너의 가능성은 무한

프리드만의 우주모형 3가지. 열린 평탄한 닫힌 우주. 임계밀도. 임계값.

중력

지표면에서 연직(지표면에서 수직) 위로 던져진 물체는 지구 중력의 영향으로 처음엔 속력이 줄어드는 운동을 합니다.  이후의 운동은 3가지로 예상할 수 있습니다. (1) 중력을 벗어날 만큼 충분한 속력으로 던지면 먼 우주로 날아갈 수 있습니다. (2) 적당한 속력으로 던져 물체가 지구 주위를 공전하게 할 수도 있습니다. (3) 물체의 속력이 충분히 크지 않았다면 중력에 이끌려 다시 바닥으로 떨어질 것입니다.

 우주의 팽창은 지구에서 위로 던져진
물체의 운동과 같이 생각해볼 수 있습니다.

오메가는 우주밀도와 임계밀도의 비율. 1보다 작으면 임계밀도가 더 큰 값을 가지는 것으로 닫힌 우주가 된다. 1보다 크면 우주밀도가 더 큰 값이고 열린 우주가 된다.

프리드만의 우주 모형

관측 결과 현재 우주는 팽창하고 있으며 천체 사이에는 중력이 작용하므로 우주가 앞으로 어떻게 될지 시나리오를 3가지 예상해볼 수 있습니다.(1) 감속하며 계속 팽창할 것인가. (2) 감속 팽창하다 언젠가는 멈춰 평탄한 우주가 될 것인가. (3) 감속 팽창하다 다시 수축하는 우주가 될 것인가.

프리드만은 3가지 가능한 우주 모형을 제안했습니다. 열린 우주, 평평한 우주, 닫힌 우주입니다. 모두 크기가 0에서 시작되어 팽창하는 우주로 팽창 속도가 점점 줄어드는 감속 팽창을 한다는 것은 공통점으로 빅뱅 이론의 아이디어를 제공해주었다고 합니다. 

차이점은 우주 전체의 평균 밀도로 구분합니다. 중력은 천체들의 운동에 영향을 주는 원동력으로 작용합니다. 밀도가 크면 중력이 크고 밀도가 작으면 중력이 작기 때문에 밀도가 우주의 운동 변화에 영향을 미치는 것입니다. 우주에 천체가 충분히 많이 분포하여 밀도가 크다면 중력도 충분히 커서 언젠가 수축하게 될 것입니다. 반대로 우주에 천체가 많이 분포하지 않고 밀도가 작다면 지금의 팽창을 붙잡을 만큼 중력이 충분하지 않아 계속 팽창하게 될 것입니다.

임계 밀도

임계밀도는 평탄한 우주가 될 것이라 생각되는 우주 밀도입니다. 실제 우리 우주의 평균 밀도가 임계밀도라는 이론값과 일치한다면 언젠가는 팽창이 멈출 것이고 임계밀도보다 우주의 평균 밀도가 작다면 중력이 작아 계속 팽창할 것입니다. 임계밀도보다 우주의 평균 밀도가 더 크다면 중력이 커서 수축하는 우주가 될 것입니다.

열린 우주는 계속 팽창하는 우주입니다. 우주가 팽창하는 것을 잡아당겨 멈추게 하지 못할 정도로 우주의 중력이 작아서 계속 팽창하는 우주 모형입니다. 이때의 우주의 평균 밀도는 임계 밀도보다 작습니다.

평평한 우주는 팽창하는 우주가 최종적으로 멈추고 일정한 크기로 고정되는 우주입니다. 우주의 평균 밀도가 임계밀도와 같은 값을 가지기 때문으로 이때의 우주 밀도를 임계 밀도라고 합니다.

닫힌 우주는 다시 수축하는 우주입니다. 우주의 팽창을 멈추고 다시 수축시킬 만큼 충분한 중력을 가진 우주이므로 우주의 평균 밀도는 임계 밀도보다 큰 값을 가집니다.

임계값

임계값은 평탄한 우주가 될 것이라 생각되는 허블 상수를 계산한 이론값입니다.

프리드만의 3가지 우주모형을 밀도의 차이가 아닌 허블의 법칙(v=Hr)으로도 설명 가능합니다. 허블 상수(H)가 클수록 그래프의 기울기는 커지고 먼 거리에서 더 빠른 후퇴 속도를 가지게 됩니다. 후퇴 속도가 충분히 크다면 중력을 이겨내고 계속 팽창하는 열린 우주가 될 것입니다. 후퇴 속도가 적당한 값을 가지면 평탄한 우주가 될 것이고 이때의 허블 상수를 임계값이라고 합니다. 허블 상수가 임계값보다 작으면 후퇴 속도가 충분하지 않아 다시 수축하는 닫힌우주가 됩니다.

180도

3가지 우주 모형은 기하학적으로 다른 모양을 갖습니다.(복잡한 기하학은 잠시 잊고 간단히 결과 정도만) 

삼각형 내각의 합이 열린 우주에서는 180도보다 작은 값, 평평한 우주에서는 180도, 닫힌 우주에서는 180도 보다 큰 값을 가지게 됩니다. 닫힌 우주는 볼록한 모양이고 열린 우주는 오목한 모양, 평탄한 우주는 평평한 모양을 갖기 때문입니다.

최근 관측에 의하면 우주는 가속 팽창한다고 합니다.
감속 팽창해야 할 우주가 가속 팽창한다는 것을 설명할 수 없었습니다.
중력은 서로 끌어당기는 인력뿐이기 때문입니다.
과학자들은 이 문제를 해결하기 위해 서로 밀어내는
척력을 지닌 암흑 에너지라는 개념을 도입했습니다.
우리가 알지 못하고 관찰할 수도 없지만 
현재 우주의 가속 팽창은 암흑 에너지의 도입으로 잘 설명되기 때문입니다.
또한 은하 외곽의 공전 속도를 설명하기 위해 관측되지 않지만 
중력을 지닌 암흑 물질도 도입합니다.

계산 결과
우리가 아는 기본 물질이 4%. 암흑 물질 23%. 암흑에너지 73%라고 합니다.
우주를 다 아는 줄만 알았는데
우리가 연구했던 물질은 우주의 4%에 불과했던 것입니다.
우주의 크기도 모양도 모릅니다.
관측 가능한 우주의 크기인 137억 광년 까지만 볼 수 있는 것입니다.

여러분의 미래는 어떤 모습일까요?
과학자들조차 알지 못했던 암흑 에너지가 우주를 가속 팽창시키는 것처럼
자신이 모르는 내 안의 잠재력이 있을지 모릅니다.