우주의 구조와 은하

우주의 구조와 은하   천문.우주 용어 우주의 구조와 은하 우주(universe) 질량과 밀도의 차이에 따라, 행성계, 항성, 성간(성간) 가스, 은하, 은하의 집단 등으로 나눌 수 있는데, 이것들을 총칭해서 우주라고 한다. 은하는 내부에 약 2000억 개의 항성과 성간 가스를 포함한다. 태양은 은하계 속의 항성의 하나이며, 행성, 위성(달), 혜성 등을 포함한다. 그리고, 은하가 약 100개 정도 모여서 은하의 집단을 이루고, 이 집단이 여러 개 모여서 초은하계(초은하계)를 이루고 있다. 현재의 우주과학에서는 인공위성 등의 탐측기(탐측기)가 직접 조사할 수 있는 공간은 태양계 내의 영역인데, 이것을 구별하여 <우주구간(우주구간)>이라 부른다. 우주의 연령 우주는 빅 뱅과 동시에 개벽하여, 현재 약 120억 년이 지났다는 일치된 결론이 얻어졌다. (1) 은하계의 중심 가까이에 존재하는 구상성단(구상성단) 속의 별의 연령을 관측과 이론적 관점에서 계산해도, (2) 항성의 후퇴속도에서 계산해도, (3) 방사능에 의한 우주의 연령추정법을 사용해도 대략 같은 결과가 얻어졌다. (??)의 우주배경복사(우주배경복사) 1965년에 미국의 벨 전화연구소의 벤지어스와 윌슨은 인공위성에 의한 전파통신을 연구하는 중에, 수신되는 잡음의 일부는, 우주의 모든 방향에서 등방적(등방적)으로 입사(입사)하는 일정한 마이크로파임을 발견하고, 그 강도가 3(??)K(-273.16(??)를 0(??)K로 해서 측정하는 온도)의 <흑체복사(흑체복사)> (모든 물체는 스스로의 온도에 대응한 파장과 세기의 스펙트르를 가지고 있다. 3(??)K의 흑체복사란, 물체의 온도가 3(??)K에 대응하는 스펙트르로 복사하고 있음을 말한다)임을 발견하였다. 그후 0.3cm에서 73cm에 걸치는 파장역(파장역)에서도 조사한 결과, 2.7(??)K의 프랭크 분포에 일치한다는 것을 알았다. 그 방사는 고정도(고정도)이고 등방적(등방적)이며 엄청나게 큰 에너지를 가지는 데서, 이 복사의 발생원을 천체에 구한다는 것은 곤란하다. 이 관측 사실은, 가모프가 예상한 <팽창우주론>을 뒷받침한다. 정상우주론(정상우주론, steady state cosmology) 1947년에 본디와 골드 및 휠이 제창한 우주론인데, 우주에는 시작도 끝도 없고 미래영겁(미래영겁)으로 불변이며, 멀어져 가고 있는 은하의 틈새를 채우기 위하여 무(무)에서 새로 수소가 생겨 별이 형성된다는, 질량보존과 에너지 보존이라는 물리학의 근본원리에 어긋나는 가정을 채택한 데에 성립되는 생각이다. 현재로는 쿠에이서가 수십 억 광년이라는 먼 거리에서만 볼 수 있다는 것(다시 말해서, 수십억 년 옛날에만 존재했다), 그리고 3(??)K 우주배경복사, 허블 정수(정수)의 관측사실에는 모순되며, 받아들이기 어려운 것으로 되어 있다. 그러나, 이 주장의 흐름을 이어받은 우주론은, 오늘날에도 존재하고 있다. 팽창우주론(the expanding universe) 정상우주론에 대항하는 개념으로, <대폭발(빅 뱅, big-bang model) 우주론>이라고도 불린다. 이 이론은, 벨기에의 천문학자 르메트르(1931년)와 러시아 태생의 물리학자 조지 가모프(1946년)가 중심적 역할을 다해서 세웠다. 우주는, 처음에 매우 고온이고 고밀도(고밀도)로 응집된 물질(원자핵의 밀도와 같은 정도)이었는데, 그후 대폭발을 일으켜 팽창을 시작했다. 팽창에 따라서 온도는 몇 조(조)(??)K에서 수천만(??)K로 내려가, 수소의 원자핵에서 헬륨을 형성해 갔다. 우주가 이전에 밀도가 크고 온도가 높았다는 것은 <허블의 법칙>(멀리에 있는 은하의 거리와, 그 멀어지는 속도가 대략 비례관계에 있다)과 3(??)K의 우주배경복사, 그리고 어린 별과 오래된 별의 헬륨 함유량에 차이가 없다는 것 등으로 뒷받침된다. 그리고, 우주는 한결같고 등방(등방)이라는 우주원리를 가정한 러시아의 프리드만의 중력장방정식(중력장방정식)에 의하면, 현재의 팽창 우주는 팽창이 영원히 계속되는 열린 우주이거나, 언젠가는 팽창이 그치고 수축으로 들어가는 닫힌 우주이거나의 어느 한 가지일 것으로 생각된다. 이 어느 쪽인가는 우주에 존재하는 물질 밀도에 의존하며, 현재의 관측 결과로는 열린 팽창우주론 쪽이 유리한 듯이 보이는데, 아직 결론을 내리기까지는 이르지 못하고 있다. 은하(galaxies) 우리의 은하와 같은 정도의 크기를 가진 항성의 대집단은 우리 은하계 밖에도 있으며, 이것을 그저 은하라 부른다. 보통의 은하는 직경이 수천 광년에서 십수만 광년에 이르며, 수십억 개에서 1조 개나 되는 항성이 모여 있다. 그런데 은하는 비교적 고르게 존재하고 있지만, 군데군데 모여서 집단을 이루고 있다. 예컨대, 우리 은하계와 안드로메다 은하는 약 20개의 은하와 함께 국소군(국소군)을 이루고 있다. 은하계는 겉보기의 모양에 따라 타원상 은하, 보통의 소용돌이 모양 은하, 봉와상(봉와상)은하, 그리고 불규칙상 은하로 나누어진다. 일반적 경향으로서, 불규칙상 은하->와상(소용돌이 모양) 은하->타원상 은하의 차례로 질량은 증대한다. 그리고, 특이한 은하로서, 특이한 내부운동과 방사를 보여주는 세이파트 은하라든가 강한 전파를 방출하는 전파은하, 쿠에이서 등도 존재한다. 은하의 진화에 관해서는 아직 밝혀져 있지 않다. 전파은하(radio galaxies) 은하(은하계 외의 성운)중에는 강한 전파와 적외선, 엑스선 등을 방출하는 특이한 것이 많이 관측되고 있다. 1946년경에 강한 전파천체가 처음으로 3개 발견되었는데, 그중 2개는 은하계 내의 초신성(초신성)의 잔해이고, 1개(백조자리A)는 6억 광년 거리에 있는 특이한 모양의 은하였다. 그리고 오늘날까지 발견된 수천 개의 전파천체의 대부분은 이와 같은 전파은하와 쿠에이서 등이다. 전파은하에는 빛을 발하고 있는 중심부 수만, 수십만 광년이나 떨어진 대칭적인 부분에서 강한 전파를 방출하고 있는 것이 적지 않다. 은하계와 안드로메다 성운과 같은 보통의 은하도 전파를 방출하고 있지만, 전파은하는 그런 보통의 은하에 비하여 수천 배 수만 배나 되는 에너지를 전파로 방출하고 있다. 세이파트 은하 1943년에 미국의 천문학자 세이파트가 분류한 일종의 소용돌이 은하인데, 몹시 강하고 폭이 넓은 휘도(휘도)를 방출하는 항성 모양의 밝은 중심핵을 가진다. 이 중심핵은 강한 적외선, 엑스선과 자외선을 복사하여 쿠에이서와 여러 가지 점에서 비슷한 성질을 가지고 있다. 이 중심부의 에너지원은, 이 중심에 블랙 홀이 존재하여, 거기에 낙하하는 물질에 의하여 대량의 에너지가 방출되고 있다고 생각하고 있다. 자외선 관측위성에 의하여, 중심핵에서 광속의 10분의 1정도의 빠르기로 2방향으로 방출되고 있는 제트가 발견되었는데, 중심핵에 블랙 홀이 존재한다는 것을 나타내고 있다. 현재로서는, 쿠에이서가 매우 멀리에 있다는 점이 세이파트 은하와는 뚜렷이 다른 점이다. 현재 10개 이상이 알려져 있다. 마페이 은하 1968년, 이탈리아의 천문학자 마페이가 아디아고 천문대의 슈미트 망원경으로 관측한 천체. 위치는 카시오페아 자리에 있는데, 페르세우스 자리 2중성단에 가까우며, 거의 은하면(은하면)상에 올라타 있다. 적감건판(적감건판) 및 적외건판(적외건판)으로는 광도(광도) 11등 이하인 타원형의 성운 모양 천체가 2개 찍혀 있었다. 최근의 관측을 종합하면, 이것이 330만 광년이라는 근거리에 있고, 질량은 태양의 1200억 배라는 안드로메다 성운에 필적하는 대집단이라는 것이 밝혀졌다. 이것은, 우연히 은하면상에 있기 때문에, 광도로 5.2 등의 흡수를 받아 눈에 띄지 않았는데, 은하계를 둘러싸는 국소군(국소군)의 중요 멤버라는 것이 밝혀졌다. 초은하집단(초은하집단, 수퍼 클러스터, super cluster) 우주 원리에 따르면, 우주는 한결 같고 등방적(등방적)이다. 그런데 작은 스케일로 보면 천구(천구)상의 어떤 곳에 무리를 지어서 은하가 관측되며, 우주는 한결같지가 않다. 그렇다면, 어느 정도의 스케일로까지 우주는 한결같지 않다고 간주될 수 있는가? 수억 광년의 스케일로 보면, 우주는 은하가 모여서 은하단을 이루고, 다시 그것이 초은하집단을 이루고 있어서, 한결같지 않은 구조로 보인다. 그러나 30억 광년이 넘는 스케일로 보면 우주는 한결같고 등방(등방)인 것으로 간주된다. 한결같지 않은 것으로 보이는 한계의 초은하집단의 크기는, 처녀자리 가까이에 있는 것은 약 1억 광년, 페르세우스 자리에서는 약 5억 광년의 것이 있다. 은하계와 항성 은하계(Galaxy) 밤하늘에 빙 둘러서 보이는 밝은 빛의 띠는 은하수라 불리는데, 이것은 1000억 개의 별의 집단으로, 직경 약 13만 광년, 두께 5000광년의 납작한 원반 모양으로 분포해 있다. 이 천체의 체계를 은하계(은하계 우주)라 한다. 우리 은하계의 특징을 정리하면, (1) 원반부의 위쪽과 아래쪽에 약 200개의 별(구상성단)이 둘러싸고 있어, 은하계 속을 100km/초로 움직이고 있다. (2) 원반부의 중심에서는 직경이 약 1만 광년인 고밀도(고밀도)의 중심핵이 존재하여, 고속도로 회전하고 있다. (3) 항성의 대부분은 원반부에 위치하여, 은하의 중심 둘레를 회전하고 있다. (4) 은하의 전질량은 태양 질량의 약 2000억 배이다. 성간분자(성간분자, interstellar molecules) 우주 공간에 존재하는 분자는 여러 가지의 것이 있는데, 현재까지는 수소분자((??)), 메틸기(CH), 메틸리딘 이온((??)), 2원자탄소((??)), 시안기(CN), 수산기(OH), 일산화탄소(CO) 등 50종류 이상이 발견되어 있다. 성간분자의 관측은, 분자의 전파와 방출 또는 흡수에 의한 갖가지 파장역(파장역)에서 분자의 고유 스펙트르를 조사함으로써 이루어진다. 성간분자의 해석에 의하여, 우주에서의 화학반응을 연구한다든지, 성간운(성간운), 암흑성운(암흑성운), 은하의 구조를 연구한다든지 할 수가 있으며, 또한 이들 분자는 생명에 선행(선행)하는 분자이기 때문에, 생명의 탄생을 탐색하는 생화학적 입장에서도 중요하다. 성간물질(interstellar matter) 우주에 존재하는 가스 모양의 물질로서, 밀도는 매우 낮고 지상의 실험실에서 이제까지에 달성된 진공도(진공도)보다도 낮다. 성간물질의 90%는 수소원자와 분자로 이루어져 있는데, 나머지 10%중 대부분이 헬륨 원자이다. 이 성간물질의 구름 속에서는 별의 탄생에서부터 무거운 별인 초신성폭발을 통하여 별의 세대 교체가 이루어지고 있으며, 중요한 역할을 다하고 있다. 성운(성운, nebula) 희미한 구름 모양으로 퍼져 있는 천체를 성운이라고 한다. 예를 들면, 행성상(행성상)성운, 산광성운(산광성운), 암흑성운, 계외성운(계외성운) 등이 있다. <행성상성운>은 별의 중심부의 핵반응으로 생기는 빛을 외층의 대기가 흡수해서 빛을 내고 있는 것이다. 그리고 <산광성운>은, 성간물질이 그 내부라든가 가까이에 있는 어린 은하집단의 빛을 받아서 발광하기도 하고, 성간진(성간진)에 반사되어서 빛나는 것을 말한다. 은하속에서 가스나 미진(미진)이 아주 높게 집중된 영역에서는 배후의 별빛을 감추는 암흑반(암흑반)을 만들어, <암흑성운>으로서 관측된다. 안드로메다 성운과 같이 은하계 밖의 천체는 <계외성운>이라 불린다.(그림){kd004-0352-01} 성단(성단, star cluster) 은하계 내의 별의 일부는, 별끼리 서로 속박하며 집단을 이루고 있다. 몇 개로 집단을 이루고 있는 것도, 수백만 개의 별을 포함하는 성단도 있다. 성단은 은하성단(산개성단)과 구상성단(구상성단)으로 나눌 수 있다. 은하성단은 수십 개에서 수백 개의 별이 은하 원반부에서 집단을 이루고 있고, 일반적으로 연령이 수백만 년에서 수억 년 정도로 젊은 천체로 이루어진다. 그에 대하여 구상성단은 수만 개에서 수백만 개의 별이 은하 원반부에서 멀리 떨어진 은하계의 할로(은하계 전체를 싸는 구상[구상]의 공간)에 분포하며, 일반적으로 연령은 백수십억 년이라는 은하계가 탄생했을 때에 만들어진 늙은 천체로 이루어진다. 은하전파(은하전파) 은하로부터의 전파는 미국 벨 전화연구소의 잰스키에 의하여 1931년에 처음으로 관측되었다. 그후 리버가 은하전파를 관측했는데, 본격적인 관측이 이루어지게 된 것은 40년대 끝 무렵부터이다. 오늘날에는 파장이 수mm에서 10m 이상에 걸쳐서 관측이 이루어지고 있다. 특히, 50년 무렵부터는 수소원자의 21cm 전파 스펙트르 선의 관측이 소용돌이치는 팔을 따라서 분포해 있다는 것이 상세히 밝혀지고 있다. 그리고, 수산기(OH)와 일산화탄소, 메탄, 포름알데히드를 비롯한 성간분자의 전파관측도 활발하여, 은하계의 구조, 성간운, 나아가서는 은하 중심부의 연구가 급속히 진전되고 있다. 