허블-르메트르 법칙

허블 상수 $H_{0}$
종류:	물리 상수
값:	67.80 km s−1 Mpc−1
오차:	±0.77 km s−1 Mpc−1
출처:	Planck 2013년 데이터 (68% CL):Table 9

허블의 법칙은 먼 우주로부터 오는 빛의 적색 편이는 거리에 비례한다는 법칙이다. 이 법칙은 약 10년간의 관측 끝에 1929년 에드윈 허블과 밀턴 휴메이슨이 발표하였다. 허블의 법칙은 우주팽창론의 첫 관측 증거이며, 빅뱅에 대한 증거로 가장 널리 인용된다. 2013년 3월 발표된 유럽 우주국 플랑크 위성(Planck) 데이터에 따르면, 허블 상수는 약 68 km/(s · Mpc)이다.

발견

1920년대 천문학자들은 은하가 과연 새로운 별들로 응집되어 가는 구름들인지, 아니면 태양을 포함한 우리의 은하계처럼 엄청나게 많이 모여 있는 별들의 집합체인지에 관해 논쟁을 벌이고 있었다. 당시 사용하던 망원경으로는 이것을 확실하게 말할 수 없었다. 어느 누구도 자신들이 살고 있는 우주가 어떤것인지 알지 못했고 더구나 우주가 확장한다고는 생각할 수도 없다고 여겼다.

그렇게 생각했던 사람들 중에 아인슈타인도 포함되었었다. 아인슈타인은 자신의 상대성이론을 수정해서 당시 천문학자들의 생각을 따랐다. 아인슈타인의 공간과 시간의 상대성은 우리들의 직관에 모순되기 때문에 우리들을 혼란스럽게 한다. 1905년 프랑스의 수학자 푸앵카레가 독립적으로 공간-시간의 변환 법칙을 발견했지만 그는 그것을 물리적으로는 중요하지 않은 가정으로만 생각했다. 반면 아인슈타인은 그 법칙의 물리적 연관성을 이해하였다. 그런 연유로 그가 상대론의 발명자로 간주되는 것이다. 아인슈타인은 그때까지의 물리학이 확고한 기반으로 삼고 있었던 공간-시간의 동시성에 대한 개념을 포기했다. 그리고 많은 물리학자나 철학자들은 동시성에 관한 기존 개념을 포기함을 받아들이지 못해서 상대성이론에 결렬한 반대자가 되었던 것이다.

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  공간의 왜곡

시공간의 개념을 설명하는 일반적인 방법은 위의 그림처럼 휘어지는 평면에 쇠구슬 같은 물체가 올려져 있는 경우를 상상하는 것이다. 쇠구슬의 무게로 인해 늘어가게 되는 평면- 그 현상이 바로 태양과 같이 무거운 물체 (쇠구슬)가 시공간(물질)에 미치는 효과와 비슷하다. 무엇보다도 아인슈타인의 상대성이론은 우주가 팽창하거나 수축해야한다는 주장을 담고 있다. 그러나 우주론 학자가 아니던 아인슈타인은 우주가 고정되어있고, 영원하다는 믿음을 그대로 인정했다.

허블의 관측에 앞서, 일부 물리학자와 수학자 사이에서는 아인슈타인 일반상대성이론의 아인슈타인 방정식을 기반으로 시간과 공간 이론에 관한 연구가 진행 중이었다. 그런데, 알려져 있던 이론을 우주의 현상에 적용하면 그 당시에 널리 퍼져 있던 정적 우주론에 반하는 동적해가 나오는 것이었다.

결국 1920년대 말 미국의 천문학자 에드윈 허블에 의해 은하들이 실제로 움직이는 것처럼 보인다는 관측 결과가 발표되었다.

허블은 은하에서 온 빛의 스펙트럼을 조사해서 검은 선들의 위치를 측정했다. 태양과 별들의 스펙트럼에서 확인했던 선의 위치와 일치하지 않았다. 은하 스펙트럼에서는 검은 선들의 위치가 이동해 있었다.

스펙트럼을 살펴보면 색깔들이 항상 보라,남색, 초록, 노랑, 주황, 빨강의 순서로 배열되어 있음을 보게 된다. 허블은 보통의 경우 초록 부분에 있던 선들이 노랑 부분에, 무지개의 노랑 부분에 있던 선은 빨강 색 속에 있었다. 모든 선들이 빨강 쪽으로 이동해 있었다(적색편이).

에드윈 허블은 어떤 은하에서 온 빛이건 간에 그 스펙트럼에서 적색편이가 이루어진다는 사실을 확인하고 이를 통해 모든 은하들이 우리로부터 멀어지고 있다는 결론을 얻었다.

에드윈 허블은 1920년대에 안드로메다 은하 속에 있는 세페이드 변광성 하나를 이용하여 이 은하의 거리를 측정했다. 그는 이 별의 변광 주기를 측정하고 이 별 밝기의 절대등급을 확인함으로써 거리를 계산할 수 있었다. 세페이드 변광성 덕분에 천문학자들은 최초로 거리의 척도를 마련하여 이를 은하에도 적용할 수 있게 되었다.나중에 허블과 다른 천문학자들이 은하의 거리를 측정하는 다른 방법들을 개발했지만 지금도 여전히 세페이드 변광성 기법은 모든 사람들로부터 신뢰를 받고 있다.

에드윈 허블이 단지 은하들이 수백만 광년 떨어져 있다는 사실만 밝힌것이 아니다. 멀리 있는 은하들이 가까이에 있는 은하들 보다 더 빨리 우리로부터 멀어지고 있다는 사실도 확인할 수 있었다. 우리 은하계에서 먼 거리에 있는 외부은하일수록 더 빨리 멀어지고 있다. 이것을 허블 효과라고 부른다.

프리드만 방정식

1922년, 알렉산드르 프리드만은 아인슈타인 방정식으로부터 프리드만 방정식을 도출해 내었다. 해당 방정식은 우주가 식에 의해 계산 가능한 비율로 팽창한다는 것을 설명하고 있었다. 프리드만이 사용한 매개변수는 허블의 법칙에 있어서의 비례 상수의 척도불변 형태인 척도인자로서 오늘날 알려져 있다. 프리드만 방정식은 프리드만-로버트슨-워커 계량을 아인슈타인 방정식에 넣고 풀면 얻을 수 있다. 프리드만 방정식에 의한 시공간의 팽창에 관한 이론은 빅뱅과 정상우주론을 이끌어내었다.