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우리가 어느 방향을 보든, 망원경과 도구로 볼 수 있는 거리가 얼마나 되든 상관없이, 우주는 큰 우주 규모에서 거의 동일하게 보입니다. 존재하는 은하의 수, 존재하는 은하의 유형, 그 안에 존재하는 별의 수, 일반 물질과 암흑 물질의 밀도, 심지어 우리가 보는 방사선의 온도까지 모두 일정합니다. 살펴보십시오. 가장 거대한 우주 규모, 즉 수십억 입방 광년 규모에서 두 지역 간의 평균 차이는 0.003%에 불과합니다. 즉 약 30,000분의 1 정도입니다.
실제로 우리가 보는 가장 큰 차이점은 우리가 보는 방향이 아니라 얼마나 멀리 보는가에 달려 있습니다. 우리가 더 멀리 볼수록 우리는 우주를 더 멀리 과거로 보고 있으며, 멀리 있는 물체에서 나오는 빛의 양이 더 긴 파장 쪽으로 이동합니다. 많은 사람들은 이 말을 듣고 머리 속에 특정한 그림을 떠올립니다. 빛이 이동하는 양이 클수록 이 물체는 더 빨리 우리에게서 멀어진다는 것입니다. 그러므로 모든 방향을 바라보고 재구성해보면 “우주의 어떤 지점에서 모든 방향이 똑같이 멀어지는 것을 볼 수 있을까?” 우주의 중심을 찾을 수 있습니다.
그리고 우리는 원한다면 그 훈련을 수행할 수 있지만, "우주의 중심"은 우리가 도달하는 곳이 아닙니다. 우주 중심에 관한 최고의 과학적 지식을 바탕으로 실제로 무슨 일이 일어나고 있는지 살펴보겠습니다.
빛을 방출하는 빛의 속도에 가깝게 움직이는 물체는 방출하는 빛이 관찰자의 위치에 따라 이동된 것처럼 보입니다. 왼쪽에 있는 사람은 광원이 그것으로부터 멀어지는 것을 볼 것이고, 따라서 빛은 적색편이될 것입니다. 소스 오른쪽에 있는 사람은 소스가 쪽으로 이동함에 따라 파란색 편이 또는 더 높은 주파수로 이동하는 것을 볼 수 있습니다.
크레딧 : TxAlien/Wikimedia Commons
우리 대부분은 물체가 당신을 향해 움직일 때 그 물체가 방출하는 파동이 압축되어 최고점과 최저점이 서로 더 가깝게 나타난다는 것을 직관적으로 이해합니다. 마찬가지로, 파동이 당신에게서 멀어질 때, 파동은 정지해 있을 때보다 마루와 골이 더 멀리 떨어져 압축된 것과 반대로 나타납니다. 우리는 일반적으로 소리를 통해 이것을 경험하지만, 소방차, 경찰차 또는 아이스크림 카트가 피치에 따라 당신을 향해 움직이는지 멀어지는지를 알 수 있듯이 이는 빛을 포함한 모든 파동에 해당됩니다. 우리는 이러한 움직임 기반 파동 이동을 발견자의 이름을 따서 명명된 도플러 효과 라고 부릅니다 .
다만, 빛의 경우 파장의 변화는 음조가 높거나 낮은 것이 아니라 에너지가 높거나 낮을 때 발생합니다. 조명의 경우:
우리가 측정하는 모든 개별 물체에는 우주 물질의 특성으로 인해 우리가 인식하는 원자와 이온이 존재합니다. 모든 원자와 이온은 특정 파장에서만 빛을 방출 및/또는 흡수합니다. 어떤 원자가 존재하는지 식별할 수 있고 이러한 스펙트럼 선에 대한 체계적인 이동을 측정할 수 있다면 빛이 실제로 얼마나 적색편이 또는 청색편이되었는지 계산할 수 있습니다.
1910년대 Vesto Slipher가 처음 지적한 것처럼, 우리가 관찰하는 물체 중 일부는 특정 원자, 이온 또는 분자의 흡수 또는 방출에 대한 스펙트럼 특성을 보여 주지만 빛의 빨간색 또는 파란색 끝을 향해 체계적으로 이동합니다. 스펙트럼. 해당 물체에 대한 거리 측정과 결합하면 이 데이터는 팽창하는 우주에 대한 초기 아이디어를 불러일으켰습니다. 은하가 멀리 떨어져 있을수록 은하의 빛이 더 크게 적색 편이되어 우리 눈과 장비에 나타납니다.
