팽창하는 우주
요즈음의 망원경은 백억 광년 이상 떨어져 있는 은하까지도 관측할 수 있다. 우주적 스케일로 보면 은하들은 우주 공간에 있는 입자 정도에 불과하다. 그럼에도 불구하고 은하는 우주가 어떻게 분포되어 있는지, 어떻게 운동하고 있는지 알려준다. 팽창하는 우주에 대해 논의할 때 그 증거는 주로 은하의 운동을 분석해서 얻은 것이다.
우주 팽창에 대한 증거는 1920년대 처음으로 얻어졌다. 그중 대표적인 과학자가 바로 에드윈 허블이다. 허블은 당시 전 세계에서 가장 강력한 윌슨 산 망원경을 사용하여 여러 은하로부터 방출된 빛에 대해 연구했다. 은하에서 온 빛이 프리즘을 통과하면 스펙트럼으로 분리된다. 은하들에 대한 스펙트럼은 그 은하를 구성하는 다양한 원자들에 의해 흡수되거나 방출된 빛의 특별한 색깔과 관련된 패턴을 보여준다.
허블은 여러 원자의 고유한 패턴을 실험실에서 측정한 것과 우리 은하계의 항성 또는 성간물질들로부터 온 빛의 스펙트럼과 비교했을 때 은하에서 온 빛의 파장이 길어지는 적색편이 현상을 발견했다.
이 적색편이는 보다 멀리 있어서 어둡게 보이는 은하일수록 더 심하게 나타났다. 이에 허블은 은하의 적색편이가 거리에 비례한다고 주장했다. 적색편이의 원인은 도플러 효과이다. 만약 이것이 허블이 발견한 적색편이에 대한 이유라면, 은하들은 그 거리에 비례하는 속도로 우리로부터 멀어지고 있다는 것이었다.
이론적인 면에서는 이미 우주 팽창이라는 아이디어가 제안되어 있었다. 1922년 러시아의 알렉산드르 프리드만은 팽창하고 있는 무한한 우주가 아인슈타인의 일반상대성 이론과 부합함을 보여주었다. 아인슈타인은 프리드만의 연구 결과에 동의하지는 않았다. 그는 오히려 정적인 우주를 선호했는데, 허블의 발견 후 태도를 바꾸었다.
상식적으로는 우주를 구성하고 있는 물질들이 서로에게 작용하는 만유인력 때문에 팽창속도는 감속되어야 한다. 만약 우주의 밀도가 아주 작다면, 감속 과정이 천천히 진행될 것이고, 팽창은 지속되어 정지 상태에 도달하지 않을 것이다. 그러면 우리의 우주는 공간적으로나 시간적으로나 무한할 것이다. 그러나 우주의 밀도가 아주 크다면, 팽창은 멈추게 될 것이고 다시 수축의 단계로 들어갈 것이다. 비록 균일하고 경계가 없지만, 크기와 지속 시간 모두에서 닫힌 우주가 될 것이다.
허블의 법칙은 현재 후퇴속도가 광속의 90퍼센트 이상 되는 은하들에까지 적용되고 있다. 간단한 이론적 모형 우주들이 60년 이상이 지난 후 프리드만이나 다른 과학작들이 생각했던 것보다 실제의 우주를 잘 묘사하고 있음이 밝혀졌다.
우리는 백억 광년의 거리까지 뻗쳐 있는 팽창하는 우주에 살고 있는 듯이 보인다. 팽창하는 우주에서는 멀리 있는 물체들은 시간이 지남에 따라 점점 더 멀어진다. 다른 은하에서 바라보는 경우에도 상황은 비슷하다. 은하들이 서로 멀어지고 있는 팽창하는 우주를 관측할 수 있다. 우주 공간 안에 있는 우리 은하계의 위치에 특별한 점이라는 것은 없다.
