우리가 우주에 대해 아는 것
우리는 우주에 대해 얼마나 알고 있나요? 사실 우리가 원하는 만큼은 아닙니다. 별 관찰 앱을 열 때마다 그곳에서 찾을 수 있는 다양한 물체의 수에 아마 놀랄 것입니다. 하지만 그 모든 행성, 별, 그리고 다른 눈에 보이는 천체들이 우주 전체의 5% 미만에 불과하다고 말씀드리면 어떨까요?
내용
우주는 광대하고 신비로 가득합니다. 비록 과학이 정말 멀리까지 발전했음에도 불구하고, 그들 중 많은 것들은 아직 해결되지 않았습니다. 이 시점에서 알려진 것을 요약해 보겠습니다.
우주란 무엇입니까?
우주는 공기가 전혀 없는 거의 완벽한 진공입니다. 그것은 비어있지 않습니다: 그것은 많은 형태의 방사선뿐만 아니라 가스, 먼지, 그리고 빈 공간 주변에 떠다니는 다른 물질들을 포함합니다.
지구에서, 우리는 우리의 행성으로부터 어느 방향으로든 465억 광년 이내에 있는 행성, 별, 그리고 은하를 관찰할 수 있습니다. 이 우주의 영역은 관측 가능한 우주라고 불립니다. 현재 우주의 나이에 대한 가장 정확한 추정치는 약 138억 년입니다.
우주는 어디서 시작합니까?
지구의 관점에서 우주는 지구와 우주를 구분하는 경계선 밖에 있는 모든 것을 의미합니다. 우주가 정확히 어디에서 시작되는지에 대한 정의는 다양합니다. 가장 널리 사용되는 경계선은 카르만선으로, 평균 해발 약 100km에 위치하지만, 일부 자료에서는 그보다 약간 낮은 80km로 추정합니다. 이 지점부터는 공기가 너무 희박해져 양력에 의존하는 일반 항공기가 비행할 수 없습니다.
우주 지역
외부 우주는 여러 지역으로 나눌 수 있습니다. 이들은 그들 내에서 우세한 자기장과 "바람"에 의해 결정됩니다.
- 지구 궤도 주변의 외부 우주를 지구 궤도 주변 우주라고 합니다. 이는 지구 상층 대기와 지구 자기장의 최외곽 지역 사이에 위치합니다.
- 태양계 내부의 외부 우주를 행성간 우주라고 합니다. 이는 태양풍에 의해 정의되며, 태양과 그 행성들을 둘러싸는 거대한 "버블"인 헬리오스페어를 형성합니다. 헬리오파우즈(헬리오스페어의 최외곽)에서, 이는 성간 우주로 이어집니다.
- 성간 우주는 은하계 내 별계간 물리적 공간입니다. 이는 가스와 먼지로 이루어진 성간 매질(ISM)로 채워져 있습니다.
- 은하간 공간은 은하 사이의 물리적 공간입니다. 거의 비어 있어 완전한 진공에 가깝지만, 매우 얇은 이온화 가스로 채워져 있습니다.
우주는 어떤 물질로 이루어져 있을까요?
과학자들은 우주가 세 가지 유형의 물질로 이루어져 있다고 생각합니다: 보통 물질, 어두운 물질, 그리고 어두운 에너지입니다.
보통 물질
보통 물질은 양성자, 중성자, 전자로 이루어진 물질로서, 우리가 볼 수 있는 모든 물체를 구성합니다. 별, 행성, 나무, 동물, 인간 등 모든 것이 보통 물질로 만들어져 있습니다. 우주에서 보통 물질의 비율은 예상보다 매우 작은데, 전체 우주에서 5% 이하입니다.
어두운 물질
암흑 물질은 빛과 에너지를 방출하거나 흡수하지 않으므로 완전히 보이지 않습니다. 과학자들은 암흑 물질을 직접 볼 수는 없지만, 일반 물질에 작용하는 중력을 통해 그 존재를 추론합니다. 예를 들어, 나선 은하는 매우 빠르게 회전하기 때문에 눈에 보이는 물질 자체의 중력으로는 은하를 유지할 수 없습니다. 암흑 물질이 없다면 나선 은하는 단순히 흩어져 버릴 것입니다. 암흑 물질은 우주의 약 27%를 구성하는 것으로 추정됩니다. 가능한 후보는 다음과 같습니다.
- WIMP(약하게 상호작용하는 질량 입자): 일반 물질을 구성하는 입자보다 훨씬 무거운 가상의 입자입니다. 중력과 약한 핵력으로만 상호작용하므로 물질을 거의 흔적도 없이 통과합니다. WIMP는 그 질량 덕분에 은하의 움직임을 설명하는 데 필요한 추가적인 중력을 제공할 수 있습니다.
