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by 꿀과학 Nov 28. 2016

가까워지면 그린라이트

도플러효과. 우주팽창의 증거 멀어지면 적색편이

도플러 효과(Doppler effect)

도플로 효과란 파동을 만들어내는 파원과 파동을 관찰하는 관측자의 거리가 변할 때 파동의 진동수(f)와 파장(λ)이 다르게 느껴지는 효과입니다. 도플러 효과는 빛, 소리, 물결파 등 모든 파동에서 일어납니다. 파원과 관측자가 서로 가까워질 때는 진동수가 크게 파장은 짧게, 서로 멀어질 때는 진동수가 작게 파장은 길게 관측됩니다.

소리

음파는 진동수가 클수록 고음으로 진동수가 작을수록 저음으로 들립니다.

구급차가 사이렌을 울리며 다가올 때는 진동수가 큰 고음으로 멀어질 때는 진동수가 작은 저음으로 들립니다.

빛

광원과 관측자가 서로 가까워질때는 광원에서 발생하는 빛보다 진동수가 크게 관측되며 멀어질때는 반대로 진동수가 작게 관측됩니다.

스펙트럼(spectrum, 빛띠)

스펙트럼은 분광기를 이용해 빛을 파장에 따라 각 성분으로 분해하여 배열한 것입니다. 빛은 가시광선 외에도 다양한 종류가 있지만 스펙트럼은 흔히 우리 눈에 보이는 가시광선을 색깔별(파장별)로 나열한 것을 지칭합니다. 스펙트럼이 나타나는 이유는 파장별로 굴절률이 다르기 때문입니다.

파동은 서로 다른 매질의 경계를 지나며 굴절하는데 진동수가 큰 보라빛이 더 크게 굴절한다. 때문에 빛이 파장별로 나뉘어 스펙트럼을 관찰 할 수 있다. 무지개의 원리이기도 하다.

스펙트럼의 종류

연속과 선(불연속) 스펙트럼의 2가지로 크게 나누며 선 스펙트럼은 흡수와 방출 스펙트럼으로 나뉩니다.

연속 스펙트럼은 끊김없이 연속적으로 나타나는 빛 띠로 고온의 고체인 항성, 전구의 필라멘트 등에서 관찰됩니다. 흡수 스펙트럼은 저온의 기체가 특정 파장의 빛을 흡수하여 빛 띠의 중간이 어둡게 보이는 것입니다. 방출 스펙트럼은 고온의 기체가 특정 파장의 빛을 방출하여 어두운 바탕에 밝은 빛 띠들이 관측되는 것입니다. 흡수 스펙트럼은 별이 방출한 스펙트럼이 지구로 오며 별의 대기, 우주의 기체, 지구의 대기들이 일부 빛을 흡수하며 나타납니다. 방출 스펙트럼은 수소, 헬륨, 네온 등의 기체 방전관에서 관찰할 수 있습니다.

네온의 방출 스펙트럼

출처: NASA. 허블 방원경이 관측하는 흡수 스펙트럼

전자 궤도 양자화

흡수 스펙트럼과 방출 스펙트럼의 선 위치와 강도를 보고 물질의 종류와 양을 알 수 있습니다.

원자핵 주위를 도는 전자는 정해진 위치에서만 존재합니다. 아무곳에나 있지 않고 특정한 궤도가 있는 것입니다. 이렇게 불연속적인 궤도를 갖는 특성을 양자화라고 합니다. 전자는 낮은 궤도와 높은 궤도를 옮겨 다닐 수 있는데 이를 전자의 궤도 전이라고 합니다. 빛 에너지를 받으면 낮은 궤도에서 높은 궤도로 전이합니다. 더 높은 에너지를 가지게 된것이고 들뜬상태가 됩니다. 반대로 빛 에너지를 낮은 궤도로 전이하면 빛 에너지를 방출합니다. 가장 낮은 궤도는 가장 안정적이고 전자의 에너지가 작은 바닥상태입니다. 원자의 종류마다 이 궤도가 다르며 그 차이만큼의 에너지를 방출하거나 흡수하기때문에 다른 스펙트럼을 가지는 것입니다.

(지구에서 바닥에 있는 물체는 위치에너지가 가장 작고 안정적인 상태입니다. 물체가 에너지를 받아 위치에너지가 커져 높은 위치로 이동하는 것과 같은 것입니다. 낮은 곳으로 떨어지면 위치에너지가 줄어듭니다.)

적색편이

별에서 오는 흡수 스펙트럼을 관찰하면 별의 성분과 성분비를 알 수 있습니다. 흡수 스펙트럼을 관찰한 결과 선의 위치가 조금식 적색쪽으로 치우친 적색편이(적색이동)가 관측되었습니다. 반대로 청색쪽으로 이동하면 청색편이(청색이동)라고 합니다.

(적색 편이는 빛이 빨간색으로 보이는것이 아닙니다. 원래 위치보다 조금씩 적색쪽으로 이동한 것입니다.)

우주 팽창

과학자들은 우리은하 밖에 존재하는 다른 은하의 별들을 관찰하였습니다. 대부분의 은하에서 관찰된 스펙트럼은 조금씩 적색으로 이동한 모양이었습니다. 우주가 움직이고 있다면 다양한 스펙트럼이 골고루 관찰될 줄 예상했는데 적색편이가 대부분인 불균형을 설명하기 어려웠습니다. 이를 도플러 효과로 해석했고 우주는 팽창하고 있다는 결론을 얻게 되었습니다.

우주 팽창의 증거. 빅뱅의 실마리 제공

모든 방향의 은하에서 적색편이가 관측되었습니다. 대부분의 은하들이 모든 방향에서 멀어지고 있다는 결과였습니다. 또한 먼 은하일수록 적색편이량이 크게 관측되었습니다. 우주 공간이 팽창하고 있다는 결정적인 증거였습니다. 조지 가모프는 이 결과를 바탕으로 빅뱅 이론으로 확장시켰습니다.