재미있는 과학이야기 - 우주의 나이

재미있는 과학이야기 - 우주의 나이 

허블이 은하의 후퇴를 발견한 이래로 천문학자들은 우주가 얼마나 오래 되었는지를 알아 내기 위하여 노력하였다. 수년간에 걸쳐 많은 연구팀들이 우주의 나이를 추정하기 위한 방안들을 고안해 냈다. 

그렇지만 그들의 연구 결과는 명백하게 서로 배치되어 나이의 범위를 80억 년에서 200억 년까지로 늘려 잡아야할 형편이다. 추정 나이가 넓은 범위에 걸쳐 있다는 이러한 사실은 때로는 연구자들간에 천문학적 방법론에 관하여 격렬한 논쟁을 일으키기도 하였다. 

그러나 모든 천문학자들이 우주의 나이를 추정하기 위해서 최근의 허블 상수 값을 구해야 한다는 사실에는 동의한다. 허블 상수는 은하들이 자신의 거리에 따라 얼마나 빨리 후퇴하는가를 나타내는 것이다.

그 값이 결정된 후에야 실제로 고려하는 우주의 모델에 따라서(열린, 닫힌, 또는 편평한 우주; 우주 상수가 있거나 혹은 없거나)우주가 현재의 속도로 팽창하기 위해서는 나이가 얼마나 되어야 하는가를 결정할 수 있다. 

허블 상수와 우주의 나이 사이의 가장 간단한 관계는 우주가 인플레이션 우주론자들이 가장 선호하는 모델인 편평하다는 상태에서는 쉽게 구할 수 있다. 그러한 경우, 허블 상수는 우주의 나이에 역비례한다. 

편평 우주론자들에 따르면 일단 허블 상수가 결정되면 우주의 나이를 구하는 것은 상대적으로 쉬운 일이라고 한다. 간단히 수학적으로 역수를 취하기만 하면 된다. 

오랜 기간에 걸쳐 가장 높게 평가된 우주 나이의 추정치는 수십 년 캘리포니아 패서디나의 카네기 천문대(Camegie Observatories)에 있는 존경받는 천문가인 앨런 샌디지 (Allan Sandage)가 구했다. 

그는 허블의 학생 가운데 한 사람이었고, 다른 은하의 초신성을 수년간 관측하여 그것을 거리의 지표로 삼았다. 샌디지가 왜 초신성을 훌륭한 '거리의 지표로 삼았는가에는 여러 가지 이유가 있다. 

무엇보다도 초신성의 폭발은 너무나 강력하여 먼 거리에 있는 은하 속에서도 잘 보인다 그리고 비록 특정한 하나의 은하에서는 그 폭발이 드물게 일어나지만, 우주 공간에는 이러한 은하들이 무척 많으므로 최소한 일주일에 한 번은 하늘의 어느 곳에선가 새로운 초신성이 나타나게 된다. 

또한 중요한 사실 중의 하나는 1형이라고 불리는 특정한 형태의 초신성은 거의 일정한 밝기를 나타낸다는 것이다. 그러므로 이러한 범주에 속하는 초신성들은 그들이 얼마나 멀리 있는 가에 상관없이 이론적으로 예측 가능한 양의 빛을 방출하게 된다.  

1형 초신성은 일반적으로 타원  은하에서 발견되며 또한 나이 많은 나선 은하에서도 발견된다. 샌디지의 초신성을 이용한 우주의 나이 계산법은 매우 간단하다. 

일단 이론적인 값을 관측된 초신성의 광도와 비교하여 초신성이 얼마나 멀리 있는지를 계산한다. 당연한 이야기지만 이러한 거리는 그 초신성을 포함하고 있는 은하까지의 거리가  된다.   

샌디지는 많은 은하들의 거리와 속도 자료로부터 허블 상수를 50km/sec/Mpc(Mpc는 326만 광년)으로 결정하고, 우주의 나이를 150억 년에서 200억 년 사이로 잡았다. 

한편 그의 아래층 연구실에서 일하는 젊은 과학자에 의하여 샌디지의 생각이 의문으로 제기되었다. 14명의 천문학자 가운데 한 사람인 프리드먼은 허블 상수를 결정하는 새로운 방법을 개발하였다. 

그녀의 허블 상수 값은 샌디지의 값보다 훨씬 큰 값(결과적으로 우주 나이를 매우 젊게 추정하는) 이었다.  M100이라고 불리는 원거리 은하에 있는 세페이드와 관련된 프리드먼의 방법은 허블 우주 망원경의 놀라운 능력을 많이 이용하고 있다. 

허블 우주 망원경이  발사되기 이전에도 천문학자들은 안드로메다와 같은 가까운 은하의 거리를 측정하는 데 세페이드 변광성 법을 자유롭게 이용하였다. 그러나 그들은 지상 망원경의 한계 때문에 세페이드를 이용하는 방법을 먼 거리 은하에 적용하는 것은 불가능하다는 것을 알게 되었다. 

이러한 이유로 초신성과 같은 밝은 천체가 거리의 지표로 더욱 매력을 가지게 되었다. 하지만 여전히 천문학자들은 세페이드 방법을  좀더 정밀한 관측 기구를 가지고 확장할 수 있기를 바라고 있었다. 그들은 허블 우주 망원경의 발사를 이러한 목표를 달성 할 수 있는 좋은 기회로 여겼다. 

당연히 허블 우주 망원경은 멀리 있는 은하 속의 세페이드를 찾으려는 천문학자들을 도을 수 있도록 특별히 설계되었다.

