구급차가 다가올 때는 사이렌 소리가 높아지고, 멀어질 때는 낮아진다. 빛도 마찬가지. 우리에게서 멀어지는 별빛은 파장이 길어져 붉은 쪽으로 치우친다. 이를 적색 편이라 한다.
허블은 거의 모든 은하에서 적색 편이를 관측했고, 거리가 멀수록 후퇴 속도가 크다는 비례 관계를 발견했다. 이것이 우주가 팽창하고 있다는 가장 확실한 증거다.
01 · 허블의 발견
은하들은 서로 멀어지고 있다
멀리 있는 은하일수록 적색 편이가 크다 — 빛이 길어진다는 뜻. 이것은 은하가 빠르게 멀어지고 있다는 증거다.
HUBBLE'S LAW
v = H₀ × d
v: 후퇴 속도 · d: 거리 · H₀: 허블 상수
● 허블의 법칙 시뮬레이터 — 멀수록 빨리 멀어진다
02 · 팽창의 의미
은하들이 폭발 후 흩어진 것이 아니다
팽창하는 것은 은하가 아니라 공간 자체다. 풍선을 부풀리면 표면의 점들이 서로 멀어지듯, 공간 그 자체가 늘어난다.
● 풍선 우주 모형 — 슬라이더를 움직여 보세요
1.0×
관찰
아직 팽창하지 않음. 은하들의 처음 위치.
풍선 표면의 어느 점에서 보든 모든 점이 멀어진다. 이것이 핵심이다. 우주에 중심도, 끝도 없다. 어디서 보든 다른 은하들이 멀어지는 것처럼 보인다.
03 · 빅뱅 우주론
시간을 되감으면, 한 점에서 시작
우주가 팽창한다면 과거에는 더 작았고, 더 뜨거웠을 것이다. 약 138억 년 전, 모든 것이 한 점에서 폭발적으로 팽창하기 시작했다 — 이것이 빅뱅.
우주의 역사 — 빅뱅에서 현재까지
0 초
빅뱅 — 시간·공간·물질·에너지가 한 점에서 시작
3 분
수소(H), 헬륨(He) 핵 형성 — 경원소 합성
38만 년
원자 형성 — 우주가 투명해지고 최초의 빛(우주 배경 복사) 자유롭게 이동
2억 년
최초의 별 탄생
10억 년
은하 형성 시작
92억 년
태양계 형성 (약 46억 년 전)
138억 년
현재 — 지금도 팽창 진행 중
빅뱅의 증거는 ① 은하의 후퇴(적색 편이), ② 우주 어디에서나 측정되는 우주 배경 복사, ③ 우주에 있는 수소와 헬륨의 비율(약 3:1)이 빅뱅 직후 예측과 일치한다는 점이다.
CMB · 우주 배경 복사
빅뱅 38만 년 후의 우주 — 가장 오래된 빛
이 알록달록한 지도는 위성 망원경(WMAP·Planck)이 측정한 우주 배경 복사(CMB)의 온도 분포다. 빅뱅 후 38만 년이 지나 원자가 형성되며 우주가 투명해진 순간의 마이크로파가 지금도 우주 전체에 가득 차 있다.
온도는 우주 어디에서나 2.7 K(절대 영도보다 2.7도 위)로 거의 균일. 미세한 색 차이는 약 10만분의 1의 온도 차이 — 이 작은 불균질이 자라 오늘날의 은하·별이 만들어졌다.
© NASA / Wikimedia Commons
JWST · 우주 망원경의 발견
타란툴라 성운 — 제임스 웹이 본 17만 광년 너머
2021년 발사된 제임스 웹 우주 망원경(JWST)이 적외선으로 촬영한 타란툴라 성운. 우리은하의 위성 은하인 대마젤란 은하 안에 있다.
JWST는 지구에서 150만 km 떨어진 곳(라그랑주 L2 지점)에서 우주를 관측한다. 빛이 우주를 가로질러 오는 데 수십억 년이 걸리므로, 우리는 사실상 먼 과거의 우주를 보고 있는 것. 빅뱅 직후의 초기 우주 모습까지 추적할 수 있다.
© NASA·ESA·CSA / Wikimedia Commons
형성평가
맞춘 문제 0/ 3
Q1
멀리 있는 은하일수록 파장이 길어 보이는 현상을 무엇이라 하는가?
해설 · 은하가 멀어지면 빛의 파장이 늘어져 붉은 쪽으로 치우친다. 이를 적색 편이라 한다.
Q2
우주의 팽창에 대한 설명으로 옳은 것은?
해설 · 팽창하는 것은 공간 그 자체. 은하 사이의 공간이 늘어나 멀어진다. 중심도, 가장자리도 없다.
Q3
빅뱅이 일어난 시점은 약 몇 년 전인가?
해설 · 빅뱅은 약 138억 년 전에 일어났다. 46억 년 전은 태양계 형성 시점.
핵심 정리
적색 편이
먼 은하 빛이 붉게
은하가 멀어진다는 증거
허블의 법칙
v = H₀ × d
멀수록 빨리 멀어진다
우주 팽창
공간 자체가 늘어남
중심·끝 없음, 풍선 모형
빅뱅
약 138억 년 전 시작
한 점에서 폭발적 팽창