우주는 은하의 대집단이다. 미국에 있는 거대한 허블 망원경으로 우주를 관측한 결과 현재까지 은하보다 더 큰 천체는 관측되지 않았다고 한다.따라서 우주란 은하들이 모여있는 집단이다. 우주의 구성원은 은하세계이다. 여기서 은하는 별의 대 집단을 한다. 보통의 은하들은 대개 약 1000억개의 별들이 둥글게(타원 은하)나 나선형(나선 은하)이나 불규칙하게(불규칙 은하)로 모여 있는 것이다. 이와 같이 별들이 약 1000억개 이상이 모인 것이 은하이며, 다시 이 은하들이 거대한 공간에 모여 있는 것이 우주인것이다.
우주의 끝은 어디일까? 불랙홀을 빠져 들어가면 끝이 없는 것일까? 다른 우주가 있는지는 관측이 되지 않았지만 우주에 끝이 있다는 사실은 다음의 두 법칙을 통해서 확인은 할수 있는것이다. 첫번째는 빛의 속도이다. 이 세상에서 빛의 속도보다 빠른 물체는 없다..두번째는 허블의 법칙이다. 허블의 법칙이란 멀리 있는 은하가 더 빨리 멀어지고 있는 것을 말하는 법칙이다. 즉, 멀리 있는 은하가 더 빠른 속도를 갖는다.이 두가지 법칙을 결합하여 이야기 하면 가장 멀리 있는 은하의 속도는 가장 빠른 속도인 빛의 속도로 움직이는 은하이다. 다시 말해 빛보다 빠른 물체는 없으므로, 이 은하보다 먼곳에는 어떤 물체도 없다. 이 곳(빛의 속도로 멀어지고 있는 은하가 있는 곳)이 바로 우주의 끝이다.
그럼 과연 우주을 넘어서는 무엇이 있는가?우주의 끝을 넘어서는 아무것도 없다.우주의 끝은 가장 빠른 속도인 빛의 속도로 약 150억년을 날아가야 하는 곳에 있다.그렇다면 이 넘어에는 무엇이 있을까? - 해답은 아무것도 없다.-흔히 이렇게 이야기하면 우주의 끝을 넘어서는 "진공상태"이라고 생각할 것이다. 그러나 우주의 끝은 진공조차 없다. 우주의 끝을 넘어서는 공간이라는 것조차 존재하지 않는다고 한다. 왜냐하면 아인 슈타인의 상대성 이론에 의하면 공간이란 물질(질량)이 있어야만 존재하는 것이라고 했다.
따라서 우주의 끝을 넘어서는 아무 물질도 존재하지 않으므로 공간조차도 존재하지 않는다.
빅뱅
빅뱅은 우주에 생성에 관한 것이다.맨처음 하나의 밀집된 입자들이 있었는데 그것들이 폭발 하면서 우주가 생성된 것을 말한다.
첫 번째 - 헬륨에서 리튬에 이르는 가벼운 원소들의 함량 빅뱅이후 약 1초가 되었을 때 팽창하는 가스 구름은 대부분 양성자와 중성자로 이루어져 있었다. 1초 직전에 이 가스의 온도는 100억도 였다. 이 시기에 양성자와 중성자는 평형에 놓여 있었다. 온도가 10억도가 되었을 때 둘 사이의 비율(n/p)은 1/7로 떨어졌다. 더욱이 그 온도는 이제 핵반응이 일어날 만큼 충분히 낮아서 핵합성의 시대가 시작되었다. 몇분 내에 온도가 너무 차가워져서 핵반응이 일어날 수 없게 되었고 핵합성의 시대가 끝나고 만다. 따라서 수백초의 기간 내에 우주의 중수소, 삼중수소, 헬륨-3, 헬륨 -4, 그리고 리튬-7(세개의 양성자 + 네개의 중성자)의 대부분이 생산되었다. 그러나 이들중 상당한 양으로 생산된 것은 헬륨-4뿐이었다. 우주 수소의 약 25%가 헬륨-4로 전환되었다. 그리고 다른 가벼운 원소들은 아주 적은 양(<<1%)만이 생산되었다. 파울러와 호일 그리고 와그너에 의해 출판된 논문은 우주가 악 25%의 헬륨과 작지만 특수한 양의 중수소, 헬륨-3, 그리고 리튬-7으로 이루어져 있어야만 한다고 예측했다. 천문학자들의 관측에 의해 이제 헬륨-4와 헬륨-3, 그리고 중수소, 리튬-7에 대한 그들의 예측은 입증되었다.
