허블의 법칙과 우주 팽창의 정의, 공식, 적색 편이 증거

 

과거 많은 과학자들은 우주가 커지지도 작아지지도 않고 영원히 고정되어 있다는 정적 우주론을 주장했습니다. 하지만 1929년, 미국의 천문학자 허블은 인류의 우주관을 뒤흔드는 발견을 세상에 발표합니다. 

 

바로 우주가 지금 이 순간에도 사방으로 무서운 속도로 커지고 있다는 우주 팽창의 사실이었습니다. 오늘은 허블의 법칙과 우주 팽창의 정확한 정의와 과학적 원리, 적색 편이의 증거를 정리해 보겠습니다.

 

 

허블의 법칙과 우주 팽창의 정의

허블의 법칙이란 외부 은하들이 우리 은하로부터 멀어지는 후퇴 속도는 은하까지의 거리에 비례한다는 원칙입니다.

 

이를 바탕으로 정립된 우주 팽창은 지구를 포함한 우주 공간 자체가 풍선이 부풀어 오르듯 끊임없이 늘어나며 모든 은하 사이의 거리가 점점 더 멀어지고 있는 현상으로 정의됩니다.

 

중요한 점은 우주 공간 자체가 늘어나고 있다는 점입니다. 잘 느껴지시지 않는다면 우주를 풍선으로 비유하여 설명해 보도록 하겠습니다.

 

풍선 표면에 점을 여러 개 찍은 뒤 풍선을 불면, 풍선 표면이 늘어나면서 점들 사이의 거리가 전부 멀어지게 됩니다. 이때 점이 은하, 풍선 표면이 우주를 뜻한다고 생각하고 이해하면 되는 것입니다.

 

허블의 법칙은 우주가 과거 아주 작은 한 점에서 시작되어 대폭발을 거쳐 탄생했다는 빅뱅 우주론의 강력한 물리적 기틀이 되는 이론입니다.

 

공식

허블은 이 법칙의 내용을 설명하는 공식을 규정했습니다. 바로 v = H₀ × r 이라는 공식입니다.

 

여기서 v는 은하가 우리에게서 멀어지는 속도인 후퇴 속도, r은 우리 은하에서 해당 외부 은하까지의 거리,  H₀은 우주가 얼마나 빠르게 팽창하는지 보여주는 비례 상수인 허블 상수를 의미합니다.

 

만약 우리에게서 1Mpc 떨어진 은하가 시속 70km 수준으로 멀어진다면, 2Mpc 떨어진 은하는 2배 빠른 시속인 140km로 멀어집니다. 이 간단한 비례 공식 덕분에 속도만 알면 역으로 그 은하가 어느 정도 거리에 있는지 계산해 낼 수 있습니다.

 

또한 이 공식을 통해 우리는 우주의 나이를 계산해낼 수 있습니다. 은하가 멀어지는 속도가 거리에 비례한다는 것은 과거 어느 순간에는 모든 은하가 하나의 지점에 뭉쳐 있었다는 것을 의미하기 때문입니다.

 

물리학에서 속도와 거리의 관계(시간 = 거리/속도)를 허블의 법칙에 대입해 보면 우주의 나이는 허블 상수의 역수라는 점을 계산해낼 수 있습니다. 이 계산법을 통해 우주의 나이가 약 138억 년이라는 점을 도출해 낼 수 있습니다.

 

적색 편이 증거

그렇다면 허블은 눈에 보이지도 않는 머나먼 우주 공간이 팽창하고 있다는 사실을 어떻게 알아냈을까요? 그 결정적인 물증이자 과학적 증거가 바로 빛의 적색 편이 현상입니다.

 

적색 편이는 도플러 효과와 관련이 있습니다. 도플러 효과는 파원과 관찰자 사이의 상대적인 움직임으로 인해 진동수와 파장이 다르게 관측되는 현상을 말합니다. 파원이 다가오면 파장이 짧아지고, 파원이 멀어지면 파장이 길어집니다.

 

빛 역시 파동의 성질을 가지므로 동일한 물리 법칙이 적용됩니다. 우주를 관측할 때 광원이 나에게 다가오면 빛의 파장이 압축되면서 파장이 짧은 푸른색 쪽으로 치우치는 청색 편이가 일어납니다. 

 

반대로 광원이 나에게서 멀어지면 빛의 파장이 길게 늘어나면서 파장이 가장 긴 붉은색 쪽으로 치우치게 되는데 이를 적색 편이라고 부르는 것입니다.

 

허블은 전 세계 외부 은하들이 내뿜는 빛에서 흠수선 스펙트럼을 정밀하게 분석했습니다. 허블은 만약 우주가 정지해 있다면 은하들의 흠수선 위치는 기준선과 똑같아야 하고, 우주가 팽창하거나 수축하는 등 변화한다면 적색 편이나 청색 편이를 보일 수 있다고 판단했습니다.

 

허블이 관측한 거의 모든 외부 은하의 스펙트럼 선들은 원래 위치보다 붉은색 쪽으로 밀려난 적색 편이 현상을 보였습니다. 또한 우리 은하에서 멀리 떨어진 은하일수록 적색 편이 현상이 더욱 심하게 나타났습니다.

 

이는 은하들이 빠른 속도로 후퇴하고 있으며, 그 속도는 거리에 비례한다는 우주 팽창의 강력한 증거가 되었습니다. 허블이 포착한 적색 편이는 이를 증명하는 과학적 증거인 셈입니다.

 

 

 

지금까지 허블의 법칙과 적색 편이에 대해서 알아보았습니다. 다음 시간에는 외계 행성을 탐사하는 방법에 대해서 알아보는 시간을 가지도록 하겠습니다. 

 

 

 

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