허블 상수, 허블이 발견해 만들어낸 상수

1. 허블 상수

멀리 있는 은하일수록 우리로부터 더 빨리 후퇴한다. 이 비례 관계가 허블 르메트르의 법칙이다. 허블 상수는 우주가 얼마나 빨리 팽창하는지 보여주는 우주론의 중요한 숫자 중 하나다. 허블 상수를 정확하게 알기 위해서는 은하까지의 거리와 은하의 후퇴 속도를 정확하게 알아야 한다. 허블 우주 망원경은 우주 팽창률을 정밀하게 관측하겠다는 과학자들의 강한 의지로 쏘아 올려졌다. 이후 은하의 후퇴 속도는 아주 정밀하게 측정되고 있다. 오차 범위를 좁히는 측정값으로 우리는 우주 나이와 우주 크기를 정확하게 알 수 있을까?

"은하까지의 거리를 구하는 것은 정말 험난하고 힘든 작업입니다. 조만간 발사될 허블 우주 망원경이 이 문제를 해결할 수 있을 것이라 생각합니다” 미국의 천문학자였던 마크 에어론슨이 1985년 어느 상을 받는 자리에서 한 말이다. 은하까지의 거리를 정확하게 구하는 것이 당시 관측 우주론 학자들의 숙원 사업 중 하나였다. 은하까지의 거리를 정확하게 알아야 은하의 진짜 물리량을 알 수 있기 때문이다. 기준이 되는 은하들까지의 거리를 정확하게 알면 그것을 바탕으로 여러 가지 중요한 천문학적인 값들을 결정할 수 있다. 한쪽 축을 은하들까지의 거리로 잡고 다른 축을 그 은하들의 후퇴 속도로 잡은 다음 그 값들을 찍어 보면 전체적으로 비례하는 경향을 보인다. 멀리 있는 은하일수록 우리로부터 더 빨리 후퇴한다. 앞서 언급했듯이 이 비례 관계를 허블-르메트르의 법칙이라고 한다.

 

2. 허블의 발견

1929년 에드윈 허블이 가까운 은하들까지의 거리를 측정하고 그 은하들의 후퇴 속도를 관측해서 그림을 그려보니 비례 관계가 발견되었다. 우주 공간이 팽창하고 있다는 것이 관측상으로 처음 밝혀진 것이다. 이 비례 관계의 기울기, 허블 상수의 물리적 의미는 단위 거리당 팽창 속도로 이해하면 된다. 일종의 공간 팽창률이다. 허블 상수는 우주가 얼마나 빨리 팽창하는지 보여 주는 우주론의 중요한 숫자 중 하나다. 허블 상수를 정확하게 알려면 지구에서 은하까지의 거리와 은하의 후회 속도를 정확하게 알아야 한다. 은하의 후퇴 속도는 관측을 통해서 아주 정밀하게 측정하고 있다. 허블 상수의 정확도를 가늠하는 것은 늘 은하까지의 거리였다. 에어론슨은 은하까지의 거리를 정밀하게 측정하는 것이 허블 상수를 결정하고 더 나아가서 우주론의 요소들을 결정하는 데 얼마나 중요한지 잘 파악하고 있었다. 우주 공간에 설치될 허블 우주 망원경이 은하까지의 거리를 정밀하게 측정하는 데 크게 기여할 것이라 기대했다.

하지만 에어론슨은 1990년에 발사된 허블 우주 망원경의 활약을 보지 못하고 이른 나이에 세상을 떠났다. 미국 애리조나주에 있는 키트피크 국립 천문대의 4미터짜리 메이오 망원경으로 관측하던 도중 관측 돔의 오작동으로 몸이 끼어 처참하게 죽은 것이다. 1987년의 일이었다. 그가 죽은 지 10년쯤 지나 메어올 천문대를 방문할 기회가 있었는데 사고가 났던 부분은 수리되어 있었지만, 소문은 여전히 천문대를 맴돌고 있었다. 에어론슨은 새로운 관측으로 은하들까지의 거리를 정밀하게 측정해 더 정밀한 허블 상수를 결정하려는 젊은 천문학자들의 선두 주자였다.

