현대우주론 2018.11
천원지방
힌두우주론
이집트우주론 Nu Nut Ra Shu Geb
우주론 우주론 우리가살고있는우주전체의모습과특성을파악하고과거의우주는어떠했으며미래의우주는어떠할것인가를과학 ( 물리 ) 적으로연구하는학문 일반상대성이론 (Einstein 1915) 우주전체의역학을다룰수있게됨
일반상대성이론 등가성의원리 가속도 a 중력가속도 g
자유낙하 관성계
무중력
- 자유낙하하는조그마한박스안에서는관성계 - 이런관성계연결하여붙이면중력효과가포함됨
장방정식 질량 - 에너지는시공간을휘게한다. R μν 1 2 g μνr + Λg μν = 8πG c 4 T μν 시공간의휨 질량 - 에너지의분포 Nobel Prize 1921 Rλ μνκ Γ μν λ x κ Γ λ μκ x ν + Γ μν η λ Γκη Γ λ μν 1 g 2 gλρ ρμ x ν + g ρν x μ g μν x ρ dτ 2 = g μν dx μ dx ν η Γ μκγνη λ
운동방정식 입자들은휜시공간을따라자연스럽게움직인다. m d2 x μ dτ 2 = Fμ μ dx ν mγ νλ dτ dx λ dτ Newton 운동방정식 m d2 x i dt 2 = Fi
R μν 1 2 g μνr + Λg μν = 8πG c 4 휘어라 T μν 질량 시공간 m d2 x μ dτ 2 움직여라 = Fμ μ dx ν dx λ mγ νλ dτ dτ
상대론적우주론 우주론의원리 우주는균질, 등방하다. 우리의위치는특별하지않다. 코페르니쿠스원리 균질 등방 3 차원공간 Robertson-Walker 공간 ds 2 = R 2 t dr 2 1 kr 2 + r2 dθ 2 + r 2 sin 2 θdφ 2
Friedman 방정식 우주전체의운동방정식 2 dr + kc 2 = 8πG dt 3 ρr2 ρ 우주내물질 / 에너지밀도
우주의팽창 기하구조 - 물질 1. 저밀도우주 영원히팽창 음으로휜우주 2. 고밀도우주 팽창후수축 양으로휜우주 3. 임계밀도우주 영원히팽창 평탄한우주 은하사이거리 우주시간
우주론거리측정 표준촉광방법 특별한천체의광도를결정하는방법을알아낸다음같은종류의천체들의겉보기등급과비교하여결정 예 세페이드변광성 가까운은하까지 제 Ia 형초신성 먼우주까지
우주의팽창은어떻게아는가? 적색이동 멀어지는속도 z λ obs λ 0 λ 0
적색이동 (redshift) λ obs λ 0 =1 + V c (V c)
Edwin Hubble
Hubble s Discovery (1929) V = H 0 d
z λ obs λ 0 = V λ 0 c V = H 0 d Hubble-Humason (1931)
H 0 = 22 km/s/ 백만광년
적색이동 우주의크기변화 1 + z λ obs λ 0 = R 0 R t 과거 현재 예 : z=2 인천체의빛은우주의크기가지금의 1/3 일때출발한빛
Images: Scientific American
공간자체가팽창한다 Images: Scientific American
물체도같이팽창하는가? 속박되어있지않은경우 속박되어있는경우 Images: Scientific American
우주의팽창역사
Big Bang 우주론 과거 현재 미래 현재 미래 : 우주내물질들의밀도, 온도낮아짐 현재 과거 : 우주내물질들의밀도, 온도높아짐 우주의팽창속도 우주내물질의중력에의해과거로갈수록팽창속도커짐 초기우주는아주빠른속도로팽창 : Big Bang 온도와우주의팽창 아주과거로가면우주는뜨거운용광로 : Hot Big Bang 우주의온도 T t T 0 = R 0 R(t) 우주에는뜨겁고밀도가높았던초기우주의흔적이빛으로남아있어야한다. (Gamow 등 )
Big Bang 우주론의증거 우주배경복사 우주핵합성 우주의거대구조
우주배경복사의발견 A. Penzias & R. Wilson (1964) 전하늘에존재하는전파잡음발견 Big Bang 의증거
Penzias-Wilson (Nobel Prize1978)
Dicke Peebles (1970)
우주핵합성 헬륨합성 우주나이 3 분일때우주의온도 ~10 억 K 양성자 + 중성자 중수소중수소 + 중수소 헬륨 + 빛외. 우주팽창으로온도가낮아져서핵합성중단 우주전체물질의 ~ 25% 중수소, 리튬등도생성 원소의기원 수소, 헬륨은초기우주에서합성 탄소이상중원소는대질량별에서합성
핵합성계산결과
핵합성이론과관측비교 Big Bang 이론확인 바리온물질의양결정
초기우주의역사 t<10-43 초 (T>10 32 K) 현대물리학이아직설명하지못하는시기 모든힘이통합, 양자화된시공간? 10-36 초 ~ 10-32 초 : 급팽창 (10 28 배이상 ) 우주가평평해짐 거대구조의씨앗생성 급팽창후쿼크, 전자, 광자가우주를채움 10-6 초 (T>10 13 K) 양성자, 중성자생성 3 분 (T>10 10 K) 헬륨생성
우주배경복사의비등방성 온도차 ~ 10-5
J. Mather (NASA) & G. Smoot (UC Berkeley) 2006 Nobel Prize
우주배경복사의비등방성 우주의기하학적구조 우주의크기, 나이 물질의양 과거물질의분포 우주거대구조의형성과정
맞는이론은어느것인가?
