쌍둥이 우주
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우주의 대규모 구조
...만약 두 번째 우주가 우리 우주의 영향으로 팽창이 저지되며, 밀도 r*가 더 높은 상태로 유지되고, 온도도 그에 따라 높아진다면, 우리는 두 개의 자가중력적이지만 서로 밀어내는 인구 집단으로 구성된 시스템에서 중력 불안정성을 연구하기로 결정한다.
...이론에 따르면, 더 밀도가 높은 것이 가장 빠르고 강하게 반응한다. 바로 이 물질이 중력 불안정성에 의해 '유령 물질'의 덩어리들을 만들어낼 것이다.
...그렇다면 중력 불안정성이란 무엇인가? 이미 앞서 언급된 제임스 진 경이 처음으로 연구한 개념이다.
...밀도가 r인 매질이 존재하고, 그 구성 요소들이 열운동 속도 Vth를 가지고 있다고 가정하자. 그리고 밀도에 대한 잠재적인 교란이 성장할지 소멸할지 연구해보자. 어느 지점에서 특정 지름 f를 가진 과밀도가 형성되었다고 상상해보자.
...열운동은 자연적으로 이러한 교란을 흩어뜨리려는 경향이 있다. 얼마나 걸릴까? 대략 다음과 같은 시간이 걸릴 것이다.
...이는 원자가 거리 f를 이동하는 데 걸리는 시간과 같으며, 동시에 그 덩어리가 지름을 두 배로 늘리는 데 걸리는 시간이기도 하다.
...열운동 속도가 0이라고 상상해보자. 원자들은 서로를 끌어당긴다. 이 덩어리는 스스로 붕괴하려는 경향을 보일 것이다. 이 붕괴에 걸리는 시간은 계산할 수 있다. 사실, 스스로 붕괴하는 '먼지 구름'은 빅뱅의 거꾸로 된 모습과 유사하다.
...이제 두 시간을 비교해보자.
...만약 응집 시간이 열운동에 의한 자가분산 시간보다 짧다면, 교란은 응축될 것이다.
...지름이 특정 특성 길이, 즉 진 길이 Lj보다 큰 교란은 증폭되어 물질 응집체(clumps)를 형성할 것이다.
...이 '덩어리'가 형성될 때, 물질은 압축되고 가열된다. 압력이 증가하여 결국 과정을 멈추게 된다.
...이를 우리는 중력 불안정성 또는 진 불안정성이라 부른다.
표준 모델을 고려할 때, 다음과 같이 생각할 수 있다.
- 아주 좋다. 빅뱅 이후 우주는 팽창하면서 냉각되며, 중력 불안정성의 작용을 통해 은하와 별의 탄생 시나리오를 구성할 수 있을 것이다.
...만약 이것이 정말 간단했다면 이미 완성되었을 것이다. 실제로는 은하의 탄생에 대한 모델이 전혀 없다. 일부는 별 무리가 먼저 형성된 후 은하가, 그 후 별이 생겼다고 믿는다. 반면 다른 이들은 반대의 순서를 주장한다.
...게다가 이 모든 과정은 여전히 강한 팽창을 겪는 우주에서 일어난다. 매우 큰 적색편이를 가진 은하의 탐지 결과는 이들이 매우 오래된 천체임을 보여준다(은하 내 가장 오래된 별의 나이로 확인됨). 이 모든 현상을 이론적으로 설명하는 것은 현재까지 불가능하다.
하지만 우리는 두 가지 사실을 알고 있다.
1: 물질의 기체가 '광자 기체'와 강하게 결합되어 있는 동안, 즉 우주가 이온화된 상태인 동안, 중력 불안정성은 작동할 수 없다. 왜냐하면 광자는 자유 전자(원자에서 벗어난 전자)보다는 궤도 전자보다 훨씬 강하게 상호작용하기 때문이다. 광자들은 자신만의 '기체'를 형성한다. 팽창 과정에서 이 기체는 물질과 마찬가지로 팽창하며, 자체적인 압력, 즉 방사 압력을 갖는다. 물질과 광자가 강하게 결합되어 있을 때, 이온화된 기체가 수축하려는 경향이 있으면, 광자 기체도 함께 끌려가게 된다.