출처 : Vesto Slipher, 1917, Proc. 아메르. 필. Soc.
우리가 이 일을 했을 때 발견한 것은 아주 놀라운 것이었습니다. 가장 가까운 물체의 경우 초당 수백에서 수천 킬로미터 범위의 속도에 해당하는 적색편이와 청색편이를 모두 볼 수 있습니다. 크고 거대한 은하단이나 은하단에 단단히 묶여 있지 않은 은하수와 같은 은하계는 일반적으로 속도가 가장 낮지만 크고 거대한 은하단의 중심 근처에 있는 은하계는 ~1-2%의 높은 속도를 달성할 수 있습니다. 빛의 속도.
더 멀리, 더 먼 거리에 있는 물체를 볼 때에도 여전히 동일한 범위를 볼 수 있습니다. 우리가 보는 은하 사이의 유추 속도는 수백에서 수천 km/s까지 다양하지만 모든 것은 우리와의 거리에 따라 더 붉은 색으로 이동합니다. .
관측 결과는 매우 명확합니다. 평균적으로 물체가 우리에게서 멀어질수록 관측된 적색편이가 더 커집니다. 그러나 물체가 빛을 방출할 때와 우리가 빛을 흡수하고 측정할 때 물체가 실제로 우리를 기준으로 공간을 통해 움직이기 때문일까요? 아니면 우주 규모에서 전체적인 팽창이 일어나서 우리가 관찰하려는 것과 우리를 분리시키는 공간을 가로지르는 긴 여행 동안 빛이 계속 이동하기 때문입니까?
은하가 빛을 방출할 때마다, 결국 그것을 받는 관찰자에게 보이는 빛은 그 빛이 처음 방출되었을 때와 다른 특성과 파장을 가지게 됩니다. 두 가지 특성, 즉 관찰자에 대한 광원의 상대적인 움직임, 소스와 관찰자 사이에서 발생하는 우주의 팽창도 마찬가지입니다. 은하까지의 거리가 멀어질수록 관측된 적색편이가 커지고 관측된 시간 팽창의 양도 커집니다. 이는 관측자가 수신하는 신호도 시간이 지남에 따라 "늘어나게" 되기 때문입니다.
크레딧 : Larry McNish/RASC 캘거리 센터
첫 번째 시나리오는 이해하기 쉽지만(객체는 공간에 존재하고 이를 통해 이동합니다.) 두 번째 시나리오는 약간의 설명이 필요합니다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 공간은 단순히 입자와 기타 물체가 이동하는 정적 "배경"이 아니라 시간과 함께 그 안에 존재하는 물질과 에너지에 따라 진화하는 직물의 일부입니다. 특정 위치에 큰 질량이 있으면 직물이 해당 위치 주위로 휘어지게 되어 해당 공간의 모든 양자가 직선이 아닌 공간의 곡률에 의해 결정된 경로를 따라 이동하게 됩니다. 예를 들어, 개기 일식이 일어나는 동안 태양 주위의 별빛이 휘어지는 현상은 중력이 아인슈타인의 예측을 따른다는 사실을 보여주는 최초의 결정적인 테스트였습니다. 이는 뉴턴의 오래된 만유 인력 이론과 상충됩니다.
일반상대성이론이 지시하는 또 다른 사실은 물질 및/또는 에너지로 균일하게 채워진 우주가 있다면 그 우주는 정적이고 변하지 않는 시공간을 유지할 수 없다는 것입니다. 그러한 모든 해결책은 즉시 불안정하며, 당신의 우주는 팽창하거나 수축해야 합니다. 이 시공간이 진화함에 따라 그 안의 빛도 진화합니다.
빛이 우주를 여행하면서 공간 진화의 영향은 결국 우리 눈에 도달하게 될 빛의 특성에 각인됩니다.
광원에서 빛이 방출되면 특정 파장이 있습니다. 관찰자에게 흡수되기 전에 팽창하는 우주를 더 오랫동안 이동해야 할수록 해당 빛의 파장은 방출될 때의 파장에 비해 적색 편이되거나 더 긴 값으로 늘어나게 됩니다.
출처: Ben Gibson/Big Think
원칙적으로 이러한 효과는 모두 발생합니다. 공간의 구조 자체가 진화하고 있어 그 안에서 이동하는 빛이 체계적으로 이동하고, 우주 내의 은하계와 기타 발광 물체도 진화하는 공간을 통해 이동하여 동작에 따른 변화를 가져옵니다.
