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우주의 나이는 어떻게 측정하는지도 ㅎㅎ;;;;
[임경순의 과학세상] “우주의 나이는 130억년”
또 한 가지 우주의 나이를 언급할 때 꼭 빠지지 않는 것은 허블상수다. 허블상수는 1929년 미국의 천문학자 에드윈 허블(Edwin Hubble)이 제시한 것으로 거리에 대한 팽창 속도의 정도를 나타내는 비례상수다. 그러나 허블상수는 과학자들에게 어려운 과제를 안겨주었다. 허블상수를 정확하게 계산해 내기가 어려웠기 때문이다. 과학자들은 1931년 허블은 지구로부터 거리가 100만 광년 증가할 때마다 은하의 후퇴 속도가 150km/sec씩 증가한다는 결론을 내렸다. 그러나 은하간 거리를 측정하는 기준이 달라지면서 은하의 거리는 허블시대에 생각한 것보다 10배나 늘어났고, 은하의 팽창 속도는 100만 광년에 15km/sec로 줄어들었다.
1990년까지 천문학자들은 허블상수란 15-30km/sec를 100만 광년으로 나눈 값이라고 믿었다. 우주의 나이는 허블상수에 반비례한다. 즉 팽창 속도가 크면 클수록 우주의 나이는 젊어진다. 문제는 허블상수가 30에서 15 범위에 있다 보니 우주의 나이가 100억년에서 200억년까지 2배씩이나 차이가 난다는 것이었다. 다른 방법으로 계산하면 우주에서 가장 오래된 별의 나이가 150억여년이라는 데이터도 나왔다. 천문학자들은 곤혹스럽기 짝이 없었다. 즉 우주 안에 있는 별의 나이가 우주의 나이보다 더 많다는 어처구니없는 일이 발생했기 때문이다.
이 문제를 극복하기 위해 과학자들은 지구 궤도로 쏘아올린 허블우주망원경을 이용해 허블상수를 좀더 정확히 측정하는 노력을 했다. 1999년 5월 캘리포니아주 패서디나(Pasadena) 카네기천문대의 웬디 프리먼(Wendy Freeman) 연구팀은 18개 은하의 거리를 결정한 것을 기초로 10% 오차범위 내에서 허블상수가 약 21이라고 결론내렸다. 이 결과에 따르면 우주의 나이는 140억년쯤 된다. 그러나 이 수치 역시 가까운 은하 거리 측정에 근거한 다른 연구팀의 값과 커다란 차이를 보였다.
1989년 유럽 우주국은 가까운 거리에 있는 별들의 위치를 정확히 측정하기 위해서 히파르코스 위성을 발사했다. 이 위성은 1997년 초 케페이드 변광성에 이르는 거리와 광도를 수정했다. 케페이드 변광성과 은하들은 지금까지 알려진 것보다 10% 정도 더 멀리 있었다. 히파르코스 위성은 은하에서 가장 오래된 별들로 140억~160억년 됐다는 구상성단(球狀星團) 별들의 나이도 110억년으로 수정했다. 최고령 별의 나이가 밝혀지자 이에 근거해 측정했던 우주의 나이와 먼 거리에 있는 은하들의 후퇴 속도에 근거해 측정한 우주의 나이가 거의 일치했다. 결국 우주의 나이는 약 120억년으로 밝혀졌다.
지난 7월 27일 미국의 저명 학술지 ‘사이언스(Science)’지(誌)에는 연세대학교 자외선우주망원경연구단의 윤석진, 이영욱 연구팀의 한 논문이 실렸다. 구상성단의 금속 성분, 운동방식, 나이와 밀접한 연관을 지니고 있는 두 가지 별개의 메커니즘이 은하의 광륜(光輪·halo·구상성단 주변으로 뿌옇게 나타나는 별들의 무리) 형성에 관여한다는 것을 밝혀낸 것이었다. 이들의 연구 결과도 우주의 나이 결정과 관련이 있다. 연구팀은 우주의 나이가 최근까지 알려져온 나이보다 10억년이 더 긴 130억년 이상이라고 주장했다. 이제 우리나라 천문학자들도 우주의 나이를 말할 때 큰소리칠 수 있게 됐다. (임경순 포항공대 교수)
http://weekly.chosun.com/wdata/html/news/200208/20020813000005.html
우주가태어나기전에는 어떤공간이었는지도;;;;)
우주는 무(無)에서 탄생했다고 합니다. 시간이란 빅뱅과 함께 생겨난 것이기 때문에 '빅뱅 이전'이란 말 자체가 성립이 안됩니다. 하지만 지금의 우주가 어떤 우주인지는 아무도 모릅니다... 이미 우주는 여러차례 빅뱅을 반복했을 수도 있구요... 우주에 시작과 끝이 있다고 생각하지는 않습니다... 아래 글은 뭐... 새로운 이론이라고 하는군요...
