팽창하는 우주 (Expanding Universe)
쉽게 풀면
우주 공간 자체가 풍선처럼 계속 부풀어 오르고 있어서, 멀리 있는 은하일수록 더 빨리 멀어지는 것처럼 보인다.
왜 중요한가
우주 팽창은 허블 법칙으로 확립된 이후 우주에 시작이 있었다는 빅뱅 추론의 출발점이 되었고, 먼 천체의 적색편이를 거리와 시간으로 번역하는 근거가 됩니다. 팽창률의 역사를 재는 것이 암흑에너지와 암흑물질 비율을 결정하는 핵심 관측이며, 1998년 가속 팽창의 발견은 우주 구성에 대한 이해를 바꾸었습니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
프리드만은 아인슈타인의 일반상대성이론 방정식으로부터 정적이지 않고 시간에 따라 팽창하거나 수축할 수 있는 우주 모형을 수학적으로 유도했다.
멀리 있는 은하일수록 더 빠르게 멀어지고 있다는, 우주 팽창을 뒷받침하는 관측 결과입니다.
조금 더 깊게 보면
팽창은 은하가 공간 속을 날아가는 것이 아니라 공간 자체가 늘어나는 것이므로, 팽창의 중심이나 바깥은 없습니다. 은하·성단·태양계처럼 중력으로 묶인 계는 팽창하지 않으며, 원자나 자가 커지지도 않습니다. 충분히 먼 은하는 광속보다 빠르게 멀어지지만 이는 상대성이론과 모순되지 않는데, 공간의 팽창은 물체의 국소 운동이 아니기 때문입니다. 팽창은 프리드만 방정식이 기술하는 척도인자의 변화로 정량화되며, 물질 우세기와 복사 우세기에는 팽창이 감속했지만 최근 수십억 년은 암흑에너지 때문에 가속으로 전환되었다는 것이 관측으로 확인되어 있다.
주의할 점
우주 팽창은 은하 자체나 태양계처럼 중력으로 강하게 묶인 계 내부에서는 일어나지 않으며, 은하 간 대규모 공간에서 나타나는 현상이다. 허블 상수는 팽창의 현재 순간값일 뿐이며, 과거 팽창률은 이보다 훨씬 컸으므로 허블 상수를 그대로 과거에 외삽해 나이나 거리를 구하면 오차가 커진다. 또한 팽창은 3차원 공간 전체에서 균일하게 일어나며 특정한 중심점에서 퍼져나가는 것이 아니므로, 모든 관측자가 자신을 중심으로 다른 은하들이 멀어지는 것처럼 본다는 점도 함께 이해해야 한다. 팽창을 은하들이 폭발로 튕겨 나가는 것으로 그리는 통속적 비유는 틀린 설명이며, 실제로는 은하들의 공변 좌표는 그대로인 채 척도인자가 커지면서 은하 사이의 고유거리가 늘어나는 것임을 구분해야 한다.