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천문우주 교육동영상

우주의 형성과 진화

2017-02-28
우주의 형성과 진화  미지의 세계 우주가 어떻게 형성되었을까.. 라는 의문은 누구나 한번쯤 해보았을 겁니다. 우주의 형성에 대해 알아보기 전에 먼저 우리은하 주위에 있는 별, 은하에 대해 알아보겠습니다. 우리가 살고 있는 지구에서 가장 가까운 별 바로 태양입니다. 천문학단위로 1AU로 계산했을 때, 지구에서 태양은 대략 1억 5천만 km의 거리에 위치해 있죠. 그렇다면 태양을 포함한 태양계의 크기는 얼마나 될까요? 우리가 태양계의 끝에 가려면, 혜성들이 떠도는 오르트 구름을 지나야하는데요. 지구에서 태양계의 가장 바깥, 오르트 구름거리는 무려 50,000AU로, 무려 지구와 태양거리의 50,000배나 멀리에 있는 것 이죠. 태양 외에 지구와 가까이에 있는 별에는 무엇이 있을까요? 바로 프록시마 센타우리 라는 별인데요. 지구와 약 1.3pc 거리에 있습니다. 이 거리는 4광년으로, 빛으로 4년 정도 가면 되는 거리에 있습니다. 가장 가까이에 있는 태양 말고 다른 별까지의 거리도 빛으로 4년 정도 가야 한다니, 상당히 먼 거리죠? 우리의 태양계가 있는 우리은하의 크기는 약 10만 광년의 크기를 가집니다. 또한 우리은하 내에는 대략 2천억개의 많은 별들이 존재합니다. 이런 사실로 보아 우리의 태양계는 거대한 우주의 한 점에 지나지 않는 것 이죠. 우리은하와 가까운 곳에 위치한 은하에는 무엇이 있을까요? 우리은하와 가장 가까운 안드로메다은하까지는 약 230만 광년 떨어져있습니다.  우리은하와 안드로메다은하를 포함하고 있는 은하 군을 우리는 국부 은하군이라고 부릅니다. 국부은하군은 지름이 약 600만 광년이나 된다고 하네요. 이것이 우주에서 가장 먼 거리라고요? 그렇지 않습니다. 국부은하군은 우리 우주에서 지극히 작은 부분에 일부이기 때문이죠. 좀 더 먼 우주로 나가면 머리털자리라는 은하단이 있습니다. 머리털자리은하단은 우리은하에서부터 무려 3억 2600만 광년이나 떨어져있죠. 이제 우주의 구조에 대해 알아볼까요? 우선 우주의 거대모습을 보겠습니다. 우주라는 거대한 구조를 멀리서 전체적으로 보게 된다면, 우리는 우주의 중간 중간에 비어있는 공간인 보이드(void)와 선처럼 연결된 필라멘트 구조를 볼 수가 있는데요. 특히 필라멘트는 은하가 많이 모여 있기 때문에 생기는 구조라고 합니다. 그런데 말이죠. 우리은하에서 먼 곳의 은하들을 관측해 보면, 그 은하들이 우리 은하로부터 점점 멀어지고 있다는 것을 알 수 있습니다. 주변 은하들은 왜, 점점 멀어지는 것일까요? 이것은 도플러 효과로 설명할 수 있습니다. 외부은하들의 스펙트럼을 조사해 보면 흡수선이 원래 위치에 비해 파장이 긴 적색 쪽으로 치우쳐 나타나는 것을 알 수가 있는데요. 보이는 것처럼, 이렇게, 흡수선의 파장이 긴 적색 쪽으로 치우쳐지는 현상을 적색편이라고 합니다. 이처럼 도플러 효과에 의하면, 이는 외부은하들이 모두 우리은하로부터 멀어지고 있다는 것을 의미하는 것입니다. 일찍이 허블은 모든 방향에서 보이는 외부은하들의 적색 편이 량을 측정하였습니다. 그 결과 외부은하의 후퇴속도가 거리와 비례한다는 사실을 밝혀냈는데요. 이것은, 다시 말해서 거리가 먼 은하일수록 후퇴속도가 더 빨라진다는 것을 의미합니다. 허블이 발견했다 해서 현재 이 법칙을 허블의 법칙이라고 부르고 있죠. 우주가 팽창한다는 사실을 알려준것이 허블의 법칙입니다. 이러한 사실을 증거로 해서 빅뱅이론이 나오게 된 것 이죠. 현재 천문학자들은 빅뱅이론이 우주의 기원을 설명하는데 가장 적합한 이론이라고 생각하고 있습니다.  빅뱅이론은 우주의 모든 물질과 에너지가 한 점에 모여 있다가 어느 순간 우주가 팽창하기 시작하여 지금의 우주가 형성되었다고 보는 이론입니다. 빅뱅이론은 우주배경복사의 관측으로 더욱 확실시 되었는데요. 초기의 아주 뜨거운 우주가 점점 팽창한다면 어느 정도의 온도가 될까? 라는 의문에서 계산해본 온도가 실제 지금 현재의 우주의 온도로 우주배경복사로 관측이 됩니다.  얼룩덜룩 온도차이가 나는 것으로 보이나, 그 온도차는 정밀하게 측정하지 않으면 잘 알 수 없을 만큼 작기 때문에 우주배경복사는 우주 모든 방향에서 같은 빛이 온다고 할 수 있습니다. 빅뱅이후 10의 마이너스 43초, 즉, 상상하기도 어려울 정도의 짧은 시간동안에는 시공간의 혼동이 있었을 것으로 예상하고 있습니다. 이 시기는 물리적인 법칙으로는 아직 설명하기 힘든 시기입니다.  짧은 시간, 시공간의 혼돈 후, 공간이 급속도로 팽창하는 인플레이션이 일어나게 됩니다. 얼마 후 인플레이션으로 인해서 시공간이 평평해지게 된 것 이죠. 실제로 지금 우리가 있는 우주는 평평한 모습을 하고 있습니다. 그 후 3분정도까지 양성자, 중성자등과 같은 입자들이 만들어 지고, 핵융합반응이 종료 되게 되고, 우주의 대부분을 차지하고 있는 수소나 헬륨 등이 이 시기에 다 만들어 졌습니다.  인플레이션이 일어나고, 우주를 차지하고 있는 여러 물질들이 생겨 난 후, 20만년 까지는 물질과 빛이 함께 섞여있는 기간이었습니다. 그리고 48만년 지난 뒤, 빛과 물질이 분리되기 시작했는데요. 이 시기를 우리는 재결합시기라고 부릅니다. 우리가 현재 관측하고 있는 우주배경복사는 이시기에 물질로부터 분리되어 빠져온 빛입니다. 다시 이야기 하자면 우리는 우주배경복사를 통해 48만년 당시의 초기우주를 볼 수 있는 것 이죠. 그렇다면 빅뱅 후, 별을 비롯해 은하들은 언제 처음 생겼을까요? 빅뱅이 일어나고 2억년 후에 최초의 별, 즉, 최초의 은하가 형성되었고요. 우리의 태양계는 태양계는 빅뱅이후, 약 87억년 뒤에 태어났다고 합니다. 우리는 밤하늘을 가득 채운, 별처럼 많은 별을 보며 더 큰 꿈을 꿉니다. 미지의 세계 우주를 향한 근원적 호기심이야말로 보이지 않은 희망과 미래를 향한 힘이 되어주는 것은 아닐까요?
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