우주의 기원에 관하여, 빅뱅이전에 빅 스플랫 (Big Splat)이 있었을 지도 모른다는 흥미로는 이론이 제기되었다. 이 이론은 우리 우주와 비슷한 보이지 않은 우주가 있을 수 있음을 제안한다. 아직도 개발중인 이 이론에 따르면, 우리의 우주가 약 150억년 전에 폭발해 실체를 가지기 전에는 무슨 일이 일어났을까 에 관해 힌트를 제공한다. 이 이론은 영국 캠브리지 대학과 미국의 우주 망원경과학연구소에서 그 윤곽이 드러났다. 프린스턴 대학의 Paul Steinhardt와 동료들은 "ekpyrotic 모델"을 제안했는데, 이는 우주가 왜 팽창하는지에 관한 중요한 설명을 제공한다. 이 이론은 아직 파악하기가 어려운데, 우주와 시간을 구성하는 기본이 진동하는 작은 현이라는 스트링 (현) 이론에 그 뿌리를 두고 있다. 프린스턴 대학의 Steinhardt의 생각은 우주의 기원이 스트링 이론의 연장인 M 이론에 기초한다. 만물이 약 100억도 정도의 뜨거운 공이 1초동안 팽창하면서 발생되었다는 빅뱅 이론은 최근 매우 흥미를 끌며, 이에 대해 논란의 여지가 없다. M 이론은 빅뱅 이전의 사건에 관심을 둔 것으로, 우주가 11차원을 가지고 있는데 그 중 6차원은 무시될 수 있는 작은 필라멘트로 감겨져 있다는 이론이다. 캠브리지 대학의 Martin Rees 교수는 "Steinhardt와 그의 동료들이 하나 이상의 우주가 다차원의 우주속에 있다는 매혹적인 아이디어를 제공했다"고 말했다. 이 이론에 대한 Martin Rees 교수의 설명은 다음과 같다. 우주의 행위는 5차원 공간에서 일어나는데 빅뱅 이전에는 두 개의 완전히 평평한 4차원으로 구성되어 있었다고 한다. 하나는 우리의 우주이고 다른 하나는 우리 우주와 평행한 보이지 않은 우주이다. 프린스턴 연구팀에 따르면 이 보이지 않은 우주의 임의의 파동이 변형을 일으켜 우리 우주에 도달한다고 한다. 이 보이지 않은 우주가 우리 우주와 충돌하였고 빅뱅을 통해 물질과 에너지로 전환되었다. 그러나 이 이론은 우주와 시간에 대해 우리가 이해하기 전에는 확인되기 어렵다. - (socho@kaeri.re.kr) http://www.kordic.re.kr/%7Etrend/Content462/space03.html
또 빛의속도재는법도....ㅎ;;;;(빛의속도재는법은 원리만이라도..)
빛의 속도는 자연을 이해하는데 있어 매우 중요하고도 흥미로운 상수의 하나이다. 빛은, 실험실의 레이저든지 아니면 멀리 떨어진 별들로부터 발생되는 것이든 관계없이 어디서나 일정한 속도로 움직인다. 뿐만 아니라 관측자나 광원의 상대운동에도 무관하게 일정하여, 이는 아인슈타인(A.Einstein)에 의해 상대성이론을 만들어 내는 중요한 근거가 되었다. 이렇듯이 빛의 속도가 과연 일정한지 아니면 상대운동에 따라 변하는지를 포함하여, 속도 그 자체를 정밀하게 측정하는 것이 17세기 갈릴레오 이후 현재까지 물리학계의 주된 관심사였다. 지금은 상대성원리의 여러 결과가 거의 완벽하게 확인되고 있기 때문에, 아인슈타인이 빛의 속도가 진공중에서는 일정한 값을 갖는다고 가정했던 것은 정당하다고 인정되고 있다. 옛날의 천문학자들은 속도가 무한한 것으로 생각하여 멀리 떨어진 별들에서 일어나는 사건은 즉각 관측된다고 믿었다. 그러나 한편으로는 빛의 속도가 유한할지 모른다고 생각한 몇몇의 사람들이 있었다. 그중 이탈리아의 위대한 물리학자인 갈릴레이(G.Galileo) 는 그러한 가정하에 빛의 속도를 재려고 시도 하였다. 그는 자기의 조수를 멀리 떨어진 맞은편 산 봉우리 위에 세우고 각각이 램프를 켜서 덮개로 막았다. 