽창하며 서서리 냉각되기 시작했고, 수소를 비롯한 물질들이 만들어졌습니다.
수억 년 후 이들로부터 은하가 형성되었고, 우리가 현재 보고 있는 우주의 모습이 갖춰지기 시작했습니다.
우주의 모든 물질과 에너지가 매우 작고 뜨거운 한점에 모여있다가 대폭발이 발생 후 팽창하면서 냉각되어 현재와 같은 분포
->우주의 물질이 균일하고 등방적으로 분포하고 있다는 우주론 원리, 중력의 원리를 설명하는 아인슈타인 상대성 이론 기반
| 빅뱅 우주론 | 정상 우주론 | |
| 팽창 여부 | 팽창 | 팽창 |
| 질량 | 일정 | 증가 |
| 밀도 | 감소 | 일정 |
| 온도 | 삼소 | 일정 |
| 특징 | 온도, 밀도가 매우 높은 한점에서 대폭발이 일어난 후 점차 팽창 | 우주 밀도가 일정하게 유지되어야 하므로 우주가 팽창하면서 생겨난 빈 공간에 새로운 물질이 계속 생성 |
근거
1] 가벼운 원소의 비율: 빅뱅 우주론에 따르면 초기 우주는 매우 뜨거운 빅뱅 약 1초 후 우주의 온도 약 100억K에 도달했으며, 양성자,전자,중성자 등의 입자들이 모두 뒤엉켜 있습니다.
이후 우주가 식으면서 중성자는 양성자와 결합->중수소----->빅뱅 이후 3분동안 헬륨핵으로 합성-> 소량의 리튬-> 빅뱅 우주론에 따르면 우주를 구성하는 물질의 약 24%가 헬륨으로 이루어져야 수소와 헬륨의 질량비가 약 3:1이 되는데, 이 예측은 관측결과와 잘 맞습니다.
가) 우주 초기 헬륨 원자핵이 생성 되기전의 양성자, 중성자 개수비를
나) 우주 초기 헬륨 원자핵이 생성 되기전의 수소와 헬륨 질량비를
2] 우주 배경 복사
- 빅뱅 우주론에 따르면 우주는 초기에 매우 뜨거운 상태였기 때문에 원자핵과 전자가 결합하지 않은 상태로 뒤섞여 있어서 빛이 자유롭게 진행x: 불투명한 우주
- 빅뱅후 38만년이 지났을때 우주는 충분히 식어서 원자핵과 전자가 결합해 중성원자가 만들어지면서 투명해졌음, 이와 함께 복사와 물질이 분리되기 시작했고 복사가 우주를 자유홉게 진행하기 시작: 투명한 우주
- 우주 배경 복사는 우주 온도가 약 3000K일때 방출되었던 복사로, 우주가 팽창하는 동안 온도가 낮아지고 파장이 길어져 현재는 약 2.7K 복사로 관측
- 1962년 윌슨은 통신 위성용 존파 망원경으로 우연히 하늘의 모든 방향에서 같은 세기로 나타내는 7.3cm 파장의 전파를 발견, 빅뱅 우주론에서 예상하던 우주 복사 배경임이 밝혀짐
7-1) 빅뱅 우주론의 한계
- 우주의 평탄성 한계: 현재 관측 결과 우주는 완벽할 정도로 평탄하지만 빅뱅 우주론에서는 그 이유를 설명하지 못함.
- 우주의 지평선 문제: 현재 관측 결과 우주의 모든 영역에서 물질이나 우주 배경 복사가 거의 균일한데 이는 멀리 떨어진 두 지역이 과거에 정보 교환이 존재한다는 것을 의미, 그러나 빅뱅 우주론은 예상 나이(빛이 이동할 수 있는 시간)>관측 나이
- 우주의 자기 홀극의 문제: 현재 우주에는 초기 우주때 생성된 자기 홀극이 많아야한다. 하지만 다양한 실험을통해 자기 홀극을 발견하기 위해 노력했으나 지금까지 발견되지 않았다
8)급팽창 이론(인플레이션 이론)
빅뱅 직후 급격히 팽창했다는 이론으로, 빅뱅 우주론으로 설명 할 수 없었던 여러 문제들을 해결할 수 있었습니다.