쿠에이서(준항성상천체[준항성상천체], quasi-stellar objects, 약해서 QSO) 얼핏 항성처럼 보이지만 그렇지 않은 천체인데, 막대한 에너지를 방출하고 있다. 쿠에이서의 스펙트르의 적방편이(적방편이)의 어긋남은 커서, 매우 멀리에 있는 은하인 것으로 생각된다. 그밖의 쿠에이서의 성질로는 (1) 보통의 은하수의 100만 개 분의 1밖에 존재하지 않으며, (2) 전파의 스펙트르가, 주(주)에서 연(연)정도의 시간적 변화를 하며, (3) X선이나 적외선의 방출이 있다. 쿠에이서의 정체는 은하의 진화 도중에 중심부가 어떤 이유로 활발해진 것으로 생각된다. 쿠에이서 중에는, 태양의 1000조(조) 배나 되는 밝기를 가진 천체(16.5등급인데, 거리는 약 90억 광년)도 발견되어 있는데, 이처럼 막대한 에너지원은 블랙 홀에 부수된 현상인 것으로 생각되고 있다. 광년(광년) 초속 30만 km인 빛이 1년 걸려서 나아가는 거리로, 약 9조 5000억 km에 상당한다. 항성으로 가장 가까운 것은 태양인데, 다음으로 가까운 것은 알파 캔타우루스의 4.3광년이고, 세 번째가 바너드 성의 5.9광년이다. 항성(항성, fixed star) 천구상에서는 금성이나 화성과 같은 행성과, 달과 같이 행성의 둘레를 도는 위성은 태양의 빛을 반사해서 빛나고 있다. 이와 같은 천체를 제외하면, 천구상에 빛나는 별은 태양처럼 자신의 원자 에너지를 써서 빛을 발하고 있다. 이와 같은 천체를 항성이라 부른다. 항성을 진화의 과정으로 분류하면, 직경이 태양의 몇 분의 1에서 10배 정도인 <주계열성(주계열성)>, 수십 배에서 수백 배 이상이나 되는 밝은 <거성(거성)>과 <초거성(초거성)>, 그리고 반대로 100분의 2 정도밖에 안되는 어두운 <백적왜성(백적왜성)> 등이 있다. 그리고 적색거성(적색거성)의 시대를 지낸 다음, 가벼운 별은 백색왜성이 되지만, 무거운 별은 중성자성(중성자성)이나 블랙 홀이 되는 것도 있다. 육안으로 보이는 항성은 전천구상에 5000개 정도이지만, 은하계를 구성하고 있는 것은 2000억 개 정도의 항성이다. 2중성/연성(연성, binary star) 천구상에서 매우 근접해서 보이는 두 별을 2중성이라 하고, 실제로 아주 근접해 있어서 만유인력으로 맺어져 있으며, 서로 공통의 중심(중심)둘레를 돌고 있는 것을 연성이라 한다. 연성 중에서 밝은 쪽을 주성(주성), 어두운 쪽을 반성(반성)이라고 한다. 그리고 연성은 보이는 차이, 관측 방법의 차이에 의하여 실시연성(실시연성), 분광연성(분광연성), 식연성(식연성)의 세 가지로 나누어진다. 변광성(변광성, variable star) 항성 중에는 밝기가 주기적으로 변하는 것이 있는데, 이것을 변광성이라 한다. 변광성은 밝기의 변화에 따라서 스펙트르도 변화하며, 별 자신이 부풀었다 오므라들었다하고 있다는 것을 스펙트르 선의 도플러 효과로써 알 수 있다. <맥동변광성(맥동변광성)>은 변광주기와 절대등급 사이에 주기가 길수록 광도가 밝다는 주기광도의 관계가 있어, 구상성단이나 근거리에 있는 은하의 거리를 재는 데에 이용되고 있다. 원시성(원시성, proto star) 차가운 가스와 진(진)이 어떤 원인으로 수축을 시작하면, 중력(중력)에너지가 열 에너지가 되어 온도가 상승하고, 밝은 천체(원시성)가 된다. 그리고 자기 중력으로 수축하면 원시성의 중심핵은 뜨거워지고, 핵융합 반응이 시작되어, 표면온도는 태양보다 낮지만, 태양의 수백 배나 밝게 빛나는 천체가 된다. 주계열성(주계열성, main sequence stars) 별의 광도(광도) 또는 절대등급을 세로축으로, 색깔 내지 표면온도를 가로축으로 취하면(HR도) 대부분의 별이 왼쪽 위의 밝고 푸른 별로부터 오른쪽 아래의 어둡고 빨간 별의 자리에 늘어선다. 주계열에 속하는 별을 주계열성이라 한다. 적색거성(적색거성, red giant stars) 대부분의 때를 보내는 주계열에 있는 별은 수소원자의 핵융합에 의하여 헬륨을 발생시키면서 연소하고 있다. 반응이 진행되어 별의 중심핵에 헬륨이 축적되기 시작하면, 그 헬륨 수축에 의하여 얻어지는 열로, 헬륨 핵을 둘러싸는 수소는 더욱 격렬하게 연소됨과 동시에 팽창해서 커진다. 이 때문에 별은 광도가 증가하여, 빨갛게 찬연히 빛을 발하게 된다. 이와 같은 시기를 모든 별은 겪어 가는데, 이것을 적색거성이라 한다. 오리온 자리의 페테르기우스, 고래자리의 미라 등이 그 전형이다. 백색왜성(백색왜성, white dwarf) 별의 진화의 단계로서 적색거성 다음에 태양 질량의 4배 정도 이하의 별이 일생을 끝마칠 때에 더듬는 운명이다. 중력이 약한 별은 중심부에서의 원자 에너지를 천천히 방출하면서 냉각되어 어두워져 간다. 백색왜성은 성냥갑 정도로 무게는 10통이며, 별의 직경은 약 3만 km이다. 시리우스의 반성(반성)은 백색왜성이다. 신성(신성, nove) 육안으로는 보이지 않을 정도로 어두운 별이 갑자기 밝기를 더하여, 절대등급이 태양의 수만 배에나 이르러, 수십 일이 지나 원래로 되돌아가는 별이 있다. 이것을 신성이라 부른다. 신성은, 스펙트르 관측에 의하면 별 둘레의 가스가 매초 1000km 이상의 속도로 팽창하고 있어서, 별의 외층부가 폭발적으로 날려가는 현상인 것으로 생각된다. 이 현상은 별의 일생을 대부분 마치고 주계열성에서 백색거성으로 되어 가고 있는 별의 작은 폭발인 것으로 생각되고 있다. 초신성(초신성, super-nove) 별의 진화의 과정에서 적색거성 후에 무거운 별이 더듬는 운명이다. 별의 내부에서는 수소를 핵반응으로 헬륨으로 바꾸면서 연소하고 있는데, 수소를 모두 사용한 후에 남은 헬륨은 자기중력에 의해서 천천히 수축한다. 그에 따라서 중심부의 온도는 상승한다. 다시, 헬륨은 핵융합을 일으켜서 탄소로, 다시 네온.산소, 그리고 규소.마그네슘을 거쳐 철로 이루어지는 중심핵을 이루는데, 철은 핵에너지를 발생시켜서 연소할 수가 없기 때문에, 중심에서 압력을 지탱할 수가 없다. 그 때문에 별은 가속도적으로 수축하여, 그 파국적 단계로서 대폭발을 일으킨다. 이것이 <초신성 폭발>이다. 우리 은하계 내에서, 1054년의 황소자리에 나타난 것, 1572년의 티코의 신성, 그리고 1604년의 케플러의 신성 등이 있다, 최근에는 에타카리니가 초신성폭발을 일으킬 것이라고 하는데, 금성의 4-5배의 밝기로 빛나기 때문에, 낮에도 육안으로 관측할 수가 있다. 중성자성(중성자성, neutron star) 별의 진화의 과정으로서, 무거운 별이 초신성과 같이 폭발할 때에, 별의 중심은 고온.고압하에서 역(역) (??)붕괴와 중성자 과잉 원자핵의 붕괴를 한다. 그 결과, 반경은 10km 정도이지만, 질량은 태양의 질량만큼의 중성자만이 꽉 찬 별이 형성된다. 이것을 중성자성이라 부른다. 이론적으로는 1939년에 일반상대성이론의 적용에 의하여 중성자성의 모델이 제창되었었는데, 68년에 게 성운의 중심에 <퍼서>가 발견된 이래로 중성자성의 실재(실재)를 증명하는 것으로 생각되고 있다. 블랙 홀(black hole) 별의 종말로서, 태양의 질량보다도 충분히 무거운 별은, 초신성의 폭발후도 중심부에 있던 물질은 날아가버리지 않고, 중력에 의하여 무한대의 밀도가 되기까지 수축할 수가 있다. 이 생태가 되면 별의 표면에서의 중력이 강해져서, 표면에서 중력을 이기고 물질이 날아가지 못하게 되어, 일반상대성이론에 의하면, 빛조차도 중력에 끌려가, 외부에서 그 물체를 볼 수도 없게 된다. 백조자리 X-1이라 불리는 천체는, 강력한 X선을 방사하고 있는 청색 초거성 옆에 있는 천체인데, 스펙트르 관측에 의하면 초거성의 연성(연성)의 한쪽이라는 것이 밝혀졌다. 별끼리가 접근해 있으면 별의 중력에 의하여 물질이 흘러들어가 가스는 고속도로 가속되므로 강한 X선이 발생하는데, 백조자리 X-1은 질량이 태양의 6배나 되어 중성자성으로는 생각할 수가 없어, 블랙 홀이라 생각되고 있다. 그밖에 대 마젤란 성운에 있는 LMC.X3라든가, 기린자리에 있는 X선원(원)은 블랙 홀일 것으로 생각된다. 일반상대성이론으로 보면, 블랙 홀은 별의 질량 만큼은 안 되어도 무방하다. 소립자 정도로 작은 것에서부터 지구 반경 정도의 작은 것까지 생각할 수 있으며, 그것이 우주 현상에 미치는 영향도 연구되고 있다. 그리고 은하계 중심부에 초속 200km에나 달하는 초고속 가스의 소용돌이가 관측되고 있는데, 이것이 은하의 중심부에 블랙 홀이 존재하기 때문이 아닌가 생각하는 사람도 있다. 펄서(pulsar) 영국 켐브리지 대학의 천문학과 학생 조슬린 벨에 의해서 발견된 특이한 전파천체이다. 그녀의 발견은, 약 1초 간격의 펄스가 정확히 모르스 신호처럼 계속되고, 1년 동안에 1초 이상 틀리지 않는 전파 버스트를 방사하는 천체였다. 그리고 주파수대(주파수대)는 광역에 걸쳐 있다. 과학적으로 연구가 진전됨에 따라서, 반경 약 15km이하인 별의 자전(자전)에 따라 방사되는 전파로, 중성자성의 생체(생체)인 것으로 추정된다. 최근에, 1초간에 642회나 되는 펄서를 내는 별이 작은여우자리의 방향에서 발견되었다. X선 버스트(X-ray burst) 폭발적으로 강력한 X선을 방사하는 별인데, 이론적으로는 한쪽이 중성자성인 연성계(연성계)를 이루는 별로, 중성자성에 가스가 빨려들어갈 때에 X선이 방사되고 있는 것으로 생각되고 있다. 관측에서는 미국의 보이어가 독수리자리의 X선 버스트를 아인슈타인 위성과 지상의 광학망원경을 사용함으로써, 정기적으로 X선 방사가 중단된다는 것을 발견하여, 연성계임을 실증하였다. X선천체 태양이 빛과 전파 외에 X선도 방사한다는 것은 이전부터 알려져 있었는데, 태양 이외에서 X선을 방사하는 천체가 발견된 것은 1962년경부터 로케트에 적재한 X선 검사기가 미국에서 발사되기 시작하면서부터이다. 특히 71년 12월에 미국의 X선관측위성 <우훌>(발사한 케냐 연안지방의 스와힐리 어로 자유라는 뜻)이 발사되고, 그 후 역시 미국의 고 에너지 천문위성이 발사되면서 많은 X선천체의 상세한 성질을 알 수 있게 되었다. X선천체에는 전파은하와 쿠에이서 등 은하계 밖의 천체도 있지만, 대부분은 은하계 내에 있는 특별한 연성(연성)이나 특이한 가스 운(운)인 것으로 생각되고 있다. 연성의 한쪽별이 백색왜성이나 중성자성과 같이 초고밀도의 별, 혹은 블랙 홀인 때에는, 강한 중력으로 상대방 별의 물질을 끌어당겨, 그것이 격렬하게 부딪치면서 수천만 도로 뜨거워져, 강한 X선을 방사하는 것이다. 파세크(parsec) 천문학에서 사용되는 거리의 단위. 연주시차(연주시차)를 초 단위로 측정한 값의 역수(역수)로써 파세크로 한다. 다시 말해서, 연주시차가 1초이면 1파세크, 0.1초이면 11파세크가 된다. 1파세크는 3.26광년에 상당한다. 연주시차가 측정 가능한 것은 약 3000광년의 거리까지인데, 연주시차를 측정할 수 없는 먼 별은 간접적인 방법으로 추정한다. 켄타우루스는 연주시차가 가장 큰 항성인데 0.76초의 1.32파세크이다. 태양계와 행성 태양계(solar system) 태양을 중심으로 하여, 그 만유인력을 받아 모여 있는 천체의 집단을 태양계라고 한다. 그 구성천체는 9개의 행성과 많은 소행성, 혜성, 그리고 행성의 둘레를 도는 위성 및 유성군(유성군)과 태양 주변에 있는 세진(세진), 가스 등의 행성간물질이다. 그런데, 태양계에서 태양 이외의 천체를 모두 합쳐도 태양의 질량의 700분의 1 정도이며, 또한 에너지를 방출하며 스스로 빛을 발하고 있는 것은 중심의 태양뿐이다. 행성간공간(space) 태양계에는 태양에서 흘러나오는 플라즈마(태양풍)가 존재한다. 이 공간을 행성간공간이라 부른다. 태양풍은 초음속으로 태양면에서 흘러나옴과 동시에, 태양의 자장(자장)도 가지고 나온다. 최초의 파이오니어와 보이저의 관측에 의하면, 지구 공전궤도보다 바깥쪽의 행성간공간에서도, 태양풍은 450km/초 이상의 빠르기로 흐르고 있으며, 이 태양풍이 지배하는 영역은 반경 100천문단위에나 이르는 것으로 생각된다. 태양계의 기원(origin of the solar system) 태양에서는 행성이 모두 태양이 자전하는 방향으로 공전하며, 행성의 자전과 위성이 공전하는 방향도 그 방향의 것이 대부분이다. 그리고, 태양에서 행성까지의 거리는 규칙적으로 벌어져 있는 (보데의 법칙) 등, 많은 특징을 볼 수가 있다. 이런 것들을 설명하려는 것이 태양계 기원의 이론이다. 18세기 후반에 나온 칸트라든가 라플라스의 설은 회전하는 가스 운에서 태양과 행성이 탄생한 것이라는 설로서, 이와 같은 이론의 선구적인 것이었다. 금세기 초에는, 태양이 이전에 만났던 사건, 예컨대, 다른 별이 태양과 스쳐가면서 태양 또는 그 별의 물질이 방출되어, 거기서 행성이 형성되었다고 하는 우연설이 제시되었다. 