두 번째- 기본 입자들의 세대수 슈람과 건 그리고 스타이거맨은 우주 내의 헬륨의 함량을 알면 기본 입자들의 세대수를 빅뱅이론에 의해 결정할 수 있다는 것을 알아냈다. 우주 안에 있는 헬륨의 함량이 23%에 가깝다는 것이 밝혀졌다. 이것은 가능한 세대의 수를 세 개 혹은 네 개로 낮추었고, 지금까지 입자물리학자 들이 밝혀낸 입자들의 세대수는 3세대 이다. 이 예측은 우리가 여전히 얼마나 많은 종이 있는지를 실험적으로 알지 못하고 있다는 사실을 고려할 때 특별히 강력한 것같이 보이지 않을지도 모른다. 그러나 대폭발과
독립적으로 종의 숫자를 결정하는 또 하나의 방법이 있다. Z 입자는 매우 짧은 생명을 갖는데 이 입자의 일생이 입자들의 세대와 관련이 있다. UCLA의 데이비드 클라인과 그의 그룹이 Z입자의 일생을 측정했는데 그 결과는 세개의 세대와 일치한다. 물론 그 실험에는 불확실성이 있으므로 한 개 혹은 두 개의 세대가 더 존재할 가능성은 있다. 그러나 이것은 여전히 대폭발 예측과 좋은 일치를 보이고 있다.
세 번째- 우주배경복사 우주의 초기 모습을 생각해보자. 우주의 어느 곳에 관측자가 위치하든지 그 관측자에게는 사상의 지평선이 존재한다. 빅뱅 이후 300,000년이 지나서 원자가 형성될 때 물질과 복사가 분리되었다. 우주의 모든 곳에서 발생한 복사는 공간속으로의 여행을 시작한다. 관측 가능한 우리 우주의 지평선 부근에서 출발한 복사는 우주의 팽창으로 식어지면서 이제야 우리에게 도착한다. 그렇다면 이 복사가 빅뱅으로부터 나온 것임을 어떻게 확신할 수 있을까? 한가지 방법이 있다. 그것은 열복사 즉 흑체복(blackbody radiation)이어야만 한다. COBE 이전의 관측으로 흑체복사 곡선
의 장파장 쪽은 확인되었고, 복사가 사자자리 방향에서 최대이며 그 반대방향에서 최소라는 것이 밝혀졌다. 이는 우리가 약 600km/sec 의 속도로 사자자리 방향으로 움직이고 있다는 것을 의미한다.
정상우주론
정상우주론에서도 우주공간은 현재 모든 곳에서 일정한 비율로 늘어나고 있다고 한다. 그러므로 멀리 있는 은하일수록 더 빨리 멀어진다. 즉 허블의 법칙이 성립한다. 공간이 팽창하지 않았더라면 무한한 시간 동안 태어났던 별들이 계속 죽으며 쌓여 오늘날 우주는 죽은 별들로 꽉 차 있을 것이다. 그러나 새 공간이 계속 생기므로 그럴 염려는 없다. 공간이 팽창하면 밀도가 낮아진다. 따라서 우주의 상태가 시간이 흘러도 변하지 않으려면 물질이 꾸준히 생겨나야만 한다. 그래야만 새로 생긴 물질로부터 별과 은하가 태어나 우주를 여전히 밝혀줄 수 있다.아마 독자들은 물질이 무(無)에서 저절로 생겨난다는 이 생각이 터무늬 없다고 할 것이다. 그리고 물질 생성을 밑바탕으로 삼는 정상우주론은 엉터리라고 속단할지 모른다.이 가정이 과연 마땅한가를 견주기 위해 표준우주모형에서 물질이 기원하는 원리를 살펴보자. 표준모형에서는 우주생성 직후에 어떤 기운(양자역학에서 양자장(quantum field)이라고 부른다)이 우주를 가득 채우고 있다고 가정한다. 우주가 팽창하면서 온도가 떨어지면 그 기운은 어느 한 시기에 음의 압력을 내게 된다. 그리고 음의 압력은 물질 사이에 밀힘을 일으켜 우주공간이 급팽창하고, 공간이 팽창한만큼 우주의 에너지가 증가한다고 한다. 이 양자장의 에너지가 급팽창이 끝나면서 물질로 바뀌는 것이다. 현재 태어나 있는 모든 천체들은 지금이 아닌 아주 먼 과거에 이렁난 물질생성 때문이라는 것이다. 정상주주론에서처럼 물질생성이 지금 이 순간에도 일어난다면 불합리하고, 표준모형에서처럼 우리가 직접 들여다 볼 수 없는 아득한 옛날 일이면 괜찮다고 할 수 있을까? 정상우주론에서는 지금 현재도 우주에 양자역학적인 기운이 퍼져 있고, 거시적인 규모에 기운에 세고 약한 차이가 있어 물질이 모든 곳에서 조금식 생겨난다고 생각한다. 이렇게 정상우주론과 대폭발 우주론에서 물질이 생기는 원리는 별로 다르지 않다. 흔히들 대폭발 우주모형이 우주배경복사의 존재를 예측했고, 물질의 원소구성 비율(예를 들어 수소와 헬륨의 비가 3:1)을 설명했다는 점이 이 모형의 가장 큰 성공사례라고 말한다. 그러나 정상우주론도 이 관측사실들을 자연스럽게 설명할 수 있다. 호일은 요즘 그가 세운 본래의 정상우주론을 조금 개선하여 준정상우주론(quadi-steady state cosmology)을
