대폭발우주론의 탄생; 정상 대 대폭발우주론

에드가 알렌 포우 (1809-49)

탐지자?

'유레카' ('알았다'는 뜻) 지음

우주는 하나의 공과 같은 물체로부터 시작되었는데, 그것이 폭발해 퍼짐으로써 별들이 생겼다

우주는 언젠가 다시 중심을 향해 붕괴되어 결국엔 소멸하게 된다

시간과 공간은 같은 것

cf.

대폭발 우주론, 상대성 이론

대폭발 우주론의 탄생

아인슈타인과 드 시터 (1917년)

일반상대성 이론을 바탕으로, 곡률이 있는 리만공간이 그 안에 물질이 존재할 때 어떻게 시간에 따라 진화하는가를 살펴봄 (우주방정식의 해)

--> 공간(우주)의 팽창

프리드만, 르메트르

우주방정식은 여러 다른 해를 갖는다

허블의 관측

허블의 법칙: V = H0 R


팽창 우주의 속성을 관측적으로 입증

도플러 효과

주어진 공간 내에서 물체의 운동에 의함

우주론적 적색이동

공간의 팽창에 의한 파장의 증가에 의함

도플러 효과

물위에서 움직이는 소금쟁이가 만드는 물결을 관찰해 보세요.

Credit:

우주 팽창의 의미

우주의 팽창 = 공간의 팽창

(우주는 항상 전 공간을 내포)

우주의 시작점 존재

(고온, 고밀도 --> 열복사선)

(이론적으로) 관측 가능한 우주의 끝:

은하의 속도가 빛의 속도에 다다르는 거리 (빛의 속도는 유한)

우주의 팽창 (credit)

우주의 팽창

Credit:

우주론의 원칙

우주의 균일성

우주의 등방성

정상우주론 vs 대폭발우주론

정상 우주론

대폭발 우주론

호일, 본디, 골드

(1948)

아인슈타인, 드 시터

프리드만 (1917)

영원 불변

약 150-200억년 전 우주 시작

공간 內에서의 팽창

시공간 자체의 팽창

공간 내에서의 물질의 연속적 탄생

시공간의 응축으로 물질 생성

우주 온도 X

우주 온도 = 3 K

준정상 우주론

호일, 버비지, 나리카, 아프

대폭발 우주론

+급팽창 이론

= 현대 표준 우주론


30-40년대: 우주 25억년 vs 지구 45억년

50년대: 우주 나이 50 억년

1965년: 우주 배경 복사 발견

정상우주론 vs 대폭발 우주론


1959년

1980년

O

(%)

X

(%)

O

(%)

X

(%)

대폭발 우주론

33

36

69

7

정상 우주론

24

55

2

91

우주의 탄생과 진화

요한 바오르 2세

1981년 현대 우주론에 관한 바티칸 학회

"...... 항상 자연과학자들은 그들이 속해 있는 우주의 근원에 관한 궁극적 미해결점을 안고 있다. ...... 우리 종교가의 입장에서 보면 이러한 질문이 요구하는 것은 물리학이나 천문학적 지식이 아니라 이를 초월한 어떠한 형이상학적인 진리라 믿는다. ..."

우주의 생성 (기원)

현대 우주론적 관점

=

양자역학적 관점

우주는 무에서 저절로 그리고 필연적으로 생겨났다?

플랑크 시간 이전

(우주 시작 전)

에너지=0

시공간

양자역학적 물리량

양자역학적 생성, 소멸 반복

에너지 벽에 갇힌 입자

에너지 벽을 뚫을 확률: 0이 아님

우주의 생성

시공 (우주) 중 하나가 우연히,

그러나 일정한 확률을 갖고

결국 필연적으로,

플랑크 길이 정도의 크기를 갖고 탄생

우주의 진화

(대폭발 우주론)

플랑크 시간 (10-43초)

현대물리학이 적용될 수 있는 최초 시점

tp = [ (G h) / c5 ]1/2 = 1.35 x 10-43

이때

density = 1090 (kg / cm3)
T = 1033 K

이후 온도, 밀도 감소

대폭발

시간과 공간의 창조

힘의 분리 (credit)

급팽창


대통일장으로부터 힘이 분리될 때 생기는 에너지가 급팽창의 원천

우주가 가속적으로 부풀어

우주의 크기가1030배 이상 커짐

(예: 10-34초 동안

50원 짜리 동전-> 100억 광년 크기)

우주의 균일성과 등방성 설명

무거운 입자 시기 (쿼크 시기)

10-34 - 10-4

쿼크, 양성자 생성

쿼크숲 (credit)

가벼운 입자 시기

10-4 - 10초

1010 K

전자 생성

핵융합 시기

10초-(3분)

중성자 생성

중수소 생성

헬륨 원자핵 생성

원자핵 생성 (credit)

