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우주의 크기와 나이를 어떻게 측정할까요
천문학자들은 빅뱅이 100억 년에서 200억 년 전에 일어났다고 추정합니다. 그들은 두 가지 방법으로 우주의 나이를 추정합니다. 천문학자들은 구상성단을 연구함으로써 우주에서 가장 오래된 별들의 나이를 알아낼 수 있습니다. 그리고 구상 성단은 거의 같은 시간에 형성된 백만 개에 가까운 별들의 밀집된 집합체입니다. 구상 성단의 중심 근처에 있는 별들의 밀도는 엄청납니다. 우리가 구상성단의 중심 근처에 살았다면 현재 가장 가까운 별의 이웃인 알파센터 우리보다 수십만 개의 별이 더 가까이 있을 것입니다. 그러나 별의 수명주기는 질량에 따라 달라집니다. 질량이 큰 별은 질량이 낮은 별보다 훨씬 더 밝습니다. 따라서 그들은 수소 연료 공급을 통해 빠르게 연소됩니다. 태양과 같은 별은 현재 밝기로 약 90억 년 동안 연소하기에 충분한 연료를 핵에 가지고 있습니다. 태양보다 두 배나 큰 별은 불과 8억 년 안에 연료 공급을 통해 타 버릴 것입니다. 10개의 태양 질량 별은 거의 천배 더 밝게 타며 연료 공급량은 2천만 년에 불과합니다. 반대로 태양의 절반 크기 인 별은 연료가 200억 년 이상 지속될 만큼 천천히 연소됩니다. 구상 성단의 모든 별이 거의 동시에 형성되기 때문에 이 성단은 우주 시계 역할을 할 수 있습니다. 구상 성단이 천만년 이상된 경우, 수소를 태우는 모든 별은 태양 질량 10개보다 더 작을 것입니다. 이것은 개별 수소 연소 별이 태양보다 1000배 이상 밝지 않을 것임을 의미합니다. 구형 성단이 20억 년 이상된 경우 태양 질량 2개보다 더 무거운 수소 연소 별은 없을 것입니다. 가장 오래된 구상 성단에는 태양 질량 0.7보다 작은 별만 포함되어 있습니다. 이 질량 별은 태양보다 훨씬 어둡습니다. 이것은 가장 오래된 구상 성단이 110억에서 180억 년 사이임을 시사합니다. 이 추정치의 불확실성은 구상 성단까지의 정확한 거리를 결정하는데 어려움이 있기 때문입니다. 이 추정치의 또 다른 불확실성의 원인은 항성 진화의 세부적인 부분에 대한 우리의 무지에 있습니다. 우주의 나이를 추정하는 또 다른 방법은 허블 상수를 측정하는 것입니다. 허블 상수는 현재 우주의 팽창률을 측정한 것입니다. 우주 학자들은 이 측정값을 사용하여 빅뱅으로 되돌아갑니다. 이 우주의 현재 밀도와 우주의 구성에 따라 달라집니다. 우주가 평평하고 대부분 물질로 구성되어 있다면 우주의 나이는 3H0입니다. 우주의 물질 밀도가 매우 낮 으면 외삽된 나이가 더 큽니다. 일반 상대성 이론이 우주 상수를 포함하도록 수정되면 추론된 연령은 더 커질 수 있습니다. 많은 천문학자들이 다양한 기술을 사용하여 허블 상수를 측정하기 위해 열심히 노력하고 있습니다. 두 연령 결정을 비교하면 잠재적인 위기가 있습니다. 1/H 0이 100억 년 정도로 작다고 추정하는 천문학자들이 맞다면, 우주의 나이는 가장 오래된 별의 나이보다 짧을 것입니다. 이 모순은 빅뱅 이론이 잘못되었거나 우주 상수를 추가하여 일반 상대성 이론을 수정해야 함을 의미합니다. 일부 천문학 자들은 측정이 개선되는 즉시가 위기가 지나갈 것이라고 믿습니다. 1H0의 더 큰 값을 측정 한 천문학자가 정확하고 구상 성단 연령의 더 작은 추정 값도 정확하다면 모두 빅뱅 이론에 적합할 수 있습니다. 우리가 하는 우주에서 화학원소의 종류와 양을 관찰하는 이유는 천문학자들이 직면 한 가장 근본적인 질문 중 하나입니다. 핵 합성 분야는 원소가 어떻게 만들어졌는지 연구하고, 빅뱅에서 태양계의 형성과 진화에 이르기까지 다양한 연구에서 비롯됩니다. 가벼운 원소 (수소, 헬륨, 리튬)는 주로 빅뱅에서 만들어졌습니다. 이러한 요소의 풍부함을 측정하면 과학자에게 초기 우주의 본질과 진화에 대한 중요한 단서를 제공할 수 있습니다. 특히 수소의 정상 동위 원소 대중 수소로 알려진 더 무거운 동위 원소의 비율을 측정하면 원시 핵 합성에 대한 중요한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 리튬보다 무거운 다른 모든 원소는 별과 초신성 폭발 중에 발생하는 핵반응의 산물입니다. 특정 예외를 제외하고, 우리는 별이 수소와 헬륨을 더 무거운 원소로 변환하면서 어떻게 진화하는지에 대한 포괄적인 이해를 가지고 있습니다. 이 무거운 원소는 항성풍과 초신성 폭발에 의해 우주로 전파됩니다. 그러나 우리는 일반적인 은하의 수명 동안 화학 진화가 언제 어디서 일어나는지, 그리고 우리 모델이 관측을 얼마나 잘 예측하는지 이해해야 합니다. 핵 합성 생성물의 붕괴로 인한 방사선 연구는 원소 합성에 대한 직접적인 정보를 제공합니다. 수명이 짧기 때문에 (약 100 만년) 26 알루미늄은 원소 발생지의 훌륭한 추적자로 알려져 있습니다.