정상우주론

3. 정상 우주론의 문제점과 반박

1950년대부터 1960년대에 걸쳐 정상우주론을 지지하는 연구자는 많았지만, 1960년대 말에는 그 수가 눈에 띄게 감소했다. 이는 1965년에 발견된 우주 배경 복사의 영향이 크다. 1960년대 말에는 우주는 실제로 시간에 따라 변화한다는 생각을 지지하는 것으로 보이는 관측 결과가 나오기 시작했고, 정상우주론에 문제가 있다는 것이 분명해졌다.

정상 우주론은 일반 상대성 이론 하에서 정적인 우주는 존재할 수 없다는 이론적 계산과, 우주가 팽창하고 있음을 보여주는 에드윈 허블의 관측을 받아들여 고안되었다. 정상 우주론에서는 우주는 팽창하고 있음에도 불구하고 시간이 지나도 변하지 않는다고 주장한다. 이러한 주장이 성립하기 위해서는, 우주의 밀도를 불변으로 유지하기 위해 새로운 물질이 시간에 따라 끊임없이 생성되어야 한다. 이 이론에서 필요한 물질 생성의 속도는 1년에 1km³당 대략 수소 원자 1개 정도라는 매우 작은 비율로 충분하기 때문에, 이러한 물질 생성이 직접 관측되지 않는다는 것은 이 이론의 문제가 되지 않는다. 새롭게 물질이 생성된다는 점에서 에너지 보존 법칙을 위배하고 있지만, 정상 우주론은 우주의 시작을 필요로 하지 않는다는 점 등 많은 매력적인 특징을 가지고 있었다.

관측에 따르면, 퀘이사와 전파 은하는 거리가 먼 (적색 편이가 크고, 또한 광속이 유한하기 때문에 거리에 상응하는 "과거"의) 우주에서만 발견되며, 근거리의 은하에서는 발견되지 않았다. 홀턴 아프는 1960년대 이후 이러한 관측 데이터를 다른 시각으로 해석하여 퀘이사가 우리 근방에 있는 처녀자리 은하단과 비슷한 근거리에 존재한다는 것을 보여주는 관측적 증거도 있다고 주장했지만, 지지자는 소수에 불과하다.

대부분의 우주론 연구자들은 빅뱅 이론에서 예측되는 우주 배경 복사가 발견됨으로써 정상우주론이 반박되었다고 생각하고 있다. 정상우주론에서는 이 배경 복사가 아주 오래전의 항성에서 방출된 빛이 은하 내의 먼지에 의해 산란된 것이라고 설명한다. 그러나 많은 우주론 연구자들은 이 설명이 설득력이 없다고 여기고 있다. 왜냐하면, 우주 배경 복사는 방향에 따른 세기의 요동이 거의 없이 매우 부드러워 점광원에서 이러한 분포가 만들어진다는 것을 설명하기 어렵기 때문이다. 또한, 산란광에서 일반적으로 발견되는 편광과 같은 특징이 우주 배경 복사에는 전혀 나타나지 않는다. 게다가, 우주 배경 복사의 스펙트럼은 이상적인 흑체 복사 스펙트럼에 매우 가깝고, 서로 다른 온도나 서로 다른 적색 편이를 가진 먼지 덩어리의 산란광을 중첩해도 이러한 스펙트럼은 도저히 만들어낼 수 없다.

스티븐 와인버그는 1972년 저서에서 다음과 같이 썼다.

> 정상 우주 모델은 관측으로부터 얻어진 광도 - 적색 편이 관계나 광원의 계수 관측과 일치하지 않는 것처럼 보인다. …어떤 의미에서는 이 불일치가 정상 우주 모델의 공적이다. 많은 우주론 중에서 정상 모델은 우리가 가질 수 있는 제한된 관측 증거만으로도 쉽게 반증할 수 있는 명확한 예측을 하기 때문이다. 정상 우주 모델은 매우 매력적이어서, 많은 지지자들이 여전히 관측 기술이 개선되면 정상 모델에 반하는 증거가 사라질 것이라는 기대를 품고 있다. 그러나, 만약 우주 마이크로파 배경 복사가 … 정말로 흑체 복사라면, 우주가 고온 고밀도의 초기 단계로부터 진화해 왔다는 생각을 의심하기는 어려울 것이다.^[11]

3. 1. 전파원 수와 퀘이사 분포

3. 2. 우주 마이크로파 배경 복사

3. 3. 우주론적 원리의 위배

• 1991년에 발견된 클로우스-캠파사노 LQG는 길이가 580Mpc이다.
• 2003년에 발견된 슬론 장성은 길이가 423Mpc이다.
• 2011년에 발견된 거대 퀘이사 그룹인 U1.11은 길이가 780Mpc이다.
• 2012년에 발견된 Huge-LQG는 ΛCDM에 따라 예측된 것보다 길이가 세 배 더 길고 너비는 두 배 더 넓다.
• 2013년 11월에 발견된 헤라클레스자리-북쪽왕관자리 장성은 길이가 2000Mpc~3000Mpc(슬론 장성의 7배 이상)이다.
• 2021년 6월에 발견된 자이언트 아크는 길이가 1000Mpc이다.

