우주의 탄생과 진화: 우주는 137억년전 무에서 탄생 태양계와 우주(2014.3.24.) 인제대학교 컴퓨터시뮬레이션학과 명 연수
우주론(cosmology) 우주론이란? 우주의 탄생, 구성, 그리고 진화를 다루는 학문 관측사실에 기반을 둔 정밀(실험)과학 우주론에서 세 번 변혁기 1) 코페르니쿠스의 지동설 2) 허블의 우주팽창과 대폭발(Big Bang)이론 3) 1998년 가속팽창우주발견 우주론의 기본원리 1)등방성 2) 균질성 3) 중심이 없음 현대우주론 대폭발(Big Bang)+급팽창(inflation)
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(현 이대 WCU교수) 여러 온 도 데이터에 10만분의 1도씩 차이가 난다 는 우주의 비등방성 발견했다.
COBE vs WMAP(NASA)
Planck Satellite (ESA)
COBE(1992) 빅뱅-38만 년후 태초우주 빛 분포 (온도차,물질밀도차) WMAP(2004) 10 3 order 10 5 order
시대별 우주배경복사 온도분포
Cosmic microwave background seen by Planck (2013.3.21,ESA) Planck reveals an almost perfect Universe
우주는 어떻게 탄생되었는가? 대폭발(Big Bang)이론 한점 (온도:무한대 와 밀도:무한대) 에서 폭발하여 우주가 탄생 됨. 1940년대 가모프와 디케등이 주창함. 그러나 명명은 호일이 함.
우주탄생 10 44 초 경과 후 우주의 온도, 크기 그리고 밀도는? 온도는 10 크기는 32 K 10-33 cm 밀도는 5 10 93 불공 (fireball) g/cm 3 기본원소의 합성은 우주탄생 후 몇 분 몇 초 이내에 만들어졌을까? 3분 45초 이내
대폭발이었다는 증거는? 허블 이전: 우리은하 우주전체 1.1929년 허블의 우주팽창발견(지구표면) 은하의 후퇴속도=허블상수 X 은하까지거리 2. 1965년 Wilson-Penzias의 적색편이에 의한 등방성의 우주배경복사온도 2.7K측정 파장이 7cm인 마이크로파측정 3. 빅뱅 핵합성이론을 실험적으로 관찰함 대폭발 3분 후 수소 대 헬륨 비는 3:1 4. COBE-인공위성을 통해 2.7K 와 비등방성측정 5. WMAP-관측위성을 통해 비등방성 더 정확히 측정
허블의법칙(1번 증거)
윌슨-펜지아스 우주배경복사 온도 발견 우주배경복사온도의 등방성
전자기파 스펙트럼과 태양의 흑체복사
COBE-인공위성을 통해 우주배경복사온도 2.7K측정(1번과 4번 증거) 2.7K 우주탄생 후 380,000년 이 지나면 온도는 3,000 K되어 전자가 핵 내로 포획되면서, 우주 가 맑아짐(물질과 복사 분리 됨). 태초의 빛생성 이때까지 현재의 태양과 비슷한 흑체복사(자외선 과 가시광선)였으나, 우 주팽창에 의한 적색편이 로 인해 마이크로파가 되어 그 온도는 2.7K 됨.
허블 망원경이 관측한 탄생 후40억년(100억년전) 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
허블 망원경이 찾아낸 최초 은하와 최초 별(Nature 469,504,2011) The tiny, dim object observed by Hubble could be a compact galaxy of blue stars that is seen as it was only 480 million years after the Big Bang. The rate of star formation was about 200 million years later. Ultra-deep-field exposure taken with NASA s Hubble Space Telescope
Big-Bang이론의 문제점은? *평탄성문제 우주초기와 현재우주가 *지평선문제 왜 그렇게 평탄한가? 태초부터 현재까지 빛이 간 거리가 우주의 지평선인데, 빅뱅이론을 통해 역으로 계산하면 지금부터 10억 년 전부터는 서로 빛으로 소통할 수 없을 정도로 멀리 떨어져 있음.
Big Bang이론의 문제점을 해결하려면? 급팽창(인플레이션)이 필요 Guth (등방성이용) Old inflation(x) Linde, Albrecht & Steinhardt New inflation (slow-roll inflation) 진공에너지 -35-32 우주탄생 10 초 경과 후, 10 초까지 10 공간끼리 서로 밀어냄 빛 보다 빠른 속도로 30 배로 우주의 크기가 증가함.
인플레이션(inflation)
인플레이션
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.
