우주는 별들로 가득 차 있다. 빛이 반사되어 우리 눈에 들어오는데, 왜 우주는 어둡게만 보이는 걸까?
일단 과학자 뉴턴은 우주가 무한하다고 주장했다.
왜냐하면, 우주가 유한하다면 그 안에 있는 수 많은 별들끼리 중력이 작용하면서 점점 수축할 것이라 생각했기 때문이다.
따라서, 우주가 무한해야만 별들이 균형을 이루고 있을 것이라 생각했다.
근데, 여기서 과학자 올베르스가 또 하나의 의문을 던진다.
우주가 무한하다면, 그 안에 무한한 별들이 있을것인데 왜 밤하늘은 어두운 것인가?
이게 바로 올베르스의 역설(Olbers' Paradox)이다.
무한한 우주의 모든 별들이 적당한 밝기로 적당한 거리를 유지하고 있다고 해보자.
그러면, 우리가 일정거리에 있는 별들을 관측할 때, 거리가 2배가 되면 그곳에는 4배 많은 별들이 있을 것이고, 밝기는 4배 줄어들게 될 것이다.
즉, 거리의 제곱에 비례하여 별의 개수는 증가하지만, 거리의 제곱에 반비례하여 밝기는 줄어들게 될 것이다.
결국, 거리에 상관없이 별들의 총 밝기는 비슷할 것이다. 즉 무한한 우주라면 우리는 밝은 밤하늘을 보아야만 할 것이다.
이 역설을 설명할 수 있는 것은 바로 빅뱅이론(Bigbang Theory)이다.
1. 우주의 나이는 유한하다.
우주가 무한한 나이를 가지고 있다고 해보자.
그럼, 우리는 지금 관측할 수 있는 우주의 모습도 무한할 것이다.
아무리 시간이 오래되었다고 한들, 우주의 시작부터 날아오기 시작한 빛이 어쨌거나 우리에게 도달할 것이기 때문이다.
그렇기에 무한한 별들의 빛을 모아 밝은 우주를 보고 있어야 할 것이다.
근데 빅뱅이론에 따르면, 우주는 약 138억년 전에 탄생했다. 그 전에는 빛이 존재하지 않았다.
그렇기 때문에, 우리가 관측할 수 있는 시점은 138억년 전까지 만의 우주이다. 그 전의 우주는 볼 수 없다.
정확히는, 우주는 팽창하고 있기에 약 460억 광년까지 관측 가능하다.
이것이 관측가능한 우주(Observable Universe)라는 개념이다.
정리하자면, 우주의 나이는 유한하기 때문에 우리가 관측가능한 우주는 한계가 있다.
2. 우주는 팽창하고 있다.
우주는 태초부터 지금 이 순간 까지도 계속해서 팽창하고 있다. (시공간 팽창)
예전에 지구과학1을 배울 때 기억을 되살려보면, 허블의 법칙이라는 게 있었다.
이는, 은하의 후퇴속도는 거리에 비례한다는 것이다. 그 말인 즉슨 멀리 있는 은하일수록 더 빠르게 멀어지고 있다. 전문 용어를 쓰자면 빛의 적색 편이(Redshift)이다.
v=H x r (v: 후퇴속도, H: 허블상수, r: 거리)
우주의 팽창에 의해 은하가 점점 멀어지게 되고, 그러면서 빛의 파장도 길어져 보라색에서 빨간색으로 치우치게 된다. 원래는 가시광선에 해당했던 빛도 시간이 흐를수록 파장이 길어져 우리 눈에 보이지 않게 된다.
그래서, 적외선이나 전파를 감지해 보면, 우주의 색깔은 어둡지가 않다! 사실은 밝다고 볼 수 있다!
아래의 사진은 우주배경복사(Cosmic Microwave Background Radiation)로, 우주 전역에서 발견되는 전자기파 복사를 나타낸다.
(풀어서 말하면, 우주의 뒷 배경에서부터 복사(방사)되는 전자기파들이라는 뜻이다)
정리하자면, 우주는 지금 팽창하고 있으며, 아주 멀리 있는 은하의 경우 빛의 속도보다 더욱 더 빠르게 멀어지고 있다. 따라서 우리가 관측할 수 있는 은하에는 한계가 있고, 그 은하들로부터 오는 빛도 적색편이가 되어 우리 눈에 보이지 않게 된다.
단순한 궁금증에서도 많은 천문학적 지식을 습득할 수 있다는게 놀랍다.
내 머리는 힘들지 몰라도 조금씩이나마 지식을 쌓아나가야겠다 ㅎㅎ
참고문헌: 유튜브 채널 보다 <태양이 1000억 개여도 우주가 깜깜할 수밖에 없는 이유 ㄷㄷ>
마쓰바라 다카히코 <아는 만큼 보이는 세상, 우주 편>
유튜브 채널 스페이스팔로워 <우주가 까만이유, 밤 하늘은 왜 어두울까?(올베르스의 역설)>
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