안녕하세요. A.K.A JuN 티스토리입니다.
표준우주모형은 급팽창이론을 포함한 빅뱅 우주론에 암흑 물질과
암흑 에너지의 개념을 포함시켜 만든 우주 모형입니다.
현재까지 관측된 사실을 가장 잘 설명하는 우주모형입니다.
표준우주모형은 빅뱅과 인플레이션 이론을 바탕으로
관측되지 않은 채 중력을 발생시키는 차가운 암흑 물질과
우주팽창을 가속시키는 암흑 에너지의 가정이 더해지며 만들어졌습니다.
암흑에너지
우주를 구성하는 요소들의 분포비를 살펴보면
95.1%의 암흑 에너지와 암흑 물질 그리고 4.9%의 보통물질로 되어 있습니다.
암흑 에너지와 암흑 물질의 분포비는 일정하지 않습니다.
우주는 팽창하고 있기 때문에 공간이 커질수록 암흑 에너지의 비율이 증가합니다.
4.9%에 해당하는 보통 물질은 우리 눈에 보이는
물질을 의미하는데 별, 행성, 은하가 이에 해당합니다.
우주는 밀도에 따라 팽창과 수축 여부가 결정됩니다.
이를 이해하기 위해서는 먼저 임계 밀도라는 개념을 알아야 합니다.
임계 밀도는 암흑 에너지가 없을 때 우주의 밀도에 의한 중력과
팽창하는 힘이 평형을 이루고 팽창을 멈춰 일정한 크기가 유지될 때의 밀도를 의미합니다.
평균 밀도가 임계 밀도보다 작으면 우주는 팽창하게 됩니다.
평균 밀도가 임계 밀도보다 크면 중력의 작용이 우세하여
우주의 팽창속도가 감소하고 우주의 크기가 수축됩니다.
평균 밀도와 임계 밀도가 같으면 우주의 팽상 속도가
점점 감소하여 0에 수렵하는데, 하지만 팽창이 완전히 멈추는 것은 아닙니다.
현재의 우주는 평탄하지만 계속해서 가속 팽창을 진행하고 있습니다.
우주를 설명하는 다양한 이론에 의해 우주의 역사가 서술됩니다.
우주는 플랑크 시대, 대통일 이론 시대, 전자기약 시대를 거쳐 초기우주가 되었습니다.
초기 우주는 또다시 쿼크 시대, 강입자 시대, 경입자 시대,
광자 시대, 그리고 은하의 탄생과 은하의 형성으로 구분됩니다.
우주 팽창
현대 우주론의 역사는 아인슈타인이 일반상대성이론을 완성하고
2년 후 이를 우주에 적용하여 우주 상수를 도입한 것에서 시작되었습니다.
우주 상수를 가진 차가운 암흑물질의 모형이라고 불리는 표준우주모형이 완성되었습니다.
표준우주모형은 우주를 설명하고 있지만 정확히 암흑 에너지와
암흑 물질이 무엇인지 그 정체를 밝혀야 하는 과제를 동시에 가지게 되었습니다.
일반상대성이론은 시공간이 단순 물질의 동역학이 일어나는
배경이 아닌 그 안에 있는 물질의 변화에 맞추어 변화하는 자체 동역학을 가진다는 이론입니다.
일반상대성이론을 기반으로 우주를 이해하는 것은
시공간 전체와 그 안에 있는 물질의 동역학적 변화를
풀어내는 작업으로 관측이 뒷받침되어야 합니다.
하지만 아인슈타인의 우주이론은 아무런 관측근거가 없었습니다.
이후 르메트르는 아인슈타인의 방적식에 따르면
우주는 팽창한다는 사실을 알았습니다.
에드윈 허블이 우주 팽창의 증거인 허블의 법칙을 발견하면서
우주 팽창은 사실로 확인되었습니다.
시간이 흐르고 아노 펜지아스와 로버트 윌슨에 의해 CMB가 발견되었습니다.
CMB는 우주에서 오는 마이크로파 영역의 전자기파인데
모든 방향에서 동일하게 온도가 약 3K인 복사 스펙트럼을 가지고 있습니다.
모든 방향에서 동일한 온도를 가지고 있다는 것은 바로 우주가 균일하다는 증거가 됩니다.
극저온의 열복사 스펙트럼이 어떻게 만들어질 수 있는지에 대한 해결이 필요했습니다.
현대 물리학의 빅뱅 우주 모델은 우주가 높은 밀도와
온도를 가진 상태에서 시작했다면 팽창하면서 온도가 내려가고
자연스럽게 저온의 열복사가 남게 된다고 설명했습니다.
이 이론이 표준우주모형이 되었습니다.
빅뱅 모형은 우주의 공간과 그 안의 물질 분포가 균일하다는 가정에서 시작되었습니다.
하지만 우주의 물질 분포는 균일하지 않습니다.
현재의 우주 구조가 만들어지기 위해서는 암흑물질이 필요합니다.
암흑 물질의 필요성이 대두되기 전부터 이미 암흑물질이 있다는 증거는 존재했습니다.
현재 관측되는 우주의 구조를 설명하려면 원자보다
양은 많으면서 광자와 분리되어 있어 밀도 요동을 성장시킬 수 있는 물질이 필요합니다.
이 물질은 빛과 상호작용이 없다는 의미에서 암흑 물질이라는 이름이 붙여졌습니다.
현재까지 암흑 물질은 우주 구조의 형성, 은하의 회전 곡선,
중력 렌즈 효과 등 중력을 통해서만 그 존재가 확인되었습니다.