1994년, 프리드먼 연구팀은 허블 우주 망원경을 M100으로 향하게 하고 수개월간 4만 개 이상의 별들을 관측하였다. 그들은 모인 자료들로부터 20개의 항성을 정확히 세페이드로 판별하였다. 

일단 이러한 세페이드가 발견되면 그것들의 주기와 절대 광도가 기록되었다. 이러한 자료들을 이용하여 그들은 이 은하까지의 거리를 6백만 광년의 오차 범위 내에서 5천 6백만 광년으로 추정할 수 있었다.

천문학자들은 M100이 처녀자리 은하단의 나선 은하 집단 한가운데에 위치하고 있다고 믿고 있다. 또한 처녀자리 은하단의 후퇴 속도는 수년 전에 알려져 있었다. 

프리드먼과 그의 동료들 덕분에 현재 처녀자리 은하단의 거리 역시 알려지게 되었다. 어떤 사람은 이러한 자료가 허블 상수를 구하는 데 직접 사용될 것이라고 생각할 수 있을지도 모른다. 

그러나 처녀자리 은하단은 우리의 국부 은하단에 너무나 가까이 있어서 둘 사이에는 상당한 중력적인 상호 작용이 존재하고 있다. 따라서 은하의 후퇴 속도가 거리에 비례한다는 허블의 법칙은 처녀자리의 경우에는 완전히 적용되기 어렵다. 

그러므로 처녀자리 은하단의 속도를 그것의 거리로 나누어 얻은 허블 상수는 정확한 것이 아니었다.

허블 상수를 찾기 위하여, 프리드먼의 연구팀은 좀더 복잡한 접근 방식을 적용할 필요가 있었다. 그들의 M100 자료를 사용하여 먼 거리의 머리털자리 은하단까지의 거리를 구하였다. 머리털자리는 지구로부터 충분히 멀리 떨어져 있어 그 운동은 허블의 법칙을 잘 따른다. 

프리드먼과 그녀의 동료들은 머리털자리에 대한 정보가 정확한 허블 상수를 결정하는 데 가장 이상적인 것이 될 것으로 생각했다.

머리털자리 은하단까지의 거리를 구하는 방법을 자세히 살펴보면, 우선 M100까지의 거리를 처녀자리에 있는 나선 은하들의 평균 거리와 같다고 가정하였다. 그 다음에 머리털자리에 있는 비슷한 나선 은하들의 모임을 관측하였다. 

이들 두 집단의 본질적인 밝기가 비슷하다는 가정에서 머리털자리에 있는 은하들이 처녀자리에 있는 은하들보다 얼마나 더 어둡게 보이는가를 비교하였다. 

이러한 비교로부터,머리털자리는 처녀자리보다 5.5배 가량 멀리 떨어져 있으며  대략 지구로부터 3억 광년 떨어져 있는 것으로 추정할수 있었다.  

마지막으로 이미 알고 있는 머리털자리의 후퇴 속도를 거리로 나누어 허블 상수를 80km/sec/Mpc로 구하였다. 처녀자리에 있는M100의 거리는 부정확성으로 인해 대략 20%의 오차가 생길 수 있다고 생각했다.  

프리드먼의 허블 상수 결정은 샌디지의 것보다 상당히 큰 값이다. 결론적으로 이것은 우주의 나이가 좀더 어리다는 것을 말한다 만일 프리드먼이 옳다면, 우주는 단지 80억 년에서 120억 년 정도의 나이가 된다. 

프리드먼의  계산상의 오차에서 상당히 넓은 범위의 값들이 존재할 수 있고,또한 우주가 열려 있는지,닫혀 있는지 또는 편평한지에 대한 현재의 지식이 부족하다는 사실로부터도 상당한 오차가 존재한다. 

대부분의 과학자들에게 이러한 나이의 추정은 엉터리 계산으로 보일지 모른다. 우주에 있는 가장 오래 된 항성의 나이는 적어도 140억 년 정도 되었다 확실히 우주에 있는 별들은 그들을 포함하는 우주보다 나이가 많을 수 없다. 결국 그 누구도 자신의 어머니보다 나이가 많을 수 는 없는 것이다. 

오늘날, 우주론에서 가장 부담스런 문제 가운데 하나는 나이를 얼마나 정확히 측정할 수 있는가이다. 

우주와 별들의 나이 사이에서 나타나는 이러한 불일치를 설명하기 위하여 , 또 표준적인 우주 모델을 고안하기 위하여 수많은 천문학자들이 열심히 연구하고 있다. 

어떤 이들은 우주 상수의 부활을 제시하지만 상당수의 사람들은 대폭발 이론의 (또는 일반상대성 이론의) 해체를 주장하기도 한다. 

다른 이들은 프리드먼과 그의 추종자들이 제시한 우주의 나이 추정값은 정확도가 떨어지므로 버려야 한다고 믿고 있다. 나이의 딜레마를 푸는 작업은 우주의 거대 구조에 대한 자세한 이해가 필요하다. 

그 연구를 완성하기 위하여 천문학자들은 우주의 구조와 역사를 측정하는 시도를  통해 우주의 구석구석을 열심히 파악해 나가고 있다. 마치 우리의 선조들이 지구의 복잡한 지형을 양피지에 그려 나갔듯이, 현대의 '지리학자들'은 천문학적인 도구를 사용하여 구조와 변화로 가득 찬 우주의 초상화를 만들어 가는 것이다.