도플러효과Doppler effect와 팽창하는 우주
멀리 떨어져 있는 물체의 이동속도를 알아내는 가장 쉬운 방법은 그 물체에서 생성된 소리나 빛의 변화를 관측하는 것이며 이를 도플러효과라고 합니다. 달리는 자동차에 특정 진동수의 레이저빔을 발사한 뒤 자동차 표면에 반사되어 되돌아오는 레이저빔을 수신해 진동수의 변화를 분석하면 자동차의 속도를 알 수 있어 경찰관들이 자동차 속도를 측정할 때 도플러효과를 이용합니다. 스피드건 속에서 이 모든 과정이 자동으로 수행됩니다.
특정한 별에서 방출된 빛이 지구를 향해 다가오고 있다면 그 빛은 아코디언처럼 압축됩니다. 빛의 파장이 짧아지는 것입니다. 따라서 지구를 향해 방출된 노란색의 별빛은 지구에 도달할 때 푸르스름한 색으로 변형됩니다. 푸른색 빛이 노란색 빛보다 파장이 짧기 때문입니다. 이와 유사한 이유로 지구로부터 멀리 떨어진 별에서 방출된 빛은 파장이 긴 채로 지구에 도달합니다. 따라서 별빛의 진동수, 혹은 파장이 변한 정도를 알면 그 별의 이동속도를 알 수 있습니다.
미국의 천문학자 베스토 멜빈 슬라이퍼Vesto Melvin Slipher(1875~1969)는 1912년에 나선 은하들의 특이한 시선속도視線速度를 체계적으로 관측하여 우주의 물질들이 서로 멀어지고 있다는 가설인 팽창우주론에 대한 증거를 처음 제시했습니다. 슬라이퍼는 은하에서 도달한 빛의 스펙트럼에서 적색편이red shift(파장이 몰리기 때문에 생기는 현상)를 발견하여 은하들이 멀어지고 있다는 결론을 내렸습니다. 우주는 뉴턴이나 아인슈타인이 생각했던 것처럼 정적인 우주가 결코 아니었습니다. 그는 태양계의 아홉 번째 행성인 명왕성을 발견하기도 했습니다. 슬라이퍼는 많은 먼지와 가스로 된 구름인 확산성운이 주위의 별빛을 반사하여 빛난다는 것을 증명했으며, 밤하늘의 강한 복사와 그 세기의 변화를 발견했습니다. 또한 나트륨과 칼슘이 항성 사이에 있는 공간 전역에 흩어져있음을 증명했습니다.
에드윈 포웰 허블은 “멀리 있는 별일수록 더욱 빠른 속도로 멀어져가고 있다”는 드 지터의 예측에 지대한 관심이 있었으므로 1928년에 네덜란드로 가서 물리학자 빌렌 드 지터Wilhelm de Sitter(1872~1934)를 만났습니다. 표면 여러 곳에 점이 찍힌 풍선을 예로 들면 풍성이 팽창할 경우 표면적이 늘어나면서 각 점들 사이의 거리가 점차 멀어집니다. 가까이 있는 점들은 멀어지는 속도가 상대적으로 느린 반면 멀리에 있는 점들은 빠른 속도로 멀어진다는 것을 알 수 있습니다. 드 지터를 만난 허블은 적색편이가 큰 은하일수록 빠른 속도로 멀어져가고 있다는 것을 인정할 수밖에 없었습니다. 아인슈타인의 이론에 따르면 적색편이가 나타나는 것은 은하가 지구로부터 멀어져가기 때문이 아니라 은하는 그 자리에 있지만 공간 자체가 팽창하고 있기 때문에 일어나는 현상입니다.