주장하고 있다. 새 모형에서 우주는 늘 같은 꼴로 있지는 않고, 짧은 시기 동안에는 잠깐씩 진화할 수 있다. 그러나 오랜 시간에 걸쳐 보면 우주는 역시 꼭 같은 모습을 유지한다. 마치 표준모형이 가정하는 우주원리에서 우주는 거시적으로 보았을 때 균질하고 등방이나, 자세히 보면 별, 은하, 은하단, 우주거대구조 등이 널려 있어 매우 불균질하고 비등방인 것과 마찬가지이다. 준정상우주모형에서 물질은 우주공간 모든 곳에서 서서히 생겨나지 않고, 검은 구멍 둘레처럼 중력이 매우 강한 곳에서 급격한 공간 팽창과 함께 폭
발적으로 생겨난다. 즉 표준모형에서의 급팽창과 같은 현상이 이미 존재하는 우주공간 안에서 산발적으로 일어난다. '자그마한 대폭발들(mini-Big Bangs, 이하 작은 빅뱅)'이라고나 할까? 일반상대론적으로 이 메커니즘을 따져보면, 우주 어느 한 곳에서 이러한 공간 팽창과 물질생성이 꽤 크게 일어나면, 우주는 한동안 팽창하게 되고 또 다른 폭발은 일어나기 매우 힘들어짐을 알 수 있다. 얼마 뒤 공간 팽창이 느려지면 새로운 폭발이 이러날 가능성이 높아져 우주는 공간과 물질을 생성할 새로운 씨앗을 싹트게 한다. 작은 빅뱅마다 물질과 공간이 창조되는 짧은 시기와 이들이 자유롭게 팽창하는 긴 시기가 있어 전체 우주공간은 조금씩 진동하면서 팽창하고 있다는 것이다.우주배경복사는 작은 빅뱅으로부터 터져나온 물질 입자가 주위에 있는 물질과 부딪힐 때 생긴 빛이 쌓여 만들어진다. 또한 이 빛은 그후 수십 번 물질에 흡수되었다가 사방으로 재방출되면서 흑체복사의 에너지 스펙트럼을 띠게 되고, 공간적으로 매우 고르게 된다. 이 우주배경복사의 온도가 2.73도이려면 작은 빅뱅을 일으키는 고중력 천체의 질량은 태양질량의 약 1016배이어야 한다. 이것은 대체로 우주거대구조의 질량과 같다.한편 작은 백뱅에서는 질량이 10-5g정도인 입자(플랑크 입자)들이 생긴다. 이들이 붕괴를 거듭하며 만들어낸 소립자들은 주변 온도가 1010도 정도로 낮아지면 핵합성을 한다. 이때 물지르이 약 24%는 헬륨이 되고, 나머지는 수소로 남는다. 중원소도 극히 일부 만들어진다.준정상우주모형은 이렇게 우주배경복사와 물질의 원소비를 잘 설명할 뿐 아니라, 표준우주론이 안고 있다.다른 문제들도 해결해준다. 예를 들면 준정상우주론에서는 보통의 물질 이외에 암흑물질이 필요없다. 표준모형에서 우주의 밀도는 임계밀도와 꼭 같아야 하는데, 실제로는 그것의 약 10분의 1쯤으로 관측된다. 즉 우주질량의 9할 이상은 아직 정체를 모르는 물질로 채워져 있다는 것이다. 수많은 천문학자들과 물리학자들이 이 암흑물질의 분포와 정체를 밝히려 했으나 헛수고였다. 준정상우주론은 그 까닭이 우주에는 그런 암흑물질이 없기 때문이라고 설명한다.
태양계의 생성
성운설에 의하면 우리 태양계는 별이 죽으면서 생겨난 성간 물질들 속에서 생성되었다. 약 50억년 초신성 하나가 폭발 하면서 발생한 충격파가 성간 구름 사이를 통과하면서 밀도가 높은 덩어리가 생겨나 원시 태양 성운이 되었다.
압축이 시작되면 덩어리는 부피가 줄면서 회전하게 된다. 구름은 처음에는 아주 천천히 돌지만 안으로 모여들면서 점점 그 속도가 빨라 진다.빨리 돌면 이번에는 점점 원심력이 커지기 때문에 가로 방향으로는 수축하기가 어려워진다. 그래서 전체가 점점 수축하면서 세로방향으로 원심력이 작용하지 않고 가로방향으로 원심력이
크게 작용하므로 가스구름은 점점 납작해져서 원반모양을 이루게 된다. 원반의 중심 부분에는 물질이 아주 많이 모여들기 때문에 자기가 가진 중력 때문에 점점 수축하고 뭉쳐져서 별이 된다. 태양계의 가스 구름 중심에 뭉쳐진 것이 바로 원시 태양이다. 원시 태양이
수축하면서 빛과 열이 방출되면서 주위에 있는 가스를 멀리까지 날려 보낸다.
