밤 하늘 우주가 검은 이유 (ft. 우주 팽창)

 우주에는 수천억 개의 은하가 존재하며, 각 은하에는 수천억 개의 별이 빛나고 있습니다.

 그런데도 밤하늘은 왜 어둡게 보일까요? 이 단순한 질문은 천문학의 가장 흥미로운 수수께끼 중 하나인 ‘올베르스의 역설’로 이어집니다.

 지금부터 밤하늘은 왜 검은지, 우주의 어둠이 간직한 비밀을 함께 이야기해 보겠습니다.

 

하늘항아리의 네이버 블로그 갈무리

역설의 시작, 무한한 별들과 어두운 하늘

올베르스의 의문

 1823년, 독일의 천문학자 하인리히 올베르스는 논리적으로 매우 당혹스러운 질문을 제기했습니다.

 만약 우주가 무한하고 별들이 균일하게 분포되어 있다면, 우리가 하늘의 어느 방향을 보든 결국에는 별을 보게 될 것이므로 밤하늘은 별빛으로 가득 차 있어야 한다는 것입니다.

 이는 마치 무성한 숲 한가운데 서 있을 때 어느 방향으로 보아도 나무들이 시야를 가득 채우는 것과 같은 원리입니다.

 

뉴턴의 가설과 이론적 모순

 뉴턴은 이전에 “우주는 무한하고 무한한 수의 별들이 우주공간에 고르게 퍼져 있어 서로 간의 중력이 평형을 이룬다”는 가설을 제시했습니다.

 올베르스는 바로 이 가설에 의문을 제기했는데, 만약 뉴턴의 가설이 옳다면, 밤하늘은 별빛에 의해 밝아야 하는데 실제로는 그렇지 않았기 때문입니다.

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역설의 심화, 역사 속 해결 시도들

초기 해결 시도

 처음에는 우주 공간에 빛을 흡수하는 물질이 존재한다는 가설로 역설을 설명하려 했습니다.

 하지만 이 설명은 논리적 오류를 포함하고 있는데 만약 우주 공간의 물질이 별빛을 계속 흡수한다면, 결국 그 물질들도 가열되어 빛을 방출하게 될 것이기 때문입니다.

 

허셜의 은하계 발견

 윌리엄 허셜은 우리 은하의 발견을 통해 올베르스 역설에 대한 첫 번째 실마리를 제공했습니다.

 별들이 우리 은하 안에만 존재한다면, 지구에 도달하는 빛이 무한하지 않을 수 있다는 생각이 가능해졌습니다.

 그러나 외부 은하들이 발견되면서 이 설명만으로는 역설을 완전히 해결할 수 없게 되었습니다.

 

에드거 앨런 포의 예상

 흥미롭게도, 과학자가 아닌 미국의 시인 에드거 앨런 포가 우주 팽창의 개념을 통해 올베르스 역설의 실마리를 제공했다는 기록이 있습니다.

 이는 후에 에드윈 허블이 발견한 우주 팽창 이론의 선구적 아이디어였습니다.

 

나우뉴스 기사 갈무리

현대 천문학의 해답, 역설을 푸는 세 가지 열쇠

1. 우주의 유한한 나이

 현대 우주론에 따르면, 우주의 나이는 약 138억 년으로 유한합니다.

 이는 무한히 멀리 있는 별들의 빛이 아직 지구에 도달하지 않았음을 의미하는데 빛이 1초에 약 30만 km를 이동한다 해도, 우주의 크기는 너무나 방대하여 수십억 광년 거리의 천체에서 오는 빛은 아직 우리에게 도달하지 않았을 수 있습니다.

 

2. 우주의 팽창과 적색 편이

 에드윈 허블의 발견으로 확인된 우주 팽창은 올베르스 역설을 해결하는 핵심 열쇠입니다.

 우주가 팽창함에 따라 멀리 있는 은하들은 빠른 속도로 우리로부터 멀어지고 있습니다.

 이로 인해 다음과 같은 현상이 발생합니다.

• 적색 편이 현상 : 멀리 있는 은하들의 빛은 적색편이를 겪어 그 에너지가 감소합니다.
• 가시광선 영역 이탈 : 빛의 파장이 길어져 인간의 눈으로 볼 수 없는 적외선이나 마이크로파 영역으로 변환됩니다.
• 빛의 도달 제한 : 공간 자체의 팽창으로 인해 일정 거리 이상의 은하에서 오는 빛은 그 빛과 우리 사이의 공간이 빛의 속도보다 빠르게 팽창하여 영원히 지구에 도달하지 못합니다.

 허블의 법칙에 따르면, 가까이 있는 은하보다 멀리 있는 은하가 더 빠른 속도로 멀어지고 있습니다.

 이로 인해 멀리 있는 별일수록 우리에게서 빠른 속도로 멀어지고, 적색편이가 크게 되므로, 지구에 도달하는 빛의 에너지 역시 그만큼 감소하게 됩니다.

 

3. 관측 가능한 우주의 한계

 현대 우주론은 ‘관측 가능한 우주’의 개념을 제시합니다.

 관측 가능한 우주의 반지름은 약 465억 광년으로 추정되며, 그 너머에서 오는 빛은 아직 우리에게 도달하지 않았습니다.

 또한, 우주가 계속 가속 팽창한다면 ‘미래 가시성 한계’가 존재해 약 620억 광년 너머의 천체들에서 방출되는 빛은 결코 지구에 도달할 수 없게 됩니다.

 

위키백과 사이트 갈무리

우주의 어둠이 말해주는 것

 밤하늘의 어둠은 우주의 탄생과 진화에 대한 중요한 단서를 제공합니다.

 우리가 보는 어둠은 빅뱅 이후 우주가 어떻게 발전해 왔는지를 보여주는 우주의 역사서와 같은데, 특히 우주 배경 복사는 빅뱅 후 약 38만 년이 지난 초기 우주의 흔적으로, 우주의 어둠 속에 숨겨진 중요한 정보입니다.

 

 이렇게, 올베르스의 역설은 단순한 의문에서 시작되었지만, 우주의 본질을 이해하는 길로 이어졌습니다.

 이 역설을 통해 우리는 우주가 무한하지 않고 유한한 나이를 가지며, 끊임없이 팽창하고 있다는 것을 깨달았고, 현대 우주론의 기초가 되는 중요한 발견이었습니다.

 오늘날 우주 배경 복사와 같은 미세한 신호를 분석함으로써 과학자들은 초기 우주의 조건과 발전에 대한 더욱 깊은 통찰력을 얻고 있습니다.

 이러한 연구는 우주의 기원과 미래에 대한 우리의 이해를 계속해서 확장시킬 것입니다.

 

 다음에 밤하늘을 올려다볼 때, 그 어둠 속에 숨겨진 우주의 신비를 생각해 보시는 것을 추천해 드릴게요 그러면 우리가 보는 것이 다가 아니라는 것을 아시게 될 것이고 우주가 얼마나 상상할 수 없을 정도로 넓은 공간이라는 것을 느낄 수 있을 거예요.

우주는 얼마나 어두울까?…뉴호라이즌스호가 답하다