우주의 나이 (두번째 이야기)

▶ 우주의 나이 (두 번째 이야기)

 안녕하세요 지난 포스팅은 우주의 나이에 관해 개요와 우주 나이의 하한선에 관해서 포스팅을 했었습니다.

오늘은 이어서 우주의 나이 두 번째 이야기를 포스팅하려 합니다. 

 

3. 우주 변수

우주의 나이를 결정하는 문제는 ACDM 모형의 매개변수들을 결정하는 문제와 직결되어 있습니다. 표준 모형에서 우주는 평범한 중입자 물질, 암흑 물질, 복사(전자기파와 중성미자를 포함) 그리고 암흑 에너지로 이루어져 있습니다. 밀도변수란 이 각각의 성분들이 우주에서 전체 에너지 밀도에서 얼마나 많은 부분을 차지하는지를 나타냅니다. 물질, 복사, 암흑에너지 세가지 입니다.물론 ACDM 모형은 이 세 가지 우주 변수들뿐만 아니라 다른 많은 변수들로 서술되지만 우주의 나이를 결정하기 위해서는 이 세 우주변수와 함께 허블상수가 가장 중요한 역할을 합니다.

 

일단 이 우주 변수들을 정확하게 측정하면 우주의 나이는 프리드만 방정식을 통해서 구할 수 있습니다. 이 방정식은 우주의 팽창율의 시간에 따른 변화와 우주의 물질 구성 사시의 관계를 나타내는 식입니다. 따라서 이 방정식을 시간에 대하여 푼 뒤 적분을 하게 되면 다음과 같이 우주의 나이를 밀도 변수와 허블 상수로 표현할 수 있습니다.

 

                             우주 상수 = (1/허블상수) * F(물질, 복사, 암흑에너지)

 

위의 식에서 바로 알 수 있듯이 우주의 나이를 허븐 상수의 역수와 다른 세 밀도 변수에 따라 결정되는 보정향의 곱으로 결정됩니다. 따라서 일단 우주의 나이는 허블 상수의 역수일 허블시간 = 1/허블상수로 근사값을 추정할 수 있습니다. 허블 상수는 지금 현재 우주가 얼마나 빨리 팽창하고 있는가를 나타내며 보통 (Km/s/Mpc)의 단위로 표현됩니다. 허블의 법칙에 따르면 모든 은하의 거리에 비례하는 속도로 멀어지고 있으며 그 비례상수가 허블 상수라고 합니다. 천문학자들은 주로 거리는 Mpc 단위로 팽창 속도는 Km/s 단위로 측정한다고 합니다. 우주의 팽창 속도가 항상 "일정"할경우 이 허블시간 만큼의 과거에는 모든 은하가 하나의 지점에 모인 것이 됩니다.

 

보다 정확한 우주의 나이를 구하려면 과거 우주의 팽창률 변화를 서술하는 보정향 F(...)를 구해야 합니다.

이 값은 수치 계산으로 구할 수 있습니다.

 

우주의 나이 결정에서 0이 아닌 우주 상수값은 우주의 나이를 좀 더 많게 만들었습니다. 우주 상수 또는 암흑에너지의 존재가 알려지기 이 전에 표준모형은 한때 왜 우리은하내의 구상성단들이 왜 이렇게 구해진 우주의 나이보다 더 많은가를 설명할 수 없었으나 우주 마이크로파 배경과 초신성 관측을 통해 정확한 암흑에너지를 측정함으로써 지금은 이러한 우주 나이 위기 문제는 완전히 해결되었다고 합니다.

 

4. WMAP 관측

2013년 기준으로 9년에 걸친 NASA의 WMAP 관측으로부터 우주의 나이는 137.72 (+,-0.59)억년으로 결정된 상태입니다. 물론 이 결과는 이 프로젝트의 계산 모형이 옳다는 것을 가정하고 있으며 다른 방법으로 우주의 나이를 계싼하면 약간 다른 나이나 정확도를 얻을 수도 있습니다, 예를 들면 상대론적 입자 때문에 생기는 배경을 가정한다면 우주의 나이의 오차 범위가 최대 10배까지 커질 수 있다는 주장도 있습니다. WMAP에 의한 우주 변수 결정은 우주 마이크로파 배경 파워 스팩트럼에서 첫 번째 어쿠스틱 peak의 위치로부터 마지막 산란면의 크기를 측정하는 방법을 통해 이루어집니다. 이 마지막 산란면의 크기는 재결합 시기의 우주의 크기와도 같다고 합니다.