그리고 그 바깥쪽의 남은 가스 물질에서 지구와 같은 행성들이 생성되었다. 즉, 별은 중력 수축을 계속하면서 결국 중심의 온도가 아주 높아져서 충분히 핵융합 반응이 일어나지만, 행성이라는 것은 별과 달라서 중심 온도가 낮기 때문에 핵융합 반응이 일어나지 않는 천체다. 바깥으로 밀려난 가스구름이 뭉쳐져서 미행성체가 만들어지고, 이것들이 서로 충돌하면서 깨어지기도 하지만 더 많이 뭉치게 되어서 여러 개의 행성을 만들게 된다.
태양을 중심으로 공전하고 있는 행성들의 공전궤도가 거의 같은 평면에 있고, 수성이나 금성, 화성, 달과 같은 행성이나 위성의 표면에 수많은 크레이터가 존재하는 것은 이때문이다.
만유인력의 법칙
모든 물체는 다른 물체들을 질량과 거리에만 관계되는 매우 간단한 방법으로 끌어당긴다.뉴튼(Newton)에 의하면 모든 질량을 가진 물체는 다른 물체를 두 물체의 질량에 비례하고 두 물체 사이의 거리의 제곱에 반비례하는 힘으로 다른 물체를 끌어 당긴다.
이 힘은 질량이 있는 물체라면 반드시 존재하므로 만유인력이라고한다. 따라서 수박의 크기도 지구가 잡아당기는 중력을 이용하면 계산할 수 있다. 이 법칙은 Newton이 발견하였기 때문에 Newton의 법칙이라고 부른다. 여기서 m1과 m2는 질량이며 d는 두 질량중심 사이의 거리입니다. 따라서 질량 m1과 m2가 크면 클수록 인력은 커진다. 두 물체 사이의 거리가 커지면 커질수록 인력은 그것들의 질량중심 사이의 거리의 제곱에 반비례하여 약해진다. 즉, 거리가 2배로 멀어지면 인력은 제곱인 4배로 약해진다. (역자승법칙)
책상위에 물체가 놓여져 있습니다.지구가 물체를 잡아당기는 힘과 같은 힘으로 물체도 지구를 잡아당기고 있다.이 두 힘은 크기는 같고 방향은 반대이다. 만유인력 상수 G 만유인력을 나타내는 비례식은 만유인력 상수라고 부르는 비례상수 G를 도입하면 완전한 방정식으로 표시할 수 있다. G는 비례상수로 Henry Cavendish에 의해 측정되었습니다.G를 측정하기 위해 Cavendish는 비틀림 저울을 사용하였다. 비틀림 저울은 매우 민감하여 조그만 힘에도 회전을 한다.이때, 비틀린 각도와 저울의 특성인 비틀림 상수만 알면 두 물체 B와 M사이의 만유인력을 구할 수 있게 되는 것이다.
(Fundamentals of Physics - Holiday, Resnick, Walker)정밀한 실험 결과, G의 값이 밝혀졌다.G의 단위는 힘의 단위가 되도록 정해진다. G = 0.000000000067 = 6.7 × 10 -11 Nm2(제곱)/kg2(제곱) G의 값이 매우 작으므로 우리는 만유인력이 매우 약한 힘이라는 것을 말해줍니다.만유인력은 현재까지 알려진 네 개의 기본 힘들중 가장 약한 힘이다.지구 정도의 질량을 갖는 물체가 관계될 때에만 적절한 크기의 중력을 감지할 수 있다. 지구에서는 들지도 못할 정도로 무거운 물체가 달에서는 무게가 1/6로 줄어드므로 충분히 들수도 있다.
천동설
우주의 중심에 지구가 있고, 태양과 행성, 별 등의 모든 천체가 지구의 둘레를 돈다는 설.지금으로부터 2000년전 그리스의 천문학자 프톨레마이오스가 주장하였다. 행성의 시운동은 천동설로도 설명이 잘 되므로 천동설은 16세기까지 약 1400년 동안 믿어져 왔다.수성과 금성은 지구 주위를 단순히 원운동만 하는 것이 아니라, 지구와 태양을 연결하는 직선위이 한 점을 중심으로 하는 작은 원(부전원)위를 돌아간다.이 때 금성이 돌아가는 원이 수성보타 훨씬 크므로, 태양에서 가장 멀리 떨어졌을 때의 각이 금성은 48, 수성은 24。가 된다. 화성, 목성, 토성은 태양과 관계 없이 작은 원(부
전원)을 그리며 큰 원(주전원)위를 돌아간다.
지동설
지동설로 설명한 화성의 시운동을 말한다.