 

3. 허블 우주 망원경

세상을 떠난 에어론슨과 많은 천문학자의 염원을 담은 허블 우주 망원경은 1990년에 발사되었다. 처음에는 반사경과 렌즈 등으로 구성된 광학계에 문제가 생겨 제 기능을 발휘하지 못했지만 보완해서 명기로 거듭났다. 기대 수명을 훌쩍 넘긴 지금까지도 맹활약하고 있다. 허블 우주 망원경에 '허블'의 이름이 들어간 데는 이 망원경을 통해서 허블 상수를 정밀하게 관측하겠다는 천문학자들의 의지와 바람도 담겨 있다. 허블 우주 망원경의 핵심 프로젝트 중 하나로 가까운 은하들까지의 거리를 구하기가 포함된 것은 어찌 보면 당연한 일이다.

허블 우주 망원경 핵심 프로젝트팀은 가까운 나선 은하들로부터 처녀자리 은하단의 나선 은하들까지의 거리를 구하는 작업을 수행했다. 은하들까지의 거리를 구하는 도구로는 세페이드 변광성의 주기와 광도의 비례 관계를 사용했다. 별빛이 주기적으로 변하는 별을 변광성이라고 한다. 빛이 변하는 주기는 거리 와 상관없는 값이지만 별의 밝기는 거리가 멀어지면 더 어둡게 보인다. 세페이드 변광성은 빛이 변하는 주기와 그 별의 최대 밝기 사이에 비례 관계가 있다. 이미 거리가 잘 알려진 우리은하 안의 세페이드 변광성들에서 거리-주기 관계식을 찾아낸 다음 다른 은하에서 발견된 세페이드 변광성의 겉보기 밝기와 주기를 대입시키면 해당 은하까지의 거리를 구할 수 있다. 같은 주기를 갖는 다른 은하 안의 세페이드 변광성과 우리은하 안의 세페이드 변광성의 밝기 차이가 바로 그 은하까지의 거리를 나타내는 지표가 된다.

 

4. 허블 상수 결정 프로젝트

에어론슨과 많은 천문학자가 기대한 대로 허블 우주 망원경을 사용한 허블 상수 결정 프로젝트는 성공적이었다. 기준이 되는 가까운 은하들 안의 세페이드 변광성을 관측해서 이 은하들까지의 거리를 정밀하게 측정할 수 있었다. 좀 더 멀리 있는 처녀자리 은하단에 속한 나선 은하들에서도 세페이드 변광성이 발견되었고 이를 바탕으로 은하들까지의 거리를 구할 수 있었다. 당시로서는 가장 정밀한 은하까지의 거리를 바탕으로 허블 상수를 결정할 수 있었다. 웬디 프리드먼을 비롯한 허블 우주 망원경 핵심 프로젝트팀은 2001년에 '허블 상수 결정을 위한 허블 우주 망원경 핵심 프로젝트의 최종 결과'라는 논문을 발표했다.' 허블 우주 망원경을 사용한 관측의 공식적인 결과 발표였다. 허블 상수는 72km/s/MPC로 결정되었다. 이 값의 오차 범위는 10퍼센트 정도였다. 허블 상수를 10퍼센트 오차 범위로 결정했다는 것은 충격적인 사건이었다.

 

허블 상수는 우주가 얼마나 빨리 팽창하는지 알려 주며 허블 상수의 역수 단위는 시간의 단위가 된다. 팽창을 시작한 이후 현재까지 걸린 시간이다. 즉 현 제 우주의 나이를 보여 주는 값이다. 이 값에 빛의 속도를 곱해 면 관측할 수 있는 우주의 크기를 가늠할 수도 있다. 따라서 허블 상수는 우주의 나이와 크기를 정량적으로 가늠할 수 있는 아주 중요한 요소이다.