우주팽창과 암흑에너지 - myung.inje.ac
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우주팽창과 암흑에너지
인제대학교 컴퓨터응용과학부
명 연수
철학자 칸트(1724-1804) 왈
생각할수록 나를 경이감에 빠지게 하는
것이 두 가지가 있는데,
하나는 밤하늘에 반짝이는 별(star)이고
다른 하나는 내 마음속에서 빛나는
도덕률이다.
우주론(cosmology)
우주론이란?
우주의 기원, 구성, 그리고 진화를
다루는 학문관측사실에 기반을 둔 정밀(실험)과학
우주론의 세 번 혁명기
1) 코페르니쿠스의 지동설
2) 허블의 우주팽창과 대폭발(Big Bang)이론
3) 1997년 가속팽창우주발견
우주론의 기본원리
1)등방성 2) 균질성 3) 중심이 없다 (건포도빵모델)
2006년 노벨 물리학상 수상자는?
노벨물리학상 美 매더-스무트
공동수상 빅뱅우주론 뒷받침
매더박사는 인공위성 ‘코베(COBE)’의
데이터를 분석해 처음으로 우주의 온도
(2.7K)를 정확히 측정해 우주의 등방성
증명.
스무트 교수는 여러 온도 데이터에 10만분
의 1도씩 차이가 난다는 우주의 비등방성
발견했다.
COBE
WMAP
10 3 order
10 5 order
콜로키움의 목표
우주의 탄생, 급팽창(인플레이션),
우주의 팽창에서 현재의 가속우주
까지 20가지 질문과 그에 대한 답
을 중심으로
1, 우주는 어떻게 탄생되었는가?
대폭발(Big Bang)이론
한점 (온도:무한대;밀도:무한대)
에서 폭발하여 우주가 탄생 됨
정상우주론(X)
1940년대 허먼 본디 와 토마스 골드, 프레드 호일이 제안한
'정상 이론(steady-state theory)'.
시작도 없고 끝도 없으며, 언제나 그 모습 그대로 무한하게 존재
하는 우주
대폭발이론 대 정상우주론
대폭발이론
1. 우주의 총 질량은 일정.
2. 시간이 지남에 따라 우주의 평균 밀도는 감소함.
3. 시간이 지남에 따라 우주의 온도는 낮아지고,
점점 어두운 우주가 된다.
정상우주론
1. 시간이 지남에 따라 우주의 총 질량은 증가한다.
2. 우주의 밀도는 일정
3. 우주의 밝기와 온도는 항상 일정하다
대폭발이론(밀도감소)
대 정상우주론(밀도일정)
2. 우주탄생10 초 경과 후
우주의 온도, 크기 그리고 밀도는?
44
온도는
•
32
10 K
크기는
10
밀도는
-33
cm
5 10 93 g/cm 3
불공 (fireball)
3.대부분의 원소는 우주탄생 후
몇 분 몇 초 이내에 만들어졌을까?
3분 45초 이내
4. 대폭발이었다는 증거는?
1.1929년 허블의 우주팽창발견
은하의 후퇴속도=허블상수 X 은하까지거리
2. 1965년 Wilson-Penzias의 적색편이에 의한
등방성의 우주배경복사온도 2.7K측정
파장이 7cm인 마이크로파측정
3. 빅뱅 핵합성이론을 실험적으로 관찰됨
대폭발 3분 후 수소 대 헬륨 비는 3:1
4. COBE-인공위성을 통해 2.7K 와 비등방성측정
5. WMAP를 통해 비등방성 더 정확히 측정
허블의법칙
COBE-인공위성을 통해
우주배경복사온도 2.7K측정
우주탄생 후 300,000년
이 지나면 온도는
3,000 K되어 전자가 핵
내로 포획되면서, 우주
가 맑아짐(물질과 복사
분리 됨).
이 때 현재의 태양과 비
슷한 흑체복사(자외선과
가시광선)가 나오나, 우
주팽창에 의한 적색편이
로 인해 2.7K 됨.
WMAP를 통해 비등방성측정
허블 망원경이 관측한 100억 전 우주의 모습
(가장 유명한 사진)
만약 우주 팽창 과정을 필름
에 담아 다시 거꾸로 돌리면
지금까지 팽창하는 우주 속의
은하들은 반대로 수축하는 우
주 속에서 서로 가깝게 접근.
