빅뱅우주론의 등장과 확립
우주가 팽창하고 있다는 사실은 과거 우주의 크기가 현재보다 작았다는 것을 뜻한다. 즉, 시간을 거슬러 아주 먼 과거로 되돌아가면 우주의 크기는 점점 작아지고, 우주의 물질들은 서로 가까워져 결국 모든 물질은 아주 작은 한 점에 모일 것이다. 과학자들 은 이처럼 모든 물질과 에너지가 모인 한 점에서 대폭발이 일어나 우주가 시작되었으 며 지금도 계속 팽창하고 있다고 설명한다. 이를 빅뱅(대폭발) 우주론이라고 한다. 빅뱅 우주론에 의하면 대폭발로 우주가 탄생한 이후 기본 입자들이 만들어졌고, 이 기본 입자들로부터 지구와 생명체를 비롯한 우주를 이루는 모든 물질이 만들어졌다.
(1)정적 우주론
1920 년대까지 많은 과학자가 지지한 우 주 모형으로, 우주는 무한하고 영원히 변하지 않는다고 (정적인 우주) 주장하였다.
① 뉴턴(Newton, I., 1642~1727): 뉴턴은 우주의 모 든 물체가 모든 방향으로 같은 크기의 힘으로 당겨지기 때문에 우주는 수축하지 않는다고 설명하였다. 그러나 이와 같은 우주는 어떤 물체 주변에 약간의 변화만 일 어나도 중력의 균형이 깨지면서 우주가 역동적으로 움 직이게 된다는 모순을 갖고 있다.
② 아인슈타인(Einstein, A., 1879~1955): 정적인 우 주를 지지하던 아인슈타인은 1917 년 일반 상대성 이 론을 우주 모형에 적용하던 중 수축하는 우주 모형이 되는 것을 막기 위해 우주 상수라는 항목을 방정식에 추가하였다.
(2)팽창 우주론
1922 년 프리드만(Friedman, A. A., 1888~1925)은 아인슈타인의 방정식에서 우주 상수 를 빼고 팽창하고 있는 동적 우주 모형을 계산하였다. 그는 일반 상대성 이론의 수학적 풀이에 근거하여 닫힌 우주, 평탄 우주, 열린 우주 세 가지 가능성을 제시하였 다. 우주 전체 질량이 어느 값보다 작으면 우주의 중력 이 팽창을 극복하지 못하여 계속 팽창하는 모델, 중력 이 천체들을 잡아당겨 한 점을 향해 계속 수축하는 모 델, 중력 때문에 팽창 속도는 줄지만 무한대로 팽창하 지는 않는 진화하고 변해가는 모델이 그것이다.
(3)팽창 우주론의 증거
허블( Hubble , E . P . 1889~1953)은 외부 은하를 관측하여 외부 은하들이 우리 은하로부터 멀어지고 있으며, 특히 멀리 있는 은 하일수록 더욱 빠른 속도로 멀어지고 있다는 사실을 알 아냈다. 허블의 관측으로 1929 년 정적 우주론과 팽창 우주론 사이의 논쟁에 마침표를 찍게 되었다.
(4)빅뱅(대폭발)
우주론의 등장과 확립: 팽창하고 있는 우주 에서 시간을 거꾸로 돌리면 은하들은 서로 가까워지고 우주는 점점 작아지다가 결국에는 모두 한 점에 모이게 될 것이다. 이처럼 모든 물질과 에너지가 모인 한 점에 서 대폭발로 우주가 탄생하였고 이후 계속 팽창하면서 기본 입자들을 비롯한 우주를 이루는 모든 물질이 만들 어졌다고 주장하는 이론이 빅뱅 우주론이다. 이 우주론 은 1948 년 가모프(Gamow, G., 1904~1968)가 제시하였다. 빅뱅 우주론은 우주에 존재하는 물질의 분 포를 잘 설명하고 관측 사실과도 일치하면서 현재는 가 장 널리 인정받는 우주론이 되었다.
➊ 허블은 외부 은하들의 거리와 후퇴 속도를 관측하여 거 리가 먼 은하일수록 후퇴 속도가 빠르다는 것을 알아냈 다. 허블의 관측은 모든 은하는 서로 멀어지고, 멀리 있 는 은하일수록 더 빨리 멀어지는 것이므로 우주가 팽창 하고 있음을 의미한다.