빛 우세 시기

이후 우주는 빛과 이온화된 뜨거운 수소와 헬륨 기체, 그리고 아직 정체를 모르는 차가운 암흑물질이 뒤섞인 상태로 팽창해 나간다

물질 우세 시기

2만년-현재

암흑 물질이 중력불안정으로 수축 시작

-->

우주의 구조물 생성 시작

분리 시기

30만년

3000 K

빛과 물질의 분리

수소/헬륨 원자핵이 전자와 결합

-->

수소와 헬륨 원자 생성

혼탁한 우주 --> 투명한 우주


코비 (COBE) 위성이 찾은 빛 형성

(태초의 빛; 우주배경복사)

빛/물질 분리 (credit)

은하와 별의 형성 시작

10-20 억년

태양과 태양계의 형성

생명체 출현

인간 출현

읽어 보기

블랙홀 우주, 계몽사

인간과 우주

박창범, 가람기획

우주의 역사

스무트, 까치

대폭발

실크, 민음사

우주의 현재와 미래

우주의 미래/종말

현재 우주: 팽창 중

우주의 미래


우주 방정식의 여러 해 존재

열린 우주

평탄한 우주

닫힌 우주

우주의 미래는 현재 주어진

공간 내의 물질의 양에 따라 결정됨

Java Applet 실험: 대포 쏘기

열린 우주

우주 안의 물질의 양이

기준치 (=임계밀도) 이하일 경우

우주는 영원히 팽창한다

시간은 끝없이 흐르고

시공간은 영원히 존재한다

닫힌 우주

우주 안의 물질의 양이

임계 밀도 이상일 경우

우주는 결국에는 팽창을 멈추고 다시 수축해서 우주 초기와 같은 상황으로 되돌아 가면서 시공간이 소멸된다

대붕괴

평탄한 우주

우주의 밀도 = 임계 밀도

중력 에너지 = 팽창 운동 에너지

우주의 팽창은 결국 느려져 멈추게 된다

공간과 시간 무한

열린 우주에 비해 두 은하 사이의 거리가 더 천천히 멀어진다

현재의 관측 결과

우주의 평균 밀도 계수
OMEGA0 = rho0 / rhoc

우주 안에 얼마나 많은 물질이 있는가?

관측: 0.1-1 (열린 우주)

이론: 1 선호 (평탄한 우주)

암흑 물질

우주 전체 질량의 90%

우주 평균 밀도 결정에 중요한 역할

차가운 입자 vs 어두운 별, 차가운 가스

WIMP vs MACHO

허블 상수(H0)

현재 우주가 얼마나 빨리

팽창하고 있는가?

고전적 관측값: 50-100 km/sec/Mpc

최근 HST 결과: 50-75 km/sec/Mpc (HST Key Project 1997: 67 km/sec/Mpc)

허블 상수 전쟁

50 vs 100 --> 50 vs 75

우주의 나이와 관련

현대 표준 우주론

대폭발 이론: 우주가 고온, 고밀도 상태로부터 팽창하여 오늘날 차고 희박한 상태에 이르렀다

급팽창 이론: 우주 진화 초기에 급격한 공간 팽창과 물질 생성이 있었다

우주 안의 물질의 대부분은 차가운

암흑 물질이다

중력 불안정에 의한 우주 구조 기원설: 별에서 거대 구조물에 이르는 온갖 천체들은 급팽창 때 생긴 극미한 요동이 중력 때문에 점점 커져 생겼다

대폭발 우주론의 관측적 증거

대폭발 우주론의 관측적 증거

우주의 팽창

퀘이사와 먼 은하의 관측

헬륨의 함량

우주배경복사 관측

우주의 팽창: 허블의 관측

퀘이사와 먼 은하의 관측

먼 거리(=과거)에는

더 많은 활성 은하와 퀘이사가 발견됨

-->

과거의 우주는 현재와 달랐다

-->

우주의 진화

과거를 어떻게 볼 수 있는가?

빛의 속도가 유한하고 우주가 팽창

거리 = 시간

더 먼 천체 관측

-->

더 오래 전의 과거의 천체 모습

천체망원경 = 과거로 가는 타임머신

우주 내 헬륨의 함량비

24-25% (수소 75%)

항성 내의 핵융합 반응으로 설명하기에는 너무 많다

대폭발 우주론에 의하면 과거 뜨거웠던 초기 우주에 (별이 생성되기 이전) 핵융합이 일어나 헬륨이 생성됨

우주배경복사의 관측

가모브, 알퍼, 허만 (1948): 예측

펜지아스, 윌슨 (1965): 관측


빛/물질 분리 시기에 우리를 향해 떠난 단파장 고에너지의 빛은

우주의 나이 동안 (150-200억년)

우주의 팽창에 의해

장파장 저에너지의 빛으로 바뀜

등방성

태초의 빛

절대온도 3도의 우주배경복사

코비 (COBE) 위성

1989년 발사

코비 (COBE) 위성 관측 결과

대폭발 후 30만년된

우주 내 물질과 빛의 거시적 모습

-->

거의 등방에 가까운 우주

약한 비등방성/비균질성

-->

물질의 씨앗

-->

별/은하 형성의 열쇠

TV 잡음의 1-10% 차지