표준 우주 모형 (Standard Cosmological Model)
         | 우주의 생성과 진화를 이야기하는 우주 모형은 종류가 많습니다. 그 중 현재 우주론을 연구하는 사람들이 주로 사용하는 우주 모형은 대폭발 (Big Bang ) 가설, 급팽창(inflation) 가설, 차가운 암흑 물질(Cold Dark Matter) 가설, 중력불안정(Gravitational Instability) 가설이 기본이 되는 표준 우주 모형(Standard Cosmological Model)입니다. 이 네가지 가설들을 하나 하나 살펴보면 다음과 같습니다. 대폭발 가설은 은하의 적색편이 관측으로부터 유래합니다. 은하의 적색편이를 관측해서 그 성질을 살펴보니 은하들은 우리로 부터 멀어져가고 있으며, 멀리 있는 녀석들일 수록 더욱 빨리 멀어져 가고 있다는 사실을 알게 되었습니다. 그리고 이런 은하들의 운동은 우주의 어느 한 지점, 그러니까 운동의 중심이 있는 그런 운동은 아닙니다. 은하들은 서로 서로 멀어지고 있는 것입니다. 바로 여러분이 교양 천문학 참고서에서 많이 보아온 바람이 점점 유입되는 고무풍선 표면과 같은 그런 상황인 것입니다. 이것은 은하들이 속해있는 우주 시공간이 팽창하기 때문이라고 생각하고 있습니다. 그렇다면 과거에는 어떠했을까 영화 <박하사탕>에서 기차의 궤적처럼 은하들의 멀어지는 양상을 거꾸로 되돌려 본다면, 은하들 사이의 거리는 점점 가까워 질것입니다. 즉, 우주 시공간의 크기가 점점 작아져서 마침내는 그 크기를 가늠 할 수 없을만큼 작아질 것입니다. 또한 물질의 밀도는 매우 높아지고, 온도는 정말 뜨거워 질것입니다. 이런 작은 우주 시공간이 어떤 원인에 의해 대폭발을 하여 팽창하는 우주 시공간이 되었으며, 그 고온 고밀도의 우주가 팽창에 의해 점점 차가와지고 희박해져 현재의 우주 시공간을 이루고 있다는 것이 대폭발 가설의 기본 생각입니다. 이 대폭발 가설은 우주의 미래를 세가지로 예측하는데 이것은 우리에게 잘 알려진 프리드만 방정식 으로 기술됩니다. 여담입니다만, 우리로부터 멀리 있는 은하들일 수록 빨리 멀어지고 있다고 하여 그것이 곧 우주가 팽창하고 있다는 사실을 나타내주는 직접적인 증거는 아닙니다. 단지 우주가 팽창하고 있다면, 당연히 나타나야할 조건일 뿐입니다. 현재 우주가 팽창하고 있다는 사실을 직접적으로 밝혀 낼 수 있는 방법은 톨만 테스트(Tolman Test) 밖에 없습니다. 톨만 테스트는 그 밝기가 일정하다고 생각되는 천체 (Standard Candle)의 표면 밝기를 이용하는 것입니다. 이러한 천체의 표면 밝기는 오로지 적색 편이(redshift)에만 의존하여 그 밝기가 변하게 됩니다.(물리적으로 변하는 것을 의미하는 것은 아닙니다.) 즉 멀리 있는 녀석들은 보다 어둡게 보일 것입니다. 만약 우주가 팽창한다면, 이 녀석들의 표면 밝기는 거리가 멀어질수록 에 비례하여 어두워지며, 우주가 팽창하지 않는 정상상태 우주(Static Universe) 인 경우라면, 에 비례하여 어두워지게 됩니다. 따라서 밝기가 일정하다고 생각되는 천체들의 표면 밝기와 적색편이를 관측하여 과연 어떤 비례식을 따를 것인가를 알아내면 우주의 팽창 여부를 알 수 있는 것입니다. 급팽창 가설은 왜 필요하게 되었을까요? 그것은 앞의 대폭발 가설로서는 설명하기 힘든 여러 우주론의 문제점들을 해결해 주기 때문입니다. 대폭발 가설이 설명하기 어려웠던 문제점들 중 몇가지를 나열해 보면 다음과 같습니다.
<중력불안정>이라는 요소는 우주의 구조를 생성하는 원리를 설명하고자 포함되었습니다. 급팽창 가설에서 우주 초기의 불균일한 요동들은 모두 지워진다고 했습니다. 그러나 양자 역학적 불확정성 원리에 의해 아주 미세한 불균일한 요동들은 살아남게 됩니다. 이 요동이 생긴 물질장을 가우시안 무작위장(Gaussian Random Field) 이라고 가정합니다. 이러한 물질장의 밀도가 높은 영역이 중력에의해 붕괴하여 오늘날의 은하, 은하단과 같은 천체들을 형성했다고 생각합니다. 이런 천체 생성 시나리오 중 물질 밀도가 높은 곳에서는 더 밝은(무거운) 은하가 생성된다고 주장하는 이론이 편향 은하 생성 이론 (Biased Galaxy Formation Theory) 입니다. 차가운 암흑 물질은 우주의 평균 밀도를 설명하기위해 도입되었습니다. 관측에 근거하여 우주 공간에서 빛을 내는 물질들은 표준 우주 모형이 제시하는 우주의 평균밀도값의 10% 밖에 설명하지 못합니다. 따라서 빛을 내지는 않지만 중력에만 반응하는 암흑 물질이라는 존재를 고안하게 되었습니다. 이 암흑 물질은 우주 물질의 약 90% 이상을 차지하고 있으며, 암흑물질을 구성하는 물질의 운동 속도에 따라 빛의 속도에 가깝게 운도하는 것을 뜨거운 암흑 물질(hot dark matter). 운동속도가 매우 작으면 차가운 암흑물질(cold dark matter), 속도가 그 중간이면 따듯한 암흑물질(warm dark matter) 등으로 구분됩니다. 이중 차가운 암흑 물질이 각광받는 이유는 우주론적 관측 결과를 다른것에 비해 잘 설명하기 때문입니다. 이상에서 살펴본것이 우주론학자들의 표준우주모형입니다. 그러나 표준우주모형이 이 장엄하고 신비스런 우주의 생성과 진화 과정을 완벽하게 설명해 주는 것은 아닙니다. (다행히도! - 만약 완벽한 우주론이 이미 존재한다면, 저와 같이 우주론을 공부하는 사람들은 다 굶어 죽을테니깐요. ^___^**) 그 예로 우주의 평균 밀도는 평탄 우주의 그것보다 작을 것이다, 차가운 암흑 물질과 뜨거운 암흑 물질을 동시에 고려해야 한다, 파워스펙트럼의 지수는 1이 아니다, 우주 상수는 부활되어야 한다 등의 연구 결과들이 계속해서 나오고 있습니다. 이러한 우주론의 여러 흥미로운 문제들과 궁금증을 풀기 위해 세계적으로 커다란 우주 관측 계획들이 진행 중 입니다. 허블 우주망원경(HST), 차세대 우주망원경(NGST), MAP, Sloan Digital Sky Survey, PLANCK, FIRST 등의 계획이 진행 중이거나 향후 10년 내에 진행 될 것이며, 이런 대규모 우주 관측 계획을 통해 우주의 생성과 진화 과정이 밝혀질 날을 기대해 봅니다. |
이해가면 추천 이해 안가도 추천 뭐라는거야? 추천 미친놈 추천 날강도다 추천
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