우주의 중심은 지구가 아니라 태양이며, 지구를 비롯한 모든 행성이 태양의 둘레를 돈다는 설.16세기 말 코페르니쿠스가 주장하였습니다. 행성의 시운동은 지동설로도 설명 된다.수성과 금성이 동서로 왔다갔다하며, 태양에서 일정한 각도 이상 멀어지지 않는 것은 지동설로 설명 된다.
케플러의 법칙
케플러 제 1법칙 ; 타원 궤도의 법칙을 말한다.
지구는 태양 주위를 타원 궤도를 따라 공전을 하고 있다라는 법칙이다. 그 예전에는 행성은 완전한 원운동을 한다고 생각했는데 케플러가 화성의 운동을 몇 십 년 간 관찰한 결과 타원 궤도로 운동한다는 것이 밝혀졌다
케플러 제 2법칙 ; 면적 속도 일정의 법칙
단위 시간 동안 휩쓸고 지나간 면적은 항상 일정하다라는 법칙이다. 태양에 가까울 때는 지구는 빨리 돌고 태양에서 멀 때는 지구는 느려지는 것을 설명한 법칙이다. 거리가 작을 때면(가까워지면) 속도가 빠르고 거리가 커지면(멀 때) 속도가 느려져야 면적속도(거리 X 속도)의 값이 일정하게 된다.즉, 3 X 4 = 4 X 3 인 것과 같은 셈이다.3(거리 작음, 가까울 때) X 4 (속도 빠름) = 4 (거리 큼, 멀 때) X 3 (속도 느림)그래서 태양 가까울 때(우리나라 겨울임)는 지구의 공전 속도가 크며 태양에서 멀 때(우리나라는 여름임)는 지구의 공전 속도가 작아 진다. 이런 법칙때문에 태양에 가장 가까운 수성의 공정 속도가 가장 빠른 것이다.
케플러 제 3법칙 ; 조화의 법칙
공전주기의 제곱은 궤도장반경의 세제곱과 비례한다라는 법칙이다.태양으로 부터의 거리(장반경, 타원에서 긴 반지름)와 공전 주기는 다음 식과 같이 일정한 조화를 이룬다는 법칙이다.
공전 주기(P)의 제곱 = 궤도장반경(a) 세제곱 [단, 위 식은 주기는 년, 궤도 반지름을 AU(태양과 지구 사이 거리가 1 AU)로 했을 때] P2 = a 3 하늘에 도는 천체들이 멋대로 도는 것이 아니라 이러한 조화 속에서 돈다는 법칙이다. 그래서 3법칙을 조화의 법칙이라고도 한다 위대한 천문학자 케플러는 이러한 3가지 법칙을 만들어 천문학과 천체 물리에 엄청난 발전을 가져왔다.
허블의 법칙
외부은하의 스펙트럼에서 나타나는 적색이동(赤色移動)이 그 거리에 비례한다는 법칙. 속도-거리법칙이라고도 한다. 1929년 미국의 H.허블이 발견했습니다. 도플러효과에 의하면 적색이동은 광원(光源)이 관측자로부터 멀어질 때 생기며, 그 이동의 크기는 후퇴속도에 비례한다. 그러므로 허블의 법칙은 외부은하의 후퇴속도가 그것들까지의 거리에 비례함을 보여준다. 이것은 은하들이 속한 우주가 팽창하고 있기 때문이라고 생각되어, 당시 제창된 상대론적 팽창우주론의 관측적 근거가 되었다. 먼 외부은하까지의 거리를 구하려면, 그 은하에 대한 스펙트럼의 적색이동을 측정하여, 허블의 법칙
을 이용하는 방법이 주로 사용되고 있다. 팽창속도의 거리에 대한 비는 약 106pc당 초속 265km인데, 이 값은 약 5억 광년의 거리까지 적용할 수 있다.
우주론의 흐름
서양의 우주론은 그리스인들과 함께 시작되었다.
