우주 팽창의 발견, 적색편이와 그 결과(1) “나선 성운의 춤”
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2025-01-13 12:17:16
4분 읽기
- 오랫동안 우주는 정적이고 영원하다고 여겨졌다. 알베르트 아인슈타인도 이를 믿었다
- 슬리퍼, 광학 기술자이자 망원경 설계자로서 햇빛의 스펙트럼에서 어두운 선을 관찰
- 별의 빛 스펙트럼은 단파장인 푸른색 범위로 이동하는 것처럼 보인다. 반대로, 후퇴하는 별에서 나오는 복사선은 늘어나서 파장이 더 긴 빨간색 영역으로 이동
오랫동안 우주는 정적이고 영원하다고 여겨졌다. 알베르트 아인슈타인도 이를 믿었다. 하지만 20세기 초, 두 명의 젊은 미국 천문학자의 발견은 이러한 기존 세계관의 기반을 흔들었다. 베스토 슬리퍼(Vesto Slipher)와 에드윈 허블(Edwin Hubble)은 그들의 관찰을 통해 외계 은하의 존재와 우주의 팽창을 밝혀냈다. 이를 통해 그들은 정적인 우주의 개념을 산산이 조각내고 빅뱅 이론의 토대를 마련했다.
하지만 이야기는 아직 끝나지 않았다. 우주의 확장은 천문학에 더 많은 놀라움을 가져왔고 오늘날까지도 여전히 미스터리로 남아 있다.
나선 성운의 춤 : 베스토 슬리퍼와 적색편이(Redshift)
1917년에 알베르트 아인슈타인에게는 문제가 여전히 명확했다. 우주는 정적이다. 확장되지도 않고 축소되지도 않는다. 그의 상상 속에는 원초적인 시작이 나타나지 않으며, 특히 빅뱅과 같은 형태로는 나타나지 않는다. 그 당시 그의 동료들도 정적 우주를 가정했다. 그 반대를 시사하는 관찰 결과는 없었다.
그러나 아인슈타인의 장 방정식은 초기 의심을 제기한다. 그것은 우주가 영원히 "안정"을 유지할 수 없다는 것을 시사하는 것처럼 보인다. 하지만 이는 널리 퍼진 세계관과 맞지 않는다. 아인슈타인은 자신의 방정식을 일반적인 아이디어와 조화시키기 위해 우주상수 λ를 추가했다. 계산에 따르면, 우주상수는 계산상으로 우주가 서로 멀어지거나 붕괴되는 것을 막기 위해 설계되었다. 다른 물리학자들도 이 상수를 계산에 사용한다.
슬리퍼와 나선 성운
한편, 대서양 건너편에서는 혁명이 일어나고 있었다. 첫 번째 신호는 애리조나州 플래그스태프에 있는 로웰 천문대에서 젊은 천문학자 베스토 슬리퍼가 관찰한 것이다. 그는 나선 성운의 움직임을 더욱 정확하게 측정하는 방법을 최적화하기 위해 연구하고 있었다. 이 방법은 이 성운이 무엇인지에 대한 정보를 제공한다. 이 성운은 우리 은하 내부에 있는 것일까, 아니면 이 성운 뒤에 다른 것이 있을까?
천문학자들은 우주 천체의 빛 스펙트럼을 사용하면 천체가 우리에게서 다가오고 있는지, 아니면 멀어지고 있는지, 그리고 얼마나 빨리 움직이는지 알아낼 수 있다는 것을 오래전부터 알고 있었다. 예를 들어, 별이 우리에게 접근하면 별에서 방출되는 전자기파는 약간 압축된다. 이는 음향 도플러 효과와 유사하다. 그러므로 별의 빛 스펙트럼은 단파장인 푸른색 범위로 이동하는 것처럼 보인다. 반대로, 후퇴하는 별에서 나오는 복사선은 늘어나서 파장이 더 긴 빨간색 영역으로 이동한다.
스펙트럼의 어두운 선
문제는 별의 빛 스펙트럼이 원래 어땠는지 모르면 얼마나 빨간색이나 파란색 쪽으로 이동했는지 확인할 수 없다는 것이다. 하지만 슬리퍼는 해결책을 알고 있었다. 이 현상은 1814년 요제프 폰 프라운호퍼가 발견한 현상에서 유래되었다. 그는 광학 기술자이자 망원경 설계자로서 햇빛의 스펙트럼에서 어두운 선을 관찰했다.
그러나 이러한 스펙트럼선의 중요성은 1860년 화학자 로버트 분젠과 구스타프 키르히호프에 의해 인식될 때까지 고려되지 않았다. 어두운 선은 방사선 스펙트럼의 이 부분을 흡수하는 원소에서 발생한다. 스펙트럼에서 선의 위치는 각 원소와 이온마다 다르다. 천문학에서 이는 선이 일반적으로 나타나는 파장이 알려져 있기 때문에 이를 우주 천체의 스펙트럼 이동을 비교하고 참고로 사용할 수 있음을 의미한다.
