올버스의 역설: 밤하늘이 왜 어두운가?

올버스의 역설은 무한하고 균일한 우주에서 밤하늘이 어두운 이유를 묻는 천문학적 문제로서 무한한 별이 있으면 하늘은 밝게 빛나야 하지만 실제로는 어둡습니다. 이는 우주가 확장 중이고 유한한 나이를 가짐을 시사하는 것으로 이 문제의 답을 제시합니다.

어두운 밤하늘

올버스의 역설의 정의

19세기 독일의 천문학자 하인리히 올버스가 올버스의 역설이라는 우주와 천문학에 관한 단순하면서도 골치 아픈 논리적인 딜레마를 제시합니다. 올버스의 역설의 핵심은 만약 우주가 무한하고, 모든 방향으로 무한히 별이 퍼져 있다면, 우주에서 어떤 방향을 보더라도 결국 어떤 별의 표면에 시선이 갈 것이고 따라서 밤하늘은 사실상 별의 밝기로 가득 차 있어야 하고, 전체 하늘이 밝게 빛나야만 합니다. 그러나 밤하늘은 어둡습니다. 이 역설은 다음과 같은 가정에서 시작합니다.

 

우주는 무한하다

• 우주에 존재하는 항성의 수를 계산하기는 어렵지만 현재까지 관측과 추정을 토대로 과학자들은 대략적인 숫자를 제시합니다. 추정기준은 은하의 수로 현재 우주에는 약 2조 개 정도의 은하가 있을 것으로 추정되며, Hubble Space Telescope와 다른 천문 관측을 통해 얻어진 데이터를 사용한 추측입니다.
• 그리고 은하당 항성의 수로각 은하에는 수십억에서 수천억 개의 항성이 존재할 것으로 추측되는데 우리 은하인 은하수에는 대략 1000억에서 4000억 개의 항성을 추측합니다. 이러한 추정을 토대로, 우주 전체에서 항성의 수는 대략 10²²에서 10²⁴ 정도로 추산됩니다. 매우 대략적인 계산이지만 상상으로도 예측이 되지 않습니다. 우리가 현재까지 인지한 관찰과 과학으로 항성의 수를 추정하는 것은 우주의 규모와 다양성을 고려한 것으로 예측을 벗어난 은하 외부의 항성도 존재할 수 있고 무엇보다 항성 관측의 한계나 어두운 물질이나 보이지 않는 항성의 존재도 고려해야 합니다.
• 이 숫자를 무한하다라고 하는 것은 긍정적입니다.

022년에 출간된 The Astrophysical Journal, 56,000 galaxies

우주는 정적이다

• 우주가 공간적으로 확장, 수축하지 않고, 시간에 따라 크기가 변하지 않는다는 의미입니다. 20세기 초까지 천문학자들이 받아들였던 우주로 우주가 영원하고 변하지 않는 상태라고 추측하였습니다.

우주는 균일하다

• 이 개념은 우주론적 원리의 하나로 거시적으로 보았을 때 우주가 모든 방향으로 비슷한 구조와 분포를 보인다는 가정이며 우주가 균질하고 등방적하다는 전제라서 어느 방향으로 관측하더라도 우주의 평균적인 속성이 동일하다는 것입니다. 의미를 상세히 분석하면
• 첫쩨, 거시적인 균일성은 매우 큰 규모에서만 적용되며, 수백만 광년 이상의 규모인 우주의 평균 밀도와 구조가 균일하다고 가정할 수 있으나 작은 규모인 은하, 은하단, 초은하단의 구조는 균일하지 않습니다.
• 둘째, 우주의 등방성은 우주가 모든 방향에서 동일하게 보인다는 것으로 우주의 관측 결과가 관측 위치나 관측 방향에 의존하지 않는다는 가정입니다. 이 중 우주의 균일성은 현대 우주론에서도 이 가정을 근거로 우주의 전반적인 진화와 역사를 모델링합니다.
• 특히 우주의 배경 복사(우주 마이크로파 배경, CMB)를 관측하여 초기 우주의 균일성을 연구 가능하며, CMB는 빅뱅 후 약 38만 년이 지난 시점에서 방출된 복사로, 전 우주에 걸쳐 매우 균일한 온도 분포를 보여줍니다. 이는 초기 우주가 매우 균일한 상태였음을 시사합니다. 하지만 우주의 구조와 물질 분포에는 여전히 불균일성이 존재하여 계속된 연구가 진행되고 있습니다. 그럼에도 불구하고, 이 가정은 우주론적 원리의 중심적인 부분으로 우주의 본질과 구조를 이해에 중요한 가정입니다.