그들은 1500~2000년 전부터 우주를 관측하기 시작했다. 당시의 우주관은 아리스토텔레스의 견해가 지배적 이였고 아리스토텔레스는 하늘의 모형은 구형이고 그 중심에 공모양의 지구가 고정되어 있다고 했다. 지구를 하루에 한바퀴씩 회전하는 천구의의 존재를 생각하였고 태양과 별들은 이 천구의 속에 박혀 있어서 천구의와 함께 움직인(천동설) 다고 생각했다.그러나 아리스토텔레스의 우주론에는 예외가 있었다. 가끔씩 경로를 바꾸는 것처럼 보이는 행성들이 관측이 되었고 프톨레마이우스는 이 예외적인 현상의 설명을 위해 천구의를 추가하게 되고 아리스토텔레스의 우주론을 수정하였다. 그 후 아리스토텔레스의 우주관은 기독교신학에 수용되어 조화를 이루며 르네상스시대까지 대표적인 우주관으로 군림하게 됐다. 16세기에 접어들어 코페르니쿠스는 태양과 행성들의 복잡하고 불규칙한 운동을 보고 천체의 운동에 대하여 연구를 시작했다. 그 결과 그는 지구가 우주의 중심이 아니며(지동설) 지구와 행성들이 태양 주위를 돈다고 확신하게 되고 [천구의 회전에 대하여]라는 저서를 발간했다. 이후 아리스토텔레스의 우주관은 종말을 맞기 시작했다.실험과 관찰을 통하여 자연의 법칙을 탐구하던 갈릴레이는 망원경을 만들어 금성의 상을 관찰하고 목성 주위를 도는 위성을 발견하여 코페르니쿠스의 주장을 뒷받침하였으며 은하수가 셀 수 없이 많은 항성들로 이루어져 있다는 것을 발견하여 우주가 당시 생각보다 훨씬 더 넓다는 증거를 얻었다.코페르니쿠스의 지동설은 티코브라헤의 관측과 케플러의 이론적 작업을 통해 더욱더 확고히 뒷받침을 받게 됬다. 케플러는 태양 주위를 도는 행성들의 규칙성을 정리하여 케플러의 법칙을 만들었는데 후에 뉴턴의 운동법칙과 만유인력법칙에 의해 훌륭하게 설명 됐다. 17세기에 뉴턴은 하늘의 붙박이별들이 떨어지지 않는 것에 대해 의문을 품고 우주의 크기에 대하여 생각했다. 그 이전까지 우주의 크기에 대해서는 지구 또는 태양을 중심으로 유한하다고 하는 생각이 일반적 이였는데 당대는 물론 일반상대론이 나오기 전까지 는 공간의 유한성을 생각하기란 불가능하였으므로 여기서 우주의 크기란 무한한 공간에 별들이 분포하는 영역의 크기를 말하는 것이다. 뉴턴은 자신의 중력 이론을 우주에 적용시키면 우주에 있는 모든 별들은 중력에 이끌려 결국 하나의 큰 덩어리를 이룰 것이라는 결론을 얻었다.
그러나 별 들이 무한한 공간에 균일하게 분포한다면 중력은 대칭적으로 상쇄될 수가 있고 따라서 우주의 붕괴를 막을 수 있다고 생각했고 그래서 뉴턴은 무한한 크기의 우주를 선호하게 되었다. 그러나 그는 이것도 불안정함을 알아차렸다. 미약한 중력섭동만으로도 전 우주가 하나 또는 많은 숫자의 덩 어리가 될 수 있음을 알고 신의 힘을 빌어 항성들이 아무런 움직임을 하지 않을 때 그 체계가 가능함을 인정합니다. 이후 유한한 우주의 개념은 폐기 되고 정적이고 무한한 우주의 개념이 20세기 초까지 사람들의 생각을 지배하게 된다. 어두운 밤하늘에 대해서 의문을 품었던 케플러는 다음과 같
이 주장했다. 만약 항성의 숫자가 무한하고 균일하게 분포되어 있다면 항성들은 모든 우주에 고루 퍼져 있고 항성간의 간격은 일정하게 되고 그 결과 하늘은 불덩이처럼 빛나게 되고 뜨거운 열로 지구를 불태울 것이다. 따라서 우주는 유한한 것이다. 이것은 무한히 크고 영원히 존재하는 유클리드공간에 물질이 고루 퍼져있는 우주모형의 타 당성을 배제한 것이었다.케플러와는 반대로 독일의 천문학자 올버스는 우주의 크기가 무한하다고 믿는 사람이었고, 하늘이 어두운 이유는 무한한 우주의 항성간에는 구름이 존재하고 이것이 빛을 가려 밤을 어둡게 한다고 생각하였고 그러나 우주의 무한한 별빛은 구름을 가열시켜 결국 붉게 타오르게 만들 것이므로 케플러의 생각처럼 무한한 우주는 밤하늘을 밝게 하는 것이 타당하게 되는 것이다. 이후 이 밤하늘의 어두움에 대한 의문은 올버스의 역설이라고 불리게 되었다. 아인슈타인은 1915년에 중력장의 효과를 시공간의 만곡으로 해석한 일반 상대론을 발표했고 그리고 1917년에 는 리이만 시공간에 입각한 새로운 우주모형을 제시하였다. 그의 우주모형은 정적이면서 우주공간의 크기는 유한하지만 경계가 없는 모형이었고 그는 일반 상대론에서 나온 장방정식이 동적인 우주를 나타내므로 자신의 우주모형과 맞지 않아 우주항을 삽입하여 장방정식을 수정하게 된다. 이 후 아인슈타인의 일반 상대론과 허블의 발견은 현대 우주론을 이루는 모체가 되지만 허블이 팽창하는 우주를 발견할 때까지 기다려야만 했다.