1912년에 슬리퍼는 망원경에 설치된 분광기를 사용해 적색편이 측정을 최적화하는 연구를 수행했다. 이를 통해 이전보다 빛 스펙트럼 측정이 더 빠르고 정확해졌음에 틀림없다. 천문학자는 이를 성공적으로 마친 뒤 안드로메다 성운 M31에 주목을 돌렸다. 당시에는 이것이 별개의 은하라는 사실이 아직 알려지지 않았다.
나선 성운의 움직임
슬리퍼는 새롭게 개발된 측정 기술을 이용해 나선 성운의 미스터리를 최종적으로 해결하는 데 중요한 전제 조건을 마련했다. 그는 이 성운이 자체적으로 회전하는 것처럼 보인다는 사실을 처음으로 발견했다. 이것은 빛 스펙트럼에서 스펙트럼선의 미묘한 변화에서 눈에 띄게 나타난다. 성운의 한쪽에서는 약간 푸른색으로 변하고, 다른 쪽에서는 약간 붉은색으로 변한다.
천문학자는 또한 안드로메다 성운이 초당 300km의 속도로 태양계를 향해 이동하고 있다는 사실을 처음으로 밝혀냈다. 하지만 이 나선 성운은 예외적인 것으로 보인다. 슬리퍼가 다른 14개의 나선 성운을 측정하면서 발견한 바에 따르면, 이런 천체 대부분은 우리에게서 멀어지고 있으며, 때로는 빠른 속도로 멀어지고 있다. 그러나 슬리퍼는 이것이 우주론과 나선 성운의 진정한 본질에 어떤 의미를 갖는지 그때 이해하지 못했다. (계속)
- 오랫동안 우주는 정적이고 영원하다고 여겨졌다. 알베르트 아인슈타인도 이를 믿었다
- 슬리퍼, 광학 기술자이자 망원경 설계자로서 햇빛의 스펙트럼에서 어두운 선을 관찰
- 별의 빛 스펙트럼은 단파장인 푸른색 범위로 이동하는 것처럼 보인다. 반대로, 후퇴하는 별에서 나오는 복사선은 늘어나서 파장이 더 긴 빨간색 영역으로 이동
우주 팽창의 발견, 적색편이와 그 결과(1) “나선 성운의 춤”
아인슈타인은 처음에 그것이 말도 안 된다고 생각했다. 약 100년 전 천문학자들은 우주의 팽창에 대한 최초의 징후를 발견했고, 이로써 우리의 우주론적 세계관에 혁명을 일으켰다. 하지만 이것이 모든 질문에 대한 답은 아니다. 오히려 그 반대다. 최근의 관찰 결과는 더 많은 의문을 제기한다.
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| ▲ 우주는 빅뱅 이후로 계속 확장되어 왔다. 하지만 이러한 우주의 팽창과 그 이후의 발전에 대한 발견은 여러 가지 의문점을 제기한다. © NASA/ Goddard 우주 비행 센터 |
오랫동안 우주는 정적이고 영원하다고 여겨졌다. 알베르트 아인슈타인도 이를 믿었다. 하지만 20세기 초, 두 명의 젊은 미국 천문학자의 발견은 이러한 기존 세계관의 기반을 흔들었다. 베스토 슬리퍼(Vesto Slipher)와 에드윈 허블(Edwin Hubble)은 그들의 관찰을 통해 외계 은하의 존재와 우주의 팽창을 밝혀냈다. 이를 통해 그들은 정적인 우주의 개념을 산산이 조각내고 빅뱅 이론의 토대를 마련했다.
하지만 이야기는 아직 끝나지 않았다. 우주의 확장은 천문학에 더 많은 놀라움을 가져왔고 오늘날까지도 여전히 미스터리로 남아 있다.
나선 성운의 춤 : 베스토 슬리퍼와 적색편이(Redshift)
1917년에 알베르트 아인슈타인에게는 문제가 여전히 명확했다. 우주는 정적이다. 확장되지도 않고 축소되지도 않는다. 그의 상상 속에는 원초적인 시작이 나타나지 않으며, 특히 빅뱅과 같은 형태로는 나타나지 않는다. 그 당시 그의 동료들도 정적 우주를 가정했다. 그 반대를 시사하는 관찰 결과는 없었다.
그러나 아인슈타인의 장 방정식은 초기 의심을 제기한다. 그것은 우주가 영원히 "안정"을 유지할 수 없다는 것을 시사하는 것처럼 보인다. 하지만 이는 널리 퍼진 세계관과 맞지 않는다. 아인슈타인은 자신의 방정식을 일반적인 아이디어와 조화시키기 위해 우주상수 λ를 추가했다. 계산에 따르면, 우주상수는 계산상으로 우주가 서로 멀어지거나 붕괴되는 것을 막기 위해 설계되었다. 다른 물리학자들도 이 상수를 계산에 사용한다.
