우주의 나이

 우주의 나이는 몇 살일까? 빅뱅은 언제 일어났을까? 

우주의 나이는 몇 살이나 되었을까?

우주의 나이 

 우리가 우주의 나이를 궁금해할 때 그 기준은 무엇일까? 일반적으로는 밀도가 높은 온도의 초기 상태로부터 어떠한 방법으로 우주가 팽창했는지 나타내는 빅뱅이 일어난 시점부터 현재까지의 시간입니다. 이 빅뱅(대폭발이라고 일컫는 사건) 발생 이후 우주의 온도는 낮아졌는데 이를 측정하는 방식으로 우주의 나이를 계산하는 것입니다. 이 방법으로 측정해 낸 우주의 나이는 무려 137억 살입니다. 지구의 나이는 방사능 연대 측정 방법을 통해 우리 지구의 나이가 45억 살이라는 사실을 밝혀졌습니다. 이처럼 온도의 감소, 방사성 동위 원소는 이들의 나이를 측정하는 나침반 같은 역할을 하는 셈입니다. 

 

추론 방법

 우리가 우주의 나이를 알아낸 방법은 위에서 간단히 말씀드렸습니다. 상식적인 선에서 보자면 당연히 우주 생성 이후에 별들이 탄생했을 것이고 별의 나이를 계산해 내면 우리 우주의 나이가 최소 얼마일 것이다 하는 답을 얻을 수 있을 것입니다. 이 관점에서 시작하여 질량을 가진 별이 소멸하면서 만들어지는 백색왜성의 온도를 측정하는 방식을 사용하게 됩니다. 그리고 현재 우리의 우주는 생성 당시부터 끊임없이 팽창해 나가고 있습니다. 팽창 과정의 속도와 시간을 역산한다면 우주의 생성 시점을 알 수 있을 것입니다. 또 다른 방법은 별들의 집단인 성단의 나이를 추정해 내 유추하는 것입니다. 성단 내 별들의 나이로 성단의 나이를 알 수 있으며 또다시 그것을 근거로 우주의 나이를 계산해 내는 것입니다. 또한 원시우주부터 현재의 우주까지의 생성과 진화를 설명하는 람다 CDM 모형은 이론적으로 이 흐름을 상세히 설명하고 있으며 충분한 관측 데이터를 근거로 하고 있습니다. 위에서 언급한 빅뱅 이후부터 현재의 우주까지를 우주의 나이로 정한 것은 국제천문연맹(IAU)입니다. 이 람다 CDM 이론을 적용하는데 가장 큰 어려운 점은 은하가 멀어지는 거리와 비례해서 속도가 높아진다는 허블 상수인데 이 허블 상수를 정확하게 구하는 것이 굉장히 힘든 일입니다. 그래서 허블 상수를 이용해 계산해 낸 우주의 나이는 결괏값이 일정하지 않거나 계산 오류로 잘못된 답을 얻게 되는 등의 문제가 있기도 했습니다. 나중에 마이크로파 온도 측정 위성의 데이터와 초신성 관측을 통해 얻은 값들로 정확한 우주 나이의 측정이 가능해졌습니다. 

 

우주의 역사

  19세기 중반에는 열역학 분야가 등장하여 우주의 나이가 무한할 수 없다는 생각을 도입했습니다. "닫힌 계의 엔트로피는 항상 증가한다"는 이 개념은 우주가 무한히 오래되었다면 그 안에 있는 모든 것의 온도가 동일할 것임을 시사합니다. 이러한 모순은 별과 생명체의 존재를 불가능하게 만들 것입니다. 이러한 인식에도 불구하고 이러한 모순을 바로잡을 수 있는 설명은 즉시 제공되지 않았습니다. 알베르트 아인슈타인이 일반 상대성 이론을 발표한 것은 1915년이 되어서였습니다. 이 이론을 바탕으로 조르주 르메트르는 우주는 정지 상태로 있을 수 없으며 팽창하거나 수축해야 한다는 것을 증명했습니다. 그러나 아인슈타인 자신은 정상 상태의 우주를 믿었고 따라서 이 믿음과의 일관성을 유지하기 위해 그의 방정식에 우주 상수라는 항을 추가했습니다. 지구가 수백만 년, 어쩌면 수십억 년에 달하는 나이를 가질 수 있다는 개념은 18세기 이후 주목을 받았습니다. 하지만 19세기와 20세기 초에 과학자들 사이에는 별들이 국지적으로 생성되고 소멸되는 동안 우주 자체는 확정된 나이가 없는 영원한 상태로 존재한다는 믿음이 널리 퍼져 있었습니다. 천문학자 에드윈 허블(Edwin Hubble)은 우주에 유한한 경계가 있다는 최초의 증거를 제공하는 데 중추적인 역할을 했습니다. 20세기에 허블과 그의 동료 천문학자들은 획기적인 발견을 했습니다. 이전에 "나선형 성운"으로 여겨졌던 것이 실제로는 우리 은하계 너머에 존재하는 별개의 은하계 외 존재였습니다. 먼 거리에 위치한 이 은하들은 선스펙트럼에서 적색편이를 나타냈는데, 이는 은하들이 우리에게서 멀어지고 있음을 나타냅니다. 특히, 적색 편이 정도는 은하의 거리에 따라 증가했는데, 이는 팽창 속도가 가속화되었음을 의미합니다. 이 획기적인 관찰은 우주가 정지된 상태가 아니라 지속적인 팽창 과정을 겪고 있다는 최초의 실질적인 증거가 되었습니다.

그 외

앞서 살펴본 람다 CDM 모형은 우주 역사의 타임테이블 같은 것입니다. 빅뱅 이후의 우주가 어떤 방식으로 팽창하며 성장하고 분화했는지 보여주는데 여러 가지 우주의 특질을 잘 이해할 수 있게끔 설명하는 표준 이론이라고 할 수 있습니다. 관측 시 발견되는 수소, 리튬, 헬륨의 비율이나 빅뱅 이론의 강력한 증거인 우주배경복사, 수소, 리튬, 헬륨의 비율등이 그러한 우주의 특질에 해당합니다. 함께 살펴보면 우주의 나이를 이해하는 것에 도움을 줄 수 있는 급팽창 이론은 초기 원시 우주와 관련된 공간 팽창 이론 개념입니다. 우주가 태어난 뒤 계속해서 팽창해 왔지만 그 당시의 팽창은 점차 느려졌습니다. 우리가 알고 있는 팽창이 가속하는 것은 우주 생성 후 60억 년 이상이 흐른 뒤에 암흑에너지의 영향으로 변화한 것으로 보는 주장입니다. 또 다른 참조할만한 천문학 관련 개념으로는 관측 가능한 우주가 있습니다. 망원경 및 탐사장비, 탐사선을 이용해 관측할 수 있는 모든 물질로 구성된 우주를 설명하는데 암흑 에너지로 인해 우주가 팽창하는 속도가 지속하여 빨라진다고 하면 그 범위 밖에 존재하는 행성들의 빛은 관측이 불가하다는 한계가 존재할 수 있습니다.