관측된우주거대구조 SDSS Survey 93 만개은하의적색이동측정 -1.25 < 적위 <1.25 사이은하의분포
우주구조의생성 Q: 은하 / 은하단같은거대우주구조는어떻게만들어졌는가? A: 중력에의해암흑물질 + 물질들이점점더뭉쳐져서생성되었다. 우주배경복사의비등방성생김
52
관측 예측 53 박창범외
우주의역사 그림 : 한겨레, 고등과학원
The End of Science by John Horgan (1996) Ch. 4 The End of Cosmology
Wait a minute
초신성
J. Friedman
제 Ia 형초신성 밝기변화에걸린시간으로부터광도결정가능 먼은하까지의거리측정가능해짐
우주의가속팽창
가속팽창설명 원래아인슈타인방정식 R μν 1 2 g μνr = 8πG c 4 T μν 수정아인슈타인방정식 가속팽창 R μν 1 2 g μνr = 8πG c 4 T μν + Λg μν 암흑에너지
Friedman 방정식 우주전체의운동방정식 2 dr + kc 2 = 8πG dt 3 ρr2 + Λ 3 R2 ρ 우주내물질 / 에너지밀도 Λ Einstein 의우주상수
우주의구성분 보통물질 암흑에너지 암흑물질
암흑에너지문제 암흑에너지 = 진공의에너지 단순한이론물리학적계산 ~ 10 120 ⅹ관측치 -.-;;;;;; 해결방법 초끈이론? 인간의존재때문에?
2011 년노벨물리학상 Alex Kim (Lawrence Livermore National Lab.)
I. 천체물리학분야노벨물리학상 1967 Hans Bethe: 별에서의핵융합 1974 Martin Ryle, Antony Hewish: 구경합성전파관측, 펄사발견 1978 Pyotr Kapitsa, Arno Penzias, Robert Wilson: 저온물리학, 우주배경복사발견 1983 Subramayan Chandrasekhar, William Fowler: 별의진화, 원소의기원 1993 Russell Hulse, Joseph Taylor Jr.: 쌍펄사관측으로중력파증명 2002 Raymond Davis Jr., Masatoshi Koshiba, Riccardo Giacconi: 우주중성미자, X- 선천체발견 2006 John Mather, George Smoot: 우주배경복사의비등방성발견 2011 Saul Perlmutter, Brian Schmidt, Adam Riess: 우주의가속팽창발견 2017 Rainer Weiss, Barry C. Barish, Kip S. Thorne: 중력파발견
II. Riess et al. (1998), Perlmutter et al. (1999)
우주의크기와지평선 무한히크다? 우주론원리를만족할경우평탄한우주는무한히크다 현재 ( 입자 ) 지평선 Big Bang 때출발한빛이이제우리에게도착하는거리 현재우주의나이 137억년 지평선까지의거리 466억광년 > 137억광년 Why? 관측가능한우주의크기 시간이갈수록커진다 은하의수 ~ 640억개 별의수 ~ 6.4x10 21 개 ( 무한 ) 미래의입자지평선 620억광년 가속팽창으로인해더이상커지지않음
우주지평선의크기 140 억광년 460 억광년
대폭발특이면 빛분리면 암흑시대 우주조망도 관측가능한시공간 재이온화시기 high-z 시대 현재 그림 : 박창범
우주의미래 팽창하는우주 양으로휜우주 팽창후정지후수축 수축시우주의온도계속증가 고온, 고밀도의 Big Crunch 평탄우주 ( 관측된우주 ), 음으로휜우주 우주는계속해서팽창할것이다. 우주는서서히식어갈것이다. 인류의생존 1. 에너지가고갈되어멸망할것이다? 2. 차가워지는우주에맞추어진화할것이다?