빅뱅에 대하여......(2) > 행 성

첫번째 증거 - 은하들의 적색이동(우주의 나이)

1) 처음으로 적색이동 - 거리 도면을 만든 직후, 허블은 그 도면을 이용해 우주의 나이를 결정했다. 우주의 나이를 알기 위해서는 단순히 H값의 역수를 취하기만 하면 된다(1/H). 그러나 그것은 그저 근사치에 불과한 것이다. 왜냐하면 그것은 감속을 고려하지 않고 있기 때문이다. 이 나이를 얻기 위해 허블은 많은 가정들을 해야 했다. 그는'우주의 거리를 측정하는 사다리'를 만들기 위해 '표준 촛불'이라는 것을 사용했다. 그가 만든 사다리의 가로대 역할을 했던 이 표준 촛불들은 마치 와트 수를 알고 있는 전구들과 같은 것 이었다. 그 사다리에는 모두 세 개의 가로대가 있었다. 가까운 은하에 있는 세페이드 변광성과 좀더 멀리 있는 은하에 있는 밝은 별들 그리고 마지막으로 가장 먼 은하의 경우 은하들 자체의 밝기가 사용되었다.

2) 샌디지는 스위스 바젤에 있는 구스타프 탐만과 팀을 이루어 함께 우주 사다리의 각 단계들을 주의깊게 검토해 나갔다. H 는 이제 200억년의 나이에 해당하는 50이었다. 이 나이는 교과서와 논문에 인용되었다. 이것이 우주의 나이로 수용된 것이다. 또한 그들은 q값을 대략 1로 측정했고 우주는 닫혀있다고 결론내렸다.

3) 그러나 고트와 건 그리고 슈람과 틴슬리가 수집한 증거에 따르면 우주는 열려있었다. 그들은 자신들의 견해를 밝히는 [무한한 우주] 라는 제목의 논문 한 편을 썼다. 그것은 1974년 12월에 "Astrophysics Journal"에 출판되었다.

4) 드바쿨러는 샌디지가 가까운 은하단들의 중력을 무시했다고 지적했다. 우선 그는 처녀자리 방향에 있는 은하들을 이용해서 H를 계산했다. 그는 그것이 다른 방향의 은하들을 이용해서 얻어진 값과 다른지를 알아보고 싶었다. 그리고 그것이 다르다는 것을 발견했다. H는 처녀자리 방향에서 더 낮고 그 반대방향에서 더 컸다. 드바쿨러는 각 단계의 사다리들을 더욱 다양하게 선택하고 먼지에 의한 영향도 고려했다. 모든 수정을 거친 뒤 드바쿨러는 Mpc 당 100km/sec 의 H를 얻었다. 그것은 100억 년에 해당하는 나이로 샌디지와 탐만이 얻은 값의 약 반이었다.

우주배경복사의 관측을 통해 우리 은하가 사자자리 방향으로 600km의 속도로 움직이고 있다는 것을 알아냈다. 그러나 사자자리는 처녀자리의 방향으로부터 약 43도 기울어져 있다. 그러나 처녀 초은하단의 저 너머에 약간 다른 방향으로 바다뱀 - 센타우루스라고 불리는 또 하나의 초은하단이 있는데 쳐녀 초은하단 보다 질량이 무겁다. 그리고 그 너머에 역시 우리를 끌어당기고 있는 거대중력체(Great Attractor)라는 또 하나의 물체가 있다. 이 세개의 초은하단들의 인력으로 일으켜지는 운동은 우주배경복사로부터 얻어진 결과와 상당히 잘 일치한다.

