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KOREA  ASSOCIATION FOR CREATION RESEARCH

천문학

적색편이 수수께끼

한국창조과학회
2004-07-26

적색편이 수수께끼

(Red Shift Riddles)


    적색편이 값의 양자화(quantized, 정수배 값을 갖는) 현상은 우주론에 있어 흥미있는 의미를 내포하고 있다. 이 현상은 적색편이 현상이 어쩌면 우주 팽창 외의 무언가 다른 것에 의한 것일지도 모른다는 것을 시사하고 있다. 적어도 부분적으로 빛의 전달 과정에서의 에너지 상실, 혹은 불연속적인 빛 속도의 감소 아니면, 어떤 다른 설명이 있을지도 모른다.

이 현상과 관련된 다음의 인용은 아리조나 대학(University of Arizona)에 있는 윌리암 티프트(William G. Tifft)와 잔 칵(John Cocke)의 '양자화 된 은하 적색편이(Quantized Galaxy Redshifts)'로 Sky & Telescope 지 19-21 페이지에 1987년에 게재된 것이다. 이 재료를 소개해준 마크 스튜어트(Mark Stewart)에게 감사드린다.

다음 세기로 접어드는 전환점에서 기존의 확립된 과학이 자연 현상을 설명하는데 많은 문제점들을 가지고 있음을 본다. 그 문제점 중 하나는 가장 큰 물리계인 은하와 은하단으로 구성된 우주의 구조와 진화를 연구하는 우주론에서이다. 많은 관측 사실들이 우주론의 가장 근본적인 가정 중의 하나가 잘못되었음을 시사해 주는 듯하다.

대부분 은하의 분광선들은 적색 쪽, 파장이 긴 분광의 끝 쪽으로 편이된다. 에드윈 허블(Edwin Hubble)은 1929 년에 은하가 멀수록 적색편이가 심해지는 것을 발견했다. 천문학자들은 전통적으로 이 적색편이 현상을 우주의 팽창, 즉 은하들이 우리로부터 멀어짐으로서 나타나는 도플러 효과로 설명하였다. 이러한 이유로 적색편이는 보통 속력(km/sec)으로 표시되었다.

처음으로 이러한 기존의 설명에 문제가 있을 지도 모른다는 것이 1970년 초에 발견되었다. 아리조나 대학(University of Arizona)에 윌리암 티프트(William G. Tifft)는 허블형(Hubble type) 은하의 형태론적 분류(morphological classification)와, 광도, 적색편이의 관계에서 흥미있고 의외적인 것을 발견했다. 예를 들면 코마(Coma) 은하단의 은하들이 적색편이와 광도 사이에 상관성이 발견된 것이다. 더구나 나선은하들이 타원은하들보다 더 높은 적색편이를 보여주었다. 코마 외의 다른 은하단에서도 똑같은 현상들이 발견되었다.

이 첫 관측 결과의 몹시 흥미로운 사실은 은하의 적색편이가 은하 종류에 유관한 혹은 '양자화' 된 값을 갖는다는 것이다. 처음으로 코마 은하단의 적색편이와 광도 그래프에서 나타나 마치 적색편이가 어떤 면에서 원자의 에너지 준위와 닮았다는 사실이다.

이 발견들은 은하의 적색편이가 허블 속도에만 관련된 것만은 아니라는 의혹을 불러 일으켰다. 은하의 적색편이가 전적으로 혹은 부분적으로 우주 팽창에 의한 도플러 효과가 아니라면, 은하의 질량, 혹은 밝기와 같은 은하 본래적 특성일는지 모른다. 그렇다면 진정으로 양자화되어 있을지도 모른다.

확실히, 이 가능성을 더 조사하기 위해서 새롭고 다른 관측 데이터가 필요했다. 다음 단계로 개개의 나선 은하들의 회전곡선(rotational curves)을 조사했다. 그러한 회전곡선들은 은하 평면에 있는 물질들의 회전 속력이 은하 중심으로부터의 거리에 따라 어떻게 변화되는 지를 보여준다.

M51과 NGC 2903를 포함하는 몇몇의 잘 연구된 은하들이 두 개의 구별되는 적색편이를 보여주었다. 속력의 불연속성은 이 은하들의 중심부에서 발생하였다. 더욱 흥미로운 사실은 모든 은하에서 나선은하 팔들 사이의 적색편이 불연속성이 항상 72km/sec 근처가 되는 경향이라는 관측이다. 그 후의 연구들은 속력 불연속성이 72km/sec 값의 1/2, 1/3, 혹은 1/6에서도 일어날 수 있다는 것을 보여주었다.

얼른 보기에는 72km/sec에서 나타나는 불연속성이 훨씬 이전에 발견될 수도 있었을 것처럼 보이지만 그렇지 않다. 그 때 당시에 가능했던 관측의 정확도는 그 효과를  분명하게 보여주기에는 불충분하였다. 더군다나 그러한 관측 결과를 기대할 이유도 없었을 뿐더러, 그러한 효과를 찾을 이유도 없었다. 그러나 그 개념이 정의된 이상 더 연구를 해보아야 하는 데에 따른 초석은 놓여진 셈이다.