올버스의 역설의 해결

올버스 역설의 해결은 20세기 초 우주 본질에 대한 이해가 발전하면서 해결책이 몇 가지 제시되었습니다.

 

우주는 확장하고 있다

• 이 개념은 현대 천문학과 우주론의 핵심적인 부분으로 1920년대 에드윈 허블과 다른 천문학자들에 의해 발견되었으며, 빅뱅 이론의 중요한 근거가 되고 있습니다. 허블은 1929년, 자신의 관측을 통해 멀리 떨어진 은하들이 우리로부터 멀어지고 있음을 발견하였고, 은하들이 방출하는 빛의 스펙트럼을 분석하여, 빛이 더 긴 파장 쪽으로 이동하는 적색 편이 현상을 관찰하였습니다. 즉, 빛의 파장이 늘어난다는 것으로 주변의 은하가 우리로부터 멀어지고 있다고 보았습니다. 또한 은하의 적색 편이가 은하와의 거리에 비례한다는 것을 발견하여 우리로부터 더 멀리 있는 은하일수록 더 빠르게 멀어지고 있다는 허블의 법칙을 제시하였고 우주의 확장 속도를 허블 상수라 명명합니다. 허블의 법칙의 의미는 은하들이 물리적으로 공간을 이동하는 것이 아닌 우주 공간 자체가 팽창하면서 은하들이 서로 멀어진다는 의미입니다.

허블, 에드윈 (1929). "은하 외 성운 사이의 거리와 반경 속도 사이의 관계".그래프

•  우주의 확장 개념은 빅뱅 이론과 연결되어 우주는 약 137억 년 전 매우 뜨겁고 밀도가 높은 상태에서 시작하여 계속 팽창하고 있다는 이론으로 우리 우주를 바라보고 있습니다. 우주 마이크로파 배경(CMB)의 발견으로 빅뱅 이후 우주가 겪은 확장과 냉각의 증거를 제공하고 우주 전역에서 거의 균일한 온도를 보이므로 초기 우주가 매우 균일한 상태에서 시작되었다는 증거가 됩니다. 지구에서 아주 멀리 떨어진 초신성 관측으로도 우주의 확장 속도가 시간에 따라 가속되는 관측 결과입니다.

우주 인플레이션(팽장) 이론(한국 천문연구원)

 

우주는 유한한 나이를 가지고 있다

• 이이는 우주가 특정한 시점에 시작되어 지속적으로 진화하여 현재 약 138억 년이 지났다고 추정합니다. 빅뱅 이론은 우주가 매우 높은 온도와 밀도에서 시작된 후, 시간이 지남에 따라 팽창하고 냉각되어 오늘날과 같은 상태가 되었으며, 1920년대와 30년대에 조지 르메트르와 에드윈 허블의 관측을 근거로 제시되었고 이후 다양한 관측으로 증거를 확인하고 있습니다.
• 우주의 나이를 측정하는 방법으로는 첫째, 우주 마이크로파 배경(CMB)의 분석으로 빅뱅 후 약 38만 년이 지났을 때 우주가 투명해지면서 방출된 복사로서 세부적인 온도 변화를 분석하여 우주의 초기 조건과 팽창 속도에 대한 정보를 얻을 수 있습니다. 둘째, 별의 나이 측정으로 우주의 나이 하한선을 추정하는데 우리 은하 내에서 발견된 가장 오래된 별들은 약 130억 년 이상의 나이로 추정됩니다. 셋째, 은하와 초신성의 적색편이를 분석하여 우주의 확장 속도를 측정하고, 이를 통해 우주의 나이를 역산합니다.
• 우주의 유한한 나이는 우주가 시작된 이후로 겪은 팽창과 냉각 과정을 통해 현재 우주의 구조와 조성을 이해하고 우주의 나이를 통해 일반 상대성 이론과 빅뱅 이론이 예측하는 우주 모델이 실제 관측과 일치하는지 검증하며, 현재의 팽창 속도와 우주의 나이로 우주의 미래에 대한 예측할 수 있다는 것입니다. 특히, 우주가 계속해서 팽창할지, 아니면 어느 시점에 수축을 시작할지 등의 시나리오를 모델링할 수 있습니다.