- 그러나 광자는 빛의 속도로 움직인다! 유한한 크기를 가진 기체 덩어리가 어떻게 광자를 '간수'할 수 있는가?
...여기서 '간수'라는 말은, 이 기체 내에서 광자는 계속해서 흡수되고 재방출된다는 의미다. 이러한 흡수-재방출의 주기로 인해 광자는 이 기체 덩어리에서 벗어나기 매우 어렵다. 이 의미에서 광자는 갇혀 있다고 볼 수 있다(태양 중심에서 방출된 광자들이 표면까지 매우 느리고 곤란하게 도달하는 것과 동일한 원리이다).
...우주가 50만 년 미만일 때, 복사가 이온화된 기체 덩어리 속에 갇혀 있으며, 이 덩어리가 덩어리 형성의 시도를 할 수 있는 상태이지만, 방사 압력이 여전히 너무 높아 응축을 허용하지 않는다.
결론: 표준 모델에 따르면, 우주는 t = 50만 년까지 균일하거나 거의 균일한 상태를 유지한다. 만약 어떤 일이 일어난다면, 그 이후에 일어날 것이다.
2: 별들이 은하로 모여 있으며, 은하들은 대규모 구조를 형성한다. 일부 은하는 더 큰 단위인 은하단(코마 은하단, 비르고 은하단 등)으로 집합되며, 수천 개의 개별 은하를 포함한다. 초기에는 이 과정이 더 큰 규모로도 계속될 것이라 생각했고, '슈퍼은하단' 또는 '은하단의 은하단'이라는 개념이 제안되었다.
...그러나 관측 결과는 전혀 다른 것을 드러냈다. 사실 은하들은 서로 연결된 '비누방울' 같은 구조를 형성한다. 은하단은 이러한 분포의 '노드'에 해당한다. 아래는 1977년 관측 데이터 분석 결과이다.
...결과적으로 은하는 매우 큰 규모(Very Large Structure)에서, 지름이 수억 광년 정도인 거대한 진공 구역 주변에 분포한다.
...다른 접근법을 통해 연구자들은 단일 우주(물론)에서 균일한 물질 분포에서 시작하여 이러한 구조를 재구성해보려 했다. 초기 이론은 평면적인 교란의 성장, 즉 '크레페' 형태(제르도비치의 '팬케이크')였다. 그러나 결과는 실망스러웠다. 컴퓨터 시뮬레이션은 일부 세포 구조를 만들어냈지만, 열운동으로 인해 빠르게 흩어졌다. 현재까지 이러한 구조의 형성에 대한 설득력 있는 이론은 존재하지 않는다. 최소한 '차가운 어둠의 물질'을 이용해 이러한 구조를 '강화'함으로써 일시적인 안정성을 유지하는 정도까지만 가능하다.
...이 점-질량 분포를 기하학적으로 해석할 수 있는 방법이 있다. 일반 물질은 유령 물질 덩어리에 의해 밀려나며, 이 그림은 이미 위에서 제시된 바 있다.
...텐트의 끝이 둥글게 된 못들 위에 놓인 천을 상상해보자. 한편, 못의 끝이 더 둥글수록 유령 물질 덩어리가 더 넓게 퍼질 것이다. 반대로 못이 더 날카로우면 덩어리는 좁아질 것이다. 무한히 날카로운 못의 경우, 이는 곡률이 집중된 '포지션 영역'에 해당한다.
...여기서 다른 모델을 제시해보자. 이 모델은 다음 절과 연결된다.
../../bons_commande/bon_global.htm
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