우주의 진화

우주가 팽창하고 있다는 사실을 처음 발견한 사람은 누구인가 외부 은하가 존재한다는 사실을 처음 발견한 천문학자는 허블로, 우주가 팽창한다는 사실도 밝혀냈다. 에드원 허블은 안드로메다은하까지의 거리를 측정하는 연구 이후 은하에 대해 계속 연구했다. 그는 은하의 운동과 지구로부터 은하까지의 거리 사이의 관계를 조사하여 먼 은하일수록 지구로부터 더 빨리 멀어진다는 사실을 발견했다. 이것은 우주가 팽창하고 있다는 증거였다. 허블 상구란 무엇인가 우주의 팽창률은 에드원 허블의 이름을 따서 허블 상수라고 불린다. 오늘날 가장 정확하게 측정된 허블 상수는 약 73km/Mpc이다. 이 의미인즉 한 곳이 다른 곳에서 100만 파섹 떨어져 있다면, 또 두 공간 사이에 다른 외부 힘이나 영향력이 존재하지 않는다면, 두 곳은 서로 시속 26만 3000km의 속도로 멀어진다는 것이다. 허블은 도플러 효과를 이용해 어떻게 우주를 측정했는가? 허블은 은하의 도플러 효과를 천체 망원경에 분광 사진기를 장착하여 측정해냈다. 그는 먼 은하로부터 오는 빛을 분광시켜 빛의 파장이 얼마나 긴 파장이 얼마나 긴 파장 쪽으로 이동하는지를 측정했다. 빛에 대한 도플러 효과는 어떻게 작용하는가? 빛 혹은 전자기 복사를 방출하는 물체가 가까워지면 빛의 파장이 감소한다. 역으로 관측자로부터 멀어지면 빛의 파장은 증가하게 된다. 가시광선의 경우 스펙트럼의 파란색 부분은 짧은 파장을 갖고, 붉은색 부분은 좀 더 긴 파장을 가지고 있다. 이 때문에 빛의 도플러 효과는 광원이 관측자 쪽으로 접근하면 청색이동 광원이 관측자에게서 멀어지면 적색이동이라 불린다. 물체가 빨리 이동할수록 청색이동이나 적색이동은 더 크게 나타난다. 도플러 효과는 소리에 대해 어떻게 작용되나 19세기의 물리학자인 크리스티안 요한 도플러의 이름을 딴 도플러 효과는 음원에 청자로부터 가까워지거나 멀어질 때 나타나는 현상이다. 음원이 청취자를 향해 움직일 때 음파의 파장은 짧아지고 진동수는 증가하여 높은 소리가 들린다. 반대로 음원이 청취자로부터 멀어져갈 떄 음파의 파장은 길어지고 진동수는 감소하여 낮은 소리가 들린다. 길거리에서 자동차나 기차가 당신 옆을 지나갈 때 소리를 들어보라. 차량이 접근할 때와 멀어질 때 어떠한 차이가 있는가? 천체에서 발하는 빛의 도플러 효과를 처음 발견한 사람은 누구인가? 먼 천체로부터 오는 빛의 도플러 효과를 처음 관측한 천문학자는 베스토 멜빈 슬라이퍼로 1912년에 처음 발견했다. 슬라이퍼는 천체 망원경을 사용하여 우리은하 안에 있다고 생각되던 커다란 가스와 먼지로 덮인 성운을 촬영하고 연구했다. 그리고 놀랍게도 이런 성운이 별들로 구성되어 있다는 사실을 발견했는데, 이는 이 천체들이 우리은하와 같은 은하일 수 있다는 것을 의미했다. 1903년에 슬라이퍼는 애리조나주 플래그스태프의 로웰 천문대에서 제안한 연구직을 받아들였다. 로웰 천문대의 천문대장이었던 퍼시벌 로웰은 별도로 구성되었다고 여겨지는 성운을 조사하기 위해 슬라이퍼를 플래그스태프로 데려왔다. 로웰은 이러한 성운 구조, 특히 나선 패턴을 갖는 것들은 우리은하의 태양계가 생겨나는 것과 비슷한 구조일 것이라 생각했다. 로웰 천문대에서 슬라이퍼의 역활은 이러한 성운의 스펙트럼을 연구하고 자세히 분석하는 일이었다. 안드로메다 성운의 놀라운 스펙트럼을 연구하면서, 슬라이퍼는 동 스펙트럼이 지금까지 알려진 어떤 가스와도 맞지 않는다는 점을 발견했다. 오히려 이 스펙트럼은 별빛에 의해 생긴 것에 가까웠다. 더 놀라운 것은 이 스펙트럼에 청색이동 현상이 나타나는 것이었다. 동 스펙트럼의 청색 편이 현상을 관찰한 결과 슬라이퍼는 안드로메다 성운이 시속 80만 km의 속도로 지구에 접근하고 있다고 결론지었다. 이듬해에 슬라이퍼는 12개의 나선 성운을 추가로 발견했다. 슬라이퍼가 발견한 성운 중에 일부가 지구를 향해 움직이고 있었고, 일부는 지구로부터 멀어지고 있었다. 성운의 이동 속도는 시속 400만 km 혹은 초속 1100km나 되었다. 슬라이퍼는 자신이 발견한 천체들이 성운이 아니라 100만 혹은 수십억개의 별들로 이루어진 집단인데, 멀리 있으므로 이들은 또 다른 은하 일 수밖에 없다고 결론지었다. 슬라이퍼의 이 선구적인 업적은 후에 에드원 허블이 세페이드 변광성을 사용하여 검증한 결과 안드로메다 성운이 사실은 안드로메다은하라는 것이 확증되었다. 허블의 초기 팽창율은 오늘날 허블 상숫값과 어떻게 다른가? 허블의 초기 팽창율은 오늘날의 측정값보다 일곱 배나 커서, 한참 벗어났다고 할 수 있다. 하지만 허블의 측정 방법은 타당하게 이루어졌다. 그의 일반적 결론은 오늘날 허블 법칙으로 알려져 있다. 결과적으로, 오늘날 천문학자들은 허블이 우주의 팽창을 발견한 것으로 인정하고 있다. 우주는 어디로 팽창하고 있는가? 전체 우주는 팽창하고 있다. 이는 모든 우주가 팽창하고, 우주의 모든 위치는 근처 물체의 질량이 중력을 만들어내지 않는 한, 우주의 다른 위치로부터 멀어지고 있다는 의미다. 따라서 우리의 3차원 공간은 다른 3차원 공간으로 팽창할 수 없다. 이것을 이해하는 하나의 방법은 팽창하는 풍선을 생각해보는 것이다. 풍선은 바람이 들어가면 팽창하는 구부러진 2차원 구조를 가지는 탄성 고무다. 그러나 이것은 다른 2차원 표면으로 팽창하는 것이 아니다. 오히려 풍선은 3차원 공간 안으로 팽창한다. 여기서 한 차원을 더해 생각해보면, 3차원 우주도 그 이상의 차원으로 팽창하고 있음을 알 수 있다. 우주의 경우, 그것은 우주를 포함하는 4차원 시공간이다.