우주의 팽창은 "멀리 있는 은하일수록 더 빨리 멀어진다"는 관측에서 나온 결론입니다. 이 관계를 수로 정리한 것이 허블 법칙이고, 그 바탕에는 은하 빛의 적색편이가 있습니다. 핵심은 "후퇴 속도가 거리에 비례한다(v=H₀d)"는 한 줄이며, 여기서 우주의 나이까지 추정됩니다. 이 글은 허블 법칙이 왜 팽창의 증거인지, 적색편이로 속도를 어떻게 읽는지, 우주 나이를 어떻게 구하는지를 검산한 예제로 정리합니다. 지구과학 '별과 우주의 진화'를 배우는 학생에게 맞습니다.
허블 법칙이란 무엇인가?
외부 은하까지의 거리 d와 그 은하의 후퇴 속도 v 사이에는 다음 관계가 있습니다.
v = H₀ · d (후퇴 속도 = 허블 상수 × 거리)
여기서 H₀는 허블 상수로 약 70 km/s/Mpc입니다(Mpc=메가파섹, 약 326만 광년). 거리가 2배면 멀어지는 속도도 2배라는 뜻입니다. 특정 중심이 있어서가 아니라 공간 자체가 균일하게 팽창하기 때문에, 어느 은하에서 보든 이 관계가 똑같이 성립합니다. 건포도 빵이 부풀 때 어느 건포도에서 봐도 다른 건포도가 멀어지는 것과 같습니다.
| 양 | 의미 | 단위 |
|---|---|---|
| v | 은하의 후퇴 속도 | km/s |
| d | 은하까지 거리 | Mpc |
| H₀ | 허블 상수(약 70) | km/s/Mpc |
적색편이는 왜 팽창의 증거인가?
멀어지는 광원의 빛은 파장이 늘어나 스펙트럼선이 붉은 쪽으로 밀립니다 — 이것이 적색편이입니다. 천체 스펙트럼 분석에서 본 흡수선의 위치가 원래 자리보다 긴 파장 쪽으로 이동한 정도로 후퇴 속도를 읽습니다.
적색편이 z = Δλ/λ (파장 변화량 ÷ 원래 파장), 속도가 빛의 속도보다 훨씬 작을 때 v ≈ c·z
거의 모든 외부 은하가 적색편이를 보이고 그 크기가 거리에 비례한다는 점이, 우주가 전 방향으로 팽창한다는 강력한 증거입니다.
예제로 흐름 잡기
[예제1] 허블 상수 H₀ = 70 km/s/Mpc일 때, 거리 100 Mpc인 은하의 후퇴 속도는?
v = H₀·d = 70 × 100 = 7000 km/s. ✅
[예제2] 어떤 은하의 적색편이가 z = 0.01로 측정되었다. 후퇴 속도와 거리는? (c = 3×10⁵ km/s)
- 속도: v ≈ c·z = 3×10⁵ × 0.01 = 3000 km/s.
- 거리: d = v/H₀ = 3000/70 ≈ 42.9 Mpc.
- 검산: 다시 v=H₀d=70×42.9≈3000 km/s 로 일치 ✅.
[예제3 — 우주 나이] 팽창을 거꾸로 되감으면 1/H₀가 대략적인 우주 나이(허블 시간)다. H₀=70 km/s/Mpc로 추정하면?
1 Mpc ≈ 3.086×10¹⁹ km이므로 1/H₀ = (3.086×10¹⁹ km)/(70 km/s) ≈ 4.4×10¹⁷ s ≈ 약 140억 년. 실제 추정 나이(약 138억 년)와 비슷 ✅.
어디서 자주 막히나 — 비례와 단위
| 막히는 지점 | 원인 | 교정 |
|---|---|---|
| 팽창에 '중심'이 있다고 봄 | 관측자 특별시 | 어느 은하에서 봐도 동일, 중심 없음 |
| 적색편이를 '다가옴'으로 읽음 | 방향 혼동 | 적색 = 멀어짐, 청색 = 다가옴 |
| 은하 자체가 커진다고 오해 | 공간 팽창 혼동 | 커지는 건 은하 사이 공간 |
| H₀ 단위를 무시하고 계산 | 단위 누락 | km/s/Mpc의 Mpc 단위 맞추기 |
흔한 오해 3가지
- "우주에 팽창의 중심이 있다" — 없습니다. 공간 자체가 팽창하므로 모든 지점이 서로에게서 멀어지고, 특별한 중심은 없습니다.
- "은하들이 공간 속을 날아가고 있다" — 은하가 공간 속을 이동하는 게 아니라, 은하 사이 공간이 늘어나 멀어집니다.
- "허블 상수가 크면 우주가 오래됐다" — 반대입니다. 나이 ≈ 1/H₀이므로 H₀가 클수록 우주 나이는 짧게 추정됩니다.
우주의 팽창과 적색편이, 그리고 우주 배경 복사(약 2.7K)는 모두 빅뱅 우주론의 증거입니다. 원소가 별과 우주의 역사 속에서 만들어진 과정은 원소 형성과 우주의 역사와 별의 진화에서, 별이 에너지를 내는 원리는 핵융합과 에너지에서 이어 볼 수 있습니다.
한 줄로 남기는 핵심
허블 법칙 v=H₀d는 "멀수록 빨리 멀어진다"를 뜻하고, 이는 우주가 중심 없이 균일하게 팽창한다는 증거입니다. 팽창을 되감으면 약 140억 년 전 한 점, 곧 빅뱅이 나옵니다.
멀어지는 속도가 거리에 비례한다 — 이 한 줄이 우주에 시작이 있었음을 가리킨다.
개념을 '안다'와 '단위·방향까지 맞춘다'는 다릅니다. TimeLevelUp은 지구과학을 단원 순서와 복습 주기에 맞춰 배치하고, 적색편이 방향이나 허블 상수 단위처럼 '정의를 알아도 계산에서 틀리는' 지점을 다음 계획에 반영해 같은 실수가 반복되지 않도록 학습 리듬을 설계합니다.