우주

우주 관측의 역사

스톤헨지나 천체의 위치를 표시한 고인돌 과 같은 선사시대의 유적을 통해 인류가 매우 오래전부터 천체를 관측하여 왔음을 확인할 수 있다. 고대 이집트에서는 주기적으로 범람하는 나일강의 범람을 예측하기 위해 달력을 제작하였고, 기원전 2900년 무렵 음력을 기준으로한 달력이 제작되었으며 기원전 2500년 무렵에는 1년을 365일로 계산한 태양력이 제작되었다.
서양에서 눈에 띄는 별들을 묶어 별자리로 인식하는 것은 기원전 수천년전 바빌로니아의 칼데아 지방에서 부터 시작되었다. 고대 칼데아 지역에서는 황도를 따라 12개의 별자리를 묶어 구분하였는데, 이러한 구분은 오늘날까지 황도12궁으로 불리고 있다. 바빌로니아에서 제작된 기원전 3천여년 전의 표석에는 황도12궁을 비롯한 20여개의 별자리가 표시되어 있다. 페니키아에 의해 고대 그리스로 유입된 별자리는 이후 기원후 150년 무렵 클라우디오스 프톨레마이오스가 편찬한 천문서 《알마게스트》에서 48개의 별자리로 정리되었다.
한편, 고대 중국, 한국 등의 동아시아와 고대 인도에서도 독자적인 별자리를 사용하였다. 고대 중국, 한국 등 동아시아에서는 삼원과 28수를 통해 하늘의 별들을 구분하였다. 한국의 삼국시대에는 고구려와 신라에서 첨성대를 이용하여 별을 관측하였다. 고구려의 첨성대는 조선초기까지 존재하였고, 신라의 첨성대는 오늘날에도 보존되어 있다. 권근의 《양촌집》과 이를 인용한 《대동야승》에 따르면 고구려는 석각 천문도를 제작하였으나 668년 무렵 전쟁으로 소실되었다. 고대 인도에서도 점성술을 위해 조티샤라는 독자적인 별자리 체계를 사용하였다.
1928년 국제 천문 연맹은 지역마다 다르게 사용되어온 별자리를 정리하여 88개의 별자리를 확정하였다.
망원경이 처음으로 제작되기 시작한 것은 17세기 무렵이었다. 갈릴레오 갈릴레이는 최초로 망원경을 이용하여 천체를 관측한 기록을 남겼다. 갈릴레이는 목성에 있는 4개의 위성을 확인하였고, 이들이 목성의 주위를 공전하고 있는 것을 관측하였다. 이 4개의 위성은 갈릴레이 위성으로 불린다. 1668년 아이작 뉴턴은 반사망원경을 제작하였다.
천체에 대한 관측 성과는 계속적으로 발전하여 윌리엄 허셜은 천왕성을 발견하는 한편 수 많은 항성에 대한 관측을 바탕으로 은하의 지도를 제작하였으며 태양계 역시 이동하고 있다는 사실을 관측하였다. 허셜의 관측 목록은 NGC 목록의 기반이 되었다.
1930년대에 들어 전파 망원경이 세워지기 시작했다. 전파 망원경은 광학 망원경이 가시광선 영역만을 관측할 수 있는 것과 달리, 다양한 대역의 전자파를 관측할 수 있다. 전파 망원경의 대표적인 성과는 중성자별의 발견이다. 1967년 케임브리지 대학교의 대학원생이었던 조셀린 벨 버넬과 지도교수 앤터니 휴이시는 자체 제작한 전파망원경을 이용하여 주기적으로 전파의 강도가 변하는 별을 발견하였다. 처음에는 이것이 외계의 지적생명체가 보내는 신호일 지도 모른다는 생각을 하였으나, 연구결과 빠르게 자전하는 중성자별에서 발생하는 전자파 변화라는 것이 밝혀졌다.
1990년 허블 우주 망원경이 지구 궤도로 발사되었다. 주거울 지름 2.4m, 경통길이 13m 에 달하는 거대한 반사망원경인 허블 우주 망원경은 지구 대기와 주변의 빛 때문에 간섭을 받는 지상의 천문대와 달리 가장 먼 우주 공간의 영상을 포착할 수 있는 성능으로 많은 영상을 보내왔다. 허블 딥 필드는 100억 광년 이상 떨어진 천체들이다.

