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우주의 구조

우주의 구조
균일등방한 우주모형(프리드만모형)
프리드만 모형의 세개의 뿌리

일반상대론적 우주론.

프리드만 모형에는 세 가지의 중요한 가설이 있다. 그 중 하나는 중력은 아인슈타인의 일반 상대성이론에 의해 설명되는 가설인데, 뉴턴의 중력이론보다 더 발전된 다른 여러 이론들이 있지만 그 중에서 일반 상대론이 가장 간단하고 설득력이 있으므로 이 이론을 부정하는 근거가 없는 이상 이 이론의 적용은 바람직하다고 볼 수 있다.

우주에는 중심이 없다.

프리드만 모형의 다음 가설은 우주의 균일성이다. 우주가 균일하다는 것은 우주공간의 어느 곳이든 동등하게 중심이 없다는 뜻이다. 초기의 우주관은 우리가 중심이었고, 점차 우주의 중심이 우리에게서 멀어지는 방향으로 발전하게 되었다. 즉 지구로부터 태양, 태양에서 은하중심으로 우주의 중심으로 옮겨간 것이다. 19세기의 우주론자들은 우주의 중심을 쫓는 대신 우주에는 중심이 없고, 우주는 균일하다고 생각했다. 여기서 주의해둘 점은 우주가 균일하다고 할 때는 광범위한 영역에서는 균일하다고 할 수 있지만, 국소적으로는 균일하지는 않다는 점이다. 우주에는 별이 있고, 은하가 있으며, 이런 정도의 자그마한 범위로 보는 한 균일하다고 말 할 수는 없다. 이런 불균일한 우주를 더욱 큰 범위로 봤을 때 균일하며, 그 우주는 균일하다고 볼 수 있는 것이다. 이것은 마치 매끄러운 금속 표면도 전자현미경으로 보면 매우 복잡한 면으로 이루어진 것과 마찬가지이다.

그러므로 우주가 하나의 거대한 별과 같이 그 내부에만 물질이 있고, 외부에는 무한히 비어있는 공간이 계속된다는 모형은 이 균일성이라는 가정에 모순된다. 또 우주에는 별, 은하, 은하집단 등으로 무한히 계속되는 계층이 존재한다는 계층 우주론에서도 균일성은 성립하지 않는다. 왜냐하면 아무리 큰 규모로 밀도의 불균일성을 평균화하더라도 더 큰 규모에서는 밀도가 균일해지지 않기 때문이다.

'우주원리'라는 이름의 가설.

우주원리란 균일성의 가설과 등방성의 가설을 합쳐서 부르는 가설이다. 보통 학자들은 우주원리를 단순히 관측에서 얻어진 근사적 사실, 또는 수학적 간단화를 위한 가정으로 밖에 받아들이지 않는다. 그러나 어떤 과학자들은 서양적인 역사적 배경을 가지고 있기 때문에 그렇게 단순하게 생각하지 않기도 한다. 어쨌든 우주원리는 가설이며, 보편적인 원리는 아니다. 물론 우주원리에도 관측적인 근거가 있는데, 그 중 하나가 바로 은하분포의 균일성이다. 망원경의 관측에 의해서 약 30억 광년 떨어진 은하는 거의 균일하게 분포한다는 것이 알려졌고, 더 강력한 증거는 우주흑체복사의 등방성이다. 만일 지구가 특별한 장소(예를 들어 그 중심)에 있지 않다면 이 등방성은 우주의 균일성도 의미하게 된다. 그러나 그것은 우주의 지평선까지 균일하다는 것 일뿐 무한한 저쪽까지 균일하다는 증거는 되지 못하므로 우주원리는 가설에 불과하다고 할 수 있다.
우주의 거대 구조
우리가 현재까지 볼 수 있는 우주는 그 거리가 약 140억 광년에 이르고 있다. 하지만, 그것도 우주의 전체는 아닐 것이라고 추측하고 있다. 140억 광년에 이르는 거리 안에서도 우리 우주는 다양한 구조를 갖고 있다. 규모가 작은 순서로 은하군, 은하단, 초은하단, 대규모 구조 등이 있다. 은하군과 은하단들도 무리를 지어 초은하단을 이루고 있으며, 초은하단 이상 큰 규모의 천체를 우주의 거대 구조 (large scale structure of the universe) 라고 부른다. 이러한 우주의 거대 구조는 은하들의 3차원 공간 분포를 연구하기 시작한 1980년대에 그 존재가 알려졌는데, 은하들의 3차원 공간분포는 은하들의 적색편이를 관측하여 알아낼 수 있다. 이런 프로젝트는 하버드 대학 CfA(Center for Astrophysics)의 적색편이 관측을 그 시작으로 들 수 있다. 그들은 북반구 하늘을 관측 하였는데 거대 장벽(Great Wall), 보이드(Void), 거대 인력체(Great Attractor)등 거대 구조의 존재를 알아내었다. 현재는 약 250만개의 은하의 적색편이 관측을 목표로 하고 있는 SDSS(Sloan Digital Sky Survey) 가 진행되고 있다. UK 슈미트 망원경이 관측한 185개의 사진건판에서 약 200 만개의 은하, 1000 만개의 별 등을 찾는 일도 진행 중이다. 이 연구는 캐임브리지의 APM(Automated Plate Measuring) 레이저 스캐너로 자료를 구축하고 있다

우리가 관측한 우주의 구조 중에서 가장 큰 규모의 것은 '거대한 벽'(Great Wall)이라고 불리는 것인데, 이것은 은하들이 거대한 벽 모양 속에 모여 있는 것을 말한다. 즉, 우주에는 거대한 비누거품 모양의 구조들이 수없이 겹쳐있는데, 그 비누거품 모양의 구조들이 겹쳐진 면에 은하들이 모여 있고, 그 겹쳐진 면에 해당하는 곳을 거대한 벽이라고 부른다. 거대한 벽의 길이는 약 5억 광년 정도이고 높이는 약 2억 광년, 그리고 두께는 약 1천5백만 광년 정도가 된다. 이 거대한 벽은 우리은하에서 약 2천5백만 광년 떨어진 곳에 위치하고 있는데, 그 질량은 태양질량의 2×1016배 정도인 것으로 추정된다. 한편, 비눗방울의 한가운데는 물질이 거의 없는 빈 공간 인데, 그 곳을 보이드(Voids)라고 한다.
보이드(Voids)
우주론을 공부하는 천문학자들 중 일부는 가끔은 어두운 곳, 또는 주요 천체가 없는 지역에 주목하기도 한다. 그렇다고 그 지역에 아예 물질이 없다거나 우리가 익히 알고 있는 천체들이 전혀 없는 것은 아니다. 단지 그 공간에 빛을 내지 않는 물질(암흑 물질)이 채우고 있거나, 특정 천체가 없는 곳일 뿐이다. 이렇게 은하가 없는 지역을 보이드(Voids)라고 부른다. 보이드 안에는 은하 규모보다 작은 빛을 내는 천체가 존재하게 된다. 또한 은하단이 없는 지역을 슈퍼 보이드(super void)라고 하는데, 이 천체 안에는 은하단보다 작은 규모의 천체들이 존재한다. 물론 은하는 은하단보다 작은 규모이니 슈퍼 보이드 안에 존재 할 수 있다.
보이드
최종수정일

2017년 4월 6일