지구 우주 나이 | 어떻게 알아냈을까

지구 우주 나이 | 어떻게 알아냈을까
우리가 사는 지구는 탄생한지 45억년 됐습니다.
또 이 우주는 이보다 훨씬 앞선 137억년 전에 생겨났죠.

과학자들은 이 지구와 우주의 나이를 어떻게 알아냈을까요?
우리 인류보다 훨씬 오래 전에 태어난 지구와 우주가 몇 살인지 밝혀내는 게 쉽지는 않았을텐데요.

과학자들은 지구의 나이를 먼저 알아냈는데 바로 ‘방사성 연대 측정법’을 이용했습니다.
방사능 물질이 일정한 반감기로 붕괴한 양을 측정하는 게 방사성 연대 측정법입니다.

지구 우주 나이 계산 방법

지구 나이 | 지질학과 방사성 동위원소 연구

지구의 나이를 알아내기 위한 핵심적인 방법 중 하나는 지질학적 연구입니다.

지구는 약 46억 년 정도의 연대를 갖고 있으며, 이를 밝혀내는 방법 중 주요한 것은 방사성 동위원소의 측정입니다.

탄소-14 방사성 동위원소

고고학적인 발견물이나 화석의 나이를 측정하는 데에 사용됩니다.
반감기가 짧아 수천 년 정도의 나이를 측정하는 데에 적합합니다.

우라늄-235 및 238, 토륨-232 등의 방사성 동위원소

이들은 반감기가 수십만에서 수억 년에 이르는 긴 기간 동안의 나이를 측정하는 데에 사용됩니다.
바위나 광물의 방사능을 측정하여 그 연령을 알아낼 수 있습니다.

우라늄 235의 반감기는 7억400만년, 우라늄 238의 반감기는 44억7000만년입니다.
또 탄소 14의 반감기는 6000년이죠. 과학자들은 이런 방법을 이용해서 지구의 암석에 들어 있는 방사성 원소의 반감기를 측정해 지구의 나이가 45억년이라는 결과를 도출해냈습니다.

우주나이

우주 나이 | 천체물리학과 코즈모크로노로지

지구의 나이는 이렇게 방사성 연대 측정법을 이용해 알아냈는데 그렇다면 우주가 137억년 전에 탄생했다는 것은 어떻게 알아냈을까요?
우주라는 공간은 물질이 아닌데 말이죠.

우주의 나이를 측정하는 데에는 천체물리학과 코즈모크로노로지(우주 시간)가 사용됩니다.

코즈모크로노로지와 대폭탄이론

우주의 팽창

1920년대 알렉산더 프리드만과 조지 르메트르가 처음으로 제시한 대폭탄이론(Big Bang Theory)은 우주가 초기에 매우 뜨거웠다가 시간이 흐름에 따라 팽창되고 식어간다는 개념입니다.

우주는 탄생 직후 계속 팽창하고 있고, 현재도 팽창 중입니다. 이것을 ‘팽창 우주’라고 합니다. 그런데 우주의 팽창 속도는 균일하지 않고 시간이 지날수록 빨라지고 있어요. 현재 우주가 커지는 속도는 빛보다 더 빠르죠.

우주의 팽창 속도를 계산하는 데는 ‘허블상수’와 ‘도플러 효과’라는 것을 사용합니다.

허블의 법칙’이라고도 불리는 허블상수는 미국의 천문학자 에드윈 허블이 개발한 계산법입니다.

허블은 1924~1929년 우리은하 외부의 다른 은하들이 서로 멀어지고 있다는 사실을 발견하게 됩니다.
또 그는 우주는 시간이 갈수록 팽창속도, 즉 커지는 속도가 빨라지고 있다는 것도 알게 됐습니다.

지구 우주 나이

이런 사실을 바탕으로 허블은 허블상수라는 것을 개발했습니다.
우주가 갈수록 빠르게 팽창하고 이 속도를 계산해낸 뒤 이를 시간상 거꾸로 돌리면 우주의 나이가 나올 것이라고 허블은 예측했습니다.

그리고 1970년대 말 천문학자 앨런 샌디지와 웬디 프리드먼은 허블상수의 정확한 값을 알아내려는 경쟁을 벌였죠.

당시 미국 언론은 이 두 사람의 경쟁을 ‘허블전쟁’이라고 칭했습니다.
샌디지와 프리드먼이 애초 계산한 우주의 나이는 제 각각 이었지만 두 사람은 계속 연구를 한 끝에 140억년이라는 같은 값의 계산을 내놨죠.
또 다른 천문학자들도 교차검증한 결과 우주의 나이는 대략 140억년이라는 것에 동의했습니다.

우주 마이크로파 배경 복사 (Cosmic Microwave Background, CMB)

우주의 나이를 알아내는 또 하나의 방법인 도플러 효과는 파동이 발생하는 파원과 관측자 사이의 운동에 따라 전달되는 파동의 파장이 변하는 효과를 말합니다.

파원과 관측자가 서로 가까워지고 있으면 전달되는 파장의 길이는 짧아지고 서로 멀어진다면 파장의 길이는 길어지죠.
구급차가 사이렌을 켜고 다가올 때 높은 음이 나고, 나(관측자)와 멀어지면 낮은 소리가 나는 것도 도플러 효과 때문입니다.

1960년대에 발견된 CMB는 우주 탄생 초기의 뜨거웠던 상태를 나타내며, 이를 통해 우주의 나이와 구조를 연구합니다.

별 연령 측정

별의 진화

별은 연료를 소모하며 에너지를 방출하는데, 이를 통해 별의 나이를 측정할 수 있습니다.
별의 진화 단계, 별의 질량 등을 고려하여 우주의 나이를 추정합니다.

지구나이

기타 방법 | 중성자 별, 별간 물질 등의 연구

중성자 별의 연령

중성자 별의 변화: 중성자 별은 고밀도이며 매우 안정된 상태에서 시작하여 시간이 지남에 따라 변화하게 됩니다. 중성자 별의 변화를 통해 우주의 연대를 추정합니다.

별간 물질 연구

별간 물질의 화학적 구성: 별과 별 사이의 물질은 우주의 시간이 어떻게 흘렀는지에 대한 정보를 제공합니다.
이를 통해 우주의 역사를 연구합니다.

이러한 방법들을 통해 지구 우주 나이를 추정하고 연구하는 데에 과학자들은 지속적으로 노력하고 있습니다.
다양한 연구 결과와 데이터를 통합하여, 현재로서는 지구와 우주의 나이에 대한 상당한 정확도의 정보를 얻을 수 있습니다.