우리 우주가 경험하게 될 주요 효과를 일으키는 첫 번째 원리를 알 수 있는 방법은 없습니다. 수학적으로 동일한 방정식에 대해 여러 해를 구할 수 있으며 일반 상대성 이론 방정식도 해당 규칙에서 예외는 아닙니다. "물질"로 가득 찬 것으로 관찰되는 우주는 팽창하거나 수축했을 수 있습니다. 우주론적 변화 위에 겹쳐서, 우리는 우리가 특유의 속도 라고 부르는 것을 발견하거나, 우주에 있는 다른 모든 물질과 에너지원의 중력과 같은 효과로 인해 우주 내의 물질이 어떻게 움직이는지를 발견할 것으로 기대합니다 .
특정 단일 물체에 대해 우리가 관찰하는 변화가 무엇이든 이러한 모든 효과가 함께 조합됩니다. 한 물체에서 나오는 빛이 어떻게 이동하는지 단순히 측정할 때마다 어떤 구성 요소가 우주론적이고 어떤 구성 요소가 비우주론적인지 알 수 없습니다. 그러나 아주 먼 거리에서 수많은 물체를 관찰함으로써 우리는 전체적인 평균 추세를 통해 우주가 전체적으로 어떻게 진화하고 있는지 알 수 있습니다.
1929년 에드윈 허블의 은하 거리에 대한 원래 그림과 팽창하는 우주를 확립한 적색편이(왼쪽)와 약 70년 후의 보다 현대적인 그림(오른쪽). 다양한 종류의 물체와 측정값이 물체까지의 거리와 우리에 대한 빛의 상대적인 적색편이로부터 추론되는 겉보기 후퇴 속도 사이의 관계를 결정하는 데 사용됩니다. 보시다시피, 매우 가까운 우주(왼쪽 아래)부터 10억 광년 이상 떨어진 먼 위치(오른쪽 위)까지 매우 일관된 적색편이-거리 관계가 계속 유지됩니다. 허블 그래프의 이전 버전은 Georges Lemaître(1927)와 Howard Robertson(1928)이 허블의 예비 데이터를 사용하여 구성했습니다.
출처 : E. 허블; R. 커쉬너, PNAS, 2004
1920년대 후반에 처음으로 언급된 바와 같이, 증거는 우주가 팽창하고 있음을 압도적으로 지적할 뿐만 아니라, 우주가 팽창할 것으로 예상되는 방식은 다양한 유형의 물질로 균일하게 채워진 우주에 대한 일반 상대성이론의 예측과 극적으로 일치합니다. 그리고 에너지. 우주가 무엇으로 구성되어 있고 오늘날 어떻게 팽창하고 있는지 알면 일반 상대성 이론의 방정식은 완전히 예측 가능합니다 . 모든 지점에서 크기, 분리 거리 및 순간 팽창 속도 측면에서 우주가 어땠는지 알아낼 수 있습니다. 과거와 미래의 모든 시점에서 어떤 모습일지.
그러나 이것이 진행되고 있다면 팽창하는 우주는 파편과 같은 모든 것이 다양한 속도로 바깥쪽으로 날아가는 원점을 가진 폭발과 전혀 같지 않습니다. 대신, 팽창하는 우주는 전체에 건포도가 들어있는 발효 반죽 덩어리와 비슷합니다. 당신이 은하처럼 중력에 묶여 있는 물체라면 당신은 건포도 중 하나이고 우주 자체는 반죽입니다. 반죽이 발효되면서 개별 건포도는 서로 상대적으로 떨어져 움직이는 것처럼 보이지만 건포도 자체는 반죽을 "통해" 움직이지 않습니다. 각각의 건포도는 자신을 상대적으로 고정되어 있다고 생각하지만, 그것이 보는 서로의 건포도는 그것으로부터 멀어지는 것처럼 보이고, 멀리 있는 건포도는 더 빨리 멀어지는 것처럼 보입니다.
반죽이 팽창함에 따라 반죽 공 안에 있는 건포도가 서로 멀어지는 것처럼 보이는 것처럼, 우주 구조 자체가 팽창함에 따라 우주 내의 은하계도 서로 멀어지게 팽창할 것입니다. 팽창하는 우주를 측정하는 모든 방법이 동일한 팽창 속도를 제공하지 않는다는 사실은 골치 아픈 일이며 현재 우주 팽창을 모델링하는 방법에 문제가 있음을 나타낼 수 있습니다.
출처: Ben Gibson/Big Think; 어도비 스톡
그러면 이 “반죽 덩어리”가 얼마나 큰지, 그 안에 우리가 어디에 있는지, 그리고 그 중심이 어디에 있는지 어떻게 알 수 있습니까?
