가속 팽창하는 우주의 신비

출처-한국천문지식연구원

가속팽창하는 우주의 신비

은하, 별, 그리고 행성들로 가득 찬 광대한 우주는 수 세기 동안 과학자들의 호기심을 불러일으켰으며 그중 하나는 우주의 팽창입니다. 하지만 그것은 단순히 확장하는 것이 아니며 가속화되고 있습니다. 이 가속도는  단순히 움직이는 것이 아니라 계속 속도를 높이는 자동차와 같은 것인데, 과학자들은 무엇이 가속 페달을 밟고 있는지 알아내려고 노력하고 있습니다.

이 글에서는 우주 가속화의 원인으로 추측되는 여러 가지 가설들에 대해 알아보려고 합니다.

우주가속화의 발견

우주의 팽창이 가속되고 있다는 사실은 1998년에 두 개의 독립적인 천문학자 팀인 Supernova Cosmology Project 및 High-Z Supernova Search에 의해 발견되었습니다. 이들은 멀리 떨어진 초신성을 연구하여 우주의 거리를 측정하기 위해 "표준 촛불"로 사용할 수 있는 폭발하는 별을 연구하고 있었습니다.

그들은 우주의 모든 물질이 끌어당기는 중력으로 인해 우주의 팽창이 느려지고 있음을 발견할 것으로 예상했지만 그들이 발견한 것은 정반대였습니다. 먼 초신성은 우주의 팽창이 느려졌을 때 있어야 할 것보다 더 멀리 떨어져 있었는데  이것은 우주의 팽창이 실제로 가속되고 있음을 암시합니다.

이 발견은 우주에 대한 우리의 이해를 근본적으로 바꾼 혁명적인 발견이었습니다.

가속 우주의 발견은 펄머터, 슈미트, 리스가 2011년 노벨 물리학상을 받을 정도로 중요했습니다. 그것은 또한 우주 팽창의 가속을 주도하는 것으로 믿어지는 에너지의 신비한 형태인 암흑 에너지에 대한 가설로 이어졌습니다.

출처-BBC코리아-NASA

빅뱅과 우주의 팽창

우주의 가속도를 이해하기 위해서는 약 138억 년 전 빅뱅으로 거슬러 올라가야 합니다. 이 거대한 폭발은 우리 우주를 탄생시킨 것으로 믿어지고 있습니다. 하지만 우주는 단순히 팽창하다가 멈춘 것이 아닙니다. 오늘날에도 여전히 팽창하고 있습니다. 그리고 더욱 흥미로운 것은 이러한 확장이 가속화되고 있다는 것입니다.

이런 가설의 핵심 내용은 우주는 계속해서 부풀려지는 풍선 같아서 , 그것이 폭발하는 속도는 시간이 지남에 따라 증가하고 있으며 언제 가는 팽창의 압력을 견디지 못하고 폭발하게 될 것이라는 가설입니다.

암흑 에너지: 인비저블 포스(보이지 않는 힘)

우주 가속화와 팽창에 대한 답은 암흑 에너지로 알려진 신비한 실체에 있습니다. 암흑 에너지는 우리가 직접 보거나 감지할 수 없는 에너지의 한 형태이지만,  우주에 미치는 영향을 관찰할 수 있습니다. 이 에너지는 우주의 약 70%를 구성한다고 추측되고 있으며 암흑 에너지는 바람과 같습니다. 즉 우리는 바람을  볼 수는 없지만, 바람은 존재하며 주위에 직접적인 영향을 미치는 것처럼 암흑에너지의 형태를 그렇게 비유할 수 있습니다.

가속하는 우주의 증거

적색편이와 우주 배경 복사

가속 우주에 대한 증거는 멀리 떨어진 은하와 우주 배경 복사의 관측에서 나옵니다. 우리가 먼 은하를 볼 때, 우리는 적색 편이라고 알려진 현상을 관찰합니다. 이것은 이 은하들에서 나오는 빛이 스펙트럼의 붉은 끝 쪽으로 이동하는 곳입니다. 이것은 그들이 우리로부터 멀어지고 있음을 나타냅니다. 빅뱅의 유물인 우주 배경 복사는 또한 우주의 팽창에 대한 단서를 제공합니다. 그것은 범죄 현장에서 발자국을 찾는 것과 같습니다. 그것들은 우리가 그것이 일어나는 것을 보지 못했더라도 무슨 일이 일어났는지에 대한 증거를 제공합니다.

초신성 관측

또 다른 증거는 초신성, 즉 폭발하는 별들을 관찰함으로써 얻어집니다. 이러한 천체 현상들의 밝기와 적색편이를 측정함으로써, 과학자들은 우주의 팽창이 가속되고 있다는 것을 추론할 수 있었습니다. 처음에는 우주의 팽창이 느려지고 있다고 생각되었기 때문에 이것은 놀라운 발견이었습니다. 공을 공중으로 던지고 다시 내려올 것으로 기대하는 것과 같은데, 오히려 기대를 저버리고 계속 올라가고 있습니다.

암흑 에너지의 역할

제5원소: 가설

암흑 에너지가 무엇인지에 대한 몇 가지 가설이 있습니다. 이것들 중 하나는 역동적이고 시간이 진화하며 공간적으로 의존하는 에너지의 형태인 본질입니다. 이 다섯 번째 워니는 공간을 채우는 필드와 같고, 에너지 밀도는 시간과 공간에 따라 달라질 수 있습니다. 그것은 날씨와 같습니다. 하루하루 그리고 장소에 따라 바뀔 수 있습니다.