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| ▲ 애리조나 로웰 천문대의 클라크 망원경에서 동료들과 함께 있는 미국의 천문학자 베스토 슬리퍼(화살표). © historisch |
슬리퍼와 나선 성운
한편, 대서양 건너편에서는 혁명이 일어나고 있었다. 첫 번째 신호는 애리조나州 플래그스태프에 있는 로웰 천문대에서 젊은 천문학자 베스토 슬리퍼가 관찰한 것이다. 그는 나선 성운의 움직임을 더욱 정확하게 측정하는 방법을 최적화하기 위해 연구하고 있었다. 이 방법은 이 성운이 무엇인지에 대한 정보를 제공한다. 이 성운은 우리 은하 내부에 있는 것일까, 아니면 이 성운 뒤에 다른 것이 있을까?
천문학자들은 우주 천체의 빛 스펙트럼을 사용하면 천체가 우리에게서 다가오고 있는지, 아니면 멀어지고 있는지, 그리고 얼마나 빨리 움직이는지 알아낼 수 있다는 것을 오래전부터 알고 있었다. 예를 들어, 별이 우리에게 접근하면 별에서 방출되는 전자기파는 약간 압축된다. 이는 음향 도플러 효과와 유사하다. 그러므로 별의 빛 스펙트럼은 단파장인 푸른색 범위로 이동하는 것처럼 보인다. 반대로, 후퇴하는 별에서 나오는 복사선은 늘어나서 파장이 더 긴 빨간색 영역으로 이동한다.
스펙트럼의 어두운 선
문제는 별의 빛 스펙트럼이 원래 어땠는지 모르면 얼마나 빨간색이나 파란색 쪽으로 이동했는지 확인할 수 없다는 것이다. 하지만 슬리퍼는 해결책을 알고 있었다. 이 현상은 1814년 요제프 폰 프라운호퍼가 발견한 현상에서 유래되었다. 그는 광학 기술자이자 망원경 설계자로서 햇빛의 스펙트럼에서 어두운 선을 관찰했다.
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| ▲ 요제프 폰 프라운호퍼가 그린 흡수선을 포함한 태양 스펙트럼. © Deutsches Museum/ CC-by-sa 4.0 |
그러나 이러한 스펙트럼선의 중요성은 1860년 화학자 로버트 분젠과 구스타프 키르히호프에 의해 인식될 때까지 고려되지 않았다. 어두운 선은 방사선 스펙트럼의 이 부분을 흡수하는 원소에서 발생한다. 스펙트럼에서 선의 위치는 각 원소와 이온마다 다르다. 천문학에서 이는 선이 일반적으로 나타나는 파장이 알려져 있기 때문에 이를 우주 천체의 스펙트럼 이동을 비교하고 참고로 사용할 수 있음을 의미한다.
1912년에 슬리퍼는 망원경에 설치된 분광기를 사용해 적색편이 측정을 최적화하는 연구를 수행했다. 이를 통해 이전보다 빛 스펙트럼 측정이 더 빠르고 정확해졌음에 틀림없다. 천문학자는 이를 성공적으로 마친 뒤 안드로메다 성운 M31에 주목을 돌렸다. 당시에는 이것이 별개의 은하라는 사실이 아직 알려지지 않았다.
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| ▲ 슬리퍼는 자신이 직접 개발한 이 분광기를 사용하여 나선 성운의 빛에 나타나는 스펙트럼 변화를 조사했다. 오늘날 이 사진은 로웰 천문대 박물관에 보관되어 있다. © brewbooks/ CC-by-sa 2.0 |
나선 성운의 움직임
슬리퍼는 새롭게 개발된 측정 기술을 이용해 나선 성운의 미스터리를 최종적으로 해결하는 데 중요한 전제 조건을 마련했다. 그는 이 성운이 자체적으로 회전하는 것처럼 보인다는 사실을 처음으로 발견했다. 이것은 빛 스펙트럼에서 스펙트럼선의 미묘한 변화에서 눈에 띄게 나타난다. 성운의 한쪽에서는 약간 푸른색으로 변하고, 다른 쪽에서는 약간 붉은색으로 변한다.
천문학자는 또한 안드로메다 성운이 초당 300km의 속도로 태양계를 향해 이동하고 있다는 사실을 처음으로 밝혀냈다. 하지만 이 나선 성운은 예외적인 것으로 보인다. 슬리퍼가 다른 14개의 나선 성운을 측정하면서 발견한 바에 따르면, 이런 천체 대부분은 우리에게서 멀어지고 있으며, 때로는 빠른 속도로 멀어지고 있다. 그러나 슬리퍼는 이것이 우주론과 나선 성운의 진정한 본질에 어떤 의미를 갖는지 그때 이해하지 못했다. (계속)
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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