제 2차대전 후에는 유체(유체)의 와동운동(와동운동)의 이론이 와이제커 등에 의해서 태양계 기원의 이론에 응용되어, 차가운 성간운(성간운) 속에서 1개의 항성으로서의 태양이 탄생되었을 때에, 그 주변의 물질(원시행성운[원시행성운])에서 행성과 위성이 형성되었다고 하는 자연발생설이 일반적으로 받아들여지게 되었다. 현재의 학설에 의하면, 원시태양계 성운의 회전이 느렸기 때문에, 대부분의 질량이 중심으로 모여 태양이 되고 나머지 물질이 고체미립자, 미행성(미행성)의 과정을 거쳐, 행성이나 위성으로 성장했다고 한다. 행성(planet) 태양의 둘레를 일정한 궤도를 따라서 돌고 있는 천체로, 지구 외에 수.금.화.토의 5개는 일찍부터 알려져 있었다. 1781년에 천왕성의 발견 후, 1846년에는 해왕성, 1930년에는 명왕성이 각각 발견되었다. 명왕성보다 더 바깥쪽에 제10행성이 존재한다는 설도 있으며, 또한 수성의 안쪽에 미지의 행성이 존재한다는 설도 있는데, 아직 그 증거는 없다. 태양계 이외에도 행성을 가지는 별은 많이 있다고 생각된다. 행성의 테 토성에 테가 있다는 것은 이미 17세기에 호이헨스에 의해서 관측되고 있었는데, 근년에 이르러, 목성형의 거대외행성(거대외행성, 목성.토성.천왕성.해왕성)에는 모두 테가 있다는 관측이 이루어졌다. 토성의 테는 지상에서 망원경으로 볼 수가 있다. 그리고 행성탐사기 보이저 2호에 의해서 얻어진 사진에 의하면, 1000개 이상이나 되는 테가 동심원상에 늘어서 있다는 것을 알 수 있다. F링이라 불리는 테는 세 줄기 끈이 서로 꼬여 있는 듯한 모양으로 되어 있다는 것도 밝혀졌다. 이 꼬임은 F링의 바로 안쪽과 바깥쪽을 도는 S13, S14라는 토성의 달의 인력의 작용이 아닌가 하는 설도 있다. 그리고, 이들 행성의 모체인 태양에도 테가 있다는 것이 관측되고 있다. 천문단위(A. U.) <천문단위거리>라고도 하는데, 태양-지구간의 평균거리를 말하며, 약 1억 4960만km이다. 달과는 달라서 지구에서 직접 태양까지의 거리를 잰다는 것은 불가능이어서, 지구에서 화성까지, 또는 지구에 접근하는 소행성까지의 거리를 직접 측정하고, 그것을 바탕으로 케플러의 제3법칙을 응용하여 태양까지의 거리를 구한다든지 하고 있었다. 그런데, 1960년대가 되자 지구에서의 레이더 관측으로 금성까지의 거리를 정확히 측정할 수가 있게 되어, 현재에는 그것을 바탕으로 케플러의 제3법칙을 응용하여 천문단위거리를 정확히 알 수가 있게 되었다. 천문단위거리는 행성이나 혜성 등 태양계 내의 천체의 거리를 나타내는 데 널리 쓰이고 있는데, 더 먼 항성이나 은하 등 우주의 거리를 재는 기본적인 기준의 길이이다. 위성(satellite) 행성의 주위를 돌고 있는 소천체로, 달은 지구의 위성이다. 그 수는 화성 2, 목성 16 이상, 토성 21 이상, 천왕성 5, 해왕성 2, 명왕성 1개인데, 토성은 그밖에 테를 가지고 있다. 목성(Jupiter) 태양.지구 사이의 약 5.2배나 먼 궤도를 12년이 좀 못 되는 기간으로 공전하고 있는 행성인데, 밝을 때에는 마이너스 2.3 등이 된다. 질량은 지구의 318배, 반경은 약 11배로, 모두가 행성 중 최대인데, 태양에 비하면 1000분의 1의 질량밖에 안 된다. 평균밀도는 지구의 약 4분의 1밖에 안 되며, 지구와 달리 바위덩어리 같은 것이 아니고, 액체 모양으로 된 수소와 헬륨의 본체 위를 대기가 덮고 있는데, 10시간이 못 되는 주기로 빨리 자전하고 있기 때문에, 적도반경이 극반경보다도 400km나 길다. 표면에는 줄무늬와 띠모양의 무늬가, 그리고 적도의 조금 남쪽에는 암적색(암적색)의 대적점(대적점)이 보인다. 갈릴레오에 의해서 1610년에 4개의 위성(이오, 유로파, 가니메데, 카리스토)이 발견되었는데, 오늘날까지 13개의 위성이 발견되고 있다. 1973년 12월에는 미국의 파이오니어 10호가, 74년 12월에는 파이오니어 11호가 직접 목성을 탐측(탐측)하고, 또한 79년 3월에는 보이저1호, 동 7월에는 보이저 2호가 목성 표면과 4대 위성의 선명한 사진을 촬영해서 지구로 보냈다. 이들 탐사에 의하여 목성에도 토성과 마찬가지의 테가 있다는 것도 알았다. 그리고 그 위성 이오에서는 높이 치솟아오르는 분연(분연)이 관측되어, 현재도 활동중인 화산이 있다는 것이 확인되었다. 이 화산 활동의 에너지는 이오가 목성으로부터 받는 조석력(조석력)이라 생각되고 있다. 가니메데의 표면에는 산맥과 골짜기가 있는데, 이전에는 지구처럼 플레이트 텍토닉스가 있었을 가능성도 있다. 자기권물리학적(자기권물리학적)으로는 목성에도 지구와 똑같은 자기권이 존재하여 자기원반(자기원반)을 만들고 있다는 것도 밝혀졌다. 그리고, 이오가 목성 자장(자장) 속에서 공전운동을 하여 발전작용을 일으켜, 목성 주변에서의 입자(입자)의 가속에 어떤 관계를 가지고 있다는 것도 확인되었다. 토성(Saturn) 육안으로 볼 수 있는 가장 바깥쪽에 있는 행성으로, 태양으로부터의 거리는 지구까지의 약 9.5배이고, 공전 주기는 약 30년. 질량이나 반경도 목성 다음으로 크다. 질량은 지구의 95배인데 반경은 9.4배나 되며, 평균 밀도는 지구의 약 8분의 1로 0.68이어서 물보다 작다. 21개 이상의 위성과 테가 있다. 테는 너비가 수만km나 되는데, 두께는 10km 이하이고, 크고 작은 얼음과 바위덩이가 매초 15-20km의 속도로 위성처럼 돌고 있는 것이다. 지구에서 보면 토성의 공전주기의 반(약 15년)은 테를 위에서, 반은 밑에서 바라보게 된다. 1979년 9월 1일에 미국의 파이오니어11호가 처음으로 접근해서 표면과 테를 직접 탐측하여, 새로운 테와 위성을 발견했으며, 또한 보이저 1호가 80년 11월, 2호가 81년 8월, 토성 탐측을 하여 이제까지 동심원으로 생각되고 있던 테가 소용돌이 상태라는 것 등, 수많은 정보를 보내왔다. 그리고, 최대의 위성 타이탄은 태양계 유일의 대기(대기)를 가진 위성인데, 그 대기는 대부분이 질소라는 것도 밝혀졌다. 그리고, 디오네와 궤도를 공유하는 2개의 위성 (??), (??)의 존재도 확인되었다. 금성(Mercury) 수성 다음으로 태양에 가까운 곳을 돌고 있는 내행성(내행성). 적도직경 1만 2100km, 질량은 지구의 81%로 지구를 매우 닮았다. 예부터 <샛별>로 서로 친근한데, 두꺼운 구름으로 덮여 있기 때문에, 바로 최근까지 그 얼굴은 베일에 가려진 채였다. 근년에 이르러, 소련과 미국의 행성탐사기가 금성의 대기에 돌입, 연착륙(연착륙)을 하게 되자, 소상한 데이터가 입수되게 되었다. 특히 소련의 베네라13호, 14호는 처음으로 금성 표면의 컬러 사진을 전송(전송)하여 세계의 관심을 모았다. 레이더 관측과 탐사기의 데이터에 의하면, 자전주기는 243일이며, 공전주기 224.7일보다 느리다. 더구나 자전의 방향은 보통의 행성과는 반대방향이다. 지표 기온은 약 450-500(??), 기압은 약 90기압, 하층대기의 주성분은 이산화탄소로 건조하다. 구름 부분에는 유황도 있으며, 이 부근의 풍속은 초속 100m에 달한다. 표면의 지형은 매우 평탄하여 전지형의 80%가 고도차(고도차) 2km 이내에 들어가는데, 맥스웰 산과 같이 지구의 에베레스트 산보다 높은 산도 있다. 베네라 9-14호의 관측에 의하면 지표는 지구의 현무암과 비슷한 암석으로 이루어져 있다는 것을 알았다. 그리고 파이오니어의 관측에 의하면, 지표 2개소에 대활화산지대가 있는 것 같다. 금성 대기가 이와 같이 높은 온도를 유지하고 있는 이유로서, 금성이 지구의 약 2배의 태양빛을 받는데다가, 지표로부터의 열방사(열방사)를 대량의 탄산가스가 흡수해서 저장한다는 온실효과가 있다는 것을 들 수 있다. 당초에 금성에 물이 있었다고 한다면, 이 열 때문에 물은 수증기가 되고, 다시 대기 상층에서 태양 빛에 의하여 수소와 산소로 분해되어, 수소는 우주공간으로 달아나 버렸다고 생각된다. 남아 있는 산소는 지표를 산화할 것으로 생각되는데, 베네라의 컬러 사진으로도 지표가 산화되어 있는지의 여부는 분명치 않아, 따라서 처음에 금성에 물이 있었는지 어떤지에 대해서도 결론이 나와 있지 않다. 파이오니어11호 미국이 쏘아올린 최초의 토성 탐측기. 1973년 4월에 발사된 약 260kg의 탐측기(탐측기)인데, 74년 12월에는 목성을 직접 탐측하고, 그후 79년 9월 1일에 토성의 테 내부로까지 돌아들어가, 표면과 테, 주변의 공간 등을 직접 탐측했다. 이제까지의 테의 더욱 바깥쪽에 새로운 좁은 테를 발견하고(F테), 또한 11번째의 위성(파이오니어 록이라 이름붙였다)을 발견했다. 약 30kg의 과학탐측장치에 의하여, 적외선분광관측(적외선분광관측)과 자외선분광관측, 둘레의 자기권(자기권)의 측정, 하전입자(하전입자)의 측정 등, 11종목의 관측과 측정에 성공하였다. 최대의 위성 타이탄(달이나 수성보다도 크다)의 사진 촬영을 했는데, 지구에의 전송(전송)이 소련의 인공위성의 전파와 혼신(혼신)하여 수신에는 실패하였다. 태양계 밖의 우주문명에게 보내는 금멕기한 금속판에 새긴 그림을 탑재하고 있다. 유성(유성, meteor) 별똥별을 말한다. 태양계 내에는 눈에 보이지 않는 고체입자(고체입자), 쌀알 정도에서 각사탕 크기까지의 물질이 무수히 태양의 둘레를 돌고 있다. 이런 것들이 지구 대기 속으로 뛰어들면, 마찰로 생긴 고온 가스가 발광(발광)한다. 보통 고도 100-120km에서 발광하여 80km 정도에서 소멸한다. 이것이 유성이다. 한군데에서 1시간에 볼 수 있는 유성은 10개 정도이지만, 지구 전체에서는 1시간에 2000만 개를 넘는다. 혜성, 혹은 과거에 파괴된 혜성의 궤도를 지구가 통과하면, 많은 유성물질이 지구 대기에 뛰어들기 때문에 <유성우(유성우)> 또는 <유성군(유성군)>을 볼 수 있다. 8월 중순의 테르세우스 자리 유성군, 11월 중순의 사자자리 유성군 등이 유명하다. 혜성(혜성, comet) 태양의 둘레를 도는 작은 천체이다. 혜성의 본체는 핵(핵)이라 불리는데, 직경 수km 정도의 크기로, 암석 등이 더스트[진]의 형태로 섞여든 얼음덩어리로 이루어지는 것으로 생각된다. 혜성이 태양에 접근(3 천문단위 정도까지)하면, 핵 둘레에, 태양열에 의하여 달구어진 핵의 표층 물질이 증발하여 구상(구상)의 구름(코마, coma)을 만든다. 그리고 코마에서는 태양과 반대 방향으로 뻗는 가는 꼬리(타입 I)와 폭이 넓고 끝이 완만하게 굽은 꼬리(타입 II)가 생긴다. 타입 I의 꼬리는, 코마 속의 플라즈마가 태양풍과 그에 따르는 자장(자장)에 의해서 가속되어 끌리는 꼬리로 <플라즈마의 꼬리>라 불리며, 타입 II의 꼬리는 핵에서 나온 더스트가 태양의 방사압(방사압)에 의하여 가속되어 끌리는 꼬리로 <더스트의 꼬리>라 불린다. 이제까지 인류의 기록에 남아 있는 혜성의 수는 1000개 이상이나 되는데, 길다란 타원궤도와 태양을 도는 주기혜성(주기혜성)의 수는 약 80 정도이며, 대부분이 한 번 나타나고는 영원히 돌아오지 않는 것으로 생각되고 있다. 핼리 혜성 영국의 천문학자 에드몬드 핼리에 의하여 발견된 혜성으로, 약 76년의 주기로 태양의 둘레를 돌고 있다. 1986년에는 다시 태양에 접근하여, 세계의 여러 나라들이 탐사기를 쏘아올려, 혜성의 조성(조성)과 태양풍과의 상호작용에 대한 관측을 하였다. ESA(유럽 우주개발기관)의 지오트 탐사기는 85년 7월에 남아메리카 기아나 우주 센터에서 발사되어, 핼리혜성의 핵에서 500km 되는 곳을 통과하여 핵의 컬러 사진을 찍었으며, 소련의 베가 1호, 2호 탐사기는 아랄해 동쪽의 튜라탐 우주기지에서 발사되어, 지오트의 <안내자(패스파인더)> 구실을 했다. 미국의 아이스 탐사기는 다른 목적으로 사용되고 있는 아이시 3이라는 탐사기의 이름을 아이스라 바꾸고, 자코비니 진너 혜성으로 향한 다음에 핼리 혜성으로 향하였다. 혜성을 직접 관측하는 이유는, 태양계의 시초 무렵의 형편이 그대로의 상태로 갇혀져 있는 혜성이 가스와 더스트를 관측함으로써, 태양계가 생겼을 무렵의 수수께끼를 알아보려는 데에 있다. 달의 기원 달의 기원에 관해서는, 달이 지구에서 분열해서 이루어졌다고 하는 <지구.달 친자설[친자설]>, <형제설>, <타인설> 등이 있다. 그중의 하나에, 달은 지구나 금성과 같은 행성의 하나였는데, 그 달이 지구와 금성 사이에 공전궤도(공전궤도)를 가지고 있어서, 지구의 근방을 통과하다가 지구의 원시대기(원시대기)에 의해서 포획되었다고 하는 설이다. 이것은 종래의 설에 비하여 모순점이 적고, 태양계 형성의 시나리오와 달의 기원 사이에 일관성이 있는 점에서 주목된다. 