우주론의 역사

고대의 여러 사회에서는 저마다 독특한 우주론이 등장하였다. 우주의 탄생과 형태에 대한 고대의 설명은 신화, 전설 등과 밀접한 관계가 있는데 고대 그리스의 그리스 신화나 중국의 여와 신화, 북유럽 신화, 이집트 신화, 구약성경 등에서는 신이 세상을 만들었다는 설명과 함께 천체의 탄생과 우주의 생김새 등을 묘사하고 있다. 예를 들어 고대 중국에서는 네모난 땅 위에 반구 모양의 하늘이 있다고 생각하였으며, 고대 그리스에서는 쟁반 모양의 땅 가운데 바다가 있고 그 위에 둥근 하늘이 있다고 생각하였다.
한편 달력의 제작과 절기의 측정을 위해 천체 관측이 이루어져 왔으며 이러한 관측을 바탕으로 체계적인 우주론이 등장하였다. 근대 이전의 우주론은 고대 그리스의 사모스의 아리스타르코스에 의한 태양중심설과 같은 이론도 있었으나 동서양을 막론하고 지구중심설이 주를 이루었다. 중국, 일본, 한국 등 동아시아에서는 28수를 바탕으로 하는 별자리와 지구를 중심으로 구형 우주가 둘러쌓여 있는 혼천설을 바탕으로 한 우주론이 확립되었고, 중세 아랍과 유럽에서는 클라우디오스 프톨레마이오스의 우주론이 정설로서 인정되었다.
갈릴레오 갈릴레이가 망원경을 이용하여 목성의 갈릴레이 위성을 관측하면서 지구중심설에 의문이 제기되었고, 이후 코페르니쿠스가 태양중심설을 주장하였다. 요하네스 케플러는 티코 브라헤의 관측 자료를 바탕으로 케플러의 행성운동법칙으로 태양계에서의 행성 운동을 설명하였고, 이에 착안하여 아이작 뉴턴이 만유인력의 법칙을 발견하면서 고전역학에 의한 우주론이 확립되었다.
뉴턴의 고전역학에 의한 우주론이 확립된 이후 과학계에서는 시공간이 태초부터 현재까지 언제나 같은 형태를 유지하고 있다는 정상우주론을 정설로 여겼다. 20세기 초 아인슈타인역시 이러한 이론을 바탕으로 자신의 일반상대성이론에 우주상수를 도입하여 우주가 항구적으로 변화되지 않는다는 정적 우주를 제안하하였다.
그러나, 에드윈 허블이 적색편이를 발견하면서 허블의 법칙을 수립하였고,1964년 관측된 우주 배경 복사에 의해 입증되었다. 현대의 우주론은 허블의 법칙을 바탕으로 한 대폭발 이론으로 우주가 매우 작은 공간에서 급속히 확산되어 오늘날과 같은 모습이 되었다고 본다. 한편, 1920년대 러시아의 프라스만은 아인슈타인의 일반상대성이론으로 우주의 팽창을 설명하는 방정식을 유도한 바 있다. 훗날 아인슈타인은 우주상수의 삽입이 자신의 일생일대의 실수라고 인정하였다.
한편, 양자역학에서는 슈뢰딩거의 고양이와 같은 패러독스에 대해 관측자의 관측 행동에 의해 확률적으로 겹체 있는 사건이 하나의 사건으로 결정된다는 코펜하겐 해석이 일반적으로 받아들여 지고 있으나, 관측자의 관측에 의해 사건이 분기된다는 다세계 해석 역시 많은 지지를 받고 있다. 평행우주는 다세계 해석을 기반으로 한 우주론이다.