결국 우주의 모든 은하는 한
점 (작은 구)에 모이는 ‘특이
상황’이 발생하게 될 것이다
5. Big-Bang의 문제점은?
*평탄성문제
우주초기와 현재우주가
왜 그렇게 평탄한가?
*지평선문제
태초부터 현재까지 빛이 간 거리가 우주의 지평선인데,
빅뱅이론을 통해 역으로 계산하면 지금부터
10억 년 전부터는 서로 빛으로 소통할 수 없을 정도로
멀리 떨어져 있음.
닫힌우주, 열린우주,임계우주
1) 닫힌우주 (closed universe)
물질이 많아 중력이 크게
작용하여 우주를 수축시킴.
2) 열린우주(open universe)
물질이 적어 중력이 약해
계속 우주를 팽창시킴
3) 임계우주(critical universe)
두 우주 사이에 있는
현재우주
평탄성문제
밀도 파라메터: Ω=밀도/임계밀도
1)복사지배우주 및 물질지배우주에 Ω>1이었다면 우주는 수축했음.
2)복사지배우주 및 물질지배우주에 Ω<1이었다면 우주는 팽창하여
은하 및 별을 못 만듦.
3) 현재 Ω를 프랑크 시간으로 맵핑시키면
1 10
60
c 1
4) 이것은 우주는 현재나 과거나 거의 평탄했음을 보여줌.
5) 그러나, 실제로 우주탄생직후는 곡률이 무한대에 가까운 닫힌 우
주였음.
지평선문제
1. 현재 우리는 130억년 전
CMB 관찰.
2. 그러나 빛이 나올 때는 지금
부터 300,000년 전임.
3. 이 당시까지 빛의 간 거리는
아주 적음.
4. 두 구 에 있는 사람은 빛으로
소통 불가능함.
5. 그런데, 왜 현재 우주의 온도
는 모든 점에서 2.7K일까요?
6. Big Bang이론의 문제점을 해결하려면?
급팽창(인플레이션)이 필요
Guth (등방성이용)Old inflation(X)
Linde, Albrecht & Steinhardt
New inflation (slow-roll inflation)
우주탄생
10-34 초경과후
t 10-32 초 시간에
e100 3 10 43 배로 크기가 증가함
평탄성문제해결
지평선 문제해결
급팽창 중에는 빛의 속도 보다 빨리 팽창함
초기우주 지평선거리 내에 있던 두 점이 급팽
창을 통해 빛이 도달할 수 있는 거리의 몇 십
배로 멀어졌다.
그래서, 현재와 같은 모든 방향 모든 위치에
서 빛으로 소통되는 등방성을 유지할 수 있다.
7. 인플레이션의 증거는?
COBE & WMAP등의 관측위성
1)우주배경복사의 등방성 확인
2)우주배경복사(CMBR)의 비등방성을 1/100,000도까지
측정함
인플레이션 중 진공(양자)섭동으로 온도와 밀도가
다른 현재우주 구조 생성
3) 인플레이션 중 발생한 중력파를 측정?
8. 인플레이션 이후 어떤 과정을 거쳐
현재의 우 주로 진화했나?
양의가속도우주(인플레이션)
가속도=0 우주
음의 가속도 우주
(Reheating복사지배우주물질지배우주)
가속도=0 우주(곡률지배우주)
양의 가속도 우주(암흑에너지지배우주)
계속 팽창하는 우주(미래의 우주)?
w<-1(팬텀물질)이면 우주가 산산 조각 난
Big Rip(우주의 운명)?
9. 현재우주의 물질분포는?
암흑에너지 (집적화불가능): 74%
암흑물질 (집적화가능): 22%
물질 (집적 및 관측가능): 4%
10. 암흑물질이 존재한다는 증거는?
*1933년 프리츠 즈위키에 의해 은하단의 회전속도 관찰
결과 암흑물질 존재 가능성 제시
*전자기파로 탐지불가능
*중력렌즈현상을 이용해 각 은하의
암흑물질 분포 확인가능
중력렌즈현상과 암흑물질등고선
11. 암흑에너지가 존재한다는 증거는?
1) Ia 형 초신성들은 같은 밝기로 연소하기 때문에 이들
의 밝기를 이용하면 각자의 상대적 거리를 계산할 수
있음.
2) 애덤 리스 박사팀이 1998년 이 초신성들의 밝기가 예
상보다 어둡다는 데 주목, 우주의 팽창 속도가 점점 빨
라지고 있다는 사실을 발견했음.
