별까지 몇 광년일까? 은하는 얼마나 멀리 있을까? 시차, 세페이드 변광성, 초신성, 적색편이까지 천문학자들이 개발한 우주 거리 사다리를 따라 수십억 광년 거리를 재는 방법을 알아봅니다. 오늘은 "천체 거리 측정법, 우주의 깊이를 재다"에 대해서 자세히 살펴보겠습니다.
천체 거리 측정법, 우주 거리 사다리
별까지 거리를 어떻게 잴까. 자로 잴 수 없다. 너무 멀다. 빛으로 년 단위다. 광년이다. 가까운 별도 4광년이다. 40조 킬로미터다. 상상도 안 된다. 천문학자들은 방법을 개발했다. 우주 거리 사다리다. Cosmic Distance Ladder다. 여러 방법을 연결한다. 가까운 거리부터 먼 거리까지. 단계적으로 올라간다. 각 단계가 다음을 보정한다. 첫 단계는 시차다. 가장 직접적이다. 삼각측량이다. 지구 공전을 이용한다. 수백 광년까지 가능하다. 가이아 위성이 정밀하게 잰다. 둘째 단계는 표준 촛불이다. Standard Candle이다. 밝기를 아는 천체다. 실제 밝기와 보이는 밝기를 비교한다. 거리를 계산한다. 세페이드 변광성이 대표적이다. 주기와 광도가 비례한다. 허블이 썼다. 안드로메다 거리를 잰다. 은하임을 증명했다. 1920년대였다. 셋째 단계는 초신성이다. Ia형 초신성이다. 밝기가 일정하다. 수십억 광년까지 보인다. 우주 팽창을 발견했다. 1990년대였다. 넷째 단계는 적색편이다. 멀리 있을수록 빛이 붉어진다. 우주가 팽창하니까. 허블 법칙을 쓴다. 거리를 추정한다. 수백억 광년까지다. 각 방법은 범위가 있다. 겹치는 부분에서 보정한다. 정확도를 높인다. 하지만 불확실성이 쌓인다. 멀수록 오차가 크다. 허블 상수 논란이 있다. 측정값이 안 맞는다. 우주론 위기다. 거리 측정은 천문학의 핵심이다. 거리를 모르면 아무것도 모른다. 크기를 모른다. 밝기를 모른다. 질량을 모른다. 거리가 모든 것의 기준이다.
시차에서 세페이드까지
시차는 가장 기본이다. Parallax다. 시점을 바꾸면 물체가 움직여 보인다. 손가락을 든다. 한쪽 눈을 감는다. 교대로 본다. 손가락이 움직인다. 배경에 대해. 이게 시차다. 별도 그렇다. 지구가 공전한다. 6개월 뒤 반대편에 있다. 3억 킬로미터 떨어진다. 별을 본다. 위치가 달라 보인다. 배경 별에 대해. 각도를 잰다. 거리를 계산한다. 삼각함수다. 간단하다. 하지만 각도가 아주 작다. 밀리초각 단위다. 1도의 360만분의 1이다. 측정이 어렵다. 망원경이 정밀해야 한다. 히파르코스 위성이 1989년 발사됐다. 수만 개 별 시차를 잰다. 수백 광년까지다. 가이아 위성이 2013년 발사됐다. 훨씬 정밀하다. 20억 개 별을 잰다. 수천 광년까지다. 마이크로초각 정밀도다. 은하수 지도를 만든다. 3차원이다. 시차의 한계는 명확하다. 수천 광년까지만이다. 은하 크기가 10만 광년이다. 안드로메다는 250만 광년이다. 시차로 못 잰다. 다른 방법이 필요하다. 세페이드 변광성이다. Cepheid Variable이다. 밝기가 변한다. 주기적이다. 며칠에서 수십 일이다. 1908년, 헨리에타 리비트가 발견했다. 주기와 광도가 비례한다. 주기-광도 관계다. Period-Luminosity Relationship이다. 주기를 재면 실제 밝기를 안다. 보이는 밝기를 잰다. 비교한다. 거리를 계산한다. 역제곱 법칙이다. 밝기는 거리 제곱에 반비례한다. 2배 멀면 4배 어둡다. 수식은 간단하다. d = 10^((m-M+5)/5)다. d는 파섹 단위 거리다. m은 겉보기 등급이다. M은 절대 등급이다. 세페이드는 매우 밝다. 태양의 수천 배다. 멀리서도 보인다. 수천만 광년까지다. 허블이 1920년대에 썼다. 안드로메다에서 세페이드를 찾았다. 거리를 잰다. 90만 광년이었다. 지금은 250만 광년으로 수정됐다. 당시 주기-광도 관계가 부정확했다. 하지만 중요했다. 안드로메다가 은하임을 증명했다. 우주가 은하들로 가득하다. 대논쟁이 끝났다.
초신성과 허블 법칙
세페이드로도 한계가 있다. 수천만 광년까지다. 더 먼 은하는 어떻게 잴까. 초신성을 쓴다. Supernova다. 별 폭발이다. 엄청나게 밝다. 은하 전체만큼 밝다. 수십억 광년에서 보인다. 여러 종류가 있다. Ia형이 중요하다. Type Ia Supernova다. 백색왜성이 폭발한다. 동반성에서 물질을 빼앗는다. 한계 질량에 도달한다. 찬드라세카르 한계다. 태양 질량 1.4배다. 폭발한다. 항상 같은 질량이다. 밝기가 일정하다. 표준 촛불이다. 보정도 가능하다. 광도 곡선 모양으로. 더 정밀하다. 1990년대, 두 팀이 Ia형 초신성을 관측했다. 먼 은하들에서. 거리를 잰다. 적색편이를 잰다. 비교한다. 놀라운 발견을 했다. 우주 팽창이 가속된다. 암흑에너지가 있다. 2011년 노벨상을 받았다. 초신성으로 100억 광년까지 잰다. 더 멀리는 어떻게 할까. 적색편이를 쓴다. Redshift, z다. 빛의 파장이 늘어난다. 우주가 팽창하니까. 멀수록 빠르게 멀어진다. 파장이 더 늘어난다. 더 붉어진다. 허블 법칙을 쓴다. v = H₀ × d다. v는 후퇴 속도다. H₀는 허블 상수다. d는 거리다. 적색편이에서 속도를 계산한다. 거리를 추정한다. 간단하다. 하지만 문제가 있다. 허블 상수 값이 애매하다. 측정 방법마다 다르다. 플랑크 위성은 67을 준다. 세페이드와 초신성은 73을 준다. 10퍼센트 차이다. 허블 긴장이다. Hubble Tension이다. 우주론 위기다. 새로운 물리가 필요할 수 있다. 암흑에너지가 변하나. 초기 우주가 다른가. 아직 모른다. 연구 중이다. 제임스 웹이 더 정밀하게 잰다. 세페이드를 재확인한다. 긴장이 계속된다. 다른 방법도 개발된다. 중력렌즈 시간 지연이다. 퀘이사 빛이 은하에 휜다. 여러 경로로 온다. 시간 차이가 난다. 허블 상수를 잰다. 중력파도 쓴다. 중성자별 충돌에서 나온다. 거리를 직접 계산한다. 전자기파도 관측한다. 적색편이를 잰다. 독립적으로 허블 상수를 구한다. 우주 거리 사다리. 시차, 세페이드, 초신성, 적색편이. 단계를 올라간다. 수십억 광년을 잰다. 우주의 크기를 안다. 나이를 계산한다. 천문학의 기초다.