4. 준정상 우주론

프레드 호일, 제프리 버비지, 자얀트 V. 나를리카르가 1993년에 준정상 우주론(QSS)을 제안했는데, 이는 기존 정상 우주론에서 설명하지 못했던 특징들을 보완하기 위한 것이었다.^[42] 이 모형은 우주 내에서 '미니 뱅', '미니 창조 사건', 또는 '작은 뱅'이라고 불리는 작은 폭발들이 시간이 지남에 따라 발생한다고 설명한다.^[42] 가속 팽창 우주 관측 이후, 이 모형은 추가적으로 수정되었다.^[43] 플랑크 입자는 가상의 블랙홀로, 슈바르츠실트 반지름이 컴프턴 파장과 거의 같다. 이러한 입자가 증발하면서 팽창하는 정상 우주에서 가벼운 원소들이 만들어진다고 설명되었다.^[44]

우주론학자이자 천체 물리학자인 네드 라이트는 이 모형의 문제점을 지적했다.^[45] 이러한 지적에 대해 모형 지지자들은 곧 반박했다.^[46] 그러나 라이트를 비롯한 다른 주류 우주론학자들은 QSS를 검토하면서 지지자들이 설명하지 못한 새로운 문제점과 관측 결과와의 불일치를 발견했다.^[47]

1990년대 말 우주의 가속 팽창이라는 예상치 못한 관측 결과가 나온 후, 준정상 우주론을 다시 구성하려는 시도들이 있었다. 이 이론에서는 한 번의 큰 빅뱅 대신, 시간이 지나면서 여러 번의 작은 빅뱅이 지속적으로 발생하여 물질을 생성한다고 주장한다.

5. 현대 우주론과 대한민국의 역할

현대 우주론의 표준 모형은 빅뱅 이론이며, 대부분의 천문학자는 빅뱅 이론이 우주의 기원을 설명하는 가장 적합한 이론이라고 생각한다.^[1] 천체 물리학 분야의 많은 연구가 빅뱅 이론을 전제로 이루어지고 있다.^[1]

1990년대 말 우주의 가속 팽창이 관측된 후, 빅뱅 이론을 보완하기 위해 준정상 우주론을 만들려는 시도도 있었다.^[1] 준정상 우주론에서는 여러 번의 작은 빅뱅이 지속적으로 발생하여 물질이 생성된다고 주장한다.^[1]

(대한민국의 우주론 연구 참여 현황, 우주 개발 프로그램, 국제 협력, 독자적 역량 강화 등에 대한 내용은 제공된 소스에 없음)

6. 은하의 생성

각 은하는 우주 공간의 팽창에 따른 움직임과 동시에 고유 운동도 하고 있지만, 그 공간에는 희박한 중성 수소 가스가 있으며, 은하는 배가 물 위를 가는 것처럼 수소 가스 속을 운동하고 있다. 이해하기 쉽도록 은하가 정지하고 수소가 큰 흐름이 되어 은하 주변을 이동하고 있다고 생각해도 좋다. 은하 옆을 흐르는 수소는 은하의 인력에 의해 유로를 굽혀 은하의 후방에 밀도가 높은 부분을 형성한다. 질량이 큰 은하는 인력도 강하므로 큰 질량의 수소 가스 덩어리가 생기고, 작은 은하의 경우에는 소질량의 것이 된다. 이렇게 만들어진 다양한 질량의 수소 가스 덩어리가 항성을 차례로 낳아 은하를 형성하고, 우주는 정상적으로 유지된다고 생각한다.