5) 툴리와 피셔는 수소 스펙트럼의 21cm 선의 넓어진 폭을 측정함으로써 어떤 은하의 회전율이 구해질 수 있다는 것을 알았다. 이 넓어진 폭은 도플러 효과에 기인하는 것이었다. 만일 그 은하가 우리쪽으로 기울어져 있다면, 한쪽 끝은 우리에게 다가오고 있을것이므로 그것으로 부터 나오는 빛은 청색이동될 것이다. 그리고 다른쪽 끝은 멀어지고 있으므로 그것에서 나오는 빛은 적색이동될 것이다. 따라서 그 전체적인 효과가 선 폭의 확대로 나타나므로 은하가 빨리 회전하면 할수록 선 폭이 넓어질 것이다. 그러므로 만일 이 선의 폭을 측정할 수 있다면 회전속도를 측정할수 있을 것이라고 생각했다. 그러나 은하가 빨리 회전하면 할수록 더 무거워야 하며(구심력을 거스르기 위해 더 큰 질량이 요구된다.) 더 많은 질량은 별이 더 많다는 것을 의미하므로 더 빨리 회전하는 은하는 더 밝았다. 21cm 선의 두께는 그러므로 그들에게 은하가 얼마나 밝게 보이는지에 대한 척도를 줄 것이다. 툴리와 피셔가 얻었던 결과는 두바쿨러의 결과와 상당히 일치했지만 천문학계는 일반적으로 그것을 받아들이려고 하지않았다. 너무나 많은 수정이 필요했다. 그들이 사용했던 사진판들은 청색에 민감한 것들이었지만 먼 은하에 있는 대부분의 별들은 희미하고 붉었다. 그리고 푸른색인 것들 조차도 먼지에 의해 가려져 있었다. 샌디지와 탐만은 자신들의 연구를 툴리 - 피셔 결과들중 몇가지를 이용해서 철저히 재검토하기로 결정했다. 그러나 그들은 다시 Mpc 당 약 50km/sec 인 H 값을 얻었다.

6) 툴리와 피셔는 청색에 민감한 사진판들을 이용해서 수정을 했지만, 아론슨과 후크라 그리고 모울드는 그것을 적외선으로 바꾸기로 했다. 적외선은 먼지를 투과하므로 어떤 큰 수정도 필요하지 않다. 따라서 적외선을 사용하면 먼지 문제와 희미한 붉은색 별들로부터의 기여를 과소평가하는 문제를 해결할 수 있을 것이다. 그들은 Mpc당 95km/sec 의 값을 얻었다. 아론슨의 연구팀과 드바쿨러 모두 이제 대략 100억년의 나이에 해당하는 Mpc당 100km/sec 에 가까운 허불 상수를 얻었다. 샌디지와 탐만은 여전히 확신하지 못하고 있었다. 그들은 표준 촛불로서 먼 은하에 있는 초신성들을 사용하여 다시 50에 가까운 값을 얻었다. 아니 사실 이번에 얻은 값은 더 낮아서 Mpc당 42km/sec 였다.

7) 그 문제를 해결할 가능성이 있을까? 우주의 나이를 결정하는 데는 두 가지의 다른 방법이 있다. 사실 둘 모두 우리 은하의 나이만을 말해주지만 그것은 바로 우주 나이에 대한 최저 한계를 주는 것이다. 첫째 방법은 우리가 알고 있는 구상성단에 있는 별들의 일생에 바탕을 두고 있다. 우리 은하내의 젊은 성단들의 경우 주계열이 아주 잘 발달되어 있다. 그러나 구상성단에는 보통 바닥으로부터 조금 떨어진 곳에서 뚜렷한 구부러짐과 함께 주계열이 끝난다. 특히 중요한 것은 이 주계열 끝의 위치가 그 성단의 나이를 말해준다는 사실이다. 이런 방법으로 구해진 약 15개 구상성단들의 나이가 150억 년에서 180억 년 범위에 들어 있다. 우리 은하의 나이를 결정하는 두번째 방법은 방사성 물질이 붕괴하는 속도를 측정하는 것이다. 긴 반감기를 가진 두 방사성 원소의 함량을 비교함으로써 우리 은하의 나이를 결정하는 것이 가능하다. 이 방법으로 결정된 나이는 120억 년에서 200억 년의 범위에 있다.