이것은 우리가 볼 수 없는 "반죽"의 가장자리 너머를 볼 수 있는 경우에만 답할 수 있는 질문이 될 것입니다. 사실, 우리가 관찰할 수 있는 우주의 극한 한계까지, 우주는 어디에서나 30,000분의 1의 동일한 비율로 여전히 완벽하게 균일합니다. 138억년 전에 발생한 우리의 빅뱅은 우리가 모든 방향에서 최대 약 460억 광년을 볼 수 있다는 것을 의미하며, 그 먼 한계에서도 여전히 놀랍도록 균일합니다. 이는 다음에 대한 제약을 두지 않습니다:
마지막에는 우리 우주에 중심이 있는지(또는 없는지), 그것이 유한한지(또는 없는지), 그리고 우주가 가질 수 있는 더 큰 구조와 관련하여 우리의 위치가 무엇인지에 대한 하위 질문이 포함됩니다. 우리가 결론 내릴 수 있는 것은 우주가 일반 상대성이론과 완벽하게 일치하는 것처럼 보인다는 것과, 반죽 자체의 가장자리 너머를 볼 수 없는 반죽 속의 개별 건포도와 마찬가지로, 어떤 관찰자라도 명백한 사실에 대해 동등한 주장을 할 수 있다는 것입니다. 부정확함) 모든 것이 당신에게서 멀어지는 것을 본다면 "나는 실제의 정확한 중심에 있거나 매우 가깝습니다."라고 결론을 내릴 것입니다.
관측 가능한 우주는 우리의 관점에서 모든 방향으로 460억 광년일 수 있지만, 그 너머에는 우리와 마찬가지로 관측할 수 없는 우주가 확실히 더 많이 있습니다. 우리가 인지하는 것은 우주의 기하학적 구조보다는 오늘 관측된 빛이 방출된 이후 경과한 시간에 따라 결정되기 때문에 특정 지점을 중심과 연관시키는 것은 불공평합니다.
출처 : Frederic Michel 및 Andrew Z. Colvin/Wikimedia Commons; E. Siegel의 주석
다만, 우리가 '중심'에 있다고 말하는 것은 전혀 옳지 않습니다. 우주에서 우리의 위치에 대해 특권을 누리는 유일한 점은 우리가 가까이에서 보는 물체가 오늘날 볼 수 있는 가장 오래되고 가장 진화된 물체이며, 멀리 있는 물체는 더 젊다는 것입니다. 현재 근처의 확장률은 더 먼 거리에서 볼 수 있는 확장률보다 낮습니다. 그리고 가장 가까운 물체에서 나오는 빛은 적색편이가 덜하며, 그 이동은 더 멀리 있는 물체보다 적색편이의 우주적 구성요소에 의해 덜 지배됩니다.
천체물리학자 Ethan Siegel과 함께 우주를 여행해보세요. 구독자는 매주 토요일 뉴스레터를 받게 됩니다. 모든 배를 타고!
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왜냐하면 우주 전체에 존재하는 물체들은 빛보다 빠른 속도로 이동하는 신호를 보낼 수 없고, 오늘날 우리가 그 물체들에서 관찰하고 있는 빛은 지금 도착하고 있는 빛과 일치하지만 분명 얼마 전에 방출되었을 것이기 때문입니다. . 우리가 공간을 통해 되돌아볼 때, 우리는 또한 시간을 통해 되돌아보며 물체를 봅니다.
그러나 우리의 관점에서 볼 때 모든 방향이 가능한 완벽하게 균일하게 나타나는 곳을 알고 싶다면 살펴볼 수 있는 것이 하나 있습니다. 우주 마이크로파 배경은 빅뱅에서 남은 방사선입니다.
우주 마이크로파 배경은 모든 방향에서 동일한 대략적인 온도(2.7255K)이지만 특정 방향에서는 800분의 1의 편차(3.36밀리켈빈 더 높거나 더 낮음)가 있습니다. 이는 우주를 통한 우리의 움직임과 일치합니다. CMB 진폭 자체의 전체 크기인 800분의 1은 빛의 속도의 약 1분의 800, 즉 태양의 관점에서 약 368km/s의 움직임에 해당합니다.
