EBS위대한 수업(천문학자의 시간)제1강~5강 요약정리

위대한 스물다섯 번째 강연 '천문학자의 시간'

 

호주국립대 교수 브라이언 슈미트

2006 쇼상 수상

2011 노벨 물리학상 수상

2016~현재 호주 국립대학교 부총장

 

 

 

제1강 하늘의 관찰자들

 

 

■ 인류의 시작 천문학

 

- 모든 인류가 천문학을 활용했다

- 플레이아데스 성단은 천구 적도에 있어서 지구에서 태어난 사람이라면 누구나 볼 수 있다

  이 별들의 기원은 8천만 년 전 인류 탄생 전으로 거슬러 올라간다

  · 별 여섯 개가 8천만 년 동안 한자리에 있었다

- 천문학은 인류 탄생부터 존재했고 계절을 기록하는 데 사용됐다

- 과학의 발전과 인류의 진보에 필수적인 역할을 함

- 프랑스 남부 라스코 동굴의 황소 그림

  · 기원전 1만 7천 년~1만 5천 년 라스코 동굴 벽화

  · 황소와 플레이아데스 성단이 함께 있다 → 황소자리

- 별들의 이야기가 선사시대에서 유래된다는 걸 알 수 있다

 

 

■ 과학의 시작 천문학

 

- 과학은 프톨레마이오스의 천문학을 통해 시작되었다

  · 클라우디오스 프톨레마이오스(83~168) 고대 그리스 천문학자

    : 천체의 움직임을 예측할 수 있는 정교한 체계를 개발, 그리스인으로서 '공리'에 집중

    : 주전원이라는 정교한 체계를 만듦, 원운동의 방식으로 밤하늘에서 행성들의 궤적을 파악

   

    ♠ 그리스인의 공리 - 지구는 우주의 중심에 있다, 모든 천체는 원을 그리며 움직인다

 

- 코페르니쿠스의 등장

  · 니콜라우스 코페르니쿠스(1473~1543) 폴란드 천문학자

    : 우주의 중심을 태양에 두어 우주와 인간의 위치를 다시 생각하게 함 

    : 행성의 궤적을 예측하기엔 효과적인 방법은 아니었다

- 행성의 위치를 정확하게 측정

  · 튀코 브라헤(1546~1601) 덴마크 천문학자

  · 요하네스 케플러(1571~1630) 독일 천문학자 

    : 새로운 형식의 수학을 코페르니쿠스의 개념에 적용

    : 삼각측량으로 화성의 위치를 알아내고, 원이 아닌 타원형 궤도로 움직임을 발견

    ♠ 케플러의 세 가지 법칙 중 제1법칙 - 행성의 궤도가 타원형이다

 

☞ 과학의 첫 번째 단계 : 측정 결과를 이용해 기존의 견해에 도전하는 것, 그리고 새로운 견해를 재정립

                            

- 갈리레오 갈리레이(1564~1642) 이탈리아 물리학자, 천문학자

   : 최초로 망원경을 사용해 우주를 탐구

   : 목성을 관찰해서 코페르니쿠스의 이론을 검증

    목성에는 위성이 네 개 있는데 지구가 아니라 목성을 공전하고 있음

    → 지구가 만물의 중심이 아님을 증명

   : 금성도 관측, 금성은 달과 같은 위상을 보임

    태양의 뒤쪽에 있어 전체가 빛을 받기 때문에 금성이 작을 땐 보름달처럼 보임

      → 천문학에 뿌리를 둔 과학 혁명의 시작

 

- 아이작 뉴턴(1643~1727) 영국 물리학자, 천문학자

  · '뉴턴의 법칙'을 만듦, 중력의 작용을 연구

  · 힘이 거리의 제곱과 물체의 질량에 의해 결정된다면

    행성이 타원을 그리며 공전한다는 사실을 자신이 고안한 미적분으로 증명을 할 수 있다고 함

  · 핼리 혜성이 접근할 때 궤도 예측을 가능하게 함

 

☞ 아이디어, 수학, 예측, 이론을 연결해 오늘날 과학 기반이 마련됨

  

