원거리 물체는 확대되어 보여야 하지 않을까?

 (astronomy.stackexchange.com)
1P by GN⁺ | ★ favorite | 댓글 1개
  • 우주 팽창에서는 거리가 멀수록 항상 작아지는 것이 아니라, 어느 지점을 지나면 각지름 거리 전환점 때문에 다시 크게 보일 수 있음
  • 표준 ΛCDM 모델에서 전환점은 적색편이 약 1.5, 거리 약 150억 광년, 빛의 이동 시간 약 100억 년 근처로 잡힘
  • 빅뱅 후 4억 년 시점의 은하는 현재 거리 약 320억 광년에 있지만, 겉보기 크기는 약 27억 광년 떨어진 은하와 비슷할 수 있음
  • 가까운 은하는 크고 밝게 보이고, 더 먼 은하는 작아지다가, 매우 먼 은하는 다시 크고 어둡고 붉게 보이는 식으로 이해할 수 있음
  • 이 거리들은 우주 팽창 매개변수에 민감한 반올림값이며, 계산 예시는 Ned Wright의 계산기를 기반으로 함

각지름 거리 전환점

  • 공간 자체가 팽창한다면 매우 먼 물체가 확대되어 보여야 하는지에 대한 질문에서 출발함
  • 예시로 JWST가 관측한 빅뱅 후 약 4억 년 시점의 은하가 등장함
  • 관측 가능한 지평선 바깥에서만 효과가 눈에 띄는지, 당시 공간의 스케일이 현재와 얼마나 달랐는지도 함께 다룸

표준 ΛCDM에서의 기준점

  • 우주 팽창 모델에서는 이 현상이 실제로 가능하며, Angular diameter distance turnaround 또는 turnover라고 부름
  • 일반적인 ΛCDM 모델에서 전환점은 대략 다음 범위에 있음
    • 적색편이 약 1.5
    • 거리 약 150억 광년
    • 빛의 이동 시간 약 100억 년
    • 빅뱅 후 약 40억 년
  • 해당 거리는 공간 팽창의 영향 때문에 빛의 이동 시간만으로 단순 환산한 거리보다 더 큼
  • 수치는 우주 팽창 매개변수에 민감하므로 반올림값으로 봐야 함

JWST 초기 은하 예시

  • 빅뱅 후 약 4억 년 시점의 은하는 현재 거리로 약 320억 광년에 해당함
  • 겉보기 크기만 보면 이 은하는 약 27억 광년 떨어진 은하와 비슷하게 보일 수 있음
  • 이 계산값은 Ned Wright의 계산기에서 나온 예시로 사용됨

시각적 이해에 도움이 되는 자료

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Hacker News 의견들

  • "Expanding Confusion"(2003)이라는 교육용 논문 [0]https://arxiv.org/pdf/astro-ph/0310808.pdf은 이 주제의 고전이라 읽어볼 만함
    물체 기준으로 가속 팽창하는 우주 [1]https://bigthink.com/starts-with-a-bang/universe-expansion-n...와 고정된 유한한 빛의 속도를 유클리드식 머릿속에 동시에 담으려면 어지러울 수 있음
    그림을 그려가며, 직관에 반하는 결론을 손으로 힘들게 얻어내는 과정을 즐길 준비가 필요함

  • 이걸 떠올리게 함: https://en.m.wikipedia.org/wiki/Terrell_rotation
    상대론적 속도로 움직이면 실제로는 직진 중이어도 관측자에게는 회전하는 것처럼 보이고, 심지어 물체의 뒤쪽도 볼 수 있음

    • 이 영상 https://www.youtube.com/watch?v=ge_j31Yx_yk이 Terrell rotation과 다른 효과들을 게임 엔진 안에서 설명해 줌
    • 설명이 아주 명확하진 않아서 이해하는 데 조금 걸렸지만, 결국 감이 왔음
      물체의 서로 다른 부분에서 나온 빛이 관측자에게 도달하는 데 시간 차이가 생기기 때문임
      먼쪽에서 온 빛은 더 오래 걸리고, 그동안 물체는 계속 움직임
      그래서 물체의 뒤쪽이 보이는 이유는, 그 뒤쪽에서 나온 빛이 이동하는 동안 물체의 뒷부분이 그 빛의 경로에서 비켜나기 때문임
    • 놀라움. 길이 수축 영상을 많이 봤지만 이런 얘기는 거의 못 본 것 같음
      빛에 가까운 속도로 움직이는 물체의 모양은 관측자에게 납작하게 “눌린” 것처럼 보이는 게 아니라, 회전한 것처럼 보인다는 뜻임
    • 우주는 정말 이상함. 만든 사람이 KISS 원칙을 좋아하진 않았던 듯함

  • 우주 마이크로파 배경복사를 이 현상의 한계로 봐도 합리적일까?
    빅뱅의 잔재가 최대한 확대되고, 오늘날 가능한 만큼 적색편이된 상태라는 식으로 볼 수 있는지 궁금함

    • 우주 마이크로파 배경복사에 대해 일관된 설명은 만들 수 있을 것 같지만, 그건 통상적인 설명은 아님
      이 대안에서는 우주가 빛에 투명해진 시점이 배경복사에 나타난 순간보다 조금 전이고, 그보다 “더 먼” 것은 전부 우리 빛원뿔 밖에서 일어난 일이 됨
      즉 기술적 의미의 “elsewhere”임 (https://web.phys.ksu.edu/fascination/Interlude1.pdf)
      이 대안에서는 우주 팽창을 우리 빛원뿔 밖의 물질과 안쪽 물질 사이의 중력적 끌림으로 설명할 수도 있어 보임
      아마 왜 이게 아닌지에 대한 논증이 있을 텐데, 그건 잘 모름
      왜 하필 역사의 그 시점이어야 하는지 설명이 필요함
      최대 거리가 일정하고, “가장 먼 과거”의 지점이 시간상 앞으로 이동하면서 우주 마이크로파 배경복사가 우리가 아직 눈치채지 못한 방식으로 미묘하게 변하고 있는 걸까
      아니면 그 시점에 어떤 이유로 빛의 속도가 바뀌어, 나머지 우주가 우리 시야에서 잘려 나간 걸 수도 있음
    • 그러면 본질적으로 거대한 우주 배경복사 덩어리 하나가 빛을 방출하던 당시에는 원자 정도 크기였다는 뜻인가?

