안녕하세요. 훈하니 @hunhani입니다.

오늘은 허블의 법칙과 우주의 나이, 크기, 팽창률에 대해 살펴보겠습니다. @oldstone 님께 천체물리학을 쉽게 설명해주는 글을 부탁받았습니다. @oldstone 님께 이번 시리즈를 헌정합니다.

대문을 제작해주신 @leesol 님께 감사드립니다.

우주의 팽창을 입증하다.

허블은 세페이드 변광성을 관측하여 외부 은하까지의 거리를 계산해냈습니다. 광원의 속도가 빛의 속도에 가깝게 빨라지면 상대론적 도플러 효과가 적용되는데요. 이 때문에 광원이 멀어질 경우 파장이 늘어나는 적색 편이 현상이 나타납니다. 허블은 대부분의 은하들이 파장이 상대적으로 길어지는 적색 편이 현상을 나타내는 것에 주목하여 특히 멀리 있는 은하일수록 그 거리에 비례하여 후퇴 속도가 늘어난다는 점을 통해 우주가 팽창하고 있다는 사실을 입증했습니다. 나아가, 은하까지의 거리와 은하의 후퇴 속도 사이의 관계를 밝혀냈는데요. 이 관계식을 그의 이름을 따 허블의 법칙이라고 일컫습니다.

허블의 법칙

허블의 법칙은 은하까지의 거리 r이 멀수록 후퇴 속도 v가 빠른 것을 의미합니다.

v=Hr

x축 은하까지의 거리 r, y축 은하의 후퇴 속도 v, 그래프에서 기울기 H를 허블 상수라고 지칭합니다. 우주의 나이는 허블 상수의 역수이죠. 허블 상수는 은하의 거리가 1 Mpc 멀어질 때마다 후퇴 속도가 몇 km/s 증가하는지를 나타내지요. 일반적으로 km/s/Mpc 단위를 사용합니다. 그래프에서 확인할 수 있다시피 허블 상수가 클수록 은하들은 더 빠른 속도로 멀어집니다. 허블 상수는 은하까지의 거리를 얼마나 정확하게 측정했는지에 따라 조금씩 변해 왔는데요. 가장 최근의 측정값은 71±4 km/s/Mpc 입니다.

허블의 법칙의 물리적 의의

허블 법칙은 먼 은하일수록 더 빠르게 멀어짐을 의미하므로 모든 은하들이 서로 멀어지는 것은 우주 전체가 고르게 팽창하는 증거가 됩니다. 즉, 허블 법칙에 의해 우주가 팽창한다는 가설이 사실로 판명되었고 프리드만의 동적인 우주가 옳다는 것이 인정되었죠. 또한 우주의 팽창에는 중심이 없고 우주의 방향에 관계없이 동일하게 허블의 법칙이 성립합니다. 따라서 어떤 은하에 있는 관측자라도 다른 은하가 자신이 속한 은하로부터 멀어지고 있는 것처럼 관찰되지요.

허블 법칙 그래프를 통해 알 수 있는 사실

은하까지의 거리: A＜B＜C
은하의 후퇴 속도: A＜B＜C
허블 상수: A=B=C

허블 상수 비교하기

허블 상수: A＜B
우주의 나이: A＞B
관측 가능한 우주의 크기: A＞B

우주의 나이, 크기, 팽창률을 알려주는 허블 상수

우주의 나이는 허블 상수의 역수이므로 허블 상수가 클수록 우주의 나이는 줄어들죠. 우주의 크기는 광속을 허블상수로 나눈 값이므로 허블 상수가 클수록 우주의 크기는 줄어듭니다. 또한, 허블 상수가 크다면 은하의 후퇴 속도가 크므로 우주의 팽창이 빠르고, 값이 작다면 우주의 팽창이 느림을 뜻하지요. 즉, 허블 상수는 그 자체로 우주의 팽창률을 뜻합니다.

다음 편을 기대해주세요!

지난 이야기

본문에서 사용된 모든 이미지는 구글 이미지에서 가져왔음을 밝힙니다.
본문을 작성하는데 있어 천재학습백과, 위키피디아, ZUM 학습백과 내용을 참조하였습니다.

[밤하늘의 물리학] Chapter 5. 허블의 법칙과 우주의 나이, 크기, 팽창률