이러한 놀랍고 새로운 관측 증거들이 들어있는 첫 번째 논문들은 천문학계에서 환영받지 못하였다. 천체물리학 논문 지에 실린 한 논문에 대한 논문 심사위원들의 분석은 ”명백한 잘못도 열광적으로 논문을 인준해 줄 수도 없다”라는 논평이 드물게 포함되었다. 단지 하나의 은하 관측 결과가 갖는 우주론에서의 함축적 의미와 여전히 전통적인 우주론을 더 선호하는 천문학자들의 비판을 두려워하여, 이 연구는 쌍 은하들로 확대되었다.

중력적으로 묶인 쌍 은하는 적색편이 양자화를 테스트하기에 이상적이다. 쌍 은하는 가장 간단한 중력계이다. 전통적인 역학에 따르면, 그 쌍 은하는 서로 궤도 운동을 한다. 그러므로 그 은하들 사이의 적색편이에서의 차이는 단지 시선 궤도 속력의 차이를 보여준다. 모든 시선각과 궤도 모양을 갖는 많은 쌍 은하들을 관측하면, 적색편이 차이 분포는 연속적인 부드러운 곡선이 예상된다. 다시 말해서 적색편이가 순전히 도플러 효과라면, 쌍 은하들에서 관측된 적색편이 차이는 연속성을 보여야 한다.

그러나 그렇지가 않았다. 여러 관측 분석에서 쌍 은하들 사이의 적색편이 차이는 연속성을 보여주지 않았고, 양자화 되어 있는 듯이 보였다. 적색편이 차는 72km/sec 배수 가까이에서 불연속적이었다. 이러한 첫 시험 결과들은 관측할 수 있는 가시광선 스펙트럼을 이용하여 수행되었다. 그러나, 이러한 관측 데이터는 그 발견을 자신있게 확인할 만큼 충분하지가 못했다. 이러한 상황은 1980년에 스티븐 피터슨(Steven Peterson)이 국립 전파천문대(National Radio Astronomy Observatory)와 아레시보 천문대(Arecibo Observatory)에서 쌍 은하들의 중성 수소에서 나오는 21cm 방출선을 관측함으로써 바뀌었다.

적색편이는 가시광선 영역의 스펙트럼 선들보다 21cm 선에서 더욱 정확하게 나타날 수 있다. 더 자세히 말하면 21cm 선에서 적색편이가 확실히 72km/sec 주기성을 알아내기 위해 요구되는 20km/sec보다 더 정확히 측정될 수 있었다.

쌍 은하들 사이의 적색편이 차는 대략 72, 144, 216km/sec 근처에서 무리를 이루고 있었다. 우연히 그러한 무리를 이룰 확률은 천 분의 몇 정도 밖에 안 되었다. 1982년의 더 많은 은하 쌍들의 전파 관측과 매우 근접한 은하 쌍들의 가시광선 영역에서의 새로운 관측은 이전과 같은 정도의 똑같은 주기성을 보여주었다.

전파 천문학자들은 쌍 은하들만 아니라,  은하 그룹들도 관측했다. 양자화가 더 많은 은하들의 집단에서 나타나지 말아야 할 이유가 없으므로, 작은 은하 그룹들에서도 적색편이 차가 조사되고 다시 강한 주기성이 확인되었다.

지금까지 기술된 것은 은하의 각 그룹 혹은 쌍 은하들과 같은 조그마한 물리계가 차지하는 하늘의 작은 영역에 한정된 것이다. 전 하늘 영역의 적색편이에 대해서는 아무런 의미가 없는 것이다. 광범위한 관측이 확실히 가능하다. 하지만 훨씬 더 어렵다.

당장 한 가지 어려움은 은하의 적색편이를 관측하는 태양계가 움직이고 있다는 사실이다. 태양계의 운동은 모든 적색편이에 기여한다. 천체가 쌍이나 그룹으로 하늘에서 가까이 놓여 있을 때에는 이러한 태양계에 운동에 의한 적색편이는 상쇄된다. 그러나 하늘 다른 영역에 은하들이 비교되었을 때 그러한 간단한 상쇄는 일어나지 않는다. 다른 방법도 적용할 수 없다. 더 많은 은하들이 관련되었을 때는 너무 많은 조합들이 존재한다. 단지 적색편이를 이용한 통계적인 방법이 있을 뿐이다.

이러한 전 하늘에 걸친 연구가 시작되었지만, 쌍 은하들과 작은 그룹 은하들에서 나타난 양자화 성질이 전 우주에 걸쳐 적용될는지 아무런 확실성이 없었다. 결국 넓은 하늘에 걸쳐 중력적으로 묶인 은하들은 더 이상 비교되지 않았다. 또 다시 가장 간단한 가능한 계로 시작하는 것이 필요했다. 하늘에 넓게 퍼져있는 적은 수의 왜소 불규칙 은하(irregular galaxies)들이 선택됐다.