3) 이런 현상의 배후에는 물질을 밀어내는 암흑 에너지
가 있다는 것을 알아냄.
허블의 법칙(거리:적색편이, 초신성 Ia)
초신성의 양파구조
(태양질량의1.4배 이상인 별)
1. 종류다섯가지
(Ia,Ib,Ic, IIP,IIL)
2. Ia밝기(태양의100억배)
일정하여 가속팽창 검증
용 (standard candle)
3.IIP,IIL8Ms별의 붕괴
4. 핵융합:He(4)Fe(56)
5. 초신성:FeU(92)
중원소 합성기
초신성의 폭발과정
(중력붕괴중성자별생성충격파로 별외부가열초신성폭발)
암흑에너지 승리시기
1) 초기 우주를 구성하는 물질은 중력 때문에 안쪽으로
끌려 들어가 팽창 속도가 줄어 듬.
2) 60억~50억년 전부터 우주의 팽창에 가속도가 붙음
암흑 에너지가 우주 전쟁에서 승리한 시기
3) 암흑 에너지가 90억년 전부터 활발하게 활동 증거
(2006년 11월 16일 NASA, 애덤 리스박사팀)
허블 우주망원경 통해 24개 초신성 관측.
은하들을 점점 빠른 속도로 밖으로 밀어내는
반(反)중력의 힘이 오늘날과 비슷함.
90억년전부터 암흑에너지가 존재했었다는 것을
허블 우주망원경 통해 24개 초신성 관측으로 확인
12. 암흑에너지 정체는 무엇인가?
지구상의물질분류
고체,액체, 기체
태양계에서 물질분류
고체, 액체, 기체, 플라스마(태양:스타)
우주에서 물질분류 (상태방정식: p w )
물질 (stiff matter: w=1), 복사 (radiation: w=1/3),
(암흑)물질 (cold dark matter: w=0)
곡률 (curvature: w=-1/3)
가속암흑에너지 (dark energy: -1/3<w<-1)
우주상수 (cosmological constant: w=-1)
팬템물질 (phantom: w<-1)
13. 우주상수란 무엇인가?
*아인슈타인이 우주팽창이론을 싫어해
도입한 양의 상수
*양의 에너지밀도와 음의 압력을 갖고
시공간에 일정하게 분포되어 있음.
*이 경우 우주 내 모든 점에서는 척력이 작용하
여 중력의 인력을 이기고 가속팽창이 가능함
14 전자기력과 중력의 차이점?
전자기력: 인력과 척력물질생성
중력: 인력 (불안정)
씨앗(급팽창섭동)에 작용하여
우주구조생성
15. 일반상대론이 필요한 곳은?
큰 스케일의 우주론
강한 중력장이 작용하는 블랙홀
16 뉴턴역학으로 우주론 설명 가능한가?
물질중심우주는 설명이 가능하다.
음의 우주상수 조화진동자 (중심으로 인력작용)
양의 우주상수 반조화진동자
(중심으로부터 척력작용)
17 우리 우주 내 별과 은하의 개수는?
은하100억 개의 별로 이루어짐
우주->1000억 개의 은하가 있음
우주 내 별의 개수(거시세계)
10^{23}아보가드로수
1몰 당 기체 분자수(미시세계)
18 인간은 소우주란 말의 타당성은?
*세포 내 분자 수10^{12}개
*우리 몸의 세포 수60조~10^{12}개
*우리 몸의 총 분자수10^{24}개
별의 개수
소우주
19 우주의 크기는?
태초로부터 빛이 간 거리=
우주의 나이(130억년x3.1x천만초)
X 빛의 속도(300억cm/초)
=10^{28}cm
20 우주탄생이전과 우주밖에는 무엇이 있는가?
어리석은 질문이다.
이런 질문 하는 사람을 위해 조물주는
지옥을 만들었다.
최근 끈 이론으로 다 우주 모델이
나오고 있으나,
검증할 방법이 현재는 없다.
결론
眞物不煇 (진물불휘)
참된 물질(에너지)는
번쩍거리지 않는다.
결론-칸트말 수정 (우주론)
생각할수록 나를 괴롭게 하는
것이 두 가지가 있는데,
첫째는 밤하늘에 반짝이는 별(star)이고
둘째는 내가 보지 못한 것도 믿어야
한다는 사실이다.