참조

_[1] 서적 Cosmology and Controversy: The Historical Development of Two Theories of the Universe https://books.google[...] Princeton University Press
_[2] 웹사이트 Steady State theory http://www.bbc.co.uk[...] 2015-01-11
_[3] 논문 The Steady-State Theory of the Expanding Universe 1948
_[4] 논문 A New Model for the Expanding Universe 1948
_[5] 서적 The Oxford handbook of the history of modern cosmology 2019
_[6] 논문 Einstein's lost theory uncovered
_[7] 논문 An examination of the steady-state model in the light of some recent observations of radio sources 1961
_[8] 논문 Cosmic rays and radio waves as manifestations of a hot universe https://ui.adsabs.ha[...] 1959-01-01
_[9] 논문 X-Rays from the Galactic Center, External Galaxies, and the Intergalactic Medium. https://ui.adsabs.ha[...] 1963-11-01
_[10] 서적 Cosmology's century: an inside history of our modern understanding of the universe Princeton University Press 2022
_[11] 서적 Gravitation and Cosmology https://archive.org/[...] John Whitney & Sons
_[12] 서적 Cosmology and Controversy https://www.degruyte[...] Princeton University Press 1996-12-31
_[13] 서적 An Introduction to Modern Cosmology (2nd ed.) Wiley
_[14] 논문 Cosmology Intertwined: A Review of the Particle Physics, Astrophysics, and Cosmology Associated with the Cosmological Tensions and Anomalies 2022-03-11
_[15] 논문 Luminosity distance and anisotropic sky-sampling at low redshifts: A numerical relativity study https://journals.aps[...] 2022-03-25
_[16] 논문 Evidence for anisotropy of cosmic acceleration https://www.aanda.or[...] 2022-03-25
_[17] 웹사이트 Do We Live in a Lopsided Universe? https://www.scientif[...] 2022-03-24
_[18] 논문 Probing cosmic isotropy with a new X-ray galaxy cluster sample through the LX-T scaling relation https://www.aanda.or[...] 2022-03-24
_[19] 논문 A Test of the Cosmological Principle with Quasars 2021-02-25
_[20] 논문 Probing the Isotropy of Cosmic Acceleration Traced By Type Ia Supernovae https://iopscience.i[...] 2022-03-24
_[21] 웹사이트 Simple but challenging: the Universe according to Planck http://sci.esa.int/p[...] 2016-10-29
_[22] 논문 Peculiar Velocity of the Sun and the Cosmic Microwave Background https://journals.aps[...] 2022-03-25
_[23] 논문 On the expected anisotropy of radio source counts https://academic.oup[...] 2022-03-25
_[24] 논문 Cosmic radio dipole: Estimators and frequency dependence
_[25] 논문 A Test of the Cosmological Principle with Quasars 2021-02-25
_[26] 논문 Peculiar motion of Solar system from the Hubble diagram of supernovae Ia and its implications for cosmology
_[27] 논문 Solar system peculiar motion from the Hubble diagram of quasars and testing the cosmological principle
_[28] 논문 The significance of the largest scale CMB fluctuations in WMAP 2004-03-25
_[29] 논문 Is the Universe odd? 2005-11-28
_[30] 논문 Anomalous parity asymmetry of the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe power spectrum data at low multipoles 2010-05-10
_[31] 논문 Mapping extreme-scale alignments of quasar polarization vectors 2005-10
_[32] 논문 Probing cosmic isotropy with a new X-ray galaxy cluster sample through the $L\_\{\backslash text\{X\}\}-T$ scaling relation 2020-04
_[33] 논문 Cosmological implications of the anisotropy of ten galaxy cluster scaling relations 2021-05
_[34] 논문 Does Hubble Tension Signal a Breakdown in FLRW Cosmology? 2021-09-16
_[35] 논문 Hints of FLRW breakdown from supernovae
_[36] 논문 Larger H0 values in the CMB dipole direction
_[37] 논문 How Isotropic is the Universe? 2016
_[38] 논문 A Map of the Universe 2005-05
_[39] 간행물 The largest structure of the Universe, defined by Gamma-Ray Bursts
_[40] 웹사이트 Line of galaxies is so big it breaks our understanding of the universe https://www.newscien[...]
_[41] 논문 Seeing patterns in noise: gigaparsec-scale 'structures' that do not violate homogeneity 2013
_[42] 논문 A quasi-steady state cosmological model with creation of matter
_[43] 논문 Interpretations of the Accelerating Universe
_[44] 논문 Light element synthesis in Planck fireballs
_[45] 논문 Comments on the Quasi-Steady-State Cosmology
_[46] 간행물 Note on a Comment by Edward L. Wright 1994
_[47] 웹사이트 Errors in the Steady State and Quasi-SS Models http://www.astro.ucl[...] UCLA, Physics & Astronomy Department 2010-12-20
_[48] 서적 고등학교 과학 금성출판사