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우주의 나이가 138억년이라는 것을 어떻게 알수 있었죠?

안녕하세요. 김경태 과학전문가입니다.우주의 나이는 우주를 구성하고 있는 개체의 나이보다 많다는 것은 알고 계실겁니다. 예를들어 우주의 나이는 은하의 나이보다 많으며, 항성의 나이보다 많으며, 지구보다도 나이가 많겠죠. 천문학자들은 천체들의 나이를 측정하며 우주의 나이를 추론해왔습니다. 가장 유명한 사례는 구상성단 연구입니다. 20세기 초 들어서 학자들이 은하 헤일로부분에 있는 구상성단을 조사하여 구상성단을 이루는 별들의 밝기와 표면온도를 HR도(헤르츠스프롱러셀도)에 그래프로 표시했습니다. 그러면 개개의 별들을 하나의 점으로 좌표에 표시하고 수만개의 점을 찍다보면 연속적인 곡선이 나옵니다. 이 곡선의 휜 정도에 따라서. 그 구상성단의 나이를 추정할 수 있습니다. 그 곡선이 휘어져 있을수록 항성들이 주계열로부터 벗어난 정도가 크며, 오래된 항성들이 많이 있다는 것이죠. 이러한 방식으로 측정한 몇몇 구상성단의 나이는 110~120억년에 육박했습니다. 이를 통해 우리는 우주의 나이가 아무리 적어도 120억년에 육박한다는 점을 알아냈죠. 그리고 멀리 보면 볼수록 우주의 나이도 알아볼 수 있습니다. 예를들어 어떠한 은하를 관측하고 분석한 결과 100억광년이나 떨어져 있다고 칩시다. 그러면 100억년전 그 은하에서 나온 빛이 지금 우리에게 와 있다는 겁니다. 그러면 우리는 100억년전 은하의 모습을 보고 있는 것이고 100억년전에 저렇게 생긴 은하가 존재하고 있었음을 알 수 있습니다. 이는 우주의 나이가 100억년보다 큼을 증명해주는 셈이죠. 이런 방식으로 학자들은 최대한 멀리 떨어져 있는 천체를 찾아 보려 했습니다. 그런데 허블상수가 없다면 어떻게 거리를 잴 수 있는가 하는 의문이 들겁니다. 여기에 아주 기막힌 방식이 쓰였는데 바로 표준폭탄법입니다. 초신성 중에서도 1A형 초신성은 백색왜성에 새로운 물질이 유입되어 질량이 증가하고 핵반응이 시작됨으로써 발생하는 초신성입니다. 그런데 1A형 초신성들은 어떤 것이든지 형태와 밝기가 거의 흡사합니다. 천문학자들은 이것을 표준폭탄으로 이용했습니다. 초신성이 발생하면 은하의 겉보기 밝기가 바뀝니다. 천문학자들은 1A형 초신성이 일어났을때 그 은하가 밝기가 얼마나 변하는가를 측정하여 그 은하가 얼마나 떨어져 있는지 알 수 있습니다. 이러한 방식으로 수십억광년 떨어진 은하와의 거리도 잴 수 있으며, 표준폭탄법으로 최대 130억광년까지 떨어진 은하까지 관측된 바가 있습니다. 이는 130억년 이전에도 은하가 있었음을 보여주는 것이며, 우주의 나이가 130억년보다 큼을 증명해 줍니다. 이렇게 오래된 천체를 찾을수록 우리가 찾은 최고령 천체의 나이는 우주의 나이라는 점근한계와 점차 비슷해집니다. 허블상수가 발견되기 이전의 우주 나이 추정은 이렇게 이루어졌는데 이는 허블상수법보다 많이 부정확했습니다. 이러한 상황에서 등장한 허블의 법칙과 허블상수는 우리가 우주의 나이를 재는데 혁명적인 방법을 제공하였으며, 현재 빅뱅우주론의 핵심이기도 합니다.

학문 / 지구과학·천문우주

23.02.05

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