지구과학 고3 은하와 우주

적색 이동

Q: z가 1보다 클 수도 있나요?

네. 아주 먼 천체에서는 z가 1을 넘기도 합니다. 다만 그때 v = cz를 그대로 쓰면 빛보다 빠른 속도가 나와 버리므로 더 정확한 관계식이 필요합니다. 고등학교 과정에서는 z가 충분히 작은 은하를 다루므로 v = cz를 씁니다.

Q: 별의 적색 이동과 은하의 적색 이동은 같은 것인가요?

계산 방법은 같지만 원인이 다릅니다. 우리 은하 안의 별이 보이는 이동은 그 별이 실제로 공간 속을 움직여서 생기는 도플러 효과이고, 먼 은하의 적색 이동은 주로 우주 공간의 팽창 때문입니다.

Q: 적색 이동만으로 은하까지의 거리를 알 수 있나요?

적색 이동만으로는 속도를 알 뿐입니다. 거리를 얻으려면 속도와 거리를 이어 주는 허블 법칙이 필요하고, 그 법칙 자체를 세우려면 처음에는 다른 방법(예: 밝기를 아는 별을 이용한 거리 측정)으로 거리를 재야 했습니다.

도플러 효과로 후퇴하는 은하의 스펙트럼선이 긴 파장 쪽으로 이동하는 적색 이동을 이해하고 후퇴 속도를 계산한다.

멀어지는 천체에서 오는 빛의 스펙트럼선이 원래 파장보다 긴(붉은) 쪽으로 밀려 관측되는 현상으로, 밀린 정도

z = \frac{Δ λ}{λ _{0}}

로부터 후퇴 속도를 구할 수 있습니다.

지나가는 구급차 사이렌이 멀어질 때 낮게 들리는 것과 같습니다. 소리에서는 음이 낮아지고, 빛에서는 파장이 길어져 붉은 쪽으로 갑니다.

쉽게 말하면

적색 이동을 읽는 열쇠는 '스펙트럼선'입니다. 수소나 칼슘 같은 원소는 정해진 파장에서만 빛을 흡수하므로, 별빛 스펙트럼에는 원소마다 지문 같은 검은 선이 정해진 위치에 나타납니다. 이 지문의 무늬(선들의 간격 패턴)는 그대로인데 전체가 붉은 쪽으로 통째로 밀려 있다면, 그 천체가 우리에게서 멀어지고 있다는 뜻입니다. 실험실에서 잰 파장 $λ_{0}$ 와 관측된 파장 $λ$ 를 비교해 다음과 같이 정의합니다.

$z = \frac{Δ λ}{λ _{0}} = \frac{λ - λ _{0}}{λ _{0}}$

후퇴 속도가 빛의 속도에 비해 충분히 작을 때는 도플러 효과를 그대로 적용해 후퇴 속도를 구합니다.

$v = cz = c \frac{Δ λ}{λ _{0}}$

여기서 $c$ 는 빛의 속도 $3 \times 1 0^{5} km/s$ 입니다. 반대로 $λ < λ_{0}$ 이면 $z$ 가 음수가 되고, 이는 천체가 다가오고 있다는 뜻으로 청색 이동이라 부릅니다.

먼 은하들을 훑어보면 거의 모두가 적색 이동을 보입니다. 게다가 멀리 있는 은하일수록 $z$ 가 큽니다. 이 규칙성이 바로 허블 법칙의 출발점이며, 우주가 팽창하고 있다는 첫 번째 증거가 되었습니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

수소 흡수선이 밀린 만큼으로 속도 구하기

$λ_{0} = 500 nm, λ = 505 nm \Rightarrow z = \frac{5}{500} = 0.01, v = cz = 3 \times 1 0^{3} km/s$

파장이 1%만 밀려도 후퇴 속도는 초속 3000 km입니다. 우주 규모에서는 이 정도 '작은' 이동이 엄청난 속도에 해당합니다.
예시 2

안드로메다 은하는 청색 이동을 보인다

모든 은하가 멀어지는 것은 아닙니다. 가까운 은하는 우주 팽창보다 서로 간의 중력에 의한 운동이 더 커서, 안드로메다 은하는 오히려 우리 쪽으로 다가오며 청색 이동을 보입니다. 우주 팽창은 '충분히 멀리서' 봐야 드러나는 효과입니다.
예시 3

스펙트럼선 '패턴'을 보고 판별하기

선 하나만 보면 그것이 밀린 수소선인지 원래 그 자리에 있는 다른 원소의 선인지 알 수 없습니다. 여러 선의 간격 비율이 통째로 유지된 채 한 방향으로 이동했는지를 확인해야 적색 이동으로 확정할 수 있습니다.

순서대로 하면

적색 이동으로 후퇴 속도를 구하는 순서

1관측된 스펙트럼에서 선들의 간격 패턴을 보고 어떤 원소의 선인지 알아냅니다.
2그 선의 실험실 파장 $λ_{0}$ 와 관측 파장 $λ$ 를 확인합니다.
3 $z = (λ - λ_{0}) / λ_{0}$ 를 계산합니다. 파장의 단위는 위아래가 같기만 하면 무엇이든 상관없습니다.
4 $v = cz$ 로 후퇴 속도를 구합니다. $z$ 가 양수면 후퇴, 음수면 접근입니다.

자주 하는 오해

은하가 실제로 붉은색으로 보인다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움적색 이동이 크면 그 은하는 눈에 붉게 보인다

실제로는적색 이동은 스펙트럼선의 '위치'가 긴 파장 쪽으로 밀린 것이지, 은하가 붉게 물드는 것이 아닙니다.

스펙트럼 전체가 밀리기 때문에 원래 자외선이던 빛이 가시광선 자리로 들어오기도 합니다. '적색'은 '긴 파장 쪽으로'라는 방향을 가리키는 이름일 뿐입니다. 무지개 전체가 옆으로 미끄러진 모습을 떠올리세요.

은하들이 공간 속을 헤엄쳐 우리에게서 도망친다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움우주가 폭발한 중심에서 은하들이 사방으로 날아가고 있고, 우리가 그 중심에 있다

실제로는은하가 공간 속을 이동하는 것이 아니라, 은하와 은하 사이의 '공간 자체'가 늘어나 파장이 길어진 것입니다. 그래서 어느 은하에서 보든 다른 은하들이 멀어지는 것처럼 보입니다.

빵 반죽 속 건포도를 떠올리세요. 건포도가 기어가지 않아도 반죽이 부풀면 모든 건포도 사이가 멀어집니다. 어떤 건포도에서 보든 자기가 중심처럼 보이므로, 모든 은하가 멀어진다고 해서 우리가 우주의 중심인 것은 아닙니다. 다만 고등학교 과정에서는 후퇴 속도를 도플러 효과 공식으로 계산합니다.