고등학교 1~2학년 (15-17세)

우주 팽창과 빅뱅

Expanding Universe & Big Bang

우주에서는 은하가 공간 속을 날아가는 것이 아니라, 은하 사이의 공간 자체가 늘어나면서 모든 은하가 서로 멀어지고 있어요. 그래서 멀리 있는 은하일수록 더 빨리 멀어지는데, 이 관계가 허블 법칙 v = H₀d 이고, 멀어지는 은하의 빛은 파장이 길어져 붉은 쪽으로 치우친 적색 편이로 관측돼요. 시간을 거꾸로 돌리면 약 138억 년 전 우주 전체가 매우 뜨겁고 밀도가 높은 상태였다는 결론에 이르는데, 이것이 빅뱅 우주론이에요. 그림에서 스케일 팩터를 키우면 모든 거리가 같은 배율로 늘어나고, 아래 그래프의 세 점이 언제나 원점을 지나는 한 직선 위에 놓이는 모습을 볼 수 있어요.

우주는 팽창하고 있다

🎈 풍선 표면의 점으로 생각하기

①풍선 표면에 점을 고르게 찍고 바람을 넣으면 모든 점 사이의 거리가 같은 배율로 늘어난다

②어느 점에 서서 보아도 나머지 점들이 모두 자기에게서 멀어지므로, 팽창하는 우주에는 특별한 중심이 없다

③점이 표면 위를 달리는 것이 아니라 표면이 늘어나는 것처럼, 은하도 공간 자체가 늘어나서 멀어진다

④처음에 두 배 멀리 있던 점은 같은 시간 동안 두 배 많이 멀어진다

우주 팽창 시각화

스케일 팩터1.5

💡 그림에서 볼 것

①위 줄은 처음 상태, 아래 줄은 공간이 스케일 팩터 a 만큼 늘어난 뒤의 상태다

②가운데 관찰자에서 한 칸 떨어진 은하가 x 만큼 멀어지는 동안, 두 칸 떨어진 은하는 2x, 세 칸 떨어진 은하는 3x 만큼 멀어진다

③같은 시간 동안 멀어진 거리가 속도이므로, 후퇴 속도는 지금 거리에 비례한다

④그래서 아래 그래프의 세 점은 a 가 얼마이든 원점을 지나는 한 직선 위에 놓이고, 이 직선의 기울기가 허블 상수에 해당한다

허블 법칙과 적색 편이

허블 법칙

v = H₀d

후퇴 속도(v)는 거리(d)에 비례하고, 비례 상수 H₀ 를 허블 상수라고 한다. 오늘날 측정값은 약 70 km/s/Mpc 이다

적색 편이

z = Δλ / λ₀ ≈ v / c

멀어지는 은하의 빛은 파장이 길어진다. 후퇴 속도가 빛의 속도보다 훨씬 느릴 때는 z ≈ v / c 로 속도를 구한다

🔴 적색 편이로 속도를, 허블 법칙으로 거리를

①다가오던 구급차가 지나쳐 멀어지면 사이렌 소리가 낮아지는 것처럼, 멀어지는 광원의 빛은 파장이 길어진다

②은하의 스펙트럼에서 흡수선이 실험실에서 잰 위치보다 붉은 쪽으로 옮겨 간 정도가 적색 편이다

③적색 편이에서 후퇴 속도를 구하면, 허블 법칙 d = v / H₀ 로 거리를 추정할 수 있다

④허블은 1929년 은하의 거리와 후퇴 속도를 비교해 이 비례 관계를 발표했다

빅뱅 우주론

빅뱅 우주론의 핵심

약 138억 년 전 매우 뜨겁고 밀도가 높은 상태 → 공간이 팽창하며 식음 → 오늘의 우주

빅뱅은 한 점에서 일어난 폭발이 아니라, 우주의 모든 곳이 함께 팽창하기 시작한 사건이다

빅뱅 우주론의 증거

① 우주 팽창(허블 법칙) ② 우주 배경 복사(약 2.7 K) ③ 수소 : 헬륨 질량비 ≈ 3 : 1

우주 팽창은 정상 우주론도 받아들이므로, 두 이론을 가른 것은 ②와 ③이다. 정상 우주론으로는 이 둘을 설명하기 어렵다

📡 우주 배경 복사

①빅뱅 뒤 약 38만 년이 지나 우주 온도가 약 3000 K 까지 내려가자, 전자와 원자핵이 결합해 원자가 되면서 빛이 물질에 막히지 않고 곧게 나아가기 시작했다

