허블의 법칙 (Hubble's Law)

한 줄 정의: 은하가 지구에서 멀리 떨어져 있을수록 더 빠른 속도로 멀어진다는, 우주가 팽창하고 있음을 보여주는 관측 법칙입니다.

쉽게 풀면

건포도가 콕콕 박힌 빵 반죽을 오븐에 구우면 반죽 전체가 부풀어 오르면서, 어느 건포도를 기준으로 봐도 다른 모든 건포도가 자신에게서 멀어지는 것처럼 보입니다. 그리고 원래 더 멀리 있던 건포도일수록 같은 시간 동안 더 크게 멀어집니다. 우주도 이와 비슷합니다. 미국의 천문학자 에드윈 허블은 여러 은하를 관측한 끝에, 멀리 있는 은하일수록 우리에게서 더 빠른 속도로 멀어지고 있다는 사실을 발견했습니다. 이는 우주 공간 자체가 마치 빵 반죽처럼 사방으로 부풀어 오르고 있다는 뜻이며, 이 발견은 우주가 정지해 있지 않고 계속 팽창하고 있다는 대폭발(빅뱅) 우주론의 핵심 증거가 되었습니다.

왜 중요한가

허블의 법칙에서 도출되는 허블 상수는 우주의 팽창 속도뿐 아니라 우주의 나이와 크기를 추정하는 데도 쓰이는 근본적인 값이기 때문에, 현대 우주론 연구에서 가장 정밀하게 측정하려는 목표 중 하나입니다. 최근에는 서로 다른 관측 방법(초신성 관측과 우주배경복사 관측 등)으로 구한 허블 상수 값이 미묘하게 어긋나는 이른바 "허블 긴장(Hubble tension)" 문제가 우주론의 큰 미해결 과제로 다뤄지고 있어, 관련 논문이 꾸준히 발표되고 있습니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

"관측된 은하들의 적색편이와 거리 자료를 바탕으로 허블 상수를 재산정한 결과, 기존 연구와 유의한 차이를 보였다."

이 문장은 은하의 빛이 얼마나 붉은 쪽으로 치우쳐 보이는지(적색편이)를 측정해, 은하가 멀어지는 속도와 거리 사이의 비례 상수(허블 상수)를 다시 계산했다는 뜻입니다.

"Ia형 초신성을 표준광원으로 이용해 측정한 허블 상수는 우주배경복사 기반 추정치와 통계적으로 유의한 차이를 보여, 허블 긴장 문제를 뒷받침하는 결과로 해석되었다."

서로 다른 두 관측 방법으로 구한 우주 팽창 속도 값이 일치하지 않는다는 것을 보여, 현재 우주론 모형에 아직 설명하지 못한 부분이 있을 수 있음을 시사한다는 뜻입니다.

"제임스웹 우주망원경으로 관측한 초기 우주 은하들의 적색편이 자료를 이용해 국소 우주와는 다른 시기의 팽창률을 추정하였다."

더 먼 과거, 즉 더 어린 우주의 팽창 속도를 관측해 시간에 따라 팽창률이 어떻게 달라져 왔는지를 살펴봤다는 의미입니다.

조금 더 깊게 보면

허블 상수는 크게 두 가지 방식으로 측정됩니다. 하나는 초신성이나 세페이드 변광성처럼 밝기를 이미 알고 있는 천체(표준광원)의 거리와 적색편이를 직접 관측하는 방법이고, 다른 하나는 우주배경복사의 미세한 온도 편차를 우주론 모형에 대입해 간접적으로 계산하는 방법입니다. 두 방법으로 얻은 값이 서로 다르게 나오는 허블 긴장 현상은 관측 오차 때문일 수도 있고, 표준 우주론 모형 자체에 수정이 필요하다는 신호일 수도 있어 아직 논쟁이 진행 중인 주제입니다. 논문에서 어떤 관측 방법으로 허블 상수를 구했는지를 명시하는 것은 이 논쟁의 맥락을 이해하는 데 중요합니다.

주의할 점

허블의 법칙은 은하들이 우주라는 고정된 공간 "안에서" 폭발하듯 사방으로 흩어져 날아간다는 뜻이 아닙니다. 실제로는 은하 사이의 공간 자체가 늘어나면서 은하들 사이 거리가 멀어지는 것입니다. 또한 은하까지의 거리와 멀어지는 속도(적색편이)는 분광법으로 빛을 분석해 알아내며, 이렇게 추정한 우주의 나이는 별 하나하나가 태어나고 죽는 별의 진화 시간표와도 서로 맞아떨어져야 합니다.