멀리 있는 은하일수록 빠르게 멀어지고 빛이 붉어진다. 1929년 허블이 발견한 우주 팽창의 증거인 허블 법칙과 적색편이를 이해하면 우주의 나이와 미래를 알 수 있습니다. 오늘은 허블 법칙과 적색편이, 우주의 팽창에 대해서 살펴보겠습니다.
슬라이퍼와 허블의 발견
1912년, 베스토 슬라이퍼가 은하를 관측했다. Vesto Slipher다. 로웰 천문대였다. 스펙트럼을 찍었다. 이상했다. 선들이 이동했다. 붉은 쪽으로. 적색편이였다. Redshift다. 도플러 효과다. 구급차가 멀어지면 소리가 낮아진다. 빛도 그렇다. 멀어지면 파장이 늘어난다. 붉어진다. 은하가 멀어진다. 후퇴한다. 여러 은하를 관측했다. 대부분 적색편이였다. 멀어지고 있었다. 왜일까. 모르겠다. 1920년대, 에드윈 허블이 연구했다. Edwin Hubble이다. 윌슨 산 천문대였다. 100인치 망원경이 있었다. 당시 최대였다. 은하 거리를 잰다. 세페이드 변광성을 쓴다. 안드로메다가 90만 광년이다. 지금은 250만 광년으로 수정됐다. 당시 주기-광도 관계가 부정확했다. 하지만 중요했다. 은하가 우리 은하 밖이다. 우주가 은하들로 가득하다. 계속 연구했다. 은하 거리와 후퇴 속도를 비교했다. 1929년, 발견했다. 비례한다. 멀수록 빠르다. 허블 법칙이다. Hubble's Law다. v = H₀ × d다. v는 후퇴 속도다. H₀는 허블 상수다. d는 거리다. 간단하다. 하지만 혁명적이다. 우주가 팽창한다. 정적 우주가 아니다. 아인슈타인이 놀랐다. 우주 상수를 넣었었다. 정적 우주를 유지하려고. 실수였다고 인정했다. 하지만 나중에 암흑에너지로 부활했다. 허블 법칙은 우주론의 기초가 됐다.
적색편이로 거리를 재다
적색편이는 어떻게 잴까. 스펙트럼을 찍는다. 흡수선이 있다. 수소, 칼슘 등이다. 파장을 안다. 실험실에서 잰다. 은하 스펙트럼과 비교한다. 선이 이동했다. 얼마나 이동했나. 적색편이 z를 계산한다. z = (λ_관측 - λ_원래) / λ_원래다. λ는 파장이다. 예를 들어 수소 선이 656nm다. 원래는. 은하에서 700nm로 관측됐다. z = (700 - 656) / 656 = 0.067이다. 속도를 계산한다. 가까운 은하는 v = c × z다. c는 광속이다. v = 300,000 × 0.067 = 20,000 km/s다. 빠르게 멀어진다. 허블 법칙을 쓴다. d = v / H₀다. 허블 상수가 필요하다. 여기서 문제가 시작된다. H₀ 값이 애매하다. 측정 방법마다 다르다. 플랑크 위성은 67을 준다. 단위는 km/s/Mpc다. Mpc는 메가파섹이다. 326만 광년이다. 세페이드와 초신성은 73을 준다. 10퍼센트 차이다. 허블 긴장이다. Hubble Tension이다. 우주론 위기다. 왜 다를까. 모른다. 초기 우주 측정이 틀렸나. 늦은 우주 측정이 틀렸나. 새로운 물리가 필요한가. 암흑에너지가 변하나. 연구 중이다. 제임스 웹이 재확인했다. 긴장이 계속된다. 해결이 시급하다. z가 크면 어떻게 될까. 1보다 크다. 먼 은하들이다. 상대론 효과가 중요하다. v = c × z가 틀린다. 광속보다 빠를 수 있다. 모순 아닌가. 아니다. 특수상대성을 안 어긴다. 은하가 빠른 게 아니다. 공간이 팽창한다. 공간 팽창에 제한이 없다. z = 1이면 광속 절반 정도다. z = 2면 광속에 가깝다. z = 10이면 훨씬 빠르다. 가장 먼 은하는 z ≈ 14다. 제임스 웹이 찾았다. 빅뱅 후 3억 년이다. 우주 나이 138억 년이다. 2퍼센트 시점이다. 놀랍다.
허블 법칙과 적색편이, 우주 팽창과 미래
허블 법칙은 우주의 나이를 알려준다. 역계산한다. 모든 은하가 한 점에서 시작했다. 언제였나. 1 / H₀가 허블 시간이다. H₀ = 70이면 140억 년이다. 실제 우주 나이는 138억 년이다. 거의 맞다. 정확한 계산은 복잡하다. 물질 밀도, 암흑에너지를 고려한다. 람다-CDM 모델이다. ΛCDM이다. 표준 우주론 모델이다. 우주 팽창은 계속된다. 과거엔 느렸다. 중력이 잡아당겼다. 물질이 많았으니까. 70억 년 전부터 가속됐다. 암흑에너지 때문이다. 우주의 68퍼센트다. 척력이다. 밀어낸다. 팽창을 가속한다. 미래에 어떻게 될까. 계속 가속된다. 은하들이 멀어진다. 수백억 년 뒤 안드로메다와 충돌한다. 합쳐진다. 국부 은하군이 하나가 된다. 하지만 다른 은하는 멀어진다. 보이지 않게 된다. 지평선 너머로. 수천억 년 뒤 하늘이 텅 빈다. 우리 은하만 보인다. 별들이 늙는다. 적색왜성만 남는다. 1조 년 뒤 별이 안 생긴다. 가스가 고갈된다. 별들이 죽는다. 백색왜성, 중성자별, 블랙홀만 남는다. 10^100 년 뒤 블랙홀도 증발한다. 호킹 복사로. 우주가 텅 빈다. 열사다. Heat Death다. 하지만 불확실하다. 암흑에너지가 변할 수 있다. 빅 립이 올 수 있다. Big Rip이다. 팽창이 너무 빨라진다. 은하가 찢어진다. 별이 찢어진다. 원자까지 찢어진다. 우주가 끝난다. 수백억 년 뒤다. 빅 크런치도 가능했다. Big Crunch다. 팽창이 멈춘다. 수축한다. 다시 한 점으로. 하지만 암흑에너지 발견으로 배제됐다. 가속 팽창하니까. 허블 법칙과 적색편이. 우주 팽창의 증거다. 우주의 나이를 알려준다. 미래를 예측한다. 천문학 최대 발견 중 하나다. 허블이 시작했다. 우리가 계속 연구한다. 우주를 이해해간다.