➋ 가모프는 빅뱅(대폭발) 우주론을 주장하였고, 호일 (Holye, Sir F., 1915~2001)은 정상 우주론을 주 장하였다.
➌ 가모프와 호일의 우주 모형 모두 우주가 팽창하고 있 다. 그러나 가모프는 우주가 대폭발로부터 시작하여 초 기에 수소와 헬륨이 만들어졌으며, 우주가 팽창함에 따 라 우주의 밀도가 계속 낮아졌다고 설명한다. 호일은 우주가 팽창함에 따라 넓어지는 은하 사이의 공간에 새 로운 물질이 계속 생성되어 우주의 전체적인 밀도는 일 정하게 유지된다고 설명한다. 빅뱅우주론의 증거 우주배경복사 / 헬륨의 질량비
1. 우주 배경 복사
중성 원자는 전하를 띤 원자핵이나 전자와 달리 빛의 진로를 방 해하지 않으므로 중성 원자가 생성되면서부터 빛이 우주 공간 으로 퍼져 나갈 수 있게 되었다. 빅뱅 우주론을 연구하던 가 모프 등은 이때 퍼져 나간 빛이 우주 배경 복사로 관측될 것이라고 예상하였다. 1964 년 펜지어스와 윌슨은 통신 실험을 하던 중 우주의 모든 방향에서 동일한 세기로 관측되는 전파 신호를 발견하였다. 이것은 빅뱅 우주론을 지지하는 과학자들이 예상했던 우주 배경 복사가 관측된 것이다.
(1)정의
빅뱅 이후 약 38만 년이 될 때까지 물질과 섞여 있던 빛이 원자가 형성됨에 따라 물질과 분리되어 우주 로 퍼져나갔다. 우주가 팽창하면서 우주의 온도가 낮아 져 빛의 파장이 길어졌다. 현재는 이 빛이 마이크로파 영역에서 관측되었는데, 이를 우주 배경 복사라고 한다.
(2)우주 배경 복사의 관측
우주 배경 복사는 우주 공간의 모든 방향에서 관측되며, 우주의 어느 방향에서든 복사 의 세기가 같다. 펜지어스와 윌슨에 의해 최초로 관측 되었으며, COBE 위성, WMAP 위성, 플랑크 위성 등이 우주 배경 복사를 관측하였다.
2. 헬륨의 질량비
초기 우주에서의 헬륨 생성 우주 나이 1초 이후 우주에 존재하는 양성자 와 중성자의 개수비는 7 : 1이었다. 따라서 양 성자 2개, 중성자 2개로 된 헬륨 원자핵이 1개 만들어질 때, 수소 원자핵은 12개가 만들어진 다. 양성자와 중성자의 질량은 거의 같으므로, 수소 원자핵 1개의 질량과 헬륨 원자핵 1개의 질량비는 1 : 4가 된다. 이를 이용하여 우주에 존재하는 수소 원자핵과 헬륨 원자핵의 질량 비를 계산해보면 3 : 1이 된다는 것을 알 수 있다. 이 결과는 우주에서 헬륨이 차지하는 질량비를 의미하고, 이는 우주에서 가장 오래된 별의 헬륨 함량과도 유사하다.
•절대 온도 K는 1848년 켈빈 (Kelvin)이 도입하여 ‘켈빈 온도’라 고도 하며, 섭씨온도(¾) +273.15 이 다.
•중성자의 질량이 양성자의 질량보 다 약 0.1% 크다. 양성자와 중성자 의 질량은 각각 전자 질량의 1836배 와 1839배이다.
•헬륨(He)은 1868년 프랑스의 천문 학자 장센(Jules Janssen)이 태양의 스펙트럼에서 처음 발견하였다. 헬 륨(Helium)의 이름은 그리스 신화에 나오는 태양의 신 ‘헬리오스(Helios)’ 에서 유래하였다.
•헬륨 다음으로 무거운 원소인 리 튬(Li)과 베릴륨(Be), 붕소(B)도 대부 분 우주 초기 핵융합으로 생성되었 다
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