우주 나이 계산
본 자료는 박문호 박사께서 동영상 강의를 컵처하여 만들었습니다
우주의 진화, 일반 상대성이론의 증명과 우주나이를 수학으로 계산을 합니다.
우주천문학은 대략 추측이나 가설로 이루어 지는게 아니고 실증 학문입니다.
*우주가 등방향으로 팽창함을 계산해보고 증명함
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◆ CMB / Spectrum / Spacetime
우주의 생성과 구조에 대해 공부하고자 하는 이에게 반드시 필요한 필수사항이 있다.
바로 C.S.S.(CMB / Spectrum / Spacetime)를 아침점심저녁 거르지 말고 습관적으로 암기할 것! 언제 어디서든
암송하고 화두처럼 온 몸에 달라붙게 할 것!!
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◆ 우주배경복사. cosmic microwave background radiation
이루며 모든 방향에서 같은 강도로 들어오는 전파이다.
0.1nm~20nm의 마이크로파로, 2.7K의 흑체복사를 나타낸다. 우주의 팽창이 대폭발(Big bang)에서 시작되었다는
우주론에 의해 예언되었던 것이다. 등방성이 문제가 되기도 했으나, 이는 인플레이션 이론으로 해결되었다.
1965년 A.펜지어스와 R.W.윌슨이 발견하였다. 이 전파는 파장 0.1nm∼20nm에서 관측되는 마이크로(±0.01%)파로
그 높은 등방성(等方性)으로 미루어, 어느 특정한 천체로부터 오는 것이 아니라 우주공간에 충만 된 전파의
배경을 이루는 것으로 생각된다.
이 전파의 파장별 강도분포의 특성은 2.7K(－270.3℃)의 흑체복사(黑體輻射)임을 나타내며, M.플랑크의 법칙에 의하여
1㎤당 약 400개의 광자(光子:photon)가 평균적으로 우주공간을 메우고 있음을 알려 준다.
이 개수밀도는 현재 관측되는 은하들로부터 추정되는 물질입자(양성자)의 평균 개수밀도의 약 10억 배에 이르므로
우주의 현재 온도가 주로 이 복사에 의하여 결정됨을 알 수 있다.
흑체복사의 법칙과 우주팽창의 법칙으로부터 우주의 크기는 그 온도에 반비례함을 알 수 있다.
우주의 팽창이 대폭발(big bang)로 시작되었다는 대폭발 우주론에 의하여 G.가모는 1940년대에 우주배경복사를 예언한
바 있다. 한때 우주배경복사의 등방성은 우주론의 문제점이 된 적이 있다.
그 까닭은 현재 방향이 2 °이상 틀린 두 곳에서 전파가 출발하였던 당시(T3000 K), 이 두 곳 사이의 거리는 그 때의 우주
지평선의 거리(빛의 속도×우주의 나이)보다 크기 때문에 두 곳에서 온도가 같아질 이유를 설명할 수가 없기 때문이다.
이 ‘지평선의 문제’는 1981년 ‘인플레이션(inflation)이론’이 제안되어, 초기의 우주가 종래보다도 훨씬 작은 크기로
축소됨으로써 해결이 되었다.
즉, 오늘날의 우주는 본래 지평선 안의 매우 작은 크기에 국한되었기 때문에 모든 곳이 같은 성질을 이루는
시간적 여유가 있었다는 것이다.
◆ 우주배경복사 실제이미지 측정
2006년 노벨물리학상은 “우주 초단파(마이크로웨이브) 배경복사의 이방성(異方性)과 흑체(黑體) 형태의 발견
(for their discovery of the blackbody form and anisotropy of the cosmic microwave background radiation)"
공로를 인정해 미국 NASA의 매서(John C. Matter)와 UC Berkeley 대학의 스무트(George F. Smoot)에게 수여됐다.
매서와 스무트는 ‘우주 초단파 배경복사의 이방성(異方性)과 흑체(黑體) 형태의 발견’으로 우주의 초창기(infancy) 모습을
연구하고 별 및 은하의 형성 기원(origin of galaxies and stars)을 이해하는 데 도움을 줬다고 선정 이유를 밝혔다.
국립과학원은 “수상자들은 1989년 미국 NASA가 발사한 우주배경복사 탐사선 ‘코브(COBE) 위성’에서 보내온 매우
상세한 관찰결과를 이용해 현대 우주론(cosmology)을 정밀과학(precise science)으로 발전시키는 데
크게 이바지했다”고 설명했다.
COBE 위성의 자료들과 이들의 연구는 우주 생성 기원(origin of the Universe)에 대해 ‘빅뱅 시나리오
(Big Bang scenario)’가 강력한 지지기반을 얻게 됐다고 평가했다.
빅뱅 이론(시나리오)에 따르면 우주에는 생성된 초기 단계(earliest phase of the Universe)의
흔적(relic)인 우주 극초단파 배경 복사(cosmic microwave background radiation)가 존재한다고 예측하고
있는데, 이번에 COBE에 의해 실제 측정되었기 때문이다. 따라서 이들의 연구는 우주론을 정밀과학으로 인식하는 계기를
만들었다는 평이다.
COBE에 이은 WMAP 위성은 더욱 선명한 배경복사 이미지를 잡아냈으며, 조만간 유럽의 Planck(플랑크) 위성이 더욱
선명하고 자세한 배경 복사를 연구하기 위해 발사될 예정이다.