흔들리는 우주론

지난해말 하와이에 있는 천문학자들은 처녀자리 은하단 소속인 NGC4571 은하에서 3개의 별을 관측했다. 그 결과 우주나이 계산의 핵심인 허블상수는 Mpc당 87ㄭ7km/sec 이었다. 이와는 별도로 이뤼진 또다른 연구도 비슷한 결과를 보여줬다. 우주 상공에 떠있는 허블망원경을 사용해 처녀자리 은하단 중심에 위치한 M100 은하의 변광성을 관측했던 미국 천문학자들도 허블상수가 Mpc 당 80ㄭ17km 에 불과하다고 결론을 내렸던 것이다. 95.1.14(土)

우주 탄생의 비밀과 그 변화과정에 대한 의문들을 설명해 오던 현대우주론이 최근 들어 위기를 맞이하고 있다. 허블우주망원경을 비롯한 첨단 장비로 관측한 결과와 지금까지의 이론이 서로 맞지 않은 사태가 속속 발생하고 있는 것이다. 미켈리포니아주 카네기센터의 웬디 프리드먼 박사를 비롯한 일단이 과학자들은 수년전부터 허블망원경을 이용해 우주를 관측한 결과 우주의 나이가 80억년에서 1백 20억년 사이로 나타났다고 발표했다. 이는 지금까지의 우주론이 주장하던 1백 50억년에서 2백억년 사이보다 휠씬 젊은 나이다. 그러면서 이들은 우리 은하계에서 가장 오래된 별의 나이가 1백 40억년 정도나 되는 것을 관측했다. 우주의 나이보다 그 속의 별이 더 오래됐다는 모순된 결과가 나온 것이다. 이들은 또 우주의 팽창속도를 측정한 결과, 지구에서 10억광년 떨어진 은하의 경우 초속 약 700km의 속도로 멀어져 가고 있음을 발견했다. 이같은 팽창이 가능하려면 엄청난 중력이 작용해야 하는데 그만한 중력을 발생시키는 우주 공간의 물질이 아직 발견되지 않고 있다는 것이다. 95.3.16(木)

우주의 나이가 기존에 알려진 것보다 수십억년 젊다는 새로운 조사가 나왔다. 이에 따라 가장 오래된 항성의 나이도 재조정해야할 과제를 던져주고 있다. 허블 우주 망원경을 통해 우주의 나이를 이론적으로 연구해온 두 팀의 천문학자들은 9일 국립 항공학 및 우주 본부에서 우주의 나이가 각각 90억년 - 1백 20억년, 1백 10억년 - 1백 40억년이라고 발표했다. 양 팀 천문학자들의 이같은 추정은 모두 기존의 우주 나이 추정치 1백 50억년 - 2백억년 보다 휠씬 젊은 것이다.

96.5.11(土)

우주의 나이를 측정하기 위해 노력하고 있는 천문학자들은 12일 우주 자체보다도 더 오래된 것으로 보이는 은하계를 발견함으로써 새로운 문제에 직면했다고 밝혔다. 에딘버러대학 천문학연구소의 제임스 던럽 연구원은 이날 과학지 네이처에 기고한 글에서 이 은하계의 발견은 우주의 대폭발로 인한 우주 생성 시점과 우주의 확장론 등에 관한 논의에 또 다른 문제를 제기하고 있다면서 우주의 나이를 측정하는데 이용되는 기본적인 가정중 하나가 잘못되었음을 시사하는 것이라고 밝혔다. 던럽씨는 과학자들이 일반적인 가정에 따라 일부 은하계의 별들이 우주 자체보다도 10억 - 15억년이 더 되는 것으로 추정했다고 말했다. 던럽은 과학자들이 은하계로부터의 빛이 지구에 도달하는데 1백억년이 걸릴 정도로 멀리 떨어져 있는 한 은하계를 연구했다고 말했다. 또 종전의 연구들도 우주의 나이에 차이가 있음을 발견하고 있다. 허블우주망원경을 통한 관찰은 우주가 1백 20억년 이상은 되지 않은 것으로 시사하고 있으나 일부 연구들은 은하계의 일부 별들이 1백 20억년에서 1백 70억년이 되는 것으로 추정하고 있다. 1996.6.14(金)