대폭발

대폭발은 우주의 처음을 설명하는 우주론 모형으로, 매우 높은 에너지를 가진 작은 물질과 공간이 약 137억 년 전 거대한 폭발을 통해 우주가 되었다고 보는 이론이다. 이 이론에 따르면, 폭발에 앞서 오늘날 우주에 존재하는 모든 물질과 에너지는 작은 점에 갇혀 있었다. 과학자들이 T=0이라고 부르는 폭발 순간에 그 작은 점으로부터 물질과 에너지가 폭발하여 서로에게서 멀어지기 시작했다. 이 물질과 에너지가 은하계와 은하계 내부의 천체들을 형성하게 되었다. 이 이론은 우주가 팽창하고 있다는 에드윈 허블의 관측을 근거로 하고 있다. 또한 그는 은하의 이동 속도가 지구와의 거리에 비례한다는 사실도 알아냈다. 이는 은하가 지구에서 멀리 떨어져 있을 수록 빠르게 멀어지고 있음을 의미한다.
프랑스의 신학자이자 천문학자이던 조르주 르메트르는 1922년에 우주의 기원에 대하여, 후에 대폭발 이론이라 불리게 되는 추측을 하였는데, 그는 이것을 "원시원자에 대한 가설"이라 불렀다. 이 모형의 틀은 알베르트 아인슈타인의 일반 상대성 이론과 공간의 균질성과 등방성과 같은 단순화 가정을 기반으로 한다. 대폭발 이론의 주요 방정식인 프리드만 방정식은 알렉산드르 프리드만에 의해 공식화되었다. 미국의 천문학자인 에드윈 허블은 1929년 멀리 떨어진 은하들의 거리가 그것들의 적색 편이와 비례하다는 것을 발견했다. 1964년에는 우주의 극초단파를 연구하던 두 미국인 천문학자들인 로버트 우드로 윌슨과 아노 앨런 펜지어스가 우주에서 소음이 난다는 사실을 발견했다. 이 소음은 어떤 한 영역에서 나오는 것이 아니라, 우주의 전역에서 발생했다. 이것이 우주 마이크로파 배경으로, 대폭발에서 발생한 전자기파가 공간의 팽창과 함께 늘어나 파장이 길어진 것이다. 만일 현재 은하 클러스터들 간의 거리가 점차 멀어지고 있다면, 과거에는 모두가 서로 가까이 모여있었을 것이다. 이러한 발상은 결국 극도로 밀집되고 극도로 뜨거웠던 시점이 과거에 존재했을 것이라는 추측으로 귀결되었고, 이 이론과 비슷한 상황을 재현하고 확인하기 위해 커다란 입자 가속기가 만들어졌지만, 입자 가속기는 결국 이러한 고에너지영역을 조사하는 데 기능적 한계를 나타냈다. 대폭발 이론이 최초의 팽창 이후 우주의 일반적인 변화에 대해 설명해낼 수 있다 하더라도, 팽창 직후와 연관된 아무런 증거도 없이는 이러한 기본적인 상황에 대해 어떠한 입증도 할 수 없다. 우주를 통틀어 보이는 빛에 대한 관측 결과는, 대폭발 핵합성에 충분히 논리적으로 설명된 예측, 즉 우주 처음 몇 분 간의 급속한 팽창과 냉각 속에서 발생한 핵반응으로부터 형성된 빛에 대한 계산과 거의 맞아 떨어졌다.
영국의 물리학자인 프레드 호일은 "대폭발"(영어: Big Bang) 이라는 단어를 1949년 어느 라디오 방송에서 처음 언급했다. 그가 주장했던 정상우주론을 본인이 별로 중요히 여기지 않는다는 이야기가 퍼지자, 호일은 이를 강하게 부정하고 방송에서의 언급은 단지 두 우주론의 가장 큰 차이점을 설명하기 위해 사용한 단어일 뿐이라고 일축했다. 호일은 나중에, 가벼운 원소로부터 무거운 원소가 형성되는 항성 핵합성 과정을 이해하기 위해 연구에 매진했다. 1964년 우주 배경 복사를 발견하고, 그것의 스펙트럼(각 파장으로부터 계산된 복사량)으로부터 흑체 곡선을 그린다는 것이 확인되자, 대부분의 과학자들은 대폭발 이론을 사실로서 수용하게 되었다.

우주의 구성

우주는 대부분 암흑 에너지와 암흑 물질, 그리고 일반적인 물질로 구성되어 있다. 전자기파도 우주를 구성하고 있으며, 이 양은 20억년간 절반가량으로 줄어들었다.