宇宙は光より速い速度で膨張してるのになんで星の光が届くんや？
우주가 빛보다 빠르게 팽창한다는 사실을 들으면, 먼 별빛이 왜 우리에게 도달하는지 의아할 수 있습니다. 사실, 공간 그 자체가 늘어나고 있는 것이지, 빛이 공간을 이동하는 속도와는 다른 이야기입니다. 과거에 방출된 빛은 공간이 팽창하는 와중에도 꾸준히 지구에 도달하여, 우리는 여전히 별빛을 볼 수 있는 것입니다!
관련 키워드 해설
우주의 팽창
우주의 팽창이란 은하와 같은 천체들이 공간 속을 이동하는 것이 아니라, 우주 공간 그 자체가 시간과 함께 늘어나면서 은하들 사이의 거리가 증대하는 현상을 말합니다. 이 개념은 알베르트 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 도출되었고, 에드윈 허블의 관측에 의해 뒷받침되었습니다. 허블은 멀리 떨어진 은하일수록 우리에게서 더 빠른 속도로 멀어지고 있음을 발견했으며, 이를 '허블의 법칙'이라고 명명했습니다. 중요한 점은 이 '속도'가 물체가 공간 속을 이동하는 속도가 아니라, 공간 자체가 팽창함으로써 거리가 확대되는 겉보기 속도라는 점입니다. 따라서 특정 지점에서 보면 광속을 초과하여 멀어지는 영역도 존재할 수 있습니다. 기사의 의문 "우주가 빛보다 빠르게 팽창하는데, 왜 별빛이 도달할까?"에 대한 한 가지 답은, 이 공간의 팽창이 원인이 되어 빛이 방출된 후 지구에 도달하기까지 그 공간이 크게 늘어났을지라도, 빛 자체는 항상 광속으로 그 공간을 계속 나아가고 있기 때문입니다. 예를 들어, 풍선에 그려진 점들이 풍선의 팽창과 함께 멀어지는 것처럼, 은하들도 공간의 팽창과 함께 멀어지는 이미지입니다. 관측 가능한 별로부터의 빛은 팽창이 시작된 비교적 가까운 곳에서 방출되었고, 그 빛이 우리에게 도달하기까지 우주 공간이 팽창한 결과, 현재 멀리 떨어져 있는 것처럼 보이는 것입니다.
광속 불변의 원리
광속 불변의 원리란 알베르트 아인슈타인의 특수 상대성 이론의 두 가지 기본적인 가정 중 하나로, "진공 중의 빛의 속도는 관측자의 운동 상태나 광원의 운동 상태에 관계없이 항상 일정하다"는 것입니다. 이 속도는 초당 약 30만 킬로미터이며, 우주에서 가장 빠른 정보 전달 속도로 여겨집니다. 이 원리는 우리가 평소 경험하는 속도 합성 법칙(예를 들어, 기차 안에서 공을 던지면 기차 속도에 공의 속도가 더해지는 것)이 빛에는 적용되지 않음을 보여줍니다. 그렇다면 왜 우주의 팽창이 광속을 초과할 가능성이 있는데도 광속 불변의 원리와 모순되지 않을까요? 그 열쇠는 '공간의 팽창'이라는 개념에 있습니다. 광속 불변의 원리는 빛이 '공간을 이동하는 속도'에 대해 설명합니다. 반면에 우주의 팽창은 '공간 그 자체가 늘어나는 현상'이며, 물체가 공간을 이동하는 속도와는 근본적으로 다릅니다. 예를 들어, 우주선이 초속 10만 킬로미터로 날아간다는 이야기와 우주 공간이 초속 10만 킬로미터의 속도로 늘어난다는 이야기는 전혀 별개의 것입니다. 빛은 항상 그 국소적인 공간을 광속으로 나아가지만, 그 공간 전체가 팽창해나가면서 빛이 이동하는 동안 목적지까지의 거리가 점점 멀어지는 상황이 발생하는 것입니다. 결과적으로 멀리 있는 은하에서 방출된 빛은 공간의 팽창으로 인해 그 경로가 늘어나게 되지만, 빛 자체는 포기하지 않고 광속으로 우리를 향해 계속 나아가기 때문에, 최종적으로 지구에 도달하는 빛이 존재할 수 있는 것입니다.
관측 가능한 우주
관측 가능한 우주란 빅뱅 이후 빛이 우리에게 도달할 수 있었던 영역으로, 지구에서 볼 때 관측 가능한 모든 천체를 포함하는 우주의 영역을 말합니다. 우주의 나이가 약 138억 년이므로, 빛이 도달할 수 있는 가장 먼 거리는 단순 계산으로 138억 광년이라고 생각하기 쉽지만, 실제로는 그 반지름이 약 460억 광년에 달하는 것으로 추정됩니다. 이 차이의 이유는 우주의 팽창에 있습니다. 빛이 138억 년에 걸쳐 지구에 도달하는 동안, 우주 공간 그 자체가 계속 팽창했기 때문에, 빛이 출발했을 때는 지구에서 비교적 가까웠던 천체도 빛이 지구에 도달할 무렵에는 훨씬 더 먼 곳에 위치하게 됩니다. 따라서 우리가 보고 있는 가장 먼 천체로부터의 빛은 138억 년 전에 방출된 것이지만, 그 천체 자체는 현재 시점에서 460억 광년 이상 떨어진 곳에 있는 것입니다. 관측 가능한 우주의 개념은 기사의 의문 "왜 광속보다 빠른 팽창에서도 빛이 도달할까?"를 이해하는 데 매우 중요합니다. 우리가 볼 수 있는 별빛은 이 관측 가능한 우주의 범위 내에서, 그리고 빛이 지구에 도달할 충분한 시간이 있었던 곳에서 방출된 것입니다. 우주 전체는 관측 가능한 우주보다 훨씬 광대하거나 혹은 무한할 가능성도 제기되고 있지만, 그러한 영역으로부터의 빛은 광속으로 진행하더라도 우주의 가속 팽창 때문에 영원히 지구에 도달할 수 없을 것으로 생각됩니다.