- 우주 전체가 곡률을 가지더라도 우주 초기에 급격하게 팽창하여 크기가 매우 커지게 되면 관측되는 우주의 영역은 평탄하게 보이게 된다는 주장
- 우주 생성 초기에 우주가 팽창하였기 때문에 팽창이 일어나기 이전에 가까이 있었던 두 지역은 거로 정보를 교환 할 수 있었다고 주장함으로써 우주의 지평선 문제 설명
- 우주가 생성 초기에 급격히 팽창 하였기 때문에 자기 홀극 밀도는 관측 가능량 미만으로 희박해졌다고 주장함으로써 우주의 자기 홀극 문제 해결
9)우주의 가속 팽창
- Ia형 초신성을 외부 은하의 거리를 측정하는 도구로 활용
- Ia형 초신성은 백색왜성이 주변의 별로 부터 물질을 끌어들여 백색왜성이 가질 수 있는 질량의 한계를 넘어 설때 중력을 이기지 못하고 붕괴하면서 폭발하는 초신성
- Ia형 초신성은 매우 밝으며, 일정한 질량에서 폭발하기 때문에 절대 등급이 일정해 멀리있는 외부 은하의 거리 측정에 이용되며, 거리에 따른 겉보기 등급을 분석하여 과거의 우주의 팽창 속도를 알아 낼 수 있음.
- 우주 팽창 속도가 감소 할 것으로 예상하였으나 Ia형 초신성 관측 자료를 분석한 결과.. 우주 팽창속도가 점점 증가중
최근 정밀한 관측 결과에 따르면 우주 배경 복사에 나타난 미세하게 불균일한 정도를 자세히 분석하면 급팽창 시기의 우주의 불균일한 정도를 알아 낼 수 있습니다.
이 불균일함의 변화로 시간에 따른 우주 변화를 추정해 볼 수 있으며, 이를 통해 우주의 구성 물질, 우주 팽창 속도, 우주 공간의 기하학적 모양 등을 밝혀 낼 수 있습니다.
1] 암흑 물질: 전자기파(우리 눈에 보이지 않음)로 관측 불가능
중력을 이용하여 관측-> 중력 렌즈 현상
우리 은하 회전 속도를 이용하여 암흑 물질 존재 확인
암흑 물질이 은하 원반, 헤일로에 분포함
2] 암흑 에너지: 우주의 모든 물질들 사이에는 인력이 작용하므로 만약 우주를 팽창시키는 어떤 에너지가 없다면 우주는 물질들의 인력에 의해 팽창속도가 감소하거나 수축할 것입니다.
암흑에너지->우주 팽창 속도를 상승 시킵니다.
관측결과 현재 우주는 팽창 속도가 계속 증가하는 것으로 밝혀졌습니다
->물질들의 인력 합< 암흑에너지의 척력 합
3]우주의 구성
4.9% 보통물질, 26.8% 암흑 물질, 68.3% 암흑 에너지로 구성
유클리드망원경 : 암흑 물질, 암흑 에너지 관측을 위해 (중력 렌즈 현상)이용
4]우주의 미래
임계 밀도: 평탄한 우주의 밀도입니다.
평탄 우주: 평균 밀도=임계 밀도 팽창속도 감소... 0에 수렴
열린 우주: 평균 밀도< 임계 밀도 영원히 팽창
닫힌 우주: 평균 밀도> 임계 밀도 팽창속도 감소.... 결국은 수축하여 크기가 다시 감소합니다.
현재 우주는 평탄하지만 팽창 속도는 점점 증가하고 있습니다.
접선의 기울기: 과거< 미래
우주 팽창 속도: 과거< 미래
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