천문학에서 현대 우주론

우주론은 가장 웅장한 규모로 우주를 연구하는 학문입니다. 여행 중에 우리는 이미 우주와 그 진화에 대해 많은 것을 배웠습니다. 우리는 우주가 거의 140억 년 전 빅뱅에서 시작되어 팽창하고 있다는 것을 배웠습니다. 한때 매우 뜨거웠고 현재 2.7 켈빈(K)의 온도로 냉각된 열복사로 가득 차 있었습니다. 우주의 가벼운 원소는 빅뱅 후 처음 몇 분 이내에 생성되었다는 것입니다. 그러나 아직 배워야 할 것이 더 많습니다. 이 장에서 우리는 우주의 본질과 시간이 지남에 따라 우주가 어떻게 진화해 왔는지 자세히 살펴보고 우주의 궁극적인 운명을 숙고합니다. 우리는 또한 우주의 가장 작은 조각을 설명하는 데 필요한 입자 물리학에 대한 이해를 발전시킵니다. 

언뜻 보기에 입자 물리학과 우주론은 공통점이 거의 없는 것처럼 보일 수 있습니다. 입자 물리학은 상상할 수 있는 가장 작은 규모에 존재하는 양자 역학 세계에 대한 연구인 반면, 우주론은 수십억 광년, 아마도 훨씬 더 멀리 확장되는 우주의 변화하는 구조에 대한 연구입니다. 그러나 20세기 마지막 25년 동안 우주론자와 입자 물리학자들이 우주의 구조와 물질의 근본적인 본질이 같은 과학적 동전의 양면이라는 것을 깨닫게 되면서 이 두 분야 사이의 경계가 희미해지고 결국 사라졌습니다. 

우리는 팽창하는 우주에 살고 있다는 것을 알고 있지만, 그 팽창은 영원히 계속될까요? 이것은 분명히 현대 우주론의 가장 큰 질문 중 하나입니다.

중력은 속도를 늦춥니다

우주? 대답은 부분적으로 우주가 매우 큰 규모로 포함하는 분포 질량의 양에 달려 있습니다. 이 분포 물질의 중력 효과는 우주가 어떻게 진화하는지를 결정하는 용인 중 하나일 뿐이며, 우리가 논의하는 첫 번째 요인입니다. 

중력이 우주의 팽창에 어떤 영향을 미치는지 보려면 발사체의 움직임에 대한 중력의 영향을 상기하는 것이 도움이 될 것입니다. 발사체의 속도가 달의 탈출 속도보다 크면 중력이 사라집니다. 발사체는 느려지지만 결코 멈추지 않습니다. 달에서 완전히 탈출할 것입니다. 달의 중력이 발사체를 끌어당겨 상승 속도를 늦추는 것처럼, 우주에 포함된 질량에서 발생하는 중력은 달의 팽창을 늦춥니다. 우주에 충분한 질량이 있으면 중력이 팽창을 멈출 수 있을 만큼 강해집니다. 그리고 그 경우 우주는 속도를 늦추고 결국 재앙적인 "빅 크런치"로 스스로 붕괴될 것입니다. 그러나 질량이 충분하지 않으면 우주의 팽창이 느려질 수 있지만, 결코 멈추지 않을 것입니다. 우주는 영원히 확장될 것입니다. 

 

행성의 질량과 반지름은 표면으로부터의 탈출 속도를 결정합니다. 우주의 "탈출 속도"는 또한 질량과 크기, 특히 평균 밀도에 의해 결정됩니다. 우주가 임계 밀도라고 하는 특정 값보다 평균적으로 밀도가 높으면 중력이 결국 팽창을 멈추고 역전시킬 만큼 충분히 강할 것으로 예상합니다. 우주의 밀도가 이 값보다 낮으면 중력이 너무 약하고 우주가 영원히 팽창할 것으로 예상합니다. 