- 윌리엄 허셜(1738~1822) 독일이 천문학자

  · 1781년 망원경을 사용해 천왕성 발견

  · 뉴턴의 법칙으로는 천체의 움직임을 완벽하게 예측할 수 없었음

  · 위르뱅 르베리에(1871~1877) 프랑스 천문학자 : 해왕성이 있다면 천왕성의 궤도를 알 수 있다

  · 해왕성 발견, 뉴턴의 법칙 입증

   → 반증과 예측을 통해 과학이 진보

 

- 수성 궤도

  · 수성의 근일점 이동 : 타원형의 공전 궤도가 시간이 지나면서 조금씩 이동 → 뉴턴의 이론보다 빠름

 

- 알베르트 아인슈타인(1879~1955) 이론물리학자

  · 누군가 지붕에서 떨어지는 걸 보고 가속도가 중력을 상쇄하여 중력을 느끼지 못할 거라고 생각함

    이 생각에서부터 의미를 수학적으로 밝혀내는 데 8년이 걸림

  · 실제 작용하는 중력은 뉴턴의 법칙과는 차이가 있었음

  · 수성 궤도가 뉴턴의 예측이 아니라 실제 관측과 가까울 것이라고 아인슈타인은 예측함

  · 개기일식 중에 태양 뒤의 별들이 휘는 걸 관측해야 한다

  · 일반상대성이론 : 1919년 일식 때 영국의 천문학자 에딩턴이 증명

                          1920년 뉴턴의 법칙이 틀렸다고 발표 

  · 일식 관측 결과 아인슈타인 이론

  · 오직 사고만으로 우주와 중력을 예측 → 이런 사고는 과학에서 흔하지 않은 일

  · 지금까지 일반상대성이론에서 누구도 오류를 찾아내지 못함

 

☞ 천문학은 과학과 인류가 발전하는 데 기폭제 역할을 해왔으며 인간의 지식과 발견을 이끌어 온 아주 강력한 도구이다

 

 

 

 

제2강 팽창하는 우주

 

 

■ 팽창 우주의 과거, 현재, 미래

 

  - 베스토 슬라이퍼(1875~1969) 미국 천문학자 

    · 은하의 빛을 무지개색 스펙트럼으로 분산시킴

     어떤 원자든 스펙트럼으로 분산시키면 고유한 빛을 방출 

    → 태양 같은 천체의 구성 물질을 정확하게 알려줌

  - 은하계가 지구의 원소들로 구성돼 있음을 발견

    · 적색편이 : 별빛이 스펙트럼의 빨간색 끝으로 치우침

    · 도플러 효과 : 경찰차가 우리를 향해 올 때 사이렌 소리가 고음으로 들리고 차가 지나가면 음이 점점 낮아진다

                      이러한 음의 변화를 말함  

다가오는 물체는 주파수가 증가(푸른빛) / 멀어지는 물체는 주파수 음이 낮아짐(붉은빛)

    · 우리 은하가 모든 것이 우리로부터 멀어지는 지점에 있었던 것을 발견(지구가 만물의 중심)

    · 촛불이나 전구는 멀리 떨어져 있을수록 더 희미하게 보임(17세기 뉴턴이 알아낸 것)

     밝기가 비슷한 별들은 밝기를 통해 상대적인 거리를 어림잡을 수 있음

    · 에드윈 허블(1889~1953) 미국 천문학자

      : 후커 망원경(당시 세계에서 가장 큰 망원경)을 사용, 슬라이퍼의 은하를 관측하고 별들의 밝기를 측정

      : 별까지의 거리를 추정(가장 밝은 별들이 있는 은하가 가장 가깝고 가장 희미한 별들이 있는 은하가 가장 멈)

      : 적색편이가 클수록(은하가 더 빠르게 멀어질수록) 별이 더 희미하게 보인다는 결론을 내렸다

        → 우주가 팽창하고 있다(코스믹타임스_1929)

      : 우주의 팽창 전과 후를 겹쳐 보았을 때

       가까이 있는 천체들은 조금 움직이고 멀리 떨어져 있는 천체들은 더 많이 이동했다고 추측

        → 천체가 가까울수록 우리 은하에서 더 천천히 멀어지고 있음을 의미

        → 천체가 멀리 있을수록 더 빨리 멀어짐

 