  • 좋음. 수업에서 듣고도 별생각 없이 넘기는 주제들이 있는데, 누군가 “잠깐만” 하고 멈춰 세우기 전까지는 얼마나 정신이 아득해지는지 잘 모름
    포인팅 벡터의 해석도 그런 사례임

  • 한 단계 더 나아가 보자. 망원경이 충분히 크고 센서가 충분히 민감하다고 가정하면, 가장 깊은 우주의 구조는 어떻게 보일까?
    은하가 형성되기 전의, 은하보다 작지만 하늘의 거대한 영역을 차지하는 구조들이 있을까?
    과거 어느 시점의 구조들이 하늘에서 너무 큰 면적을 차지해서 몇 개밖에 “들어갈” 수 없고, 그렇다면 계산상 그 이유를 당시 우리에게 관측 가능한 우주 영역이 그만큼 더 작았기 때문이라고 동등하게 설명할 수 있을까?

    • 우리가 볼 수 있는 가장 먼 곳은 우주의 물리적 한계임. 우주가 투명해진 뒤 나온 최초의 광자를 문자 그대로 보는 것이고, 그게 우주 마이크로파 배경복사임
      실제 사진은 쉽게 찾아볼 수 있음
      문제는 이것들이 우리가 볼 수 있는 가장 오래된 광자이긴 하지만, 그래도 우주 나이가 약 40만 년이었을 때의 것이고 그때 우주의 폭은 1억 광년 정도였다는 점임
      그 사진은 우주가 거의 완전히 균질했음을 보여주며, 질문한 그런 구조는 기본적으로 없었음
      더 멀리 보려면 광자를 완전히 포기하고, 아마 중력파로 초심우주를 탐사해야 함
      중력파는 그 이전의 완전히 불투명했던 우주까지 보여줄 수 있어야 함
      지금은 중력파 관측소로 우주에서 가장 밝고 시끄러운 사건들만 “보고/들을” 수 있지만, 그게 가능하다는 사실 자체가 놀라움
      인류는 알려진 어떤 생명체도 갖지 못한 새로운 감각을 만든 셈이고, LISA 프로젝트는 더 많은 것을 들을 수 있을 것임

  • 흥미로움. 관련 질문이 있음. 지름이 22만 광년인 안드로메다를 볼 때 우리는 약간 옆에서 보고 있음
    은하가 그 22만 광년 동안 우리에 대해 움직였으니, 뒤쪽 가장자리의 별들은 앞쪽 가장자리의 별들보다 하늘에서 상대적으로 다른 위치에 있어야 하지 않을까?

    • 맞음. 그리고 당연히 실제로도 그럼

  • 이런 먼 물체를 관측할 때 항상 거슬리는 게 시간 지연임
    빛이 한쪽 방향으로 이동하는 데 4광년이 걸린다면, 그건 출발점의 관측자 기준이고, 우리가 관측하는 광자 입장에서는 4년보다 훨씬 짧지 않나? 애초에 ‘년’으로 말할 수 있나?
    그래서 망원경으로 알파 센타우리를 보면 정말 4년 전의 알파 센타우리를 보는 게 맞나? 훨씬 더 최근 아닌가?
    아니면 30세 사람이 알파 센타우리에서 지구까지 빛의 속도로 이동하면, 도착했을 때 약 31세가 되어 4년 뒤에 도착하고 사실상 미래로 시간 여행한 걸까? 바로 돌아가면 알파 센타우리 사람들은 8년 뒤에 돌아온 약 32세 사람을 만나게 되나?
    그렇다면 Superman이 지구 주위를 아주 빠르게 날아 시간여행하려던 생각은 방향만 과거가 아니라 미래였을 뿐 맞았을지도 모름
    언젠가 어떤 억만장자가 태양계 주변을 수십 년 동안 아주 빠르게 돌아서 한 세기쯤 건너뛰려 할지도 모름

    • 전문가가 아니라는 점은 감안해야 함
      Alpha Centauri와 지구 사이를 이동하는 광자는 시간을 경험하지 않아서 사실상 즉시 도착함
      하지만 관측자인 우리는 그 이동에 4년이 걸렸다고 보게 됨
      그게 최근인지 아닌지는 상대적인 문제라 큰 의미가 없음
      광자 입장에서는 최근이고, 우리 입장에서는 그 빛이 4년 된 것임

  • 그러면 그런 물체는 탐지하기가 더 어려워질 것 같음. 빛이 더 넓은 영역에 퍼져서, 검출기 각 픽셀에 닿는 빛의 양이 확대되지 않았을 때보다 줄어들기 때문임
    반대로 말하면 원래는 볼 수 없었을 세부 구조를 볼 수 있게 된다는 뜻이기도 함

  • 이건 꽤 충격적임. 링크된 xkcd는 이 효과를 훌륭하게, 어쩌면 과장되게 보여줌
    거울 속 물체는 보이는 것보다 더 멀리 있을 수 있음

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