출처: 샛별넷: http://www.3byul.net/ (이곳에 재미있는 상식이 많이 있네요.)

천문학. 첫수업시간에 교수님께서 내주셨던 숙제입니다. 왜 밤하늘은 어두워야할까요?

밤하늘은 왜 어두운가? - 올버스의 패러독스


하늘이 푸른 이유는? 지구 대기에 의해 태양빛이 산란되어...(생략) 우리는 저 문제에 대해서는 자주 접하고 또한 답을 알고 있다. 그런데 밤하늘이 어두운 이유는? 많은 사람들은 당연히 어둡다고 생각한다. 왜? 태양이 지구 반대편에 있으니까. 그러나 밤하늘에는 수 많은 별들이 반짝이고 있다. 우주가 끝없이 넓은 만큼 별도 무수히 많이 있고, 그 별들에서 나오는 빛으로 인해 밤하늘, 좀 더 넓게는 우주 전체가 밝아야하지 않을까?
막연히 추측만 할 것이 아니라 구체적으로 생각해보기로 하자. 이 문제를 풀려했던 올버스는 3가지 가정을 했다.
(1) 우주는 한계가 없다.
(2) 별의 수도 한계가 없고 우주속에 고르게 흩어져 있다.
(3) 별의 평균 밝기는 어디서나 똑 같다.
이런 가정이 세워지면 밤하늘은 밝아야한다. 수식을 세워보면,

밝기= http://3byul.net/zboard/icon/member_image_box/1/olbus.gif

L: r0 만큼 떨어진 은하의 밝기
n: 단위부피당 은하의 개수 (은하의 밀도)


이므로 밝기가 무한대가 되어버린다. 따라서 밤하늘이 밝아야 한다. 그런데 밤하늘은 밝지가 않다. 올버스는 밝지 않은 이유가 우주 속의 가스나 먼지에 의한 빛의 차단이라고 생각했다. 그러나 가스나 먼지에 의해 빛이 차단되더라도 가스나 먼지가 다시 빛을 방출하기 때문에 올버스의 논리는 성립되지 않는다. 이것을 올버스의 패러독스라고 한다. 그러면 도대체 밤하늘이 밝지 않은 이유는 무엇일까?
바로 우주의 팽창이다. 우주는 현재 빠른 속도로 팽창하고 있고 그에 따라 우주 속의 모든 천체는 우리(지구)와 멀어지고 있다. 멀어지는 속도 즉, 후퇴속도는 지구에서 멀수록 크다. 약 150억 광년 떨어진 곳에 위치하는 천체는 빛의 속도에 가깝게 멀어지고 있다. 따라서 150억 광년 밖에 또 다른 세상이 있는지 없는지에 관계없이, 우리의 시야는 150억 광년으로 한정된다. (왜냐하면 150억 광년 밖에 천체가 있다 해도 빛의 속도보다 더 빨리 멀어지기 때문에 우리는 그 천체를 관측할 수 없다.) 그렇기 때문에 위의 식에서 R 은 무한대가 아니라 150억 광년이 되어야 하고 그에 따라 별빛의 양도 유한하게 된다. (여기서 우주가 무한한지, 유한한지는 상관이 없다. 우리에게 영향을 미치는 것은 150억 광년까지의 우주이기 때문이다.)
또한 빛을 내는 천체들이 멀어짐에 따라 천체가 내뿜은 빛은 적색편이 현상을 일으키게 된다. (도플러효과) 따라서 빠른 속도로 멀어지는 천체의 빛은 심한 적색편이 현상을 보이게 되고 별이 내뿜은 가시광선이 적외선이나 전파가 되어버리는 경우도 생기게 된다. 우리의 눈은 가시광선만을 인지하므로 이것 또한 밤하늘이 어두운 이유가 될 수 있다.
다시 정리해보자. 밤하늘이 왜 어두운가? 우주의 팽창이다. 우주가 팽창하기 때문에 지구로 오는 별빛의 양은 무한하지 않고 또한 적색편이 현상으로 가시광선이 약간이나마 줄어든다. 아직 어떤 이유가 얼마나 많은 비중을 차지하는 지는 모르지만 (아직 우주는 미지의 세계이다.) 밤하늘이 밝아야 한다는 논리는 부정할 수 있었다. 밤하늘은 참 아름답다. 검은색의 광활한 도화지 위에 별들이 반짝이고 있다. 이것은 모두 밤하늘이 어두웠기 때문에 가능한 일. 그래서 난 밤하늘을 어둡게 해 준 우주의 팽창에 감사한다.

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