  - 중력과 가속도가 동일하다는 아인슈타인의 중력 이론을 우주의 움직임에 적용

    · 아인슈타인의 일반상대성이론에서는 공간이 휘어져 있음

    · 우주를 뉴턴의 법칙으로 설명할 수도 없다고 생각(우주가 텅 비어있다는 결론이 나오므로)

       → 결국, 우주는 동적이라는 결론에 이름

    · 우주상수 : 아인슈타인이 자신의 방정식에 한 항을 추가(우주 공간에 균일하게 퍼져 있는 에너지)

                  : 공식에 대입하니 중력은 당기는 힘이 아니라 미는 힘이었다

                  : 에너지가 적당량 있다면 우주는 완벽하게 균형 잡힌 정적 상태

                  : 아인슈타인의 이론은 우주가 움직이고 팽창한다고 예측

    · 알렉산드르 프리드만(1888~1925) 러시아 천체물리학자 : 우주의 크기 변화를 계산

    · 다른 은하들이 우리 은하로부터 멀어지고 있는 게 아니라 공간이 형성되어 있다고 봄     

    · 빛이 도달하기까지 시간이 걸리므로 멀리 있는 천체는 과거를 보는 것

      더 멀수록 파장이 늘어나고 더 오래된 과거의 모습이 보임

 

  - 우주의 나이 측정

    · 현재 우주 팽창 속도를 측정할 수 있다면 시간을 거슬러 올라가 우주의 나이를 측정할 수 있다

    · 현재 우주의 나이 140억 년 정도(허블 우주망원경을 사용해 아주 정확히 계산)

    · 우주의 시간을 거슬러 올라가는 그래프는 직선

     그러나 우주는 온갖 물질로 가득 차 있고 중력으로 인해 팽창 속도는 점점 줄어듦

     아무것도 없다고 가정한 것보다 우주의 나이는 더 적음

      → 우주에 아무것도 없어서 팽창 속도가 줄지 않는다면 우주는 계속 커지기만 함

      → 우주가 많은 물질로 충분히 채워져 있다면 팽창 속도가 줄고 팽창이 멈춤(반대로 수축이 시작)

      → 빅뱅으로 시작했다가 거꾸로 되돌린 gnaB giB에서 끝남

 

☞ 아인슈타인의 일반상대성이론은 이 모든 걸 완벽하게 예측

   

    · 우주 팽창 속도가 감소하는 걸 측정할 수 있다면 허블 상수로 계산한 우주 나이도 달라짐

    · 우주의 팽창 속도가 빠르게 줄어들면 팽창을 멈추고 다시 수축해 종말에 이르게 될 것

    · 아인슈타인은 중력이 공간을 휘게 한다고 함

    · 필연적으로 미래 우주의 크기는 무게와 연관된 것으로 밝혀짐

    · 우주가 무거우면 4차원에서 안쪽으로 둥글게 휘어짐(한 방향으로 계속 가면 시작점으로 돌아옮)

      우주가 가벼우면 말안장 모양처럼 바깥쪽으로 휘어짐(빛은 쌍곡면에서 이동)

      균형이 완벽하게 맞춰진 평평한 형태의 최적의 우주는 영원히 지속됨

    

 

 

 

제3강 우주 혁명의 시작

 

 

■ 우주의 가속 팽창

 

  - 시간에 따른 우주의 팽창 변화

    · 우주가 과거에도 지금 속도로 팽창했다면 앞으로도 속도가 줄어들지 않을 거라고 생각

      우주는 아주 가벼워서 영원히 팽창할 것이다

    · 반대로 팽창 속도가 임곗값보다 더 느려지고 우주가 이보다 무거우면 언젠가는 팽창을 멈추고

      미래에 다시 수축해 빅크런치가 일어날 거라고 생각

    · 칠레에서 학위 논문을 쓸 때 동료들이 la형 초신성 폭발을 사용해 거리를 아주 정확하게 측정할 수 있다는 걸 발견 

 