왜소 불규칙 은하들은 중성 수소 가스가 그들의 질량 대부분을 이루는 질량이 작은 은하들이다. 그들은 일정한 내부 운동 혹은 회전 운동이 거의 없어서, 그들의 적색편이를 해석하는데 큰 어려움이 없다. 이러한 적당 수의 별들이 모여있는 데에서 근저에 있을지 모르는 양자화 규칙이 최소화되리라 본다. 20세기 초에 물리학자들이 원자 구조를 연구할 때, 가장 간단한 원자인 수소 원자를 이용했듯이 말이다.

왜소 불규칙 은하들의 분석이 리차드 피셔(J. Richard Fisher)와 브렌트 툴리(R. Brent Tully)에 의해 발표된 광범위한 왜소은하들의 21cm 적색편이에 의해 다듬어지고 향상되었다. 일단 태양계 운동에 의한 적색편이가 보정되었을 때, 왜소은하들의 피셔-툴리 관측들은 굉장한 적색편이 양자화를 보여주었다. 넓게 퍼지는 대신 적색편이들은 이전의 72km/sec의 삼분의 일인 24km/sec의 간격으로 불연속적으로 나타났다. 피셔-툴리의 적색편이 관측은 5km/sec의 정확도를 갖는다. 이러한 불확실성으로, 그러한 양자화가 나타날 확률은 십 만분의 몇밖에 되지 않는다.

더 광범위한 적색편이 양자화가 완전히 다른 부류의 천체들의 적색편이를 분석함으로서 확인될 필요가 있었다. 피셔-툴리 카탈로그에서 많은 양의 회전 운동과 내부 운동을 보여줬던 은하들(왜소 불규칙 은하들과 정반대의 은하들)이 연구되었다.

놀랍게도 전과 똑같은 태양계 운동 보정을 한 결과 은하들의 적색편이가 어떤 특별한 값들에서 양자화를 보였다. 그러나 이번에는 이전의 72km/sec의 정확히 절반에서 나타났다. 우연히 이렇게 될 확률 또한 4/1000보다 작았다. 그리하여 최소한 어떤 종류의 은하 적색편이는 72km/sec의 간단한 분수들로 양자화되어 있다는 결론에 도달했다.

현재의 우주론들은 우주의 꽤 넓은 영역에서 나타나는 은하 적색편이의 양자화를 설명할 수 없다. 더 많은 관측 데이터들이 모일수록 표준 우주론의 그림과는 멀어질 것이다. 그렇다면 우주적 거리에서의 중력의 개념, 은하들의 생성과 진화, 그리고 우주론에 있어서 전반적인 변화가 요구될 지도 모른다.          

이러한 양자화를 설명할 수 있는 몇 가지 방법들을 생각해 볼 수 있다. 앞에서 언급했듯이 은하들의 적색편이는 도플러 효과가 아닐지도 모른다. 비록 이것이 일반적으로 받아들여지는 설명이지만 다른 설명들이 있을 수도 있다. 은하의 적색편이는 어쩌면 은하 고유의 성질일는지 모른다. 각각의 은하들은 양자 역학에서 원자의 에너지 준위처럼 어떤 법칙에 의해 양자화를 보이는지도 모른다. 은하들 사이의 양자화에 있어서 상대적으로 흐려짐(blurring)이 적기 때문에, 어떤 진정한 운동이 이 모델에서 작아야 할 것이다. 은하들은 서로 멀어지지 않을 것이다. 우주는 팽창하지 않고 정지해 있을는지 모른다.

이 우주 모델은 확실히 은하 내와 은하들 사이에 나타나는 적색편이를 이해하는데 도움이 된다. 특별히 잃어버린 질량(missing mass) 문제를 해결해 줄는지 모른다. 기존의 성단 운동학(cluster dynamics)에서 중력적으로 은하들을 은하단에 묶어 둘만한 가시적으로 관찰되는 충분한 질량이 없다는 잃어버린 질량 문제 말이다.

 

 

*참조 : High-redshift quasars produce more big bang surprises
http://creationontheweb.com/content/view/5215/

Quantization of starlight redshift not from Hubble Law
http://creationontheweb.com/images/pdfs/tj/j20_2/j20_2_12-14.pdf
 
Quantized quasar redshifts in a creationist cosmology 
http://creationontheweb.com/images/pdfs/tj/j18_2/j18_2_105-113.pdf

Our galaxy is the centre of the universe, ‘quantized’ redshifts show 
http://creationontheweb.com/images/pdfs/tj/j16_2/j16_2_95-104.pdf



번역 - 미디어위원회

링크 - http://www.cs.unc.edu/~plaisted/ce/redshift.html

출처 - CS

구분 - 3

옛 주소 - http://www.kacr.or.kr/library/itemview.asp?no=936

참고 : 3933|3941|4434|4427|4429|4428|4404|4373|4291|4255|4045|4031|4018|4009|4006|4003|3983|3979



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