은하의 탄생
우주공간에 떠 있는 별들은 아무렇게나 분포하는 것은 아니다. 은하는 별들이 모여 사는 도시라고 할 수 있다. 우리 태양계가 속해 있는 별들의 도시가 은하계이다. 우주에는 우리 은하계외에도 수 많은 은하들이 존재한다. 이런 외부은하들은 우리로부터 아주 먼 거리에 있다. 이런 은하들 중 가장 가까운 은하는 남반구 하늘에서 볼 수 있는 대마젤란은하이며 16만 광년 거리에 있다. 은하들은 그 모양에 따라 크게 타원은하(E), 나선은하(S), 막대나선은하(SB), 렌즈형은하(S0), 불규칙은하(Irr)로 구분된다. 백억년 또는 2백억년전에 어떤 일이 일어났다. 대폭발전의 우주는 1원짜리 동전만했다고 한다. 폭발로 인해 행창했고 그것이 바로 우주의 시작이다. 우리는 이것을 빅 뱅(Big bang)이라고 부른다...! 어째서 그와 같은 대폭발이 일어났는지 그것은 우리가 아는한 최대의 불가사의다. 그러나 그런일이 일어났다는 것은 확실하다.!! 우주에 존재한 모든 물질과 에너지가 당시에는 지극히 고밀도형태로 한곳에 응측되있기 때문이다. 그리고 지금까지도 그 팽창은 계속되고 있다.
초기의 우주는 방사선과 물질로 충만되어있었고 태초에 물질은 밀도 높은 불덩어리의 양자와 전지로 만들어진 수소와 헬륨원소로 되어 있었다. 비록 당시에 관찰할 수 있는 사람이 있었다고 하더라도 보이는 것은 아무 것도 없었을 것이다.그러다나 얼마간의 혼합된 형태의 가스가 나타나기 시작했고 그리하여 농도가 엷은 덩쿨순 모양의 거대한 구름이 형성되어 여전히 빛을 발하면서 휘말리며 돌기시작 하더니 결국은 수천억개의 회전점을 가진 덩어리가 마치 각각의 한 마리 짐승처럼 몸을 뒤틀어 댔다. 그러다가 드디어 우리가
볼수 있는 가장 거대한 구조체가 우주 가운데 나타났다. 이름하여 은하(銀河)라 불리운다. 바로 그한구석에 우리가 살고 있는 것이다. 각각의 은하들에는 수십억개에 달하는 태양이 들어 있다고 한다 앞에서 언급한 바와 같이 우리 우주엔 이같은 크고 작은 은하가 1천억개도 넘는다는 사실이다. 은하의 종류타원형의 은하를 말한다.
흔히 타원체 또는 구형의 모양을 하고 있고 일반적으로 원반부가 없는 중심으로부터 주변으로 가면서 완만하게 어두워지는 형상을 하고 있다. 타원은하에는 가스 등의 성간 물질은 거의 없으며, 대부분 종족 II에 속한 늙은 별들로 구성되어 있다. 때문에 타원은하는 일반적으로 밝기나 흡수물질에 의한 내부구조가 결여되어 구조가 단순하다. 타원은하는 흔히 기호 E로 표시되며, 겉보기 편평도에 따라 E0에서 E7까지 구분한다. 이 구분은 타원은하의 장축과 단축의 비가 10:10인 경우(완전 구형) E0형이며, 그 비가 10:3인 경우 E7형이라 한다. 타원은하에 있어서 E7이 가장 편평도가 높은 은하이며, 그 이상의 것은 발견되지 않는다
나선은하
나선형은하로서 솔로브레로 나선은하와 안드로메다 은하가 있다.
바람개비 나선은하
나선팔을 가지고 있는 은하로 중심부에 공 모양의 은하핵이 있고, 거기에서 2개 또는 그 이상의 팔이 뻗어 나와 소용돌이를 이루고 있다. 일반적으로 중심부의 구상 팽대부와 그것을 에워싼 편평한 원반부로 이루어지고 나선구조는 팽대부의 가장자리로부터 시작하여 거의 중심대칭적으로 뻗으면서 원반부의 가장자리에서 사라진다. 나선은하는 나선팔의 발달 정도에 따라 Sa, Sb, Sc 등으로 구분되고, Sa형 쪽으로 갈수록 큰 핵과 단단하게 감긴 팔을 가지고 있고, Sc형 쪽으로 갈수록 핵의 크기가 작고 팔이 느슨하게 감겨 있다.