출처 : J. Delabrouille 외, A&A, 2013
우주의 모든 위치에서 우리는 정확히 2.7255K의 균일한 방사선 욕조를 볼 수 있습니다. 우리가 어느 방향을 보느냐에 따라 수십에서 아마도 수백 마이크로켈빈 정도의 온도 변화가 있습니다. -30,000개의 불완전성 중. 그러나 우리는 또한 한 방향이 반대 방향보다 약간 더 뜨겁게 보이는 것을 볼 수 있습니다. 즉, 우주 마이크로파 배경 복사에서 쌍극자 로 관찰되는 것입니다 .
실제로 상당히 큰(약 ±3.4밀리켈빈 또는 약 1-part-800) 쌍극자를 발생시키는 원인 은 무엇일까요 ?
가장 간단한 설명은 우리 논의의 시작 부분으로 돌아가서 우주를 통한 우리의 실제 움직임입니다. 실제로 우주에는 휴식 프레임이 있습니다. "이 위치에서 나는 내가 보는 방사선의 배경이 실제로 균일하도록 이 특정 속도로 움직여야 합니다."라고 생각한다면 휴식 프레임이 있습니다. 우리는 우리 위치에 맞는 속도에 가깝지만 약간 벗어났습니다. 이 쌍극자 이방성은 약 368 ± 2km/s의 속도 또는 고유 속도에 해당합니다. 만약 우리가 그 정확한 속도로 우리 자신을 "부양"하거나, 현재의 움직임을 유지하면서 위치를 약 1,700만 광년 떨어진 곳으로 이동시킨다면, 우리는 실제로 우주에 대한 순진한 정의와 구별할 수 없는 지점에 있는 것처럼 보일 것입니다. 우주의 중심: 관측된 우주적 팽창 전체에 대해 정지해 있는 곳.
근처 은하와 은하단의 움직임(속도가 흐르는 '선'으로 표시됨)은 근처의 질량장과 함께 매핑됩니다. 가장 큰 과밀도(빨간색/노란색)와 과소밀도(검은색/파란색)는 초기 우주의 매우 작은 중력 차이에서 발생했습니다. 가장 밀도가 높은 지역 근처에서 개별 은하계는 초당 수천 킬로미터의 독특한 속도로 움직일 수 있으며, 그 독특한 속도는 관찰자의 마이크로파 하늘에 겉보기 쌍극자를 유도합니다. CMB와 우리 위치를 중심으로 한 우주 팽창의 관측된 근휴 프레임에 대한 가장 좋은 설명은 그 현상이 우주를 통해 관측된 국지적(특이한) 운동에 기인한다는 것입니다.
출처 : HM Courtois et al., Astronomical Journal, 2013
정말 가까워요! 결국 우리는 모든 방향에서 약 461억 광년을 볼 수 있으며, 1,700만 광년은 우리에게서 우주 반경의 0.037%에 불과합니다. 그러나 더 냉철한 진실은 우리가 중심 근처에 있다는 것이 아니라, 어떤 은하계의 어떤 관찰자라도 그들 역시 중심에(또는 아주 가까이) 있다고 결론을 내릴 것이라는 것입니다. 당신이 우주 어디에 있든 당신은 이 특정한 순간, 즉 빅뱅 이후 일정하고 유한한 시간에 존재하는 자신을 발견하게 될 것입니다. 당신이 보는 모든 것은 빛이 방출되었을 때의 모습 그대로 나타나며, 도착하는 빛은 당신에 대해 관찰하고 있는 것의 상대적인 움직임과 우주의 팽창에 의해 이동됩니다.
거주 지역에 따라 우주 마이크로파 배경에서 특정 방향으로 수백 또는 수천 km/s의 움직임에 해당하는 쌍극자를 볼 수 있지만 일단 퍼즐 조각을 설명하면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다. 우리의 관점에서 본 것처럼 보이는 우주는 모든 방향에서 가장 큰 규모로 균일합니다.
빅뱅 이후 경과한 시간과 우리가 관측할 수 있는 거리는 유한하다는 점에서 우주는 우리를 중심으로 하고 있다. 우리가 접근할 수 있는 우주의 일부는 실제로 존재하는 것의 작은 구성 요소일 가능성이 높습니다. 우주는 클 수도 있고, 스스로 순환할 수도 있고, 무한할 수도 있습니다. 우리는 모른다. 우리가 확신하는 것은 우주가 팽창하고 있고, 우주를 통과하는 방사선이 더 긴 파장으로 늘어나고, 밀도가 낮아지고, 더 먼 물체가 과거처럼 나타난다는 것입니다. 우주의 중심이 어디에 있는지 묻는 것은 심오한 질문이지만, 중심이 없다는 실제 대답 은 아마도 가장 심오한 결론일 것입니다.
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