- 액시온: 매우 가볍고 상호작용이 매우 약한 이론적인 입자입니다. 처음에는 입자 물리학의 수학적 문제를 해결하기 위해 제안되었지만, 나중에 과학자들은 이것이 암흑 물질의 좋은 후보가 될 수 있다는 것을 깨달았습니다.
- 비활성 중성미자: 중성미자는 우리가 알고 있는 입자입니다. 매우 작고 질량이 거의 없으며 물질과 거의 상호 작용하지 않습니다. 비활성 중성미자는 중성미자의 더 무거운 버전으로 제안되었습니다. 중력을 제외한 알려진 어떤 힘으로도 상호 작용하지 않습니다. 비활성 중성미자의 추가적인 질량과 눈에 보이지 않는 특성은 우주의 숨겨진 물질에 대한 또 다른 가능한 설명이 됩니다.
어두운 에너지
암흑 에너지는 물체를 직접 밀어내는 힘이라기보다는 음의 압력으로 인해 우주가 가속적으로 팽창하는 원인인 공간 자체의 속성으로 생각할 수 있습니다. 우주가 단순히 팽창하는 것이 아니라, 팽창 속도가 증가하는 이유를 설명하기 위해 과학자들이 제안한 개념입니다. 현재까지 과학자들은 어두운 에너지의 본질과 기원을 정의하지 못했습니다. 여기서 "어두운"은 어두운 물질과는 달리, "알려지지 않은"을 의미합니다. 어두운 에너지는 전체 우주에서 약 68%를 차지합니다.
우주에는 무엇이 있을까요?
우주는 텅 비어 있지 않습니다. 작은 암석부터 거대한 은하계 벽까지 온갖 크기의 천체로 가득 차 있습니다. 행성, 위성, 혜성과 같은 작은 천체부터 시작하여 별, 은하, 그리고 가장 큰 우주 구조물까지 살펴보겠습니다.
행성, 위성, 그리고 소행성들
우리의 우주 탐험은 우리 가까이에 있는 태양계, 즉 우리와 가장 가까운 우주의 이웃에서 시작됩니다. 태양계에는 행성, 위성, 혜성, 그리고 화성과 목성 사이에 있는 소행성대가 있습니다. 천문학자들은 멀리 떨어진 별을 공전하는 외계 행성과 다른 항성계에서 지구를 지나가는 성간 혜성도 발견했습니다.
행성
행성은 별을 공전하는 천체로, 자체 중력으로 거의 구형으로 끌어당길 만큼 질량이 크며, 궤도에 있는 다른 잔해들을 제거한 천체입니다. 태양계에는 두 가지 주요 유형의 행성이 있습니다.
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태양계에는 왜소행성도 있습니다. 태양을 공전하지만 "본격적인" 행성과는 달리 궤도에서 잔해를 제거하지 못한 작은 행성입니다. 이 때문에 왜소행성은 태양계 행성의 주요 "만신전"에서 제외되는 경우가 많습니다. 가장 유명한 행성은 명왕성이지만, 에리스, 하우메아, 마케마케, 세레스와 같은 다른 행성들도 있습니다.
태양계 너머에서도 천문학자들은 다른 별을 공전하는 수천 개의 외계행성을 발견했습니다. 그중 일부는 상상의 한계를 뛰어넘습니다. 천문학자들은 특이한 구성을 가진 행성을 발견했는데, 그중 하나는 탄소가 풍부하여 다이아몬드와 유사한 물질이 대량으로 포함된 행성일 가능성이 있습니다. 이 사건과 다른 많은 특이한 우주 물체에 대해 자세한 내용은 저희 기사에서 알아보세요.
위성
위성은 행성이나 별이 아닌 다른 물체(예: 소행성)를 공전하는 천체입니다. 지구에는 위성이 하나뿐이지만, 어떤 행성에는 수십 개의 위성이 있고, 어떤 행성에는 전혀 위성이 없습니다.
- 2025년 기준으로, 토성은 274개의 위성이 확인되어 목성(95개)을 약간 앞지르고 있습니다. 천문학자들이 두 거대 위성 주변에서 새로운 작은 위성을 계속 발견하면서 최근 몇 년 동안 위성의 선두는 앞뒤로 바뀌고 있습니다.
- 태양계의 모든 위성을 크기 순으로 나열하면, 상위 5개 위성 중 3개(가니메데, 칼리스토, 이오)가 목성을 공전합니다. 나머지 두 위성은 토성의 가장 큰 위성인 타이탄과 목성의 달로, 당당히 5위를 차지하고 있습니다!