②그때 퍼져 나간 빛이 우주 팽창으로 파장이 늘어나, 지금은 약 2.7 K 의 마이크로파로 하늘의 모든 방향에서 거의 고르게 관측된다

③1965년 펜지어스와 윌슨이 안테나의 잡음을 조사하다가 우연히 발견했다

④빅뱅 우주론이 미리 예측했던 복사였기 때문에, 이 발견으로 빅뱅 우주론이 널리 받아들여졌다

예제와 기출로 점검

예제 1

허블 상수가 H₀ = 70 km/s/Mpc 일 때, 100 Mpc 떨어진 은하의 후퇴 속도는 얼마인가?

허블 법칙 v = H₀d 에 값을 넣는다.

v = 70 km/s/Mpc × 100 Mpc = 7,000 km/s.

▸ 7,000 km/s

같은 우주에서 200 Mpc 떨어진 은하는 두 배인 14,000 km/s 로 멀어진다. 거리가 두 배면 후퇴 속도도 두 배다.

예제 2

빅뱅 우주론을 뒷받침하는 관측 증거 가운데, 정상 우주론으로는 설명하기 어려운 두 가지는 무엇인가?

우주 팽창(허블 법칙)은 정상 우주론도 받아들이므로 두 이론을 가르는 증거가 되지 못한다.

빅뱅 뒤 약 38만 년에 나온 빛인 우주 배경 복사(약 2.7 K)와, 초기 우주에서 만들어진 수소 : 헬륨 질량비(약 3 : 1)가 빅뱅 우주론이 예측한 값과 맞는다.

▸ 우주 배경 복사(약 2.7 K)와 수소 : 헬륨 질량비 ≈ 3 : 1

정상 우주론은 우주가 팽창하는 동안 새 물질이 생겨 밀도가 늘 같다고 보므로, 우주 전체가 뜨거웠던 시기가 남긴 배경 복사를 설명하지 못한다.

수능 유형

우주 팽창과 빅뱅 우주론에 대한 설명으로 옳은 것은?

①적색 편이는 은하가 가까워질 때 나타난다

②허블 법칙에 따르면 멀리 있는 은하일수록 빠르게 멀어진다

③우주 배경 복사의 온도는 약 270 K이다

④우주의 나이는 약 46억 년이다

⑤우주 배경 복사는 특정 한 방향에서만 관측된다

▸ ② 허블 법칙에 따르면 멀리 있는 은하일수록 빠르게 멀어진다

허블 법칙 v = H₀d 에서 후퇴 속도는 거리에 비례하므로, 먼 은하일수록 빠르게 멀어진다.

적색 편이는 은하가 멀어질 때 나타나고(①), 우주 배경 복사는 약 2.7 K 이며(③), 우주의 나이는 약 138억 년이고(④), 배경 복사는 모든 방향에서 거의 고르게 관측된다(⑤).

정리

우주 팽창과 빅뱅의 핵심

적색 편이 → 후퇴 속도 → v = H₀d → 우주 팽창 → 빅뱅 우주론

적색 편이가 거리에 비례한다는 관측에서 우주 팽창이 확인되었고, 우주 배경 복사와 가벼운 원소의 비율이 빅뱅 우주론을 뒷받침한다

🎯 시험 포인트

①허블 법칙 v = H₀d: 후퇴 속도는 거리에 비례한다

②적색 편이: 멀어지는 은하의 빛은 파장이 길어져 흡수선이 붉은 쪽으로 옮겨 간다

③우주 팽창에는 중심이 없고, 어느 은하에서 보아도 다른 은하가 멀어진다

④빅뱅 우주론의 증거는 우주 배경 복사(약 2.7 K, 빅뱅 뒤 약 38만 년에 나온 빛)와 수소 : 헬륨 질량비 ≈ 3 : 1 이다

⑤우주의 나이는 약 138억 년이다

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마지막 수정 2026-10-17

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