우주팽창이론의 발견, 빅뱅과의 관계, 암흑에너지를 통한 팽창 가속

우주 팽창 이론은 우주가 탄생 이래 지금까지 계속해서 팽창해 왔다는 이론입니다. 1920년대 에드윈 허블의 발견을 시작으로 과학자들은 우주가 빅뱅으로 알려진 매우 밀도가 높고 뜨거운 상태에서 시작되었음을 보여주는 증거를 수집해 왔습니다. 은하의 움직임에 대한 관찰, 우주 마이크로파 배경 복사, 암흑 에너지에 대한 발견은 모두 이러한 우주 팽창이론을 뒷받침합니다. 이 글에서는 우주팽창이론의 발견, 빅뱅과의 관계, 암흑에너지를 통한 팽창 가속화에 대한 정보를 알려드리겠습니다.

우주

우주 팽창의 발견

미국의 천문학자 에드윈 허블은 1920년대에 우주에 대한 우리의 지식을 완전히 바꿀 획기적인 발견을 했습니다. 허블은 로스 앤 제레스 북동부에 위치한 윌슨 산 천문대의 후커 망원경을 사용하여 당시 안드로메다 성운으로 알려진 먼 천체를 자세히 관찰하는 것으로 시작되었습니다. 허블은 촬영한 안드로메다 성운 사진을 인화하는 과정에서 신성일 가능성이 있는 두 개의 점을 발견하였습니다. 이후 두 번째 점이 신성이며, 세 번째 점이 세페이드 변광성임을 발견하였으며 세페이드 변광성을 이용하여 안드로메다 성운까지의 거리를 계산했습니다. 이를 통해 안드로메다 성운까지는 지구로부터 90만 광년이 떨어져 있어 우리 은하의 크기인 10만 광년을 넘어서 우리 은하계 외부에 있는 별도의 은하라는 것을 증명했습니다. 또한, 이 은하들의 스펙트럼 선을 분석함으로써 허블은 일관된 적색편이를 발견했는데 이는 은하들이 우리로부터 멀어지고 있음을 말해주는 증거였습니다. 적색 편이란 우리에게서 멀어지는 은하계의 빛은 스펙트럼의 빨간색 끝 쪽으로 이동하는 원리입니다. 허블은 지구에서 멀리 있는 은하들이 우리에게 가까운 은하들보다 더 큰 적색편이를 보인다는 사실을 발견했는데 이는 그들이 더 빠른 속도로 멀어지고 있음을 의미합니다. 적색편이를 측정하고 이들 은하까지의 거리를 결정함으로써 허블은 은하의 속도(얼마나 빠르게 멀어지고 있는지)와 거리(우리 은하와 떨어져 있는 거리)를 표시하고 직선 관계를 찾았습니다. 이 상관관계는 모든 은하계가 서로 멀어지고 있다는 것을 증명하였으며 우주가 정적인 것이 아니라 역동적으로 우주 자체가 팽창한다는 것을 뒷받침하였습니다.

빅뱅이론과의 관계

1920년대 에드윈 허블의 연구는 우주 자체의 팽창으로 인해 은하들이 서로 멀어지고 있다는 것을 보여주는 데 중추적인 역할을 했습니다. 이러한 팽창을 거꾸로 추적함으로써 과학자들은 우주가 매우 조밀하고 뜨거운 단일 지점에서 시작되었다는 빅뱅 이론이 탄생했습니다. 빅뱅이론에 따르면 우주는 약 138억 년 전에 시작되어 그 이후로 계속해서 팽창해 왔습니다. 빅뱅 이론을 뒷받침하는 증거에는 우주가 뜨겁고 밀도가 높은 상태에서 시작되었음을 증명하는 1960년대에 발견된 초기 우주의 희미한 빛인 우주 마이크로파 배경(CMB)이 있습니다. 우주 마이크로파 배경은 양성자와 전자가 중성 수소 원자를 형성하여 빛이 자유롭게 이동할 수 있을 만큼 우주가 뜨겁고 밀도가 높았던 시대부터 현재 남은 열복사를 나타내기 때문에 중요한 증거입니다. 또한 빅뱅 이후 우주는 극도로 뜨겁고 밀도가 높아 핵반응이 일어나면서 수소와 헬륨과 같은 가벼운 원소가 형성되었고 과학자들이 빅뱅 당시 조건을 추정하여 동일 환경에서 얼마나 많은 수소와 헬륨이 생성되는지를 계산하였으며 계산된 값이 오늘날 우주에 있는 수소와 헬륨의 양과 비슷하다는 점은 빅뱅 이론을 뒷받침해주고 있습니다.

암흑에너지를 통한 팽창 가속화

최근 연구에 따르면 우주의 팽창은 계속되고 있을 뿐만 아니라 속도도 빨라지고 있습니다. 1990년대 후반 먼 거리에서 별의 죽음을 나타내는 강력한 폭발인 초신성 관측을 통해 발견된 이 가속은 암흑 에너지로 알려져 있습니다. 초신성이 과학자들이 예측한 밝기보다 더 희미하는 것을 관찰하였고 이는 예측한 거리에 비해 초신성이 더 멀리 떨어져 있음이 확인되었습니다. 이를 통해 팽창속도가 과거에 예측했던 것에 비해 점점 더 빨라지고 있음을 시사했습니다. 아직 과학자들은 암흑에너지를 완전히 이해하지 못했지만 과학자들은 암흑에너지가 우주 전체 에너지의 약 68%를 차지한다고 추정하고 있습니다. 암흑 에너지를 이해하는 것은 우주가 영원히 계속 팽창할 것인지 아니면 우주가 너무 빨리 팽창하여 스스로 찢어질 수 있는 빅 립(Big Rip)과 같은 극단적인 시나리오를 경험할 것인지를 포함하여 우주가 어떻게 끝날 것인지에 대한 우리의 이론에 큰 영향을 미칠 수 있기 때문에 연구는 지속될 것입니다.