빅뱅의 증거를 찾아보자!

우주 안의 물체의 운동에 근거한 빅뱅의 증거는 무엇일까?

 팽창하는 우주는 빅뱅 이론의 기술대로 우주가 탄생했다는 확고한 관측 증거다. 만약 우주가 계속해서 커져 왔다면, 오늘의 우주는 어제의 우주보다 크다는 뜻이 된다. 비슷한 논리로, 어제의 우주는 지난달의 우주보다 클 것이고 지난달의 우주는 작년의 우주보다 클 것이다. 이런 식으로 시간을 거꾸로 거슬러 올라가다 보면, 전체 우주가 하나의 점에 불과하던 때까지 거슬러 갈 수 있을 것이다. 우주의 팽창률을 계산하면 그때는 약 137억 년 전이었을 것이다.

 

1. 우주 안의 물질 분포에 근거한 빅뱅의 증거는 무엇인가?

 초기 우주의 질량에 따른 원소 분포를 보면, 수소가 75%, 헬륨이 25% 그리고 나머지 다른 무거운 원소들은 1%도 안 된다. 이러한 물질의 분포량은 '뜨거운' 빅뱅 이론의 예측과 잘 맞아떨어진다. 이러한 종류의 원소 분포는 아마도 우주가 팽창하고 차가워지면서 아원자 입자에서 원소의 핵이 만들어지는데 아주 적은 시간, 다시 말해 3분 정도의 시간밖에 주어지지 않았기 때문이다.

 

2. 우주 안의 에너지에 근거한 빅뱅의 증거는 무엇인가?

 빅뱅 이론을 확증시켜준 가장 설득력 있는 증거는 우주배경복사일 것이다. 초기의 우주 생성을 통해 생기고 남은 일부 에너지가 여전히 우주를 채우고 있으며 우주 전 방향에 가득하다는 점이다. 과학자들은 이런 우주배경복사를 통해 우주가 절대 0도보다 몇도 높은 온도를 가질 것이라고 예측했다. 그리고 우주배경복사의 발견을 통해 이 온도가 약 3K에 가깝다는 것을 알아냈다. 과학적 방법의 극적 성공인 셈이었다.

 

<누가 우주배경복사를 발견했는가?>
1960년대에 천문학자 아노 펜지어스와 윌슨은 뉴저지의 홀름델에 위치한 벨 전화연구소에서 연구를 수행하고 있었다. 그들은 망원경으로 무선 통신에 사용되는 약한 전자기파를 감지하기 위해 아주 민감한 뿔 모양의 안테나를 사용했다. 펜지어스와 윌슨은 이 안테나를 시험하는 동안 하늘의 모든 방향에서 오는 초단파를 감지하게 되었다. 그들은 관측데이터를 4년간 검사하고 기계의 오작동이나 간섭을 확실히 배제한 결과, 이 전자기파는 우주로부터 오는 실제 신호라 확신했다. 이들은 프린스턴의 천체물리학자와 논의한 끝에, 자신들이 우주배경복사를 발견했다는 사실을 깨달았다. 그들은 그 결과를 1965년에 발표했고, 그 즉시 빅뱅 이론을 뒷받침하는 과학적 증거로 인식되었다.

3. 우주가 팽창하고 있다는 사실을 처음 발견한 사람은 누구인가?

 외부 은하가 존재한다는 사실을 처음 발견한 천문학자는 허블로, 우주가 팽창한다는 사실도 밝혀냈다. 에드윈 허블은 안드로메다은하까지의 거리를 측정하는 연구 이후 은하에 대해 계속 연구했다. 그는 은하의 운동과 지구로부터 은하까지의 거리 사이의 관계를 조사하여 먼 은하일수록 지구로부터 더 빨리 멀어진다는 사실을 발견했다. 이것은 우주가 팽창하고 있다는 증거였다.

 

4. 빅뱅 이론을 보다 공고하게 만든 우주 초단파 배경 복사의 후속 연구는 무엇인가?

 1992년 NASA는 우주배경복사 탐사 위성을 발사했다. 이 위성의 목적은 우주배경복사의 본질을 연구하기 위함이었다. COBE에 탑재된 장비는 1967년에 펜지어스와 윌슨이 감지한 우주배경복사가 우주 온도에 거의 가까운 자료였읆을 확증시켜주었으며, 실제로 우주 복사 에너지의 온도는 거의 정확하게 2.73K였다. 그뿐만 아니라 세밀한 분석을 통해 우주배경복사에 약간의 온도 변화가 존재한다는 것도 알아냈다. 이러한 변화는 1K의 수만분의 1 정도였지만 137억 년 전 우주의 초기에 물질과 에너지 밀도에 아주 작은 요동이 있었다는 화석과 같은 증거였다. 이 요동이 변화의 씨를 뿌려 거의 균일한 에너지로만 채워졌던 우주가 시간이 지나면서 은하와 별, 행성 등으로 채워진 오늘날의 우주로 진화하게 했다.

 

 

2.도플러 효과

<도플러 효과는 소리에 대해 어떻게 적용되나?>
 19세기의 물리학자인 크리스티안 요한 도플러의 이름을 딴 도플러 효과는 음원이 청자로부터 가까워지거나 멀어질 때 나타나는 현상이다. 음원이 청취자를 향해 움직일 때 음파의 파장은 짧아지고 진동수는 증가하여 높은 소리가 들린다. 반대로 음원이 청취자로부터 멀어져갈 때 음파의 파장은 길어지고 진동수는 감소하여 낮은 소리가 들린다. 길거리에서 자동차나 기차가 당신 옆을 지나갈 때 소리를 들어보라. 차량이 접근할 때와 멀어질 때 어떤 차이가 있는가???

1. 허블 상수란 무엇인가?

우주의 팽창률은 에드윈 허블의 이름을 따서 허블 상수라고 부른다. 오늘날 가장 정확하게 측정된 허블 상수는 73km/Mpc이다. 이 의미인즉 한 곳이 다른 곳에서 100만 파섹 떨어져 있다면, 또 두 공간 사이에 다른 외부 힘이나 영향력이 존재하지 않는다면, 두 곳은 서로 시속 26만 3000km의 속도로 멀어진다는 것이다.

 

2. 빛에 대한 도플러 효과는 어떻게 작용하는가?

빛 혹은 전자기 복사를 방출하는 물체가 가까워지면 빛의 파장이 감소한다. 역으로 관측자로부터 멀어지면 빛의 파장은 증가하게 된다. 가시광선의 경우 스펙트럼의 파란색 부분은 짧은 파장을 갖고, 붉은색 부분은 좀 더 긴 파장을 가지고 있다. 이 때문에 빛의 도플러 효과는 광원이 관측자 쪽으로 접근하면 '청색이동', 광원이 관측자에게서 멀어지면 '적색이동'이라 불린다. 물체가 빨리 이동할수록 청색이동이나 적색이동은 더 크게 나타난다.

 

3. 허블은 도플러 효과를 이용해 어떻게 우주를 측정했는가?

 허블은 은하의 도플러 효과(관측된 물체의 색상이 관측자로부터 멀어지거나 가까워질 때 바뀌는 현상)를 천체 망원경에 분광 사진기를 장착하여 측정해냈다. 그는 먼 은하로부터 오는 빛을 분광시켜 빛의 파장이 얼마나 긴 파장 쪽으로 이동하는지를 측정했다.