소행성
소행성은 약 46억 년 전 태양계 형성 당시 남은 암석입니다. 대부분은 화성과 목성 사이의 소행성대를 공전하며, 크기는 아주 작은 바위부터 세레스와 같은 왜행성까지 다양합니다.
- 아포피스처럼 가끔 지구에 접근하는 소행성도 있습니다. 아포피스는 2029년에 지구에서 32,000km(달보다 10배 더 가까운 거리) 이내를 통과할 예정입니다. 심지어 하늘에서 맨눈으로도 관측할 수 있을 것입니다! 더 자세한 내용은 아포피스에 대한 기사를 참조하세요.
혜성
혜성은 매우 긴 궤도를 따라 이동하는 얼음 천체입니다. 많은 혜성은 멀리 떨어진 오르트 구름에서, 다른 혜성은 카이퍼 벨트에서, 그리고 2I/보리소프와 3I/ATLAS처럼 성간 공간에서 옵니다. 혜성은 왜 그렇게 화려한 꼬리를 가지고 있으며, 태양계에 대해 무엇을 알려줄까요? 혜성 관련 기사에서 자세히 알아보세요.
별과 성운
별은 뜨겁고 빛나는 가스(주로 수소와 헬륨)로 이루어진 거대한 공으로, 중력에 의해 뭉쳐 있습니다. 별의 중심부에서는 원자들이 핵융합 반응을 일으켜 엄청난 에너지를 방출하는데, 이 에너지가 별을 빛나게 합니다. 별은 성운, 즉 거대한 가스와 먼지 구름 속에서 탄생하는데, 중력에 의해 물질들이 모여 핵융합이 시작될 때까지 이 구름은 끊임없이 움직입니다.
- 가장 특이한 성운 중 하나는 센타우루스자리에서 약 5,000광년 떨어진 부메랑 성운입니다. 이 성운의 내부 온도는 우주에서 발견된 것 중 가장 낮은 영하 272°C로, 절대 영도보다 단 1도 높습니다.
별은 형성된 후 수십억 년 동안 빛나다가 각기 다른 방식으로 생을 마감합니다. 어떤 별들은 희미하고 밀도가 높은 별의 잔해인 백색 왜성이 됩니다. 유명한 예로 밝은 별 시리우스가 있는데, 실제로는 뜨겁고 밝은 주별 시리우스 A와 희미한 백색 왜성 시리우스 B로 이루어진 이중성계입니다. 질량이 더 큰 별들은 수 킬로미터 지름의 중성자별이나, 심지어 빛조차 빠져나올 수 없을 정도로 강력한 중력을 가진 블랙홀로 붕괴될 수도 있습니다.
- 아직까지 빛을 내는 가장 오래된 별 중 하나는 HD 140283입니다. 천칭자리에 있는 준거성으로, 성경에 나오는 969년을 살았다고 전해지는 인물의 이름을 따서 므두셀라라는 별명을 가지고 있습니다. 이 별의 나이는 120억~140억 년으로 추정되며, 이는 우주의 나이와 거의 같습니다.
별이 성운에서 탄생하여 눈부신 최후를 맞이하는 과정까지 어떻게 진화하는지 더 잘 이해하려면 별의 수명 주기 인포그래픽을 확인해 보세요.
은하와 퀘이사
은하는 수십억 개의 별들이 중력, 가스, 먼지, 암흑 물질로 연결된 거대한 시스템입니다.
- 우리 태양계는 우리 은하에 위치해 있으며 밤하늘을 가로지르는 밝은 별들의 띠를 볼 수 있습니다.
- 가장 가까운 이웃 은하인 안드로메다 은하는 매우 크고 밝아서 어두운 하늘 아래에서 맨눈으로도 볼 수 있습니다.
별처럼 은하에도 수명 주기가 있습니다. 퀘이사는 은하 진화 초기 단계, 즉 중앙의 초대질량 블랙홀이 주변 물질을 엄청난 속도로 삼켜버릴 때 활동하는 은하핵을 나타내는 것으로 여겨집니다. 이 과정에서 엄청난 양의 에너지가 방출되어, 퀘이사는 우주에서 가장 밝은 천체 중 하나로 손꼽힙니다.
- 처녀자리에 있는 퀘이사 3C 273은 최초로 발견된 퀘이사이며, 지구에서 관측한 퀘이사 중 가장 밝습니다 (겉보기 등급 12.9). 전파 관측 결과 밝기 온도는 최대 10¹³ K(10조 °C)에 달하는 것으로 나타났는데, 이는 복사 강도를 나타내는 지표이며 실제 플라스마 온도를 나타내는 것이 아닙니다.
