[과학의 법칙] 우리가 모르는 저 너머의 우주, '허블법칙'

안녕하세요, 블로그 지기입니다. 어린 시절, 까마득한 밤하늘과 그곳에 떠 있는 무수히 많은 별을 바라보며 펼쳤던 상상의 나래. 여러분의 상상 속에는 무엇이 있었나요? 이 전에 많은 과학자들이 밤하늘을 관측하며 여러 가설과 이론을 내세우고 천문학의 발전을 이끌었습니다.

오늘은 우주의 크기가 우리가 생각하는 것보다 크고 넓다는 것을 밝힌 ‘허블 법칙’과, 광대한 우주의 형태를 관측하는 다양한 방법에 관해 알아보겠습니다!

 

 

01

별의 거리를 알아보는 ‘연주시차’

   

까마득한 밤하늘을 바라보면 떠 있는 무수한 별들. 지구와 별 사이의 거리는 상상할 수 없을 정도로 멀리 떨어져 있는데요. 우리는 비교적 가까운 거리에 있는 별까지의 거리를 측정하기 위해서 기본적인 방법인 ‘연주시차’를 활용합니다. 

지구는 태양을 중심으로 공전한다는 사실, 모두 다 알고 계시죠? 공전하는 지구에서 바라보는 별은 언제나 이동하고 있으므로 시차가 발생합니다. 여기서 말하는 시차는 우리가 흔히 알고 있는 시간의 차이, 시차(時差)와 다른데요. 시차(視差)는 멀리 떨어진 두 지점에서 물체를 관측할 때의 방향의 차이에 따라 생겨나는 각도의 차이입니다. 지구에서 6개월 간격으로 별을 관측할 때, 관측한 두 지점에서 나타나는 시차의 반(1/2)을 연주시차라고 합니다. 

별까지의 거리(pc)=  1/(연주시차("))

위 식과 같이 연주시차가 클수록 별의 거리는 가깝습니다. 즉, 별의 거리와 연주시차는 반비례한다는 뜻이죠.  

 

 

02

우주 팽창의 발견을 도운 도플러 효과

  

오스트리아의 물리학자인 도플러는 파동이 관측자에게 가까워질 때, 파장이 짧아져서 서로 압박되므로 더 높은 음으로 들리고, 반대의 경우에는 더 낮은 소리로 들린다는 것을 발견했는데요. 천체와 관련된 이야기를 하다가 갑자기 소리라니! 뜬금없을 수 있겠지만, 도플러 효과는 소리뿐만 아니라 빛에서도 관찰할 수 있습니다.

지구와 멀리 떨어져 있는 별들은 움직이지 않는 것처럼 보이지만, 사실 각자 고유의 운동을 하고 있습니다. 그리고 별은 운동하면서 지구와 가까워지기도, 멀어지기도 합니다. 이때, 별의 파장은 길어지기도, 짧아지기도 하는데요. 빛의 스펙트럼에서 별이 관측자에게서 멀어져 파장이 길어지는 것을 적색이동 또는 적색편이라고 하고, 반대로 파장이 짧아지는 것을 청색이동, 청색편이라고 합니다. 

 

 

03

팽창하는 우주의 발견, 허블 법칙

   

앞서 우리는 적색편이와 청색편이 현상에 대해 알아보았는데요. 천문학자인 에드윈 허블은 은하의 적색편이 현상을 바탕으로 은하들의 스펙트럼을 관찰하고 분석하였습니다. 그 결과, 외부 은하의 후퇴 속도, 즉 은하가 멀어지는 속도는 은하까지의 거리에 비례한다는 허블 법칙을 주장했습니다.  

V=Hr

앞선 식에서 V는 적색편이로 측정한 은하의 후퇴 속도이고, r은 은하까지의 거리, 그리고 H는 비례상수로 유명한 허블 상수를 의미합니다. 이 식을 말로 풀어서 설명해 드리면, 은하 A가 은하 B보다 두 배 더 멀리 떨어져 있는 경우, 은하 A는 이와 비례하여 두 배의 속도로 멀어지고 있다는 것을 뜻합니다. 

사실, 허블 법칙으로 널리 알려진 이 법칙의 명칭은 2018년 ‘허블-르메트르 법칙’으로 변경되었습니다. 우주 팽창에 관한 논문을 허블보다 2년 일찍 발표한 조르주 르메트르의 연구를 인정한 것이죠. 따라서 이 글을 읽은 여러분은 허블-르메트르의 법칙으로 기억해주시길 바랍니다.

 

 

04

아인슈타인, 일생 최대의 실수?

   

우리가 알아본 허블의 법칙은 결국 우주가 팽창하고 있다는 것을 의미합니다. 하지만 허블 법칙은 당시 물리학계를 주름잡던 아인슈타인의 정상우주론에 반하는 주장이었죠. 

아인슈타인의 정상우주론은 우주는 늘 같은 상태를 유지하고 변화하지 않는다는 이론이었습니다. 즉, 시작과 끝이 없는 우주의 모든 곳은 같고 시간에 따라 변하지 않는 정적인 공간이라는 것이었는데요. 은하의 적색편이 현상을 바탕으로 한 허블의 법칙이 등장하며 아인슈타인의 정상우주론은 철회가 됩니다! 


오늘은 머나먼 우주를 관측하는 방법과 함께, 기존의 주장을 뒤엎고 우주의 팽창을 이야기한 허블의 법칙에 관해 알아보았는데요. 함께 떠나본 우주여행, 재미있으셨나요? 다음에는 더욱 신비한 과학의 세계로 초대하겠습니다.

---

  

종합 케미칼 & 에너지 리더,

한화토탈에 대해 더 알고 싶다면?