달기원운석(달기원운석) 달기원운석은, 달에 거대한 운석이 충돌했을 때에, 그 충격으로 달의 표면의 암석이 떨어져나가 지구까지 도달했다고 생각되고 있다. 1982년 가을에 미국항공우주국(NASA)이 <루나 메테오라이트>(달기원운석)를 발견했는데, 이 운석은 태양계의 행성들이 탄생한 약 45억년 전의 달의 형편을 아는 단서가 된다. 자기권(자기권, magneto sphere) 태양풍이 흐르는 공간에 존재하는 행성은, 그것이 지니는 자장의 영향으로, 태양풍으로부터 내부를 보호하는 듯이 공동(공동)을 만들고 있다. 자기권은 이 자장의 벽에 의해서 둘러싸인 영역으로, 지구의 경우는 태양의 방향에서는 지구 반경의 약 10배 정도에 위치하고, 태양과 반대 방향에서는 적어도 약 60배 정도(달의 궤도 부근)까지 뻗어 있다. 그리고 자기권의 외부 경계를 <자기권경계면(자기권경계면), magneto pause>이라 부르며, 태양풍이 지구에 침입해 오는 것을 막아 주고 있다. 그런데, 때로는 자기권 경계면에 발생하는 플라즈마가 흐뜨러지기 때문에 한꺼번에 대량의 태양풍이 자기권에 침입해 오는 수가 있어, 자기권에서 일어나는 갖가지 물리현상의 에너지 원(원)이 되고 있다. (출처: 이선우 홈페이지)  우주의 생성이론   (1) 대폭발 우주론 (big bang universe) 4반세기정도 계속 지지를 받아온 대표적인 우주론. 천체의 대부분은 그 구성물질의 23∼27%가 헬륨으로 구성되어 있다. 이 사실에서 우주는 대략 25%가 헬륨으로 이루어져 있다고 추정된다. 헬륨은 수소의 핵융합에 의해 만들어 지는데 이것만으로는 지금의 양과 큰 차이가 생긴다. 그래서 관측된 헬륨의 양은 대폭발설의 강력한 근거가 되고 있다. 다른 하나는 배경복사로 모든 방향에서 거의 같은 밀도로 관측된다. 그 전파의 각 파장당 강도도 대폭발설이 나타내는 수치와 일치했다. 모든 방향에서 관측되었기 때문에 우주 그자체에서 발생했다고 할 수 있으며 '배경'은 모든 장소를 의미한다. 절대적 진공에서 한 점의 원형적 잠재력이 나타나 생성 순간에 모든 물질, 차원, 에너지와 시간을 폭발하며 배출했다. 그리고 폭발 순간 모든 힘과 물질은 구분할 수 없었다. 우주가 팽창하고 식어감에 따라 물질과 힘이 떨어지고 갈라진 뒤로는 다시 합쳐지지 않았다. 이 격변을 일으킨 힘 역시 산산이 갈라졌고 새로이 쪼개어지면서 쿼크와 경입자를 형성했다. 그리고 이 입자들은 힘들과 영원히 결합되었고 이 힘 가운데 셋은 어자 가운데 있다. 이들 가운데서 가장 힘이 센 것이 원자핵 구성입자들의 성분---양자와 중성자들을 만드는 쿼크---들을 묶어 주는 강핵력이다. 그 보다 1000배 약한 것이 전자기력으로 원자핵 주변의 전자들을 지배한다. 이힘은 전파와 광파의 원인이 된다. 그보다 100배 약한 것이 약핵력으로, 이 힘은 중성자들을 서서히 무너뜨리는 방사성붕괴를 일으킨다. 이상은 벡터 보존 에의해 보존되는데, 글루온이라는 보존의 일종이 강핵력을 낳고, 광자는 빛의 성분으로 전자기력을 낸다. 중력은 제일 약한 힘으로 강핵력보다 1038배나 약하다. 아직 탐지되지 않은 벡터 보존이 중력자이고 이론상으로 중력을 일으킨다. 중력은 큰 질량에서만 작용하므로 원자 내부에는 의미있는 영향을 끼치지 않는다. 그러나 '특이점'이라는 개념과 배경 복사의 균질성을 적절히 설명하지 못했으며 대폭발설은 우주속 공간의 본질에 대하여 평면성을 설명하기위하여 공간을 구체의 표면이 아니라 평평한 탁자의 표면과 같다고 간단히 치부했다. 또한 별이나 은하의 생성을 설명할 수 없었다. 다음은 우주 생성의 과정을 역순으로 배열한 것이다. <우주의 나이> 10억년 퀘이사 형성 시작 50만년 소립자들이 모여 원자 형성 10만년 복사와 물질이 갈라짐 3분 강핵력이 양자와 주성자가 결합 온도 섭씨 2천억도 정도 중성자와 양자 생성 우주가 태양계만큼 팽창, 4개의 힘의 통일 작은 Black hole의 형성 우주는 핸드볼공 크기, 온도는 1027K 우주의 크기 10-24cm 에너지 응결 시작 플랑크 벽 (2) 거품 우주론 한 세대동안 대폭발론은 단단히 제 구실을 해 왔으나 앞에서 밝힌 문제점때문에 다른 우주론들이 주목받고 있다. 그 중의 하나로 대표적인 우주론이 거품우주론이다. 1981년 시작된 이 우주론은 대폭발설의 문제점을 거의 제거한다. 그러나 다른 한편으로는 전혀 다른 문제를 일으킨다. 그 바닥에는 허공에 떠있는 풍선과 마찬가지로 부풀어오르는 거품에서 하나가 아닌 여러개의 우주가 생겼다는 관념이 깔려있다. 그리고 또한 이러한 관념은 '인플레이션'의 개념과 연결되어 있다. 인플레이션이란 대폭발 직후 우주 나이 10-36 초경 우주의 팽창 속도가 비정상적으로 빨라진 현상을 의미한다. 이 인플레이션에 의해 현재 우주의 균질성과 균등성이 설명되는 것이다. 인플레이션은 우주가 소립자 정도의 크기였을 때 시작되었으며 이는 짧은 시간내 '양자 요동'을 무한히 크게 함으로써 진공으로부터 우주를 탄생시키는 방법을 제시한다. 양자 요동은 양자 역학적인 '불확정성'때문에 일어 난다. 예를 들어 우리가 전자의 위치에 대해 얘기할 수 있는 것은 그것이 어떤 위치에 있을 확률뿐이다. 불확정성 관계에 있는 짝을 공액 변수(conjugate vanable)라 하는데 '에너지'와 '시간'이 그와 같은 관계이다. 위에서 궁극적으로 말하고자 하는 것은 물질이 적당한 시간 t동안 적당히 작은 공간 내에 존재할 수 있음이다. 1970년대 초 뉴욕 주립 대학의 타이런(Ed Tyron)은 만약 에너지가 0이면 원칙적으로 양자 요동은 계속된다고 주장했다. 중력의 작용으로 중력장에 에너지가 축적될 때, 아인슈타인의 질량-에너지 등가 원리에 의해 물질이 양(+)에너지로 표현되면, 중력장에는 음(-)에너지가 축적된다고 보아 우주의 순 에너지는 0이 된다는 것이다. 그의 이론을 인정하면 만물은 무로부터 양자요동을 거쳐 탄생한다는 결론에 다다른다. 양자 우주론은 무로부터 수많은 우주가 창조될 수 있다는 가능성을 제시한다. 다른 우주의 존재 가능성을 연구하는 구스(Alan Guth)는 우주의 창조에서 에너지가 0이라면 그리 큰 질량이 필요하지는 않으나 고밀도와 초고온이 필요한데 대부분의 경우 이때 인플레이션을 일으키지 못하고 블랙홀이 되고만다고 밝혔다. 그러나 압축된 공간이 모든 시공에 대해 직각 방향, 즉 4차원적인 팽창을 하면 우주가 생성된다. 태초에 에너지화된 점들이 고르지 않게 혼합되어 있었고 그 점 하나하나가 천조의 조배보다 더 뜨거운 온도를 지니고 있었다. 열기로 인하여 그 점들은 대단히 빨리 팽창하여 또한 급속히 냉각되었다. 이 현상은 10-43초의 플랑크 벽을 조금 지나서 일어난다. 그때 이미 중력은 다른 세 힘에서 떨어져나온 뒤다. 그 초냉각대들은 하버드대 물리학교수 시드니 콜먼(Sidney Coleman)이 '거짓진공'이라 이름붙인 특성을 갖고 있다. 문제의 거짓진공은 에너지를 끌어들이며, 그 과정이 시작되고 약 10-35초후에 그 초냉각대들은 방대한 에너지의 반격을 받고 폭발하여 거품을 이루고 그 하나가 독자적인 우주가 된다. '거짓진공'은 영하로 뚝 떨어진 냉각된 물에 비길 수 있다. 물은 한순간 액체의 상태로 있다가 재빨리 결정을 이루어 얼음이 된다. 초냉각대 역시 한 순간 교란되지 않은 상태로 있을 수 있다. 만들어진 거품들이 식기 시작할 때, 전자기력과 약핵력이 떨어져 독립된 실체를 만든다. 그 거품 가운데 하나---우리우주---의 안에 있는 에너지가 응어리지면서 경입자및 쿼크같은 입자가 생성되기 시작한다. 이 팽창기의 끝, 태초이후 10-32초에 우리 우주는 모든 별, 은하계, 행성과 모든 것을 구성할 물질을 품고 있으며, 그 크기는 사과만하다. 이 시점에서부터는 일반적인 거품 시나리오를 물려 받는다. 거품이론이 주목받는 이유로 우선 우주 팽창기에 우주는 대폭발설에 명시된 것보다는 훨씬 느리게 발달했다. 그에 따라 물질은 시간을 두고 발달하여 고르게 혼합되었고 동일한 온도에 도달했으며 우주 전역에서 균질적인 복사작용을일으킬 수 있었다. 그 뿐아니라 거품이론은 자의적인 가설이 아닌 자연법칙으로 우주의 평면성을 설명할 수 있다. 거품 하나가 오늘날우주크기로 자랄 동안 큰 구체의 표면이 평면으로 보이듯이 평면으로 퍼져나갔다. 프린스턴 대학의 젊은 천체 물리학자 리처드 고트(J.Richard Gott)의 가설에의하면 우리들의 우주란 대단히 크면서도 한정된 밀도의 뜨거운 액체속의 거품처럼 무한수의 우주들 가운데 하나일 뿐이며 그의 계산에 따르면 우주 하나하나가 팽창의 각도에서 본다면 '열려있고' 무한하며 영원히 식지 않고 커진다. 이 거품들은 빌렘 데 지터의 이름을 딴 이른바 '데 지터 공간'에서 형성되었다. 데 지터는 1917년 처음으로 언제나 팽창하고 있는 곡면의 무한 우주를 서술하고 있는 아인슈타인의 일반 상대성 장방정식에 대한 구체적 해답을 연구하기시작했다. 데 지터의 팽창우주에서는어느 개별적인 점도 다른 점과는 서로 멀어지려는 경향이 있고 그 분리 속도는 점차 늘어 간다. 고트의 거품우주에서는 최초의 거품이 그를 에워싸고 있는 데 지터 공간에서 거침없이 틀지워진다. 그런 중에 특이점이 제거된다. 그 설명으로 방대한 우주는 동질적인데 그럴려면 팽창초기의 우주가 한 순간이라도 모든 부분이 다른 모든 부분과 직접 또는 근원적으로 서로 연관되었을 때에 만 생길 수 있다. 표준적인 대폭발설에 의하면 초기 우주의 각 부분은 이어지지 않았다. 팽창이 시작되었을 때 그들 사이의 거리가 너무 멀어 빛이 왕래할 수 없었기 때문이다. 팽창우주론과 마찬가지로 고트의 모델에서도 짧기는 하나 밀도의 정지국면이 있고 이시간에 우주의 모든 부분이 인과적으로 서로 연관을 짓게 된다. 그 사이에 거칠고 들쭉날쭉한 점들을 쓰다듬어 동질적인 우주를 만들게 된다. 그러나 고트의 우주론에는 특이점이 있어 호킹복사를 초기우주에 적용하고 있다. 고트는 중력과 양자역학의 상호작용에 주목했고 Black hole을 둘러싼 사건의 지평선에서는 끊임없이 열복사를 하고 있다는 결론을 내렸다. 그리고 호킹복사가 배경복사를 설명한다는 가설에 도달했다. 그런데 지터 공간의 중요한 성질 중 하나가 사건의 지평선과 호킹복사가 가득한 것이라고 주장한다. 2개의 점이아주 멀리 그리고 대단히 빨리 떨어져나가 그 사이를 광선이 도달할 수 없다고 하자. 그러면 두 점 사이에 사건의 지평선이 일어난다. 거품우주론의 문제로는 우주가 된 거품안에 물질 덩어리들이 어떻게 응결하여 은하계와 별들을 이루었는지 정확히 설명하지 못한다. 그리고 일부 물리학자들은 동시에 여러개의 우주가 생겼다는 가설을 놓고 어리둥절하고 있다. 상식으로 따지면 분리된 우주들은 절대 만날 수 없지만 일부 파격적인 과학자들은 팽창속도가 내려가다가 중지하게 되면 일부우주들은 서로 합칠 수 있으리라고 믿는 것이다. 내용출처 : [인터넷] http://jsd.snu.ac.kr/ftp/pub/misc/@Databank  우주에서의 시간     1.개요 시계가 움직이는 속도는 시계가 어디에 있냐 그리고 어떻게 움직이고 있냐에 따라서 다르다. 이러한 사실은 우리에게 놀라움에도 불구하고 광속도는 광원과 상대적으로 어떻게 움직이고 있던 간에 똑같은 속도를 갖는다는 놀라운 실험적 사실에 바탕을 둔 Einstein의 특수상대론에 의해서 우리에게 알려져 있다. 우리는 세 개의 공간적인 차원을 갖는다. 왼쪽과 오른쪽, 앞쪽과 뒤쪽, 그리고 위쪽과 아래쪽이다. 따라서 이 세 개의 숫자는 공간에서 어떤 사건의 위치를 알아낼 때 필요한 것이다. 우리는 또 사건을 정의하기 위해서 네 번째의 숫자를 필요로 한다. 이것이 시간이다. 이것은 보통 어떤 종류의 시계로부터 재어진다. 시간은 다른 세 개의 차원과는 명백히 다르다. 우리는 세 개의 공간적인 차원에 대해서는 어느 정도 자유롭다.하지만 우리는 시간의 흐름에 의해서는 싫든 좋든 간에 따라갈 수밖에 없다. Einstein은 시간과 공간이 연결되어 있음을 보여주었다. 두 개의 사건은 공간적인 차이로서만 정의할 수 없고 마찬가지로 시간의 차이만으로도 기술할 수 없다. 그 대신 두 개의 사건은 4차원의 시공의 차이로서 기술된다. 이것은 관측자가 어떻게 움직이고 있냐에 따라서 달라지는 공간상의 거리와 시간상의 차이라는 의미이다. 시간은 '주기적'일수 있을까? 우주의 '시간의 화살'이라는 것이 있어서 과거를 미래와 구별시키는 것일까? 자연은 매우 혼란을 주는 '시간여행'같은 것을 금지시키고 있는 것은 아닐까? 그리고 시간이 얼마나 오래 지속될 수 있는지에 대한 한계가 있는 것일까? 있다면 우리는 그것을 명확히 측정할 수 있을까? 시간은 아마도 영원히 '똑딱'거리지는 않을 것이다. Big Bang은 시간과 공간의 시작, 그리고 우주를 채우고 있는 모든 물질의 기원이었을 수도 있다. 