- 120억 광년 떨어진 링스별에 위치한 퀘이사 APM 08279+5255는 거대한 수증기 구름으로 둘러싸여 있으며, 이 수증기 구름은 지구 전체 바다 질량의 약 140조 배에 달합니다.
대규모 구조
은하는 고립되어 떠다니지 않습니다. 국부 은하군이나 처녀자리 은하단과 같은 은하군으로 뭉쳐 있으며, 이 은하들은 라니아케아 초은하단과 같은 더 큰 구조에 속합니다.
- 헤라클레스자리-왕관자리 만리장성, 또는 줄여서 만리장성은 관측 가능한 우주에서 가장 큰 구조물 후보로 꼽히지만, 그 존재 여부는 아직 논란의 여지가 있습니다. 그 크기는 최대 150억 광년에 달할 수 있으며 수십억 개의 은하를 포함하고 있을 가능성이 있습니다. 약 100억 광년 떨어져 있으며, 헤라클레스자리와 왕관자리 방향에 있습니다.
F.A.Q.
우주는 얼마나 오래된가?
현재 우주의 나이에 대한 가장 정확한 추정치는 약 138억 년입니다. 우주의 역사를 시각화하기 위해 지구 1년을 압축하여 우주 달력을 만들었습니다. 인포그래픽에서 확인해보세요.
우주는 어디에서 시작되나요?
우주는 지구 표면으로부터 명확하게 정의된 고도에서 시작하지 않습니다. 널리 받아들여지는 경계는 FAI(국제항공연맹)가 100km(62마일)로 설정한 카르만선입니다. NASA와 미 공군과 같은 일부 기관은 이보다 약간 낮은 80km(50마일)의 한계를 사용합니다. 이러한 고도가 선택된 이유는 이 고도에서는 대기가 너무 얇아 항공기 날개가 작동할 만큼 충분한 양력을 생성할 수 없기 때문입니다. 즉, 공기 역학적 비행은 더 이상 불가능하며 궤도 또는 로켓 추진만이 가능합니다.
우주의 크기는 어떻게 되나요?
우리가 볼 수 있고 측정할 수 있는 부분인 관측 가능한 우주의 크기는 지구에서 어느 방향으로도 약 465억 광년으로 추정됩니다. 만약 이를 지구를 둘러싸는 구로 상상한다면, 지름은 약 930억 광년입니다. 인포그래픽에서 관측 가능한 우주에서 우리의 위치를 찾아보세요.
우주의 온도는 얼마일까요?
우주 공간의 기준 온도는 빅뱅의 잔광인 우주 마이크로파 배경 복사(CMB)에 의해 결정됩니다. 이 온도는 약 2.7K(-270°C)에 해당합니다.
우주의 색깔은 무슨 색인가요?
우리는 경험상 그 공간이 검은색으로 보인다는 것을 알고 있습니다. 그러나 우주가 무한하고 수십억 개의 별을 포함하고 있다는 점을 고려한다면 밝은 흰색이어야 할 것 같지 않나요? 이 이상한 일은 올버의 역설로 알려져 있으며, 전용 기사에서 가능한 해결책을 확인해보세요.
왜 소리는 우주를 통과할 수 없나요?
소리는 공기나 물과 같은 매질이 전파되어야 하는 기계적 파동입니다. 공간은 진공 상태입니다. 공기가 없고 소리가 이동할 방법도 없습니다. 이것이 바로 공간이 일반적으로 침묵으로 간주되는 이유입니다.
우주는 완전히 조용합니까?
공간은 진공이지만 완전히 비어 있지는 않습니다. 플라즈마, 즉 하전 입자로 채워져 있습니다. 이러한 입자는 전기장과 자기장을 생성하거나 영향을 받을 수 있으므로 음파의 플라즈마와 동등한 자기음파를 전달할 수 있습니다. 인간의 귀에는 들리지 않지만, 우주선에 의해 녹음되어 들리는 트랙으로 변환될 수 있습니다. 이상하게 들리는 "우주 음악"이 있죠.
간략한 요약: 기억해야 할 기본 우주 사실
우주는 방사선과 물질 입자가 떠다니는 진공입니다. 현재 우주의 나이에 대한 가장 정확한 추정치는 약 138억 년입니다. 관측 가능한 우주의 크기는 지구에서 어느 방향으로도 약 465억 광년(직경으로는 930억 광년)으로 추정됩니다. 우주에 존재하는 모든 것은 일반 물질, 어두운 물질 및 어두운 에너지로 이루어져 있으며, 후자 두 물질의 성질과 기원에 대한 연구가 아직 진행 중입니다.
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