우주의 구조는 균일하지 않다

• 우주는 매우 큰 규모에서 균일하다고 가정하며 수백만 광년 이상의 규모에서 우주의 평균 밀도와 구조가 균일해진다는 것을 의미하나 극히 대규모에서만 적용되며, 더 작은 규모에서는 다양한 구조적 특성이 관측됩니다.
• 우주의 가장 흔한 구조는 은하로서 고립되어 있거나 은하단과 초은하단을 형성합니다. 이러한 은하단과 초은하단은 우주의 물질이 집중된 지역을 형성하여 우주는 균일하지 않은 구조입니다.
• 우주의 물질 분포는 대규모 거품 구조로서 은하단과 초은하단은 벽과 필라멘트 형태 배열이라 사이사이에는 거대한 공동이 있어 우주의 균일성 가정과 상충됩니다.
• CMB는 우주의 초기 상태를 나타내는 복사 배경으로 관측 결과, 대체로 균일하지만, 매우 미세한 온도 편차는 초기 우주의 밀도 불균일성 증거로서 나중에 은하와 은하단 형성의 원천이 됩니다.
• 멀리 있는 은하의 빛 분석에 따르면, 우주의 확장 속도가 공간적으로 불균일하며 시간에 따라 변화하는 것으로 알려져 우주 에너지 밀도가 균일하지 않디는 증거입니다.
• 결과적으로 모든 규모에서 물질과 에너지가 균등하게 분포되어 있지 않다는 것입니다.

올버스의 역설의 결론

밤하늘이 어두운 이유는우주가 시작된 지 정확히 137억 년 정도밖에 되지 않았기 때문입니다. 즉, 우주에서 빛이 우리에게 도달할 수 있는 최대 거리가 137억 광년이며 우리가 눈으로 볼 수 있는 빛은 우리로부터 138억 광년 이내에 있는 것에 한정됩니다. 만약 우주가 무한히 오래되었다면, 밤하늘의 모든 점에서 빛이 우리에게 도달하였고, 밤하늘이 어둡지 않고 밝게 빛날 것입니다. 하지만 우주는 137억 년 전에 시작되었고, 빛은 속도에 제한이 있기 때문에 우리에게 도달하는 빛의 양은 제한적입니다.

밤하늘이 어두운 이유는 우주가 팽창하고 있기 때문입니다. 우주의 팽창은 빛이 우리에게 도달하는 동안 빛의 파장을 늘어나는 적색 편이, 즉 우주가 팽창함에 따라 빛의 파장이 늘어나 빛의 에너지가 감소합니다. 이로 인해 우주에서 오는 빛이 더 약해지고, 이는 우주 배경이 더 어둡게 보이는 또 다른 이유가 됩니다. 즉, 빛의 속도가 유한하고 우주가 계속해서 팽창하고 있다는 사실은 밤하늘이 어두운 이유를 설명하는 데 중요한 역할을 합니다.

여기서 우주의 팽창 속도와 빛의 속도를 비교하자면 빛의 속도가 어느 조건에서든 동일하게 유지되는 절대적인 속도라고 정의한다면 우주의 팽창 속도는 은하 간의 상대적인 속도입니다. 우주의 규모를 고려하면 매우 먼 은하들은 빛의 속도에 근접하거나 초과할 수 있는 속도로 멀어지며 만약 우주가 충분히 크면 어떤 은하들은 서로 대비하여 빛의 속도보다 빠르게 멀어지고 있는 것처럼 보입니다. 물리 법칙에 따라 정보나 물질이 빛의 속도를 초과하여 이동할 수는 없지만 우주 팽창으로 보면 먼 은하들이 서로 빛의 속도보다 빠르게 멀어진다는 생각은 정보 전달의 한계와는 별개 현상으로 공간 자체가 팽창하고 있기 때문에 발생하는 현상입니다. 즉, 우주의 팽창과 빛의 속도는 본질적으로 다르며, 우주의 팽창이 빛의 속도를 초과하는 것은 빛이나 물질이 빛의 속도를 초과하는 것이 아닌 공간 자체의 팽창 때문에 발생하는 현상입니다.