    ♠ la초신성 : 태양보다 50억 배 더 밝은 아름다운 천체, 하나의 별, 정확히 말하면 쌍성계가 종말 하는 단계

        쌍성계 : 백색 왜성과 부풀어 오른 적색 거성으로 이루어짐     

                   쌍성계에선 별 하나가 다른 별에게 물질을 내어주는 시점이 온다

                   둘 다 백색 왜성이면 이런 현상은 두 별이 합쳐질 때 빠르게 일어남 

                   쌍성계 중 하나가 적색 거성인 경우 거성이 수소를 소진하면서 핵이 부풀어 오른다

                   그때 적색 거성은 자신의 물질을 옆에 있는 백색 왜성에게 내준다

                   쌍성계는 시간이 지나면서 복잡한 상호작용을 한다

                   별 하나가 물질을 주면 다른 별도 자신의 물질을 준다

       백색 왜성 : 태양과 같은 별의 최종 단계

                      특정 시기에 백색 왜성이 태양의 1.38배가 되면(찬드라세카르가 계산)

                      백색 왜성은 중력의 힘을 견디지 못해 별 전체가 붕괴            

       적색 거성 : 별의 진화 과정 후기 단계

 

  - 별의 탄소와 산소는 본질적으로 열핵 반응을 일으키는 화약고와 같다

    별 전체가 하나의 거대한 열핵폭탄처럼 불이 붙어 폭발

       → 탄소와 산소가 니켈과 철로 바뀌면서 엄청난 에너지를 방출(태양 에너지보다 50억 배 더 강력)

       → 폭발 후 생긴 천체들은 20일간 아주 밝게 빛남, 은하의 모든 별을 합한 것보다 더 밝아짐

    · 핵반응 에너지로 밝기가 최고점에 도달한 후 빛은 사그라지기 시작하다가 사라짐

    · 우리 은하에도 이런 별들의 잔해가 있지만 아주 희귀함(수백 년에 한 번 정도 발생)

    · 덴마크 천문학자 튀코 브라헤(1548~1601)도 1572년에 이런 천체를 관측함 

      튀코 초신성 잔해 : 철, 실리콘, 산소로 이루어진 구형 천체들, 지금도 빛의 속도에 가깝게 팽창하고 있음

                              호주 경제에서 가치가 높은 철 또한 이런 과정을 통해 형성된 것   

 

  - 초신성의 빛의 밝기가 변화하는 속도를 측정하면 전구처럼 빛을 몇 와트 방출하는지 알 수 있다고 한다

    · 밝기 측정 거리는 오차범위 5% 이내

    · 폭발한 별의 잔해의 밝기는 약 100억 년에서 110억 년 전 과거를 볼 수 있다 

 

  - 우주의 과거와 현재를 비교할 수 있는 도표 

    · 50억 년 전부터 지금까지의 천체들을 좌표로 나타냄

칠레의 세로 톨롤로 팀이 수년 전에 제작

    · 도표상으론 우리 은하에서 멀리 있는 천체들이 예상한 위치에 없었음

     중력으로 팽창 속도가 줄어드는 우주에선 불가능한 위치

      → 과거엔 팽창 속도가 느렸지만 시간이 지나면서 빨라진 우주에 있었다

      → 시간이 갈수록 우주가 가속 팽창한다_뉴욕 타임스(1998.3.3)

 

 

 

제4강 암흑물질

 

 

■ 우주에 무엇이 있는가

 

    - 우주의 물질은 일반상대성이론으로부터 우주 팽창을 예측하는 데 중요한 정보

    - 아인슈타인의 우주상수(1917년 아인슈타인이 우주의 균형을 증명하려고 제시한 개념)

      우주 전체에 얇게 퍼져 있는 에너지, 공식에 의하면 중력은 당기는 게 아니라 미는 힘

      우주상수가 존재한다면 우주가 가속 팽창하는 건 자연스러운 현상

 

    - 암흑 에너지(우주상수, 아인슈타인이 제시한 것과는 다름)

      · 1930년대부터 존재를 암

      · 프리츠 츠비키(1898~1974 스위스 천문학자)가 암흑물질이라는 이름을 붙임

      · 모든 공간에 있다고 여겨지지만 실제로 보거나 측정할 수 없는 에너지

      · 초신성의 밝기, 적색편이가 과거에 어땠는지 보면 우주에는

       일반적인 당기는 중력이 30%, 미는 중력이 70% 공존해야 한다는 걸 알게 됨

      · 2002년 앵글로-오스트레일리아 적색편이 탐사

       은하 22만 1천 개가 지도에 기록됨

      · 은하들은 일종의 거품 구조를 하고 있다(하버드-스미스소니언 천체물리학 센터의 적색편이 탐사에서 처음 발견)