우리는 Big Bang 이전이나 우주가 다시 수축해서 붕괴한 이후의 시간의 화살은 생각할 수 없다. 우주에 무슨 일이 일어나건 블랙홀에 빠져든 사람도 유한한 미래를 경험할 것이다. 게다가 그 끝은 매우 당황스럽게도 빨리 올 것이다. 우리가 생각할 수 있는 가장 긴 시간의 스케일은 의미가 있다. 그것은 아마도 Big Bang과 마지막 붕괴사이의 시간일 것이다. 아무리 작게 잡아도 몇 백억년은 될 것이다.그러면 반대의 질문은 어떨까? 시간에 가장 작은 스케일이 있을까? 시간을 한계가 없이 작은 조각으로 계속 조각낼 수 있을까? 양자역학은 여기에 해답을 제공한다. 하이젠베르그(Heisenberg)의 불확정성 원리는 우리에게 이에 대한 대답을 주고 있다.점점 증가하는 정확도로 시간간격을 계속 재어간다면 우리는 더욱더 작은 파장을 가지고 있는 양자(따라서 높은 에너지의)들을 이용해야 한다. 가벼운 양자들은 유한한 속도로 움직이기 때문에 증가된 에너지는 측정된 간격보다 작은 영역에 집중되게 된다. 결국 한계는 필요한 에너지가 매우 높고 블랙홀로 붕괴될지도 모를 정도로 에너지가 집중될 때 일어나게 된다. 이러한 양을 재게 되면 최소의 시간스케일의 한계가 약 10^-43 정도가 된다. 이것은 우리가 일반적으로 플랑크 시간(Planck time)이라고 부른다. 어떠한 사건도 이 플랑크 시간보다 정말하게 측정되어질 수는 없다. 우주의 시작이니 끝 근처에 다다르면 모든 물질은 시간과 공간이 혼합된 색다른 차원의 단계에 압착되게 된다. 비록 우리가 우주이 초기에 대하여 상당한 물리적 지식을 갖고 있고 그 지식에 대해서 확신하고 있다고 해도 플랑크 타임 이전을 추측하려고 하면 단단한 벽에 부딪히게 된다. 이런 작은 스케일에서 어떤 이론들은 1950년대의 Wheeler의 선구적인 생각으로 돌아가기도 한다. 그는 시간차원은 세 개의 공간차원과 뒤섞여서 '시공의 거품'을 만든다고 생각했다. 최근의 초끈이론(superstring theory)에 따르면 여분의 여섯 개의 차원이 있다고 한다. 우리가 보는 공간은 이 여섯 개의 차원이 단단히 조여져서 그렇게 매우 작은 스케일로서 나타난다는 것이다. Hartle과 Hawking은 양자우주론과 시간이 시작에 대해서 다른 접근을 발전시켜 왔다.그들은 시간과 공간의 구분은 처음에는 매우 불분명했고 따라서 'Big Bang 이전에 무엇이 일어났나?"하는 질문은 "당신이 북극점에서 북쪽으로 여행하면 무엇이 일어나겠느냐"라는 질문과 같다고 말했다.우리의 시간과 공간에 대한 지각은 일상의 세계에서부터 연유한다. 우리는 우리의 직관이 우주적은 스케일이나 미시세계와 맞지 않는다고 해서 놀랄 필요는 없다. 대부분의 사람들은 무한한 미래를 마음에 그리는 것보다 무한한 과거(예를 들면 정상우주론처럼)를 생각하는 것이 어려운 일일 것이다. 사람들이 느끼기에 시작은 꼭 있었을 거라고 생각하지만 끝은 꼭 있을 필요가 없다고 생각한다. 이것은 단지 심리학만의 문제가 아니다. 물리학은 이 두 가지의 다른 견해에 대한 매우 적절한 이유를 제시한다. 유명한 열역한 제 3법칙은 시간이 감에 따라서 어떤 시스템은 점점 무질서해 진다는 것을 보여준다. 차갑고 뜨거운 것들은 점점 평형을 이루게 된다. 만약 무한한 과거가 있다면 모든 것들은 벌써 멈추어야 했을 것이다. 이 이야기는 어떤 상자의 정지한 계에 적용시킬 때는 설득력이 있지만 우리 우주같이 열려있고 무한한지도 모르고 역동적인 시스템에서는 확신할 수가 없다. 우리가 일상의 경험((열역학, 기억, 다른 시간의 방향을 표현하는 현상들)을 전체 우주로까지 확장할 수 없다면 우리는 새로운 근본적인 질문에 직면하게 된다. 무엇이 우주의 스케일에서 '과거'와 '미래'를 구분 짓는가? 우주의 시간의 화살은 명백하게 미래를 향하고 있는 것인가? 하는 의문이다. 2.시간의 방향 K중간자의 붕괴와 같은 예외가 있지만 미시세계를 지배하는 법칙들은 시간에 대해서 대칭성을 갖는다. 즉, 두 개의 원자핵이 부딪히는 영화가 있다면 그것을 거꾸로 돌려도 전혀 이상한 점을 느낄 수 없다는 것이다. 그러나 우리가 보는 일반적인 세계에서는 그와는 반대로 무질서 또는 엔트로피에 의한 '시간의 화살'이 명백하게 보인다. 예를 들어서 우리는 연못 한가운데 돌을 던지면 물결이 그 중심으로부터 뻗어나가는 것을 본다. 하지만 그 물결이 한점으로 거꾸로 집중된다면 누구나 놀랄 수밖에 없다.따라서 우리의 시간에 대한 주관적인 인식은 분명한 비대칭성을 갖는다.우리는 오직 과거에 대한 기억만을 갖고 있고 예측하는 것보다 회상하는 편이 훨씬 편안하다고 느낀다.우리의 일상경험으로 비추어보면 '시간의 화살'은 분명히 존재하는 것이다. 우리가 보는 어떤 일상의 사건들도 거꾸로 돌려보면 상당히 어색해 보인다. 원인과 결과가 뒤바뀐 것이다. 물론 그러한 사건들에 대해서 우연히 일어난 사건이라는 설명도 가능하지만 목적론적인 판단을 생각하면 그렇다.깨어진 유리조각과 떨어진 물방울들을 다시 한잔의 와인으로 조합하는 것은 명백하게 무모한 도전으로 보인다. 우리가 과거와 미래를 구분짓는 엔트로피의 증가나 복사의 방출과 흡수의 관계, 우리가 오직 과거만 기억할 수 있다는 사실은 서로 연관되어 있다.그러나 우주론자들은 시간의 방향을 결정하는 다른 방법을 알고 있다. 그것은 바로 '우주의 팽창'이다.이것은 시간의 방향을 한가지로 결정해준다. 또한 이것은 유한한 시간의 범위를 결정한다. 만약 우주의 팽창이 계속된다면 과거로 돌아가는 것만이 가능할 것이고 다시 수축을 하게 된다면 과거와 미래의 방향이 모두 가능할 것이다.이런 '시간의 화살'은 일상세계와는 어색한 것이고 과거와 미래의 차이점이 우리 전체 우주가 어떻게 행동하느냐에 따라서 결정되는 것인가? 3.엔트로피와 비가역성 일상의 세계는 열평형과는 거리가 멀다.뜨거운 것과 차운 것 사이에 막대한 차이가 있다. 완벽하게 질서있는 것도 아니고 완전하게 무질서하고 랜덤한 상태에 있는 것도 아니다. 이와 같은 상황은 큰 규모에서 본 우주와 같은 것이 사실이다. 별들의 무시무시하게 온도가 높은 표면과 2.7K의 우주배경복사를 제외하면 거의 절대영도에 가까운 텅빈 공간과는 엄청난 온도의 차이가 있다. 아주 먼 미래에는 좀더 평형과 가깝게 될 것이다. 그러나 이런 미래는 우주의 현재나이와 비교해볼 때 거의 영원에 가까운 시간이 지난후일 것이다. 우리의 우주는 매우 뜨겁고 특별한 모양이 없는 상태에서 출발했다. 이 문제를 처음 생각해보면 이것은 평형에서부터 명백하게 조직화된 상태로의 진화이다. 이것은 우리가 알고 있는 열역학의 '모든 시스템은 정적으로 되야 한다'라는 사실과 모순되는 것처럼 보인다. 그러면 무엇이 복잡한 우주의 구조로의 급격한 변화를 설명할 수 있을 것인가? 두 가지의 전제가 있다. (1) 팽창 - 이것은 과거와 미래의 비대칭성을 잘 정의하여 준다. (2) 중력 - 이것은 물질들을 서로 당김으로서 밀도의 차이를 더욱 크게 하여준다. 따라서 우주가 팽창함에 따라서 궁극의 구조의 변화를 가져오게 한다. 만약 모든 미시세계의 사건들이 (입자사이의 충돌, 광자의 흡수와 방출, ..) 우주가 팽창하는 비율보다 훨씬 더 빠르다면 모든 것들은 모든 순간에 있어서 평형을 이룰 것이다. 물질들은 그것들이 전에 밀도가 컸는지 아니면 작았는지에 대한 어떠한 기억도 유지할 수 없을 것이다. 또 시간의 방향에 대한 자국도 지니고 있지 않을 것이다. 그러나 우주가 팽창함에 따라서 더욱더 밀도는 작아지게 되고 이러한 반응의 속도는 점점 느려질 것이고 결국에는 효과가 없게 될 것이다. 예를 들면 입자들의 반응이 더 빠르다면(우주의 팽창이 더 느리다면) 모든 우주초기의 물질들은 매우 뜨거운 별들의 내부처럼 철로 변화했을 것이다. 지금 현재의 우주에 있는 별들은 존재할 수 없을 것이다. 왜냐하면 모든 가능한 핵에너지가 우주초기에 모두 사용되었기 때문이다. 다행스럽게도 처음 몇 분 동안의 팽창은 25%정도의 수소만이 헬륨이 될 수 있도록 허락해주었다. 만약 우주가 다른 상태였다면 그때의 결과는 지금과 사뭇 다를 것이다. 이런 논의는 우주팽창에 있어서 매우 중요한 것이다. 사하로프(Sakharov)가 처음 지적했었던 다른 확고한 효과는 우주초기에서의 반물질에 대한 물질의 초과이다. 만약 초과가 없었다면 모든 물질은 같은 양의 반물질과 함께 사라졌을 것이다. 따라서 우주에는 어떤 원자도 존재하지 않았을 것이고 따라서 별들도 없을 것이며 현재와 같은 복잡한 구조의 우주도 없었을 것이다. 4.중력의 열적 작용 중력은 더욱 중요한 요소이다. 만약 과거의 어느 시점에서 우주가 현재의 비율과 같이 팽창하고 있었고 중력이 영향을 미치지 않고 있었다고 상상해보자. 그렇다면 100억내지 200억년정두 후 지금 우주에 널리 퍼져있는 차갑고 희석된 가스들의 균질서을 방해할 아무런 것도 없게 된다.균일한 우주를 불안하게 하는 것과 처음의 조그만 비균질성으로부터 지금의 큰 밀도차이를 갖게 하는 것도 중력이다. 중력으로 인하여 거대한 원시은하 가스의 구름이 나뉘어지게 되고 그로부터 별들이 탄생할 수 있었다. 중력은 별들 자체에 있어서도 큰 영향을 미친다. 별들은 그들이 에너지를 잃음에 따라서 온도가 올라가는 성질을 갖는다. 만약 태양 중심에 있는 핵연료들이 바닥났다고 생각해보자, 열에너지는 계속에서 표면 밖으로 복사되면서 새어나갈 것이다. 만약 핵융합반응이 이런 에너지를 보충하지 못한다면 태양은 수축할 것이다. 그러나 수축함으로 인해서 중심은 그전보다 더 뜨거워질 것이고 중심의 압력이 중력과 평형을 이룰만큼이 될 것이다. 학교에서 물리학을 배운 사람이라면 뜨거운 물에 금속 한덩이를 넣고 온도가 떨어지는 것을 재어서 '비열(specific heat)'이라는 것을 측정해본 적이 있을 것이다. 별들의 경우는 음수의 비열값을 갖는다. 왜냐하면 별들이 뜨거워 지기 위해서는 에너지를 얻기보다 잃어야 하기 때문이다. 인공위성이 저궤도에서 공기의 저항을 받게 될 때 중력도 이와 비슷하게 우리의 직관에 반하는 성질을 갖는다. 인공위성이 불타게 되는 곳을 향해서 돌진하면서 궤도속도가 실제로 빨라지게 된다. 인공위성의 입장에서 보면 지구의 중력이 더 강해져서 빨리 움직여야 한다는 것처럼 느낄 것이다. 인공위성이 잃는 에너지의 반이 열로서 흩어지게 되고 나머지 반이 속도를 올리는데 사용된다.시스템들이 스스로 중력수축을 할 만큼 충분히 무거운 형태로 만들어지면 평형으로부터의 이탈이 생긴다. 따라서 열역학 법칙을 잘 따라서 우리의 우주는 뜨겁고 균질한 초기우주의 뜨거운 공(fireball)에서부터 뜨거운 별이 차가운 공공간을 향해서 복사를 하고 있는 현재의 구조로 진화해왔다. 우주의 팽창이 계속됨에 따라서 밀도에 있어서의 불균형이 점점 더 확실히 보인다. 전체물질이 점점 더 희박하게 퍼져가는 반면에 개개의 별들은 진화해가면서 점점 밀도가 높아진다. 어떤 별은 중성자별, 블랙홀이 되기도 한다. 우리는 지구 생태계에 나타나 있는 '질서'라는 개념에 익숙하다. 왜냐하면 태양빛이 광합성을 하도록 도와주어 식물들이 자랄 수 있게 하기 때문이다. 태양은 높은 수준의 에너지를 방출한다. 이 에너지는 더 차가운 지구에 작용하게 되어 열을 사용하고 다시 우주공간으로 뻗어나간다. 이런 온도의 차이(복잡성을 나타내는 필수조건)는 사건들의 연결에 이은 자연스런 결과이다. 그래서 과학자들은 초기우주의 매우 밀도가 높고 거의 구조가 없었던 때를 상상해 볼 수 있다. 물론 이런 시작들은 아직도 미스테리다. 그러나 적어도 원리적으로는 중력의 거대스케일에서의 지배는 현재 우리가 보는 구별되는 구조들을 어떻게 이끌어 낼 수 있는지, 무엇이 복잡한 우주 진화 단계를 만드는 건지, 우리 스스로처럼 '자기조직하는 우주'의 출현 등은 미스테리가 아니다. 단지 두 가지가 필요하다. 하나는 초기우주에서의 아주 작은 비균질성이 존재해야 한다는 것, 두 번째는 뜨거운 곳에서 나오는 에너지를 흡수하고 처리하고 재방출할 수 있는 생화학적인 시스템이 있어야 한다는 것이다. 5.대폭발과 대수축 만약 우리 우주가 다시 수축을 하게 된다면 모든 물질이 압축되어 불투명해질 정도로 밀도가 높지 않다면 열적평형은 일어날 수 없다. 그런 상태에 이르기 전까지 국부적인 시간의 흐름이 영향을 받아야 한다는 아무런 명백한 이유는 없다. 만약 재수축이 모든 별들이 그 일생을 마치기 전에 일어난다면(즉 인류같은 생명체가 살고 있다면), 우리의 먼 후손들은 우주전체의 시간의 흐림과 국부적인 시간의 흐름이 다름을 발견할 수 있을 것이다. 이와는 반대로 만약 수축이 100억년 이상 아주 먼 미래에 일어나게 된다면, 모든 별들이 일생을 마칠 뿐 아니라 모든 원자들이 블랙홀로 되어서 복사에 의해서 모두 흩어질 것이다. 시간의 방향은 팽창과 밀접하게 연결될 수 있는 것인가? 