먼저 갈릴레오가 램프의 덮개를 벗기면 이를 멀리서 관측한 조수는 즉시 자기의 램프 덮개를 벗기게 하였다. 갈릴레오가 자기 램프의 덮개를 벗긴 후 조수로부터 되돌아오는 램프 불빛을 관측할 때까지의 시간차를 측정하여 빛의 속도를 알고자 하였다. 물론 사람이 불빛을 보고 덮개를 벗기기 까지는 기본적으로 시간이 걸리는 일이기 때문에, 그것을 모를 리 없는 갈릴레오는 같은 실험을 조수와의 거리를 변화시켜가며 그때마다 되돌아 오는 시간차의 차이를 가지고 빛의 속도를 알려고 하였다. 그러나 그 차이가 거의 드러나지 않아서, 빛의 속도는 거의 무한하다는 결론만 얻게 되었다.(1667년) 최초로 빛의 속도를 유한한 값으로 구한 사람은 덴마아크의 천문학자인 뢰머(O.C.Romer)였다. 목성의 한 위성에 대한 관측을 계속하던 중, 목성의 위성이 목성과 지구의 사이에 정렬하는 주기가 지구가 목성을 향하여 다가갈 때와 멀어져 갈 때에 따라 달라진다는 것을 알아 내었다. 이러한 현상을 뢰머는 빛의 속도가 유한하다는 가정하에 설명하였고 또한 빛의 속도도 구할 수 있었다. 그 속도는 2.1 x 108 m/sec 로 실제의 값보다 1/3정도 작은 값이다. 이 오차는 그 당시의 천문학에서의 거리측정의 부정확성 때문이었다.(1675년) 1849년 프랑스의 피조(A.H.L.Fizeau)는 빛의 속도를 직접적인 방법으로 측정하였다. 그는 빨리 회전하는 톱니바퀴 앞에서 광선을 톱니부분으로 비추어 그 광선이 회전하는 톱니에 의해 단속적으로 차단되어 펄스 형태로 발사되도록 하였다. 이 광선은 이로부터 8.63km 떨어진 지점에 있는 거울에 의해 반사되어 되돌아 오고 역시 톱니바퀴를 통과하여 눈으로 관측할 수 있게 하였다. 그러나 톱니바퀴의 회전속도가 적당치 못하면 빛이 차단되어 볼 수가 없고, 단지 회전하는 톱니바퀴의 골 부분을 잘 통과한 빛이 되돌아 왔을 때 다시 골을 만나면 눈으로 빛을 관측할 수 있게 된다. 톱니바퀴의 회전속도를 변화시켜 가며 빛을 관측하여 톱니산의 개수, 회전속도, 빛이 진행한 거리로부터 빛의 속도를 쉽게 구할 수 있어서, 3.15 x 108m/sec라는 상당히 그럴듯한 결과를 내었다. 역시 프랑스의 물리학자 푸코(J.B.L.Foucault)는 1850년대 이래로 피조의 측정방법을 개량하여, 톱니바퀴 대신에 거울을 회전시켜서 더 정밀하게 빛의 속도를 측정할 수 있었다. 이 방법으로 푸코는 물 속에서의 빛의 속도도 구해낼 수 있었기 때문에, 빛의 본성에 대한 파동성, 입자성의 논란을 종식시켰다. 현대에 와서 정밀한 빛의 속도 측정은 미국의 마이켈슨(Michelson)에 의하여 이루어 졌다. 마이켈슨은 푸코의 방법으로 지금의 공인된 값 2.99792458 x 108m/sec에 비하여 별로 차이가 나지 않는 2.99774 x 108m/sec 라는 값을 얻을 수 있었다.
< 푸코의 방법에 의한 빛의 속도 측정원리 > 실제 본 실험에서는 푸코에 의해 1862년 개량된 방법을 그대로 따른다. 그림 1 이 바로 푸코의 실험장치의 구성이다. 모든 장치는 잘 정렬되어 있고 회전거울도 정상적인 상태로 회전하고 있다. 헬륨-네온 레이저에서 나오는 가느다란 광선은 렌즈 L1 에 의하여 s지점에서 집속되어 하나의 점 광원상(image)을 형성한다.
http://physica.gsnu.ac.kr/physedu/modexp/LSpeed/main.htm |
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