일반지구과학 및 실습

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일반지구과학 및 실습 II

1 1 주 차 : 우 주 론

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2. 빅뱅

초기우주에서 무슨일이

일어났을까?

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우 주 팽 창

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• 은하들이 점점 서로 떨어지고 있다면, 과거에는 지금보다 훨씬 더 가까이 놓여있었을 것이다 우주의 동영상을 거꾸로 돌려본다고 상상해보면, 은하밀도는 거꾸로 시간을 되돌릴 수록 증가

• 우주밀도가 무한대가 되는 점에서 우주공간에 있는 모든 물질들은 한 점에 모이게 된다

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빅 뱅

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• 137억년 전의 이 순간을 빅뱅이라 부른다

• 이 점은 우리가 추적해볼 수 있는 시간의 한계

• 빅뱅모델은 기본적으로

빅뱅자체에 대해서는 아무것도 말해주지 않는다

• 빅뱅은 그후에 어떤 일이 일어났는지 기술하고 있다

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빅 뱅

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• 빅뱅시점에 전체우주는 같은 공간에 놓여있었다

• 빅뱅은 공간 내에서 일어나는 폭발이 아니라 공간의 팽창이다

• 공간의 팽창은 어떤 특별한 지점에서 일어나지 않고 빅뱅이후 이미 존재하고 있는 void로 퍼져나가는 현상이다

• 이 현상은 어느 순간 모든 곳에서 일어났다

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허 블 법 칙

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• 은하들의 후퇴하고 있다

• 허블법칙

• 멀리있는 은하들의 후퇴속도가 더 크다

• 공간의 팽창

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우 주 배 경 복 사

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• 우주배경복사가 관측되었다

• Penzias and Wilson (1964)

• 벨연구소에서 감도높은 안테나에서 모든 잡음원을 제거하기 위한 노력을 하다가 모든 방향에서 끊임없이 나오는 광원을 발견

• 3K의 흑체복사의 연속스펙트럼

• 우주배경복사

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우 주 배 경 복 사

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• 프린스턴대학의 이론 천체물리학자들은 이미 수년전에 빅뱅후 남겨진 마이크로파 우주배경복사가 존재한다고 예견

• 초기우주에서 나온 복사는 우주가 팽창하면서 적색편이를 일으키게 될 것이고 그래서 원래의 빛은 마이크로파로 보이게 될 것이다

• 더군다나, 모든 복사가 차가운 가스에서 나오고 있기 때문에 스펙트럼의 형태는 흑체복사 스펙트럼의 모습이 되어야 한다

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C O B E 위 성 의 관 측

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• 1990년에 COBE위성은 우주 배경복사가 2.725 ± 0.002 K의 온도를 보이고

있음을 확인

• 흑체복사 스펙트럼과 완전히 일치

• 현대 우주론은 이 관측들을 현대물리와 결합하여 해석

• 아주 초기우주에 무슨 일이

일어났는지 놀라울 정도로 잘 설명

• 빅뱅이 일어난 직후부터 어떤 일이 일어났는지 서술가능

• 빅뱅직후, 우주는 팽창을 시작하였고, 팽창하면서 우주는 차가워졌다

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초 기 우 주

10

• 초기에는 에너지 외에는 아무것도 없었다

• 빅뱅 후 10

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후:

• 우주는 광자(10

^-24

m)보다 1조 배 작고, 온도는 10

³²

K

• 처음에 우주는 전체가 에너지로 꽉 챠여있었다

• 우주가 팽창하고 냉각되면서 입자들이 물질로 변하게 되었다

• 생성된 물질들은 우리가 잘 알고 있는 쿼크, 전자, 뉴트리노, 반물질과 이상한 입자들이다

• 빅뱅 후 1 마이크로 초 후:

• 우주는 쿼크와 글루온이 들끌고 있었다

• “쿼크 수프”라 부른다

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초 기 우 주

11

• 빅뱅 후 0.01초 후:

• 온도는 1조 K으로 내려간다

• 쿼크들이 결합하여 양성자와 중성자를 형성하게 되는데 이

입자들은 다시 붕괴되지 않는다

• 그러나 반양성자와 반중성자가 또 생성되게 된다

• 입자들이 반입자들을 만날 때마다 쌍소멸되면서 광자가 방출된다

• 이 광자들은 즉시 자신의

에너지를 질량형태로 변환하여 새로운 양성자와 반양성자 쌍을 형성하게 되는데 이 입자들은

서로 멀리 떨어져 멀어져간다

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초 기 우 주

12

• 우주가 냉각되면서, 온도도 광자들이 새로운

쌍을 만들기에 충분하지 못한 에너지로 내려가게 된다

• 입자와 반입자가 마지막으로 쌍소멸을 하게 된다

• 이때 우리가 아직 이해할 수 없는 이유로

물질이 반물질보다 아주 작은 우세를 보이게 된다

• 매 3천만 반입자에 3천만 1개의 물질입자

• 쌍소멸이 끝난 후에는 이 아주 작은 양의 뮬잘이 남아있게 된다

• 그 나머지는 모두 복사로 변해버린다

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초 기 우 주

13

• 빅뱅 후 1초 후:

• 매 10억개의 광자, 전자 또는 중성미자 당 한 개의 양성자 또는 중성자가 존재하였다

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초 기 우 주 의 핵 융 합

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• 온도가 약 100억도정도로 떨어졌을때

• 양성자와 중성자 입자들이 만나게 되면 서로 결합하게 된다

• 강력이 이들을 결합하게 하여 첫번째 원자핵을 형성하게 된다

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3 분 후

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• 빅뱅초기에는 5개입자를 지닌 안정된 핵이 존재하지 않았다

• 4입자 헬륨핵이 다른 입자와 부딪힐 때 전체 입자가 다시 분열되어 버린다

• 초기 우주가 3분이 되었을때:

• 거의 모든 중성자가 핵으로 결합되어 버린 반면, 댜부분의 양성자는 아직 자유상태였다

• 우주의 90%는 수소였고, 거의 모든 나머지 입자들은 헬륨

• 약간의 중수소, 아주 작은 양의 리튬과 베릴륨

• 더 이상의 다른 물질들은 없었다!

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바 리 온 밀 도

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• 우주의 화학적 성분비는 바리온밀도라고 하는 한가지 요소만의 함수로 기술된다

• 원시가스내에 함유된 헬륨과 중수소 함량을 측정해서 바리온 밀도가 구해진다

• 바리온 물질이 우주전체 물질 중 차지하고 있는 정도는 4%에 불과하다

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우 주 냉 각

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• 수소원자는 빛을 잘 산란시키지 않는다

• 수소 원자에 되튀겨지는 대신에 광자는 자유롭게 날아다니기 시작한다

• 우주는 이제 투명해진다

• 그때부터 광자는 자유롭게 운동하기 시작

• 우주가 팽창하면서 광자의 파장은 점점 길어지게 된다

• 우주의 온도는 3000K에서 3K으로 떨어지게 된다!

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우 주 배 경 복 사

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• 재결합시기에 전체우주는 오렌지-적색빛으로 꽉 차여 있었다

• 이 광자들의 파장은 커지게 되어, 현제는 우주의 모든 방향에서 마이크로파로 관측된다

• 이 복사를 Penzias and Wilson이 자신들이 개발한 전파안테나로 발견한 것이다

• 우주가 처음으로 투병하게 되었을때 나온 빛의 잔재이다

• 이 시기를

재결합시대 (recombination epoch)

^{라고 한다}

• 이란 잔재복사를

우주배경복사(CMB)

^{라고 부른다}

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우 주 배 경 복 사

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• 우주배경복사는 여러 인공위성으로 아주 좋은 정확도로 측정되었다

• COBE, WMAP, Plank위성들

• Plank 위성의 관측결과:

• 전체하늘이 2.725K의 온도에서 거의 완전한 균일복사를 방출하고 있다

• 0.0001도의 요동만이 관측

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온 도 요 동 은 어 디 서 왔 는 가 ?

20

• 아주 초기 우주에서 아주 급격한 팽창율로 우주가 팽창했던 시기가 있었던 것 같다

• 급팽창시대, inflationary epoch

• 10

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- 10

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초 사이:

• 우주의 크기는 두배로 커지는 현상이 백 번이상 일어났다

• 양성자크기의 1조분의 1 크기에서 크리켓 공크기로 팽창

• 이런 엄청난 팽창은 당시의 불균일성들을 제거해버렸다

• 우주는 우리 지평선 크기보다 더 큰 규모에서는 균일하다는 것을 의미한다

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밀 도 요 동

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• 밀도에서 작은 요동은 또한

크기를 급팽창시켰고, 그래서 결국 우주밀도의 불균질성을 야기한다

• 은하형성의 씨앗이 되었다

• 오늘날 관측되는 은하들이 우주 여명의 시간에 아원자의

양자역학적 요동에서

생겨났다고 생각하는 것은 놀라운 일이다

일반지구과학 및 실습