어제 강의 후에 이원세님이 좋은 질문을 주셨습니다.
"우주에서 빛 보다 빠른 물체는 없다는데, 어떻게 우주가 빛보다 빠르게 커질 수 있을까?" 라는 질문이었죠.
빛의 속도는 30만 km/s입니다. 자동차 속도를 표시하는 것과 같은 단위이지요. 이것은 기존의 공간 안에서 얼마나 빠르게 움직이는 지를 표시한 것입니다.
반면 우주의 팽창은 허블상수로 표시합니다. 현재 70km/s/Mpc 정도 입니다. 1pc은 3광년 정도로 보시면 됩니다.
팽창속도라기 보다는 팽창율이라고 하는게 더 맞겠네요.
중요한 점은, 우주의 팽창은 기존 공간안에서 은하가 멀어지는 것이 아니라, 공간 자체가 새로 만들어 진다는 것입니다.
기존 공간 안에서 은하가 움직이는 경우도 있는데, 이런 것을 peculiar velocity라고 부릅니다. 바로 은하단 안에서 서로의 질량에 의해서 움직이는 경우를 말하지요.
이런 peculiar velocity는 많아야 수천 km/s의 속도입니다. 즉, 빛의 속도와는 비교도 안되게 늦지요. 어떤 은하도 peculiar velocity가 광속을 넘을 수는 없습니다.
우주가 팽창한다고 할때 말하는 것은 이런 peculiar velocity를 배제한, 더 큰 그림을 얘기 합니다.
우주의 팽창을 우리에게 친숙한 속도로 표시하려면, 두 점이 필요합니다. 그 중의 한 점을 지구라고 하면, 멀리 있는 은하가 다른 한 점이 되겠죠.
어제 나온 은하단 중에 가장 먼 것이 Centaurus supercluster의 A3526이라고 한다면, 대략 1억 7천만 광년 거리입니다. 이 때 말하는 거리의 의미를 알아야 됩니다.
이때의 거리는 현재 우리에게 도달한 A3526이 빛이, 광속으로 이동한 시간입니다. 즉, 이 빛은 1억 7천만년을 날아왔습니다.
그런데 우주가 계속 팽창하고 있습니다. 그렇다면 지금 보고 있는 A3526의 빛이 발사될 때의 A3526은 1억7천만 광년 보다 가까웠습니다. 그리고, 지금 이 순간에는 A3526은 1억 7천만 광년 보다 멀리 있습니다.
쉬운 예로, 서울에서 차를 타고 부산까지 간다고 해 볼께요. 출발할 때는 서울 부산간의 지도상의 거리가 400km였는데, 차가 가는 동안, 서울 부산의 거리가 점점 늘어납니다. 그래서 도달 한 후에 차량의 거리계를 보니까, 500km였습니다. 그런데, 도달한 시점의 서울 부산의 지도상의 거리는 600km가 되어 있는 것이지요. 어떤 은하가 1억광년 거리라고 할때의 거리는 위의 예에서 거리계 눈금인 500km를 말합니다.
이때 부산이 지도위에서 주변의 창원보다 더 멀어진 것이 아닙니다. 그냥 서울과 경상남도 사이의 전체적인 거리가 늘어난 것이지요. 우주의 경우, 모든 부위가 동일하게 늘어나지 않고, 질량이 적은 부위가 주로 늘어납니다. 이런 부위를 void라고 부릅니다.
다시 허블상수로 돌아가서...
허블 상수를 자세히 보면 단위가 km/s/Mpc입니다. 즉, 거리가 먼 두 점일 수록 멀어지는 속도가 더 빨라지게 됩니다.
다시 말해 극단적으로 먼 은하는, 우리로 부터 30만 km/s보다 더 빨리 멀어질 수도 있을까요?
답은 YES 입니다.
계산해 보면, 92억 광년거리의 은하는 (실제는 빛이 92억년 날아와서 우리가 현재 보는 은하) 현재 우리와 멀어지는 속도가 30만 km/s입니다. 현재 그 은하의 실제 위치는 138억 광년 정도 떨어져 있고 빛과 같은 속도로 우리로 부터 멀어지고 있습니다. (우주의 나이 138억년과는 상관없다. 순전히 우연)
그 은하가 92억년 전에 photon을 내었을 때는, 우리와 훨씬 가까웠었고(계산해 보면 57억 광년 거리), 멀어지는 속도도 광속보다 훨씬 느렸었습니다. 즉, photon이 은하의 당시 후퇴속도보다 훨씬 빨랐죠. 그 이후에 우주공간이 커지면서 우주의 팽창속도가 늘어나서 이제 그 은하는 광속으로 우리와 멀어지고 있는 것입니다.
92억 광년보다 먼 거리의 은하들은 지금 우리로 부터 광속보다 더 빠른 속도로 멀어지고 있습니다. Hubble Ultra Deep field에 보이는 대부분 은하들이 여기에 해당합니다.
그러면 다음으로 드는 생각은...
광속보다 빨리 멀어지는데 어떻게 우리가 볼 수 있을까?
그 이유는 시간관계상 다음에...