전자기학 방정식은 미래와 과거에 대하여 대칭적인 모습을 보여준다. 방적식은 우리에게 왜 복사가 밖으로만 향하고 안쪽으로 향하지 않는가에 대한 대답을 주지 못한다. 몇몇의 우주론자(Richard Feynman, John Wheeler)들은 우주의 팽창이 이러한 비대칭성을 야기시킨다고 제안했다. 왜냐하면 '경계조건'이 미래와 과거에 있어서 다르기 때문이라는 것이다. 이런 논의는 영원히 팽창하는 우주에서는 아무런 모순도 갖지 않는다. 그러나 우리가 닫히고 유한한 우주에 있다면 우주의 시작으로부터 Big Crunch에 이르는 기간을 지배하는 시간의 흐름은 없을 것이다. 그 대신 우주가 팽창하고 있을 때는 앞쪽을 향하고 수축할 때는 반대를 향할 것이다. 만약 수축하는 우주에서 심리적인 시간의 방향이 바뀐다면 우리가 느끼는 것처럼 우주안의 어떤 존재도 팽창하는 우주를 지각할 것이다. 호킹은 이러한 생각을 1980년대에 상기시켰다. 양자론을 우주전체에 적용시키려는 그의 노력은 그로 하여금 닫힌 원을 생각하게 했다. 이 안에서 초기상태와 마지막 상태는 같은 자격을 갖게 된다. 이 논의를 처음 보게 되면 전환지점에서의 시간방향의 역전을 포함하는 것 같지만 그의 동료인 Don Page는 나중에 호킹이 인정한 실수를 지적했다. 시간의 대칭성은 우주전체에 적용해야지 어떤 특정한 부분에 적용해서는 안된다는 것이었다. 매혹적이고 그럴 가능성이 있음에도 불구하고 전환시점에서 시간의 방향이 역전된다는 추측에는 아무런 가치도 없어 보인다. 우리의 우주가 만약 팽창을 멈추고 다시 수축하게 된다고 해도 그 순간에는 아무 격렬한 신호도 없을 것이며 우리가 그것을 알 수도 없을 것이다. 근처에 있는 은하들은 적색편이 대신 청색편이를 하게 되겠지만 먼 은하들은 빛이 그곳에서 오는데 걸리는 시간만큼은 계속 적색편이로 보일 것이다. Penrose는 시간의 방향이란 Big Bang 과 Big Crunch사이에서의 역학차이에 기인한다고 생각하고 있다. 우리의 우주는 매우 균질한 상태인 Big Bang에서 시작되었다. Big Crunch는 더 혼란스럽고 동조성이 적을 것이다. 또 실제에 있어서 물질들이 작은 영역으로 모여서 블랙홀들이 되는 것이 Big Crunch의 전조가 될 것이다. Penrose는 닫힌 우주에서는 시간의 양 끝에서의 특이점이 서로 다른 것이라고 제안했다. 단일한 특이점에서 나와 다시 또 그것을 향한다는 것은 매우 복잡한 것이다. 6.더 느리고 더 빠른 시간 시간의 화살이 항상 같은 방향을 향하는 것처럼 보임에도 불구하고 시간은 항상 같은 비율로 흐르지는 않는다. 가장 좋은 예가 Einstein의 '쌍둥이 패러독스'이다. 쌍둥이의 한 사람이 매우 길고 속도가 빠른 여행을 하고 돌아오면 집에 머물러 있던 다른 사람보다 나이가 더 적게 먹는다는 것이다. 사실 이것은 패러독스가 아니다. 이 현상은 우리가 일상생활의 경험으로부터 만들어진 상식에 비해 많이 다르기 때문에 그저 놀라운 것일 뿐이다. 모든 관측자, 실험자들은 그들이 어떻게 움직이고 있던 간에 같은 빛이 속도를 재게 된다. 빨리 움직이는 시계가 느리게 간다는 것은 놀랍지만 잘 증명된 사실이다. 이런 시간의 지연현상은 광속에 가까워 질수록 커진다. 덧붙여 말하자면 만약 당신이 충분히 빛의 속도에 가깝게 가속할 수 있다면 당신의 일생동안 당신이 얼마나 멀리 여행할 수 있는 지에 대한 한계는 정해져 있지 않다는 것이 한가지 결론이다.그러나 만약 당신이 십억년의 여행을 갔다가 다시 돌아온다면 (즉 집으로부터 20억년의 거리를 지나왔다면) 집에서는 20억년 이상의 시간이 흘렀을 것이다. 왜냐하면 상대론에 의해서 집에서 볼 때 그 여행의 속도는 광속을 넘을 수 없기 때문이다. 이와 유사하게 시간은 중력이 강한 곳에서도 늘어지는 성질을 갖는다. 먼 거리에 있는 관측자가 볼 때 중성자별의 시간은 20-30%정도 느리게 갈 것이다. 블랙홀과 매우 가까운 궤도를 돌고 있는 시계는 매우 큰 시간의 지연을 보여줄 것이다. 이와 반대로 그런 궤도에 있는 관측자는 정해진 한계가 없는 비율로 매우 속도가 빨라진 외부의 우주를 보게 될 것이다. 다른 장소에서의 시간의 흐름의 차이나 매우 빠른 속도로 움직이는 현상들은 중력이 낮고 운동들이 매우 속도가 낮은 일상생활에서는 거의 인식하기가 어렵다. 비행기도 광속의 백만분의 1정도의 속도로 날 뿐이다. 상대론에 의해서 예견된 시간의 지연효과는 이런 비행기나 로켓에 실린 정밀한 시계에 의해서 증명이 된다. 당신은 일생동안 지구를 서에서 동으로 날아다녀도 겨우 백만분의 1초가 인생에서 늘어날 뿐이다. 그러나 만약 이런 효과가 더 크다면 아주 역설적인, 모순적인 것은 없을 것이다. 천체물리학자인 Alan Lightman이 쓴 단편소설 'Einstein's Dreams'에서 일상생활에서 시간의 왜곡을 그렸다. " 시간의 정지해 있는 곳이 있다. ... 여행자가 임의의 방향에서 이곳을 향해 접근함에 따라 그는 더욱더 천천히 움직이게 되고 그의 심장박동간격은 점점 멀어지고, 그의 호흡도 느슨해지고, 체온도 내려가고, 그이 생각은 점점 줄어들다가 중심에 이르러 멈추게 되고 죽음에 이를 것이다. 이런 장소로부터 시간은 바깥쪽으로 동심원을 그리며 여행한다. 중심에서는 정지해 있고 거리가 멀어질수록 서서히 속도를 높여나간다.. " 7.시간여행과 시간의 끈 물리학자들은 빛보다 빨리 달릴 수 있는 가상의 입자인 '타기온(tachyon)'을 상상해본다. 이러한 입자는 일반적인 물질들과 반응하지 않는다면 아무런 해가 없다. 하지만 그들은 원리적으로 어떤 신호도 낼 수 없기 때문에 아무런 흥미를 유발하지 못한다. 이와는 반대로 타키온이 빛보다 빠른 신호를 보낼 수 있다면 그들은 심각한 모순을 낳게 할 수 있다. 아인슈타인의 이론은 하나의 기준 프레임에서 다른 프레임으로의 전환이 어떻게 되나를 우리에게 말해주고 있다. 어떤 프레임에서 본다면 타키온의 신호는 그것이 보내지게 전에 도착한 것처럼 보일수도 있다. 이런 문제가 '타임머신'의 문제를 야기시킨다. 이러한 역전은 사건들의 순서에 심각한 문제를 발생시킨다. 이렇게 시간의 흐름을 거역해서 누군가의 과거로 돌아갈 수 있다면 인과율과 자유의지에 관한 명백한 문제가 발생하게 된다.공룡들을 쏘는 것에 대해 아무런 모순이 없을 것이며 또 아직 요람에 있는 할머니를 목졸라 죽이는 것은 단순히 윤리적이 문제뿐이니라 인과율에 문제를 발생시킨다. 아이자가 아시모프(Issac Asimov)의 소설 'The End of Eternity'에서는 이러한 모순들이 '시간경찰'에 의해서 멈추게 된다. 위에서 말한 'Einstein's Dreams'에서의 시간 여행자는 이러한 비애감을 표현한다. "만약 그가 과거의 것을 조금이라도 바꾸게 된다면 아마도 그는 미래를 파괴하게 될 것이다.... 그는 시간의 유랑자다..." 상식의 직관은 일상의 시간의 크기와 간격에 대한 경험에 기초한다. 우리는 원자들의 세계에서는 모든 것이 다르다는 것을 받아들일 준비가 되어 있다. 무엇이 양자역학보다 덜 직관적일 수 있을까? 앞서 말했듯이 미시세계에서는 공간과 시간이 우리가 관찰할 수 없는 방식으로 섞여 있을 것이라고 했다. 그려면 우리는 미시세계에서 시간 여행의 가능성을 확실하게 제외할 수 있을까? 과학소설에서 친숙한 '공간워프(space warp)'는 우리에게 순간적으로 먼 거리의 여행을 가능하게 해준다. 그러나 광속이 넘는 여행은 타키온의 신호문제처럼 똑같은 문제를 야기시킨다. 어떤 기준계의 관측자는 출발보다 도착을 먼저 보게 될 것이다. 다른 말로하면 만약 공간 워프를 할 수 있다면 타임머신 또한 만들 수 있다는 이야기다. 이런 공간워프와 가장 가까운 물리학적인 개념은 웜홀(wormhole)이다. 매우 먼 곳에 있는 화이트홀과 밀접하게 연결된 블랙홀을 말한다. Kip Thorne와 Igor Novikov, 그리고 다른 동료들은 이러한 생각들을 매우 심각하게 고려해왔다. 가장 문제가 되는 것은 웜홀의 끝이 여행자가 완전히 통과하기 전에 닫히냐의 문제다. 그들은 매우 큰 반압력(장력Tension)을 가지고 있는 색다른 물질로 만들어진 것이 없다면 웜홀을 연 상태로 붙잡아 두기에 불가능하다고 결론을 내렸다. 이런 재료는 초기 우주의 거대한 에너지 하에서만 존재할 수 있는 것이다. 누구도 우리 우주에서 웜홀에 의한 시공의 여행의 불가능함을 염격하게 증명한 적은 없다. 그러나 완벽하게 금지된게 아니라고 해도 타임머신은 1895년의 검고 놋쇠빛의 빙빙도는 물체위의 희미한 장치를 생각했던 H.G Wells의 상상을 넘어서는 장치일 것이다. 어떤 미시세계에서는 닫혀진 시간의 고리가 있을까? 타임 머신은 양자역학의 세계의 다른 낯선 패러독스보다 더욱더 낯선 것일까? 이론가들의 끊임없는 노력에도 불구하고 아직도 웜홀이 우리가 광속의 99.99%로 달리는 우주선을 만들 수 없는 것처럼 단지 실행하기 어려울 뿐인가에 대한 확실한 결론을 내리지 못하고 있다. 또는 웜홀을 만들 수 있는 그런 물질이 존재한다고 해도 여행을 금지하는 어떤 근본적인 법칙이 있는 지도 모른다. 이런 문제들은 아직도 확실히 풀리지 않고 있다. 그러나 나는(이 책의 저자) 언제나 나중에 과학자들이 과거로의 여행을 금지하는 법칙을 발견할 것이라고 생각한다. 호킹이 이름 붙인 "연대순 배열 보호의 가설(chronology protection conjecture)'은 역사들을 위해서 세계를 안전하게 하는 것뿐 아니라 미래의 여행객들로부터 우리들을 보호하는 것이다. 이 가설이 맞다면 미시세계나 거시세계에 있어서 타임머신은 원리적으로도 불가능할 것이다. 전체 우주에 뻗어있는 시간의 끈은 50년전에 처음으로 논의되었다. 위대한 논리학자인 Kurt Godel은 산수와 같은 단순한 형식적인 시스템에서도 그 시스템 안에서 만들어진 진술은 그 시스템 안에서는 증명이 불가능하다는 것을 보임으로써 일약 유명해졌다. 그는 말년에 프린스톤에서 같이 강의를 하면서 아인슈타인과 친하게 되었다. Godel은 상대성이론에 깊은 관심을 가졌다. 그리고 아인슈타인의 방정식이 만족하고 닫힌 시간의 끈을 가진 하나의 우주를 만들어냈다. 그의 우주는 우리의 우주와 많이 닮지는 않았다. 하나의 예는 그 우주는 팽창을 하고 있지 않다는 것이다. 그러나 이것도 여전이 의문을 제기한다. 별과 우주를 포함하고 닫힌 시간의 끈들을 갖는 우리 우주를 닮은 우주가 존재할 수 있을까? 이런 끈을 따라서 여행하는데 수십억년이 걸린다면 우리가 경험하는 어떤 것, 심지어 천문학자가 관측할 수 있는 어떤 것과도 과도 모순되는 것이 없을까? 더욱 최근에 Richard Gott는 시간을 끈을 포함하는 다른 우주를 제안했다. 그의 우주는 상대적으로 매우 빠르게 움직이는 두 개의 무한한 우주끈을 제외하면 비어있다. 우리 우주는 아까 말한 웜홀이 만들어 질 수 없으면 시간의 여행을 허락하지 않을 것 같다. 그러면 우리는 웜홀이 만들어 질 수 있었던 어떤 때보다 더 앞선 시기로 갈 수 없을 것이다. 이와 대조적으로 Godel의 우주나 Gott의 우주는 매우 휘어져 있어서 시간여행이 가능하다. 시간의 끈을 역행해서 가는 사람은 자기 모순이 없는 역사가 다가오는 것을 경험할 것이다. 따라서 그들이 우주에는 자유의지에 관한 철학적 문제가 제기된다. 이러한 시나리오에 대하여 우리는 어떤 태도를 가져야 하는 것일까? 아마도 그들의 모순된 성질은 우리로 하여금 이런 입맛에 맞지 않는 우주를 배제할 수 있는 어떤 새롭고 제한하는 법칙을 찾게 한다. (이것은 Mach의 원리와 맞지 않다고 아인슈타인 방정식의 해를 무시했던 어떤 사람들의 태도를 생각나게 한다.) 반면에 누군가는 단지 이런 닫힌 시간의 끈이 시간경찰이 여행을 떠날 때 자기모순이 없도록 지켜주는 물리적인 세계에 어떤 불합리도 만들어 내지 않는다는 것에 주목한다. 그럼에도 불구하고 아마도 편견이겠지만 대부분의 물리학자들은 우리가 이해하지 못한 어떤 법칙이 있어서 인과율의 파괴로부터 우리를 지켜주고 있다는 견해를 갖고 있다. 7.요동, 영원, 재현, 복제 우리는 벌써 우주의 팽창이 시간의 방향을 정의한다는 것에 대해 주목했다. 이와는 반대로 닫히고 유한하고 중력이 작용하지 않는 독립된 시스템은 평형으로 정착된다. 여기에는 시간의 방향을 하나로 정하는 전체적인 변화나 경향이 없다. 19세기의 위대한 물리학자 볼츠만(Ludwig Boltzman)은 우리가 실제로 보고 있는 우주의 모습이 어떻게 지금의 모습으로 나타나게 되었는지에 대해서 생각했다. (이것은 외부은하기 발견되기 전이었다. 따라서 볼츠만이 생각우주는 우리 은하계 정도의 우주였다.) 