우주의 모양, 구성, 암흑물질

우주의 모양

상대성이론에서는 우주의 모양이 시공간, 질량과 에너지에 따라 어떤 방식으로 휘며 구부러지는지를 설명했다. 우주의 위상수학과 기하학에서는 관찰 가능한 우주의 국소적 기하학과 대역역 기하학이 포함된다. 우주론자는 일명 공변 좌표라고 말하는 공간성 시공간의 조각으로 작업한다. 관찰할 수 있는 시공간의 단면은 우주 지평선을 구분하는 광추이다. 입자 지평선이라고도 말하는 우주론 지평선 은 우주 시대에 입자가 관측자에 도달할 수 있는 최대 거리를 말한다. 이 지평선은 우주의 관측 가능한 영역과 관측할 수 없는 영역 사이의 경계 모양을 나타낸다. 우주론적 지평선의 존재와 속성은 특정 우주론적 모형에 따른다. 우주 이론의 미래 진화 모양을 결정짓는 주요 변수는 우주 평균 물질의 밀도를 해당 밀도의 임계값으로 나눈 값으로 정의되는 밀도 매개변수 오메가이다. 이것은 1보다 크거나 같은지 여부에 의해 세 가지 유효한 기하학 중 하나를 선택한다. 이는 열린 우주 및 닫힌 우주라고 한다. 우주배경 탐사선인 윌킨슨마이크로파 비등방성 탐색기외 플랑크 CMB 지도를 포함한 관측은 프리드만르메트르로버트슨워커 모형이 설명한 것처럼 우주는 유한한 나이로 범위가 무한함을 시사한다. 따라서 이러한 모형은 현재 암흑물질과 암흑 에너지가 지배하는 평평하고 균질한 우주를 기술하는 급팽창 모형과 우주론의 표준 모형을 지원한다.

우주의 구성

우주의 구성은 암흑 에너지와 암흑물질, 그리고 일반 물질로 구성되어 있다. 다른 내용물은 전자기 복사와 반물질이 있다. 모든 물질과 에너지 비율은 우주의 역사에 걸쳐서 변질되었다. 우주 내 생성된 전자기 복사의 총량은 지난 20억 년에 걸쳐 절반으로 감소했다. 오늘날 별과 은하 등을 포함하는 일반 물질은 우주 전체에서 5% 미만으로 차지한다. 이러한 물질의 전체 밀도는 입방 센티미터당 약 4.5 × 10-31g으로 매우 낮으며, 이는 부피 4 입방미터당 양성자 1개 수준의 밀도에 해당한다. 암흑 에너지와 암흑물질의 성질은 베일에 쌓여있다. 여전히 밝혀지지 않은 특이 형태의 물질인 암흑물질은 우주 전체의 30%가량 차지한다. 우주 팽창을 가속시키는 빈 공간의 에너지인 암흑 에너지가 그 외인 70%를 차지한 셈이다. 물질과 암흑에너지 3억 광년 이상에 걸쳐 우주 전체에 균일 분포되어 있다. 그러나 상대적으로 짧은 길이의 규모에서는 이러한 물질이 계층적으로 뭉쳐지는 경향이 있다. 다수의 원자가 응축되어 별이 형성되고, 대부분의 별들은 이내 은하가 되며, 대부분의 은하는 이내 은하단으로 거대해진다. 관측 가능한 우주에는 2000억 개의 은하들이 존재하며, 지구상으로 비교를 하면 지구 안에 있는 모든 모래알갱이 보다 더 많이 있는 셈이다. 일반적으로 은하는 1000만 개의 별을 가진 소규모 은하에서 1조 개의 별을 가진 거대 은하까지 다양하게 존재한다. 보다 큰 거대 구조 사이에는 일반적으로 3,300만~4억 9,000만 광년인 거대 공동이 있다. 우리 은하는 라니아케아초은하단에 있는 국부은하군에 포함된다. 이 초은하단은 5억 광년 이상 걸쳐 있으며, 국부은하단군 1천만 광년 이상 걸쳐져 있다. 우주에는 상대적으로 비어 있는 광대한 영역이 존재한다. 알려진 가장 큰 거대공동은 18억 광년에 걸쳐 측정된다. 관측 가능한 우주는 초은하단보다 훨씬 큰 규모에서 등방성이며, 이는 우주의 통계적 특성이 지구에서 관찰된 모든 방향에 동일함을 말한다. 우주는 약 2.72548 켈빈의 열평형 흑체 스펙트럼에 포함하는 고도의 등방성 마이크로파 복사로 둘러싸여 있다. 대규모 우주가 균질하고 등방성이라는 가설은 우주론 원리로 증명된다. 균질하고 등방성인 우주는 모든 관점에서 동일하게 보이고며 그에 대한 중심 부분이 없다.

암흑물질

우주 대다수 비중을 차지하고 있는 암흑물질은 전체 전자기 스펙트럼에는 보여지지 않지만 우주의 대부분의 물질을 설명하는 가상 형태의 물질을 말한다. 암흑물질의 존재와 그에 대한 특성은 가시 물질과 방사선, 그리고 거대 우주의 거대구조(large-scale structure)에 대한 중력 효과에서 일부 추론이 된다. 아주 뜨거운 암흑물질의 한 가지 유형인 중성미자를 제외하고 암흑물질 대다수는 직접접인 방식으로 검출되지 않았다. 이러한 부분은 여전히 현대 천체물리학계에 있어서 제일 거대한 미스터리 중 하나이다. 암흑물질은 엄청난 규모의 수준에서 빛이나 기타 전자기 복사를 방출하거나 흡수하지 않는다. 암흑물질은 전체 질량 에너지의 30%, 우주 전체 물질의 70% 이상으로 구성된 것으로 추정이 된다.

우주 모습