        우주의 천체가 얼마나 있는지에 따라 다양한 거품 구조가 나타남

      · 2002년엔 우주의 약 30%가 최적의 상태(평평하고 잡아당기는 중력이 있는 상태)라는 것 발견

        미는 중력은 설명하지 못함

      · 눈에 보이는 원자보다 당기는 중력을 가진 물질이 여섯 배 많다

        일반 원자처럼 중력을 갖지만 보이지 않는 물질

      · 우주배경복사 

        1964년 하늘 전체에 복사선이 있다는 게 알려짐, 복사선은 마이크로파 영역에 존재(전자레인지 같은 것)

        마이크로파는 빅뱅 이후의 잔광 - 로버트 윌슨과 아노 펜지어스가 발견

        과거 우주가 작고 뜨거울 때 밀도가 높고 빛이 가득 차 있음

        → 우주가 팽창하자 온도가 낮아지고 빛의 파장도 길어짐 → 빅뱅 이후 약 30만 년 지났을 때

        → 우주는 뜨겁게 달아오른 상태에서 투명하게 바뀜

        → 양성자가 전자를 붙잡아 수소 원자로 변함(우주 온도가 3천 도까지 낮아짐)

        → 빛을 분산시키는 성질이 있는 전자가 우주에서 빛이 이동할 때 산란 현상을 일으킴

        → 우주 전체가 거대하고 빛나는 안개처럼 보임

        빅뱅의 잔광은 작은 물결 모양 : 우주 구성 물질에 따라 음파 운동이 변함

        → 빅뱅이 남긴 물결무늬는 우주의 구성 물질이 무엇인지 광자, 암흑물질, 원자에 따라 달라짐

      · 암흑물질과 원자의 비율은 6.5대 1

      · 암흑물질 없이는 우주배경복사를 설명할 수 없음

      · 우주가 평평하려면 우주 내의 모든 물질의 합이 100%가 돼야 한다

 

 

 

 

제5강 우주의 미래

 

 

    - 우주의 95%는 지구에서 볼 수 없는 물질로 이루어짐(암흑물질, 암흑에너지)

      · 초기 우주의 음파를 보면 암흑물질은 다른 물질을 통과할 수 있고

        중력과의 상호작용 외에는 제약을 받지 않는 것으로 보임

        은하가 충돌할 때도 암흑물질이 보임

        원자가 충돌할 때 엑스선을 방출하는데 암흑물질이 공간을 휘게 하는 걸 추적할 수 있음

        일반상대성이론으로도 추적 가능

      · 지구에서 암흑물질을 감지할 방법

        : 지하 광산에서 암흑물질과 일반 물질의 상호작용을 감지하려고 했으나 발견된 게 없음

      · 암흑에너지를 찾는 방법

        : 팽창 우주에 공간이 생기는 방식으로 관측(공간이 생기는 속도와 비교)

        : 우주망원경(낸시 그레이스 로먼 우주망원경, 유클리드 우주망원경, 제임스 웹 우주망원경 등)

        : 레이저 간섭계 중력파 관측소

      · 스퀘어 킬로미터 어레이 전파망원경

       : 빅뱅의 잔해 중 하나인 차가운 수소를 감지, 수소는 원자 구조를 전환해 전파를 방출 

 

    - 미래의 우주

      · 미래 우주는 미는 중력과 당기는 중력의 경쟁이 될 것

      · 우주가 팽창할수록 암흑물질의 밀도는 감소(양은 똑같은데 우주는 점점 커짐)

      · 암흑에너지는 우주의 일부이자 공간의 필수 요소(우주가 커져도 일정하게 유지)

      · 암흑에너지가 우주에서 더 지배적인 힘을 가질 것

      · 우주 팽창의 가속화는 계속되고 더 빨라질 것

      

 

 

 

 

 

 

 

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위대한 수업

 

 

70원의 기적 EBS에서 전 세계 최고의 지성을 한 자리에 만날 수 있는 프로그램을 기획했다.

 

방송시간 EBS1 TV 월~금 23:35~23:55                        EBS2 TV 월~금 22:00~22:20(재방)

                        토     09:30~11:00(종합)                            토      22:15~23:45(종합)

                        월~금 15:05~15:25(재방)