인플레이션의 간접적인 증거는? 온도 COBE & WMAP등의 관측위성 통해 확인 1)우주배경복사의 온도 등방성 확인 인플레이션 중 진공(양자)섭동으로 온도와 밀도가 다른 현재우주거대구조(Large Scale Structure) 생성됨 2)우주배경복사(CMBR)의 온도 비등방성을 1/100,000도까지 측정하여 인플레이션섭동이론결과와 일치함을 확인함. 밀도 거대구조(LSS)관찰을 통해 확인 3) SDSS나 2dF관찰을 통해 스케일에 따른 밀도 균질성 및 비균질성이 인플레이션섭동이론(power spectum 분포의 편차측정)과 일치함을 확인
세기의 발견: 인플레이션 직접증거(빅뱅의 지문) (2014년 3월18일) 미국 하버드 스미스소니언 천체물리센터는 17일(현지시각) 약 138억년 전 대폭발 이후 지금과 같은 우주가 생긴 우주 인플레이션의 직접적 증거를 최초로 발견했다고 밝혔다.. 하버드 스미스소니언 천체물리연구센터가 우주 인플레이션의 증거로 중력파 를 탐지했다. 중력파는 질량을 가진 물체가 가속 운동을 할 때 방출되는데, 전하를 가진 전자를 흔들어 주면 전자기파가 방출되는 것과 비슷한 원리다. 그러나, 중력파의 존재는 아인슈타인의 일반상대성이론에 따라 예측됐고 이론상으로 존재했지만 직접 검출은 성공한 적이 없었다. 연구자들은 남극에 설치한 바이셉2(BICEP2)라는 관측 장비로 우주 전체에 가득한 우주 마이크로웨이브 배경 복사 의 편광을 분석해 중력파의 패턴을 파악했다. 연구자들은 빅뱅 직후 찰나의 순간에 중력파가 특징적인 흔적을 남겼으며, 그 흔적이 우주 배경 복사 에 남아 있다고 보고 있다. 이번 발표는 이 인플레이션 우주론의 직접적인 증거가 되는 초기우주가 만 들어낸 중력파를 검출한 것으로 빅뱅부터 현대우주까지의 인과관계를 잘 설명하는 직접적인 관측적 증거라고 연구진은 소개했다. 과학계는 이번 연구가 이번 세기 가장 중요한 과학적 발견 가운데 하나로 꼽을 수 있을 것으로 보고 있다.
BICEP and B-mode of primordial gravitational waves The BICEP (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) telescope at the South Pole, designed to measure polarized light from the early Universe. Primordial gravitational waves give the divergence-free B component in the CMB polarization.
WMAP를 통해 온도비등방성측정 (2번 증거)
우주의 거대구조(Large Scale Structure: LSS) 1.2dF에서 은하들 (galaxies)의 분포 (Two Degree Field Galaxy Redshift Survey, 2001년) 2. 250,000 은하들의 분포(우리:중심, 경계면은 약 1Gpc에 존재함) 3. 적색편이(지구로부터 거리)와 각 위치를 이용해 3차원분포를 2차 원 평면으로 투사함
은하분포
우주진화과정 (38만후 137억년까지 우주크기는 약100,000배증가 )
인플레이션 이후 어떤 과정을 거쳐 현재의 우주로 진화했나? 빅뱅 양의가속도우주(인플레이션) 가속도=0 우주 음의 가속도 우주(slowing expansion) (Reheating 복사지배우주 물질지배우주) 가속도=0 우주(곡률지배우주) 양의 가속도 우주(accelerating expansion) 계속 팽창하는 우주(미래의 우주)? w<-1(팬텀물질)이면 우주가 산산 조각 난 Big Rip(우주의 운명)?
현재우주의 물질분포는? 암흑에너지 (집적화불가능) 암흑물질 (집적화가능) 물질:양성자+중성자 (집적 및 관측가능)
암흑물질이 존재한다는 증거는? *1933년 프리츠 즈위키에 의해 은하회전속도 관찰 결과 암흑물질 존재 가능성 제시 *전자기파로 탐지불가능 *우주전체질량의 90%로 중력이 작용함 *중력렌즈현상을 이용해 간접적으로 각 은하의 암흑물질 분포 확인가능 *암흑물질의 정체를 밝히면 노벨상 (향후 5-10년 내 가능)
나선은하 M33의 회전속도 Solid line: total rotation curve Dot-dashed line: dark matter Short-dashed line: stellar disk Long-dashed line: gas At large radii, dark matter dominates.
중력렌즈현상과 암흑물질등고선
중력렌즈현상 중력렌즈에 의해 4개로 보이는 은하 : 멀리 있는 은하에서 나온 빛이 블랙홀로 짐작되는 물체를 스 쳐 지나오면서 휘어져서 4개의 영상으로 보인다.
암흑에너지가 존재한다는 증거는? 1) Ia 형 초신성(표준전구)들은 같은 밝기로 연소하기 때 문에 이들의 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 에너지가 있다는 것을 알아냄. 4) 2010년 허블망원경 초신성팀이 557개 초신성관찰을 통해 가속팽창을 99% 확신함.
2011노벨 물리학상 솔 펄머터, 브라이언 슈밋, 애덤 리스 노벨물리학상에 펄머터 등 3 人 우주 가속팽창 규명 별의 마지막 순간인 100억광년 떨어진 초신성 50개 밝기 관찰 (초신성은 우주 연구에서 거리를 재는 이른바 '표준 척도) 끌어당기는 중력과 반대인 밀어내는 암흑에너지 예견 아인슈타인 우주론 입증(?)
팽창하는 우주
가속팽창-허블의 법칙 초 신 성 까 지 거 리 [초신성 후퇴속도]
거리-적색편이 식:
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.
암흑에너지 정체는 무엇인가? 지구상의물질분류 고체,액체, 기체 태양계에서 물질분류 고체, 액체, 기체, 플라스마(태양:스타) 우주에서 물질분류 (상태방정식: p w ) 딱딱한물질 (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)
우주상수란 무엇인가? *아인슈타인이 우주팽창이론을 싫어해 도입한 양의 상수 ( ) *양의 에너지밀도와 음의 압력을 갖고 시간과 공간에 일정하게 분포되어 있음. *이 경우 우주 내 모든 점에서는 척력이 작용하여 중력의 인력을 이기고 *문제점: 우주상수문제 가속팽창이 가능함 (fine-tuning problem:실제와 이론 사이에 *해결방안: f(r) gravity, Massive gravity 등의 수정된 중력이론 도입하여 설명. 120 10 배 차이)
<단테의 지옥 상상도> 우주탄생이전과 우주밖에는 무엇이 있는가? - 어리석은 질문이다. --검증할 방법이 현재로는 없다. 이런 질문 하는 사람을 위해 조물주는 지옥을 만들었다.