그는 우리가 망원경으로 관측할 수 있는 범위에 있는 모든 것들이 영원하고 무한한 우주안에서 믿기 어려울 정도로 적은 요동(fluctuation)을 가지고 있다는 생각에 이르렀다. 그 자체의 한계 때문에 이것은 틀린 이론이었다. 우리의 존재는 태양계정도의 요동을 필요로 할 것이다. 그러나 왜 요동이 천문학자들이 관측할 수 있는 먼 곳까지 뻗쳐 있는 지에 대한 이유는 없다. 게다가 볼츠만은 그의 뇌는 실제로 존재하지 않는 외부의 세계에의 환상을 주는 자극물들을 받고 있었다고 결론을 내려야만 했다. 이런 자기 중심적인 전망은 무작위의 요동으로서의 전체 외부세계의 출현보다 더욱 더 설득력이 없다. 정상우주론에서의 많은 패러독스들은 팽창하는 우주로 인해 쉽게 풀렸다. 20세기초에 Henri는 어떤 닫힌 시스템이 있다면 다시 현재의 상태로 돌아간다고 지적했다. (게다가 무한한 경우에도) 만약 볼츠만의 생각이 옳다면 이런 일은 전체 가능한 우주에 일어날 것이다. 그러나 이런 다시 돌아가는 '재현'은 우주론 적인 시간 스케일을 생각하더라도 무한히 길다. 미시세계의 시스템만이 100억년정도 후에 같은 상태가 되풀이 될 것이다. 그러나 우리 우주가 팽창을 영원히 계속한다면 완전히 '재현'되는 시간은 결국 안오는 것인가? 대답은 만약 고정된 크기의 시스템이라면 아마도 yes이다. 그러나 팽창하는 우주에서는 주어진 질량과 우연한 결합의 물질들의 양이 무한히 늘어나게 된다. 무한한 우주라면 100억년 동안의 똑같은 진화를 겪어온 우리 우주의 '복제'가 있을지도 모른다. 그러나 그런 우주들은 우리의 관측 한계에서 훨씬 멀리 떨어져 있을 것이다. 결국에는 이런 복제우주에서 나오는 빛이 우리에게 도달할지도 모른다. 그러나 그 우주가 지금까지 100억년의 진화를 똑같이 흉내냈다고 해도 먼 미래에도 우리 우주의 진화를 따라야 할 이유는 없다. 거기에는 다른 방법으로 진화할 수많은 시간이 있다. 우리 우주와 똑같이 진화해온 우주가 존재할지도 모른다. 그렇지만 가장 가까운 우주도 우리의 관측 한계를 훨씬 벗어난 곳에 존재할 만큼 우주 엷게 우주에 퍼져 있을 것이다. 내용출처 : [인터넷] http://myhome.hanafos.com/~sinclair/frame1.htm   우주팽창론   "우주 팽창론을 대하는 시각은 어떠해야 할까? " 우주 팽창론이란 적색편이 현상을 보고서 허블이 우주는 늘어나고 있다고 주장한 것이다. 달려오는 기차의 기적 소리는 높아지고 멀어져 가는 기적 소리는 낮아지는 것과 마찬가지로 빛에서도 이런 현상이 있 는데 이를 도플러효과에 의한 적색편이라 한다. 멀어져가는 별의 별빛 을 스펙트럼을 통해 보면 붉은 빛으로 쏠려 있으며 가까이 다가오는 별빛의 스펙트럼은 청색으로 쏠려 있게된다. 허블은 지구로 오는 별빛 들이 적색으로 쏠려있는 현상을 보고서 이는 우주가 늘어나고(팽창하 고) 있다고 주장했다. 이 우주팽창론을 바탕으로 빅뱅이론이 나오게 되었다. 우주의 나이는 우주가 팽창하는 속도를 역으로 계산하여 추측 한 것이다. 그러나 적색편이현상은 멀어져가는 별빛에 의해서만이 아 니라 모든 별들이 갖고 있는 중력에 의해서도 생긴다는 것을 아인슈타인이 밝혔다. 그러므로 적색편이를 우주의 팽창 때문이라고만 하기는 어려우며 한편 어느 은하에 대해서는 적색편이의 반대인 청색편이 현 상이 나타난다. 우주가 팽창하고 있다 해도 이 사실이 빅뱅의 분명한 근거가 될 수 있는지는 정확하지 않다. 1912년 슬리퍼(Slipher)가 관측한 적색편이(red shift)현상에 의해 허블이 제안한 이론이다. 적색편이현상이란 빛이 도플러효과에 의해 적색으로 치우쳐 보이는 현상으로 멀어져 가는 두 물체에서 방출하는 빛의 파장은 멀어지는 속도가 클수록 상대물체에 있는 관측자에게 원 래 파장보다 길게 관측된다. 따라서 지구에서 관측되는 별빛의 파장이 전보다 얼마나 긴 파장 쪽으로 치우쳤는지를 보고 그 별이 지구로부터 얼마나 빨리 멀어져 가는지를 알 수 있다고 생각한다. 따라서 1929년 허블은 적색편이의 크고 작음에 따라 그 별의 지구로부터의 거리를 측 정할 수 있다고 가정하였고 우주가 팽창하고 있음을 주장하게 되었다. 그러나 적색편이 현상에 대해 위와 다른 해석이 있다. 그 중 하나가 1915년 아인슈타인은 새로운 중력이론을 발표했는데 그 이론에 따르면 인력을 역행하여 빛이 방출되었을 때에는 빛의 파장이 조금 길어지며 또한 그 인력이 강할수록 빛의 파장은 길어진다는 것이다. 그래서 아 인슈타인은 인력에 의한 적색편이를 예언하였다. 그로부터 10년 후 애 덤스가 1925년에 시리우스B라는 별의 적색편이를 발견하여 중력장에 의한 적색편이의 존재를 입증하였다. 그러므로 적색편이 현상을 우주 의 팽창때문이라고만 하기는 어려우며 한편 어느 은하에 대해서는 적 색편이의 반대인 청색편이 현상이 나타난다는 것은 잘 알려진 사실이 다. 아뭏든 적색편이 현상을 우주의 팽창의 근거로 사용될 수 있다 하더 라도 진화론의 주장처럼 이 사실이 우주가 진화하는 증거(대폭발 후 진화하는 근거)가 된다고 할 수 없다. 아주 무질서한 상태인 대폭발 직후로부터 점점 더 질서를 찾아가는(진화하는) 우주의 이론은 열역학 제 2법칙, 즉 실험적으로 가장 잘 증명된 법칙이며 이 법칙에 어긋난 자연현상은 이제까지 단 한번도 관찰되지 않은 자연과학에 있어 중요 한 법칙의 내용을 거스리고 있다.                                                                   ***                                                    우주팽창의 과거와 현재   '우주는 무한하다.' 이미 이말은 세 살박이 어린아이도 알정도로 널리 퍼져있는말 로써 우리모두가 기정사실로써 받아들이고있으며 일부학교에서도 그렇게 배우고 있다. 하지만 과연 '우주는 무한하다.'라는 말이 사실일까? 대답을 하자면 'NO'쪽이 가까울듯싶다. 왜냐하면 지금이순간으로볼 때의 우주는 유한하다. 하지만 왜 사람들은 우주가 무한하다라고 배웠을까? 그건 바로 우주가 팽창하기 때문이다. 『우주팽창』이란 말.. 이말은 어디선가 한번쯤 들어봤음직한 말일 것이다. 이말을 해독하기위해서 일단 이 우주팽창이란 것의 역사부터 알아보도록하자.우주팽창론은 가장먼저 제시한사람은 '데시테르'라는 사람이다. 이 데시테르는 네덜란드천문학자인제 원래는 갈릴레이의목성 4대위성을 주로 연구했지만 정작 유명해진건 일반상대성이론을 기반으로한 '우주팽창론' 때문이다. 하지만 이 데시테르는 중력론의 방정식 을풀때우주의 밀도를 0으로 두고 풀었기 때문에 실제우주와는 거리감이있는 결과를 내놓았다. 어찌하였든 이 데시테르이후 여러사람이 우주팽창과 관련된논문을써냈고 그결과 '빅뱅'이란 말까지 나오게된 것이다. 어떻게 가능할까? 우주의 평탄성 문제 : 현재 우주의 평균밀도는 프리드만 방정식이 제시하는 임계밀도값에 근사한다 빅뱅설이란 무의 상태에서 일어난 폭발로 우주라는 공간이 생겼고그로인해생긴 가스덩어리가 시간이 지남에따라 나누어지고 또 팽창에따라 멀어진다는 것이다. 물론 이 빅뱅에대한 증거도있다 그건 적색편의(=적색이동)이다. 어째서 이것이 증거가되냐고 묻는다면 그이유는 적색이동은 크게두가지로 나뉘는데 하나는 팽창에의한 은하(정확히 은하단)의 이동 또는 아인슈타인이 언급한 중력에의한 적색이동 이다. 그중 팽창에의한 이동때문일 것이다. 하지만 이빅뱅설에도 여러 가지문제가 있는데 그문제는 다음에 열거하는것들이다. 우주의 지평선 문제 : 우주배경복사나 은하들의 공간 분포는 균일하다. 특히 우주배경복사는 우주의 모든 지점에서 약 10-5 의 차이로 균일한 값을 갖고 있는데 이런 사실은 고 하는데, 이것은 우주 초기에 엄청난 정밀도의 조율이 필요하다. 어떻게 우주의 평균밀도 값을 설명할 수 있을까? 우주 구조물의 기원 문제 : 우주 초기에 물질 밀도장의 요동은 어떤 물리적 기작을 통해 발생했을까? 뭐 이런 문제 때문에 인플레이션설 이라는 것이 나온것이다. 인플레이션설 이건 간단히 말하자면 우주초기상태(or무의상태) 한마디로 우주가 아주아주 작았을땐 고밀도와 뜨거운 상태였지만 어느한순간 폭발적으로 팽창하기시작한다는것이다.뭐 이 인플레이션설을 쓰자면 골아프니 인터넷에있는 좋은 정보를 인용하겠다. ◇ 인플레이션 이론에 의한 대폭발 이론 1) 우주의 탄생(우주의 진공 속에서 터널 효과에 의해 탄생했다) 호킹과 비렝킹의 이론에 따르면 우주는 진공속에서 10 센티미터로 태어났다. 이 진공은 시간도 공간도 에너지도 없는 무의 상태라고 한다. 그러나 과냉각된 물처럼 불안정한 상태의 "요동하는 무"라고 한다. 양자론에서 이야기하는 터널 효과에 의해 갓 태어난 우주는 소립자보다도 작은 크기 였다. 2) 우주는 순간적으로 엄청난 팽창, 인플레이션을 일으켰다. 인플레이션 이론은 우주 탄생의 초기에 빅뱅 이론보다 훨씬 급격한 팽창이 일어났다고 이야기한다. 이런 인플레이션이 우리 앞에 나타난다면 조그만 구슬이 100억 광년 이상의 크기로 늘어나게 될 것이다. 갓 태어난 우주는 아주 높은 진공의 에너지를 가지고 있기 때문에 에너지가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 변하려는 성질을 갖는다는 것이다. 따라서 소립자만 하던 우주는 급격하게 팽창하게 된다. 이 과정에서 앞에서 이야기한 상전이가 팽창의 에너지를 공급하게 된다. 3) 빅뱅! 우주는 불덩어리로 변했다. 상전이에 의해 한꺼번에 풀려나온 에너지는 우주를 한 순간에 불덩어리로 만들었다. 이것이 바로 대폭발이다. 지금 우리가 살고 있는 우주가 만들어지기 시작한 것은 바로 이 빅뱅이후이다. 빅뱅 과정에서 물질의 기본이 되는 소립자들이 엄청난 양으로 만들어졌다. 처음 생성된 소립자들은 모두 소립자와 반입자 쌍으로 만들어 졌고, 대부분 충돌로 소멸을 겪지만 우연히 소멸을 면한 일부 소립자들이 남아 오늘의 우주를 만들게 되었다고 본다. 과학자들은 빅뱅과정에서 만들어진 소립자를 x소립자라고 한다. 이 소립자가 소멸, 붕괴되면서 오늘날의 가장 작은 소립자 쿼크가 탄생하였을 것이라고 추측한다. 4)사라지는 반물질. 반물질은 사라지고 우주에는 물질만 남게 되었다.(우주탄생10 ~ 3분후) 입자와 반입자 쌍으로 만들어졌던 소립자들은 대부분 충돌해서 소멸했다. 입자와 반입자가 충돌하면 에너지로 돌아간다. 팽창에 따라 우주의 온도가 점차 내려가면서 입자와 반입자들은 소멸해 다시 에너지로 돌아갔다. 만약 입자와 반입자 쌍이 모두 똑같은 숫자만큼 만들어졌다면 모든 입자와 반입자는 소멸되어 지금 우리가 사는 세계는 만들어 질 수없었을 것이다. 그러나 양자 역학에 따르면 우주 탄생의 초기 순간에 입자와 반입자의 수가 똑같이 않았다고 한다. 여기서 만약 인플레이션이 일어나지 않았다면 우주에는 철 밖에 없었을 것이다. 우주가 천천히 식어갔다면 모든 양성자와 중성자는 가장 안정된 구조를 가진 원소인 철이 되었을 것이다. 하지만 인플레이션 덕분에 우주는 아주 빠른 속도로 팽창하면서 급격히 식어 처음에는 수소, 중수소, 헬륨과 같은 가벼운 원소들만이 만들어지게 되었다. 수소는 태양을 비롯한 많은 항성들의 원료가 된다. 5) 맑게 개인 우주 전자가 원자핵에 붙잡혀 원자가 만들어 진다. (우주 탄생 10 만년 후) 우주 탄생 후 10만년이 지나면 우주의 온도는 1만K까지 떨어지고 우주 공간을 자유롭게 날아다니던 전자들은 에너지를 잃고 원자핵의 주위로 끌려나오게 된다. 이윽고 최초의 원자들이 만들어지는 것이다. 따라서 그 동안 플라즈마를 이룬 원자핵과 전자의 구름에 가려 있던 우주는 화창한 봄날처럼 개게 된다. 1964년 펜지아스와 윌슨이 발견한 우주 배경 복사는 2.7K의 온도였다. 이 온도의 복사를 계산해 보면 우주가 구름속에서 벗어난 순간의 복사라고 한다. 6) 탄생하는 은하. 드디어 초은하단과 은하가 생기기 시작한다. (우주 탄생 10억년후) 우주는 계속 팽창하면서 식는다. 과학자들은 은하들이 생기기 시작한 때가 우주 탄생 10억년후 였을 것이라고 추측하고 있다. 하지만 아직까지도 어떠한 매커니즘을 가지고 은하가 만들어 졌는지는 모르고 있다. 어떤 학자들은 원자핵과 전자 구름 속의 밀도가 높은 곳에서 원자들이 한데 모여 은하를 만들었을 거라고 주장하고 있다. 그 후에 항성이 만들어 졌을 거라고 생각하고 있다. 그러나 다른 학자들은 거꾸로 먼저 항성이 생겼으며 항성들이 모여 은하를 형성하였으며 마지막으로 은하들이 모인 거대한 초은하단이 만들어졌다고 생각한다. 여기까지가 우주팽창론의 역사이다. 뭐 현제의 이론이 워낙 강력해서 이미 굳히기에들어갔지만 혹시 모를이론이 또 나타날지 누가알겠는가? 