우주가 더 빨리 팽창할수록 팽창을 되돌리는 데 더 많은 질량이 필요합니다. 이러한 이유로 임계 밀도는 허블 상수 H의 값에 따라 달라집니다. H= 메가광년당 초당 22킬로미터이고 중력이 우리가 걱정해야 할 유일한 것이라고 가정하면 우주의 임계 밀도는 입방미터당 8 * 10킬로그램의 값을 갖습니다. 그런 어색한 숫자를 추적하려고 하기보다는 임계 밀도에 대한 우주의 실제 밀도 비율에 대해 이야기하겠습니다. 우리는 이 비율을 '오메가 서브 매스'라고 부릅니다. 

 

20세기말까지만 해도 대부분의 천문학자들은 우주에 중력을 직접적으로 적용하는 것이 팽창과 붕괴의 문제에 대한 전부라고 생각했습니다. 연구원들은 이 연구가 우주의 밀도와 운명을 밝힐 것이라고 믿고 은하의 질량과 은하의 집합체를 주의 깊게 측정하는 데 많은 노력을 기울였습니다. 우리가 몇 번이고 보았듯이 우주에 있는 물체의 질량을 측정하는 것은 까다롭습니다. 우리가 계산할 때 은하와 은하군에서 볼 수 있는 발광 물질만을 사용하면 약 0.02의 값을 얻습니다. 현재 계산에 따르면 우주의 팽창을 막는 데 필요한 질량의 약 3분의 1에 불과합니다. 

우주는 가속되고 있는 것처럼 보이며 영원히 팽창할 것입니다

진공은 물질이 전혀 없는 경우에도 0이 아닌 에너지를 가질 수 있습니다. 따라서 천문학자들에게 암흑 에너지와 우주 상수라는 용어는 같은 것을 의미합니다. 그러나 진공이 암흑 에너지와 연관되어 있을 수 있다는 것을 아는 것은 우리가 우주에서 관찰하는 암흑 에너지의 양을 정확히 가져야 하는 이유를 이해하는 것과 같지 않습니다. 그것은 여전히 답이 없는 질문입니다. 

그렇다면 실제로 우리 우주에는 어떤 운명이 기다리고 있습니까?

예를 들어, 암흑 에너지가 시간이 지남에 따라 충분히 빠르게 감소한다면, 우리가 지금 생각하는 우주의 팽창이 가속화됩니다. 

사실, 우리보다 훨씬 밀도가 높은 우주는 "빅 크런치"로 붕괴될 수 있습니다. 반면에, 암흑 에너지의 효과가 시간이 지남에 따라 증가한다면, 우주는 점점 더 빠른 속도로 팽창을 가속화할 것입니다. 궁극적으로 팽창이 너무 빨라서 축척 계수가 유한한 기간 내에 무한해질 수 있으며, 이를 우리는 빅 립이라고 부릅니다. 여기서 암흑 에너지의 반발력이 너무나 지배적이어서 우주 전체가 무너집니다. 첫쨰, 은하단이 찢어집니다. 그러면 중력은 더 이상 개별 은하를 하나로 묶을 수 없습니다. 종말 직전에 태양계가 무너지고 원자조차도 구성요소로 찢어집니다. 하지만 너무 걱정하지 마세요. 최고의 관측 데이터는 일정한 암흑 에너지와 일치하는 것으로 보입니다. 

우주에는 모양이 있다

우리는 밀도, 암흑 에너지, 나이와 같은 우주의 속성에 대해 이미 논의했습니다. 그러나 우주에는 또 다른 핵심 속성, 즉 시공간에서의 모양도 있습니다. 이 무렵에는 일반 상대성 이론에 의해 묘사된 시공간의 개념이 익숙한 친구가 되고 있습니다. 우주는 빅뱅에서 바깥쪽으로 뻗어 있는 "고무 시트"입니다. 우리는 공간의 고무 시트도 질량의 존재에 의해 구부러져 있음을 보았습니다. 우리는 반지름에 대한 원의 둘레의 비율이나 삼각형의 각도의 합과 같은 단순한 기하학적 관계의 변화를 통해 거대한 물체 주변의 공간 모양을 감지할 수 있는 방법을 보았습니다. 별이나 행성, 블랙홀의 질량이 공간의 모양을 왜곡시킨다면, 은하, 암흑 물질, 암흑 에너지를 포함한 우주의 모든 것의 질량도 우주 전체의 모양을 왜곡해야 하지 않을까요? 대답은 '예'입니다.