우주 상수

또 다른 가설은 알버트 아인슈타인이 처음에 제안했다가 나중에 폐기한 값인 우주 상수입니다. 우주 상수는 공간을 균일하게 채우는 일정한 에너지 밀도를 나타냅니다. 이것은 여러분이 어디에 있든, 몇 시에 있든, 항상 거기에 있는 지속적인 배경 소음과 같습니다.

우주 가속 팽창의 의미

우주의 운명

우주의 가속은 우주의 운명에 깊은 영향을 미칩니다. 만약 우주가 계속해서 가속된다면, 그것은 "빅 립"이라고 알려진 시나리오로 이어질 수 있습니다. "빅 립"은 가속화된 팽창이 우주의 다른 모든 힘을 압도할 정도로 강력해지는 곳입니다.

이 시나리오에서, 은하, 별, 그리고 심지어 원자는 계속 증가하는 팽창에 의해 찢어질 수 있습니다. 그것은 마치 한 조각의 천이 너무 늘어나서 결국 찢어지는 것과 같습니다. 하지만, 최근의 연구는 양자 중력 효과가 팬텀과 관련된 우주 종말의 재앙, 즉 암흑 에너지와 우주 속도 상승을 방지하거나 적어도 지연시키거나 연화시킬 수 있다고 제안합니다.

물리학의 과제

가속하는 우주는 물리학에 대한 우리의 이해에 중대한 도전을 제기합니다. 그것은 우리가 알고 있던 기본 법칙에 의문을 제기하고 우리의 이론을 재고하도록 강요합니다. 그것은 마치 나머지와 맞지 않는 퍼즐 조각을 찾아 전체 그림을 재평가하도록 강요하는 것과 같습니다. 암흑 에너지의 존재와 우주의 가속은 물리학에 대한 우리의 현재 이해가 불완전하고 기존 이론에 대한 새로운 이론이나 수정이 필요할 수 있음을 시사합니다.

지속적인 연구 및 미래 전망

암흑 에너지 조사

암흑 에너지 조사(DES)는 암흑 에너지의 역학을 조사하는 것을 목표로 하는 야심 찬 프로젝트입니다. 수억 개의 은하와 수천 개의 초신성을 관찰함으로써, DES는 암흑 에너지의 본질과 우주의 가속에 대해 조명하기를 희망합니다. 그것은 마치 형사가 가장 진보된 도구와 기술을 사용하여 우주의 미스터리를 풀려고 하는 것과 같습니다.

출처-사이언스모니터

제임스 웹 우주 망원경

2021년 12월 25일에 발사된 제임스 웹 우주 망원경(JWST)은 현재 지구에서 약 150만 Km 떨어진 라그랑주 L2 지점에 위치하고 있으며 전례 없는 우주 관측을 제공할 것입니다. 강력한 적외선 기능으로, JWST는 암흑 에너지와 우주의 가속에 대한 귀중한 데이터를 제공하면서 먼지 구름과 먼 은하를 관찰할 수 있을 것입니다. 또 제임스 웹 우주망원경은 우주의 탄생과 진화, 외계 생명체의 존재 여부를 연구하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다,

정리

•우주의 가속도는 얼마입니까?

우주의 가속은 우주의 팽창이 당초 예상했던 것처럼 느려지기보다는 시간이 지나면서 속도가 빨라지고 있다는 관측을 말합니다. 단순히 움직이는 것이 아니라 계속 속도를 내는 자동차와 같습니다.

•암흑 에너지란 무엇입니까?

암흑 에너지는 모든 공간에 스며드는 가상의 에너지 형태이며 우주의 가속적인 팽창의 원동력이라고 믿어집니다. 그것은 바람과 같습니다. 우리는 그것을 볼 수 없지만, 우리는 그것의 효과를 느낄 수 있습니다.

•빅 립이란 무엇입니까?

빅 립은 가속화된 팽창이 결국 은하, 별, 심지어 원자를 찢는 우주의 종말에 대한 가상의 시나리오입니다. 그것은 마치 한 조각의 천이 너무 늘어나서 결국 찢어지는 것과 같습니다.

•제임스 웹 우주 망원경은 우주의 가속도를 연구하는 데 어떤 역할을 합니까?

제임스 웹 우주 망원경은 암흑 에너지의 본질과 우주의 가속을 이해하는 데 도움을 줄 수 있는 고해상도 적외선 관측을 제공할 것입니다. 그것은 우주를 더 선명하게 볼 수 있게 해주는 새로운 안경을 얻는 것과 같습니다.

결론

우주의 가속은 우주론, 천체 물리학, 그리고 입자 물리학의 영역을 결합한 매혹적인 주제입니다. 그것은 미지의 세계로의 여행이며, 우리 우주의 구조를 이해하기 위한 탐구입니다. 우리가 이 우주 가속을 계속 탐구하면서, 우리는 새로운 미스터리를 발견하고, 우리의 이론에 도전하고, 우주에 대한 우리의 이해를 넓힐 수 있습니다. 한 걸음 한 걸음 새로운 발견과 도전을 가져오는 어두운 숲 속으로 모험을 떠나는 것과 같습니다.