우린 위에서 우주팽창론의 역사를 알아봤다 그럼 이제부터 우주팽창의 이유에대해서 알아보도록 하자 우주를 팽창시키기위해서는 힘이 필요하다 힘이 작용하지않는데 물질이 움직인다는건 물리적법칙에 어긋나는 것이므로 팽창시키는 원동력을 찾아야한다 현제로써는 그 후보로 암흑에너지, 진공에너지, 원시블랙홀, 중성자항성(or초신성), 블랙홀등이 있다. 하지만 그중에서도 단연 돋보이는 존재는 암흑에너지가 아닐 수 없다. 사실 진공에너지나 원시블랙홀등은 암흑에너지의 일종이라는 설이 가장유력하다. 암흑에너지는 반중력(척력)에너지로써 우주를 팽창시키는데 가장 큰 공헌을 하느것으로 알려져있다. 우리는 암흑에너지에대해 정확히 알수는 없으니 최근진행되고있는 연구와 성과에대해 알아보도록하자. 암흑에너지에 대해 알려진건 우리우주의 약 74%정도를 차지한다는 것 그리도 척력을 갖는다는 것 어찌보면 이것이 모두이다. 하지만 암흑에너지의 존재입지는 점점더 강해지고있다는것만은 사실일 것이다. 최근 나사에서 조사한결과와 유럽에서 조사한결과가 다르다는 것이 약간 걸리는 문제이긴하지만 역시 우주의 급팽창을 설명하기위해서는 암흑에너지라는 개념이 필요하기 때문에 사이언스지 선정 2003년의 최고의 발견이 된 것이다. 이 암흑에너지에대한 여담을 한가지 하자면 암흑에너지가 발견된건 1998년도인데 이때 천문학계와 물리학계는 왈칵뒤집혔다. 왜냐! 그건 대천재 아인슈타인에의해 알려졌던 우주수축설이 뒤집혔기 때문이다. 그래서 천문학계와 물리하계는 고민했다. 무슨고민이냐면 여지껏 알고있던 중력의 개념을 확 뒤집어 엎던가 아님 반중력체라는 에너지를 인전하던가 바로 이고민을 하고있었다. 결국 내린결론은 반중력체인정 으로 났지만 여전히 그 반중력체는 윤곽을 들어낼 생각을 하지않고 있다. 이건 내생각이지만 아마도 우리는 우리가 모르는 어떤 빛이라든지 물리적인 법칙이 있지않을까 싶다..                          우주의 중심   우리는 우주가 팽창한다고 알고있다. 멀리 떨어져있는 별일수록 가까이 있는 별보다 빠른 속도로 멀어진다는 것이 관측되고 있다. 그렇다면 우주의 어디를 중심으로 팽창하는 것일까? 상식적으로 생각하면 위와 같은 의문이 금방 생긴다. 결론부터 말하면 우주의 중심은 없다. 이 의문을 풀려면 먼저 물리적 차원을 이해해야 한다. 수학적으로 점은 0차원, 선은 1차원, 면은 2차원, 입체는 3차원의 물체다. 우리가 경험할 수 있는 물리적 세계는 3차원이다. 1차원인 선이 직선과 곡선 등 여러가지 모양이듯 2차원의 모양도 여러가지다. 예를들어 평평한 평면, 공 표면 같이 볼록한 곡면, 말 안장처럼 오목한 곡면 등이다. 공 표면에 개미가 살고 있다고 가정하면 개미의 세계는 볼록한 공 표면인 2차원이 된다. 공 표면의 중심은 정의할 수 없으므로 이 개미는 자기가 살고 있는 세계가 끝도 없고, 중심도 없다고 생각할 것이다. 우주가 팽창한다는 것은 공이 팽창하여 2차원 표면이 커지는 것으로 비유할 수 있다. 공 표면에 사는 똑똑한 개미들은 자신과 다른 개미사이의 거리가 멀어지고, 그 멀어지는 정도가 거리에 비례함을 알 수 있을 것이다. 다만 우주의 중심은 우리가 사는 우주에서는 정의할 수도 없고 찾을 수도 없는 것이다. 재미있는 것은 개미가 공 표면이라는 국한된 공간에서 살고 있음에도 불구하고 자신의 세계가 입체의 표면이라는 것을 알 수 있다는 사실이다. 똑똑한 개미가 자신의 세계-공 표면을 아주 멀리 바라다 보면 “공의 지평선이 존재하고 지평선 너머는 알 수 없지만 자신의 세계가 곡면으로 휘어있다”는 사실을 알아낼 것이다. 즉 개미가 멀리 보면 볼수록 제3의 차원을 확신하게 되고 마침내 자신의 우주가 3차원 구의 표면이라는 사실을 간파할 것이다. 현대과학은 3차원의 우주를 또 하나의 축인 시간축의 단면으로 이해할 수 있다고 결론짓고 있다. 천문학자들은 아주 멀리 있는 천체를 관측함으로써 3차원 표면을 가진 4차원의 우주를 슬쩍 보게 되는 것이다. 멀리 떨어진 천체와 우주 내에 있는 물질의 분포를 관측, 우주의 모양과 과거의 모습을 알려고 노력하고 있다. 내용출처 : [기타] 성언창 <한국천문연구원 선임연구원>                                 우주의 중심은 없다?   우주에 대해서는 여러 가지 설이 있습니다. 계속해서 팽창한다는 설, 팽창하다 멈춘다는 설, 수축한다는 설 등등.. 그런데 이 세가지 설 모두에서도 우주의 중심은 없다고 하는 것일까요? 없다면 그 이유는 무엇일까요? 한번 알아보도록 하겠습니다. 1.우주가 팽창한다는 설에서 풍선에 별 모양 스티커를 여러개 붙이고 불어 보십시오. 분명 팽창을 하고 있지요? 하지만 어느 별을 중심으로 팽창하고 있습니까? 아닙니다. 모두 동일하게 팽창하여 서로 멀어지고 있습니다. 이처럼 우주는 중심이 없고 팽창합니다. 2. 팽창하다 멈춘다. 팽창할때는 위와 같습니다. 그 상태로 멈추기 때문에 중심이 없습니다. 3. 수축설 팽창설의 반대로 생각하시면 됩니다. 즉, 별 스티커를 붙이고 불어놓은 풍선에 바람을 빼는 것을 생각하시면 됩니다. 그러면 분명 수축하되, 어느 한 점을 중심으로 수축하는 것이 아니라 동일하게 수축한다는 것을 알수 있습니다. 이때도 우주의 중심은 없습니다. 우주는 워낙 거대한 공간이라서, 상하 좌우 구분도 우주 전체에서 보면 아주 어렵습니다. 아니, 거의 불가능 하다고 봐도 좋습니다. 그리고 아무도 우주의 끝을 본 사람이 없고, 빅뱅이론에 따르면 처음 시작점도 갑자기 폭발하듯 팽창해서 정확한 중심점을 찾는다는 것 또한 불가능 합니다. 그래서 어느 점을 중심이다, 라고 증명할 만한 것은 팽창/수축시 그 점을 중심으로 변화가 이루어 져야만 하는데, 어느 한점을 중심으로 변화하지 않는 다는 것이 밝혀 짐으로써 "중심은 없다" 라는 결론에 도달한 것입니다. 실제로 신이 있어서, 우주 전체를 관조할 수 있다면 우주의 끝에서 부터 정확히 중심점을 찾을 수 있을 지도 모르겠습니다. 비록 그 중심을 위주로 팽창/수축의 변화가 일어나지 않는다 해도, 그것은 중심을 증명하기 위한 인간의 방법일 뿐입니다. 신이라면 정확히 우주를 제도(?) 하여 중심을 찾아 낼지도 모릅니다... 결국 우주의 중심이 없다는 말은, 현재 인간이 증명할 수 있는 중심은 없다는 말입니다. 현재 인간 과학의 한계요, 그 과학의 위에서 우주의 중심을 증명해 낼 수 있는 이론에도 한계가 있다는 겁니다.                                 우주의 발견     지구 중심의 우주에서 150억 광년의 우주로. 1.지동설 지구는 다른 행성과 함께 태양의 주위를 공전하고 있다는 우주관.지구가 우주의 중심에 정지하고 있다는 '천동설'에 대하여 이름붙여진 것으로, '태양 중심설'이라고도 한다. 고대부터중세에 걸쳐 당시 사람들은 천동설을 믿었다. 16세기에 들어와 코페르니쿠스(N.Copernicus;1473~1543)가 지동설에 기초를 둔 우주의 체계를 제창하여, 우주관에 큰 변혁을 가져왔다. 천동설에서는 행성이 자주 반대 방향으로 이동하는 현상(역행)을 큰원궤도 위에 작은궤도 몇 개를 추가하여 설명하였다. 이방식에 의문을 가진 코페르니쿠스는 지동설이라면 합리적으로 설명할 수 있다는 것을 알아내고, 계산을 통해 5행성 궤도를 구하였다. 그 후 코페르니쿠스의 주장은 갈릴레이(G.Galilei;1564~1642)의 '행성 운동의 법칙' 및 뉴턴의 '만유 인력' 의 법칙에 의해 수학적으로도 증명되었다. 이로써 우주관은 지구 중심에서 태양 중심으로 확대되고, 더 나아가 항성은 행성보다 훨씬 멀리 있다는 것이 밝혀졌다. 2.허셜의 우주 모델 태양을 포함한 별의 대집단(은하계)이 볼록 렌즈 모양을 하고 있다는 우주 모델. 1784년에 허셜(Sir F.W.Herschel;1738~1822)이 제창하였다. 허셜은 자신이 직접 만든 구경 47cm 망원경을 사용하여 여러 개의 별을 관측하였다. 그리고 망원경으로는 우주 전체가 보이고, 별은 할결같이 분포한다고 가정하고 밝기별로 그리고 방향별로 별의 수를 조사했다. 그 결과 은하수에서 별이 많이 보이는 것은 은하수가 볼록 렌즈처럼 얇은 원반 모양을 하고, 태양계도 그 안에 있기 때문이라고 생각했다.요컨대 볼록 렌즈 안에서 보면,렌즈의 가장자리 방향에 별이 무수히 겹쳐 있고 그것이 태양계를 에워싸는 띠처럼 보인다는 것이다. 허셜은 그 볼록 렌즈의 지름이 약 6000광년이고, 태앙은 거의 그 중심에 있다고 생각하였다. 이 값은 20세기에 들어와서 수정되었으며,볼록 렌즈 안의 태양의 위치도 훨씬 끝이라는 것을 알았다.그러나 허셜의 우주 모델은 천문학자의 눈을 태양계에서 은하계로 넓혀 준 획기적인 발견이었다. 3.세페이드 변광성의 일종으로,1~135일 주기로 밝기가 변화한다. 변광의 폭은 청색 파장 영역에서 1등급 전후이다.세페우스자리 델타(δ) 별로 대표되기 때문에 '세페이드'라는 이름이 붙여졌다. 별 자체가 팽창과 수축을 반복하는 것(맥동)이 변광의 원인이라고 생각된다. 1908년에 리비트(H.S.Leavitt;1868~1921)는 마젤란운 속에있는 이 유형의 변광성의 변광 주기와 별의 밝기가 서로 관계가 있다는 것을 발견하였다.나중에 세페이드는 변광 주기를 통해 절대 등급(실제의 밝기)를 구할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 절대 등급과 겉보기 등급을 비교하면 별까지의 거리를 계산할 수 있다. 이로써 멀리 있는 은하와 구상 성단의 거리도 거기에 속해 있는 세페이드를 이용하여 계산할 수 있게 되었다. 세페이드에 의한 거리 측정법의 발견으로 은하계의 형태가 점차 밝혀졌다. 또 안드로메다 성운과 마젤란운의 거리도 구해져, 이들 성운이 은하계 밖에 있다는 것도 밝혀졌다. 이로써 우주는 은하계 밖으로까지 넓어지게 되었다. 4.허블의 법칙 은하가 멀어져 가는 속도(후퇴 속도)는 은하까지의 거리에 비례한다는 법칙. 1929년에 허블 .Hubble;1889~1953)은 은하의 거리와 그것들의 스펙트럼을 비교해 보았다. 은하의 스펙트럼은 적색 방향으로 어긋나 있었고(적색 이동),그것은 은하가 우리로부터 멀어져 가고 있어서 빛의 파장이 어긋나는 '도플러 효과'때문인 것으로 생각되었다. 이 적색 이동의 크기가 멀리 있는 은하일수록 커졌다는 것에서 은하의 거리와 후퇴 속도와의 비례 관계를 발견하였다. 후퇴 속도와 거리와의 비율은 '허블 상수'라 불린다. 아주 멀리 있는 은하나 퀘이사의 거리는,부근 은하의 관측으로 구해진 이 허블 상수와 후퇴 속도(km/초)를 통해 계산할 수 있다. 허블은 은하계가 우주 안의 특별한 위치에 있다고는 생각하지 않았다.그렇다고 하면 은하는 어디서 봐도 똑갘이 팽창하고 있음에 틀림없다. 허블의 법칙은 우주가 한결같은 방향으로 팽창하고 있는 강력한 증거가 되었다. 5.허블 우주 망원경 지구 선회 궤도를 도는 망원경. 지구 대기의 방해를 받지 않기 때문에 멀리까지 선명하게 볼 수 있다. 1990년에 발사된 이후 블랙홀 주변,별의 알,활동 은하 등 획기적 화상을 포착하고 있다. 이 망원경이 1995년 12월에 촬영한 '허블 딥 필드(Hubble deep filed, 허블 심우주 화상)'가 현재 빛으로 볼 수 있는 가장 먼 우주의 모습이다. 허블 딥 필드는 296장의 사진을 합성한 총노출 140시간에 달하는 화상으로, 큰 곰자리의 한 구석 즉 각도로 따져 약2.4도각(달 지름의 13분의1)이라는 좁은 범위에 약 2500개의 은하가 찍혀 있다.그 가운데는 우주의 크기를 150억 광년으로 하면,45억~60억 광년 거리에 있다고 생각되는 은하가 여러 개 있다. 가장 먼 은하는 135억 광년인데,요컨대 이 은하는 135억 광년이라는 우주 탄생 후 아주 초기에 생겼다고 생각된다. 허블 딥 필드는 우주의 평균적인 영역을 나타내고 있다고 생각된다. 6.우주의 지도 우주에서 은하나 퀘이사 등의 3차원 분포를 나타낸 것.우주의 지도를 작성할 수 있다면 암흑 물질(다크 매터)의 정체나,오늘날 우주의 대규모 구조를 만드는 씨가 된 초기 우주의 밀도 요동의 성질을 알 수 있을 것으로 기대된다. 미국의 켈러 등은 1985년부터 수년간에 걸쳐 작업을 계속하여 우주의 일부를 임의로 잘라 지도를 만들었다. 그것은 지구로부터의 거리 약 4억 5000만 광년, 천구상의 퍼짐 120도,폭 6도의 부채꼴의 영역으로,인접하는 네 영역에 약4000개의 은하가 분포하고 있는 것이다.그 결과 은하가 밀집해 있는 벽 '그레이트 월'과 은하가 거의 없는 '보이드'가 나타났다.이 발견으로 우주에는 대규모 구조가 있다는 것이 확인되었다. 현재 진행되고 있는 '슬롯 디지털 스카이 서베이'에서는 전천의 4분의 1에 대하여 25억 광년 거리까지의 지도를 만들 예정인데,2005년에 완성을 목표로 하고 있다. 내용출처 : [인터넷] http://www.scienceall.com/content/c008/main.html