나선은하는 타원은하와는 달리 많은 양의 성간물질이 존재한다. 이들 성간물질은 주로 나선팔에 존재하며, 이 곳에는 고온의 별과 많은 수의 HII영역들이 존재한다. 종족 I에 속한 별들은 주로 나선팔에 위치하고 있고, 중심핵과 원반부는 종족 II에 속한 별들로 이루어져 있다. 나선은하의 회전은 중심부에서는 회전속도가 급격히 증가하는 강체 회전운동을 하고 있지만, 그 외부에서는 은하 중심으로부터의 거리에 따라 속도가 감소하거나 거의 균일한 회전을 하는 차등 회전운동을 하고 있다. 나선은하의 지름은 수 만 광년으로,
수 백억 개 이상의 별들과 수 백 개의 구상성단으로 구성 되어 며, 타원은하 및 불규칙은하와 함께 몇 개 내지 수백 개가 모여 거대규모의 은하단을 이룬다. 우리은하는 나선은하에 속한다
막대나선은하
중심부에 막대 모양이 있는 나선은하이다. 핵의 양쪽에 막대가 달린 모양이며, 그 양끝에 나선팔이 감겨 있다. 벌지부에서 대칭으로 막대구조가 뻗고, 그 끝에서 나선팔이 시작된다. 막대나선은하는 SBa, SBb, SBc 등으로 구분된다. SBa에서 SBc로 갈수록 나선팔은 점점 이완상태가 되고 팽대부도 작아져 간다. 청백색거성, HII영역, 암흑성운의 분포도 나선은하와 거의 마찬가지로 SBa에서 SBc로 갈수록 뚜렷해진다. 막대구조에 따라 현저한 암흑성운의 줄이
보이는 수가 많다.
렌즈형 은하
타원은하와 나선은하의 중간형으로 편평한 타원 모양의 중심핵 주위에 얇은 원반형의 주변부를 이루는 것으로, 옆면에서 볼 때에는 그 모습이 볼록렌즈와 비슷하다. 다시말해 렌즈형은하는 나선은하와 유사한 특성을 갖지만, 원반부에 나선구조가 보이지 않는다는 것이 특징이다. 이 은하는 거대 은하단에서 흔히 발견되기 때문에 나선은하의 가스성분이 은하끼리의 충돌로 빠져 버린 것이라는 주장도 있다.
불규칙 은하
불규칙적인 모양의 대마젤란 "불규칙은하"를 말한다.
타원은하나 나선은하와 달리 일정한 형태가 없고 중심핵이나 회전대칭성이 존재하지 않는 부정형의 은하로 외부은하의 약 1/4을 차지한다. 이들은 마젤란은하들처럼 밝은 별들이 관측되는 제1형(Irr I)과 M82처럼 개개의 별들이 구별되지 않는 제2형(Irr II)로 세분된다. 제1형(Irr I)은 허블계열의 Sc나 SBc로부터의 계속으로서, 젊은 O·B형별과 이온화 수소(H II) 영역이 풍부하며, 중성가스도 다량 존재한다. 그러나 형태는 회전축 대칭을 나타내지 않고 나선상 구조도 결여되어 있다. 대, 소 마젤란운이 대표적이다. 제2형(Irr II)형은 기본적으로는 E형 또는 S0형 구조지만 항성이 보이지 않고 가스성운의 집합체로 보이며, 실 모양의 암흑성운이 은하 끝 부분에 걸쳐 불규칙하게 분포한다. 은하의 진화단계에서 위치가 아직 불명확하지만 은하끼리의 충돌이나 폭발로 생긴 것이 아닌가 여겨지고 있다
충돌하는 은하은하들이 서로간에 상호작용하는 단계를 넘어서면 충돌에 이를 수도 있다. 은하간의 충돌은 우주에서 가장 웅장한 사건이다. 은하들이 정면으로 충돌하면 더욱 극적인 일이 벌어진다. 충돌을 일으킨 두 은하는 급격한 중력장의 변동을 일으켜 그 모양이 심하게 뒤틀어지고 심지어 우주공간에 별을 쏟아버리는 일이 일어날 수도 있다. 계산에 따르면 전형적인 은하가 다른 은하와 충돌할 확률은 10조년에 한 번 일어날까 말까하다. 하지만 은하의 수명이
1000억년 정도로 길다는 것을 감안하면 일생동안 하나의 은하가 다른 은하와 충돌할 확률은 1/100정도가 되어 무시할 수 없다. 은하가 밀집된 은하단에서는 더욱 커져서 이러한 확률은 1/2이상이 된다. 실제로 은하들의 충돌장면이 관측되었다. 까마귀자리 방향에서 두 나선은하들이 서로 충돌하여 우주공간으로 별을 쏟으며 곤충의 더듬이처럼 생긴 두 개의 커다란 가스 띠를 형성하였다. 천문학자들은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 충돌장면을 재현하였다. 하나의 나선은하가 다른 나선은하와 수직으로 충돌하면 이런 결과가 나온다는 것이 확인되었다.
아!.신비의 우주--이 우주의 한가운데에 우리들이 살고 있는 것이다.우주 공간에 우리와 같은 동물이 살고 있다면 그들이 보는 우리는 못된 외계인이다.왜냐하면 아비규환속에 삶을 영위하기위한 처절한 몸부림을 하고 있는 동물로 보일수도 있으니 말이다.
*.일부 발췌 및 추가
2007년 5월 5일[토요일]
♧진주성회 염우섭♧
우주의 신비 은하계#13
