[우주의 팽창 1] Doppler 효과와 관련한 연구

[우주의 팽창 1] Doppler 효과와 관련한 연구

1842년 오스트리아의 물리학자인 Doppler는 자신의 논문에서 파동을 방출 하는 파원(물체)나 관측자의 움직임에 따라서 관측되는 파장이 달라진다고 주장하였다. 이 주장의 골자는 관측자가 일정한 파동을 방출하는 파원에 다가가거나 그러한 파원이 관측자에게 다가오고 있는 경우 관측자가 느끼는 파장은 파원에서 방출되는 파장보다 짧다는 것이다. 이는 마치 우리가 파도 가 다가오는 방향으로 배를 타고 나아갔을 경우에 정지해 있을 때 보다 더욱 격렬하고 많은 수의 파도를 만나게 되는 것과 같은 이유로서 이를 설명 하였다(Doppler, 1842). Doppler는 파원의 운동 속도와 파장 등을 이용하여 이를 공식으로 설명하였으며 이 공식은 물체의 이동속도가 비상대론적인 경우라면 현대적인 조건에서도 마찬가지로 활용 할 수 있다. 또한 그는 이러 한 원리를 파장의 특징을 보이는 빛에도 적용할 수 있으며 우리로부터 멀어 지고 있는 물체에서 방출되는 보라색 빛은 파란색으로, 파란색은 초록색을 거쳐 노란색으로, 이는 주황색과 적색으로 이동하다가 속도가 더욱 증가하는 경우 관측자에게서 사라질 것이라고 주장했다. 하지만 항성의 색이 모두 백색이라는 가정을 하였으며, 현대적인 관점에서는 항성의 운동에 따라서 항성에서 방출하는 빛의 색이 모두 변화하는 것이 아니라 항성이 방출하는 최대복사에너지의 파장 영역이 이동하는 것이기 때문에 그의 주장은 현대적 관점과는 일부 차이점이 있었다. 또한 이와 같은 주장을 단지 공식으로 제시하였기 때문에 이를 확인하기 위해서는 관측적 증거가 필요하다고 생각하였다.

우선 소리에 관한 Doppler의 효과는 1845년 물리학자 Ballot에 의하여 증명되었다. 그는 트럼펫 연주자들을 두 그룹으로 나누어 한 그룹은 열차에서, 한 그룹은 플랫폼에 서서 연주하도록 했다. 그리고 열차가 관측자 방향으로 다가올 때 트럼펫 소리가 원래보다 진동수가 높은 소리로 들린다는 것을 확 인했다(Ballot, 1845; Singh, 2015에서 재인용).

1848년 프랑스의 Fizeau는 빛이 항성으로부터 우리에게 도달하는 동안의 파장의 변이에 대해서 설명하였다. 따라서 그는 빛을 방출하는 천체의 스펙트럼선에 미묘한 변화가 있을 것이라 예상하였기에 쌍성의 시선속도를 구할 수 있으면 그들의 시차를 구할 수 있을 것이라고 언급하였다(Hujer, 1963). 즉 이는 쌍성까지의 거리를 측정 할 수 있을 것이라는 주장이었다. 이러한 몇몇 부분은 현대적인 관점과는 다르지만 Fizeau의 스펙트럼선과 관련한 주 장은 획기적인 아이디어를 제공하였다.

1868년 이를 바탕으로 Huggins는 큰개자리의 Sirius의 Doppler 편이를 검 출하였다. Sirius는 밝은 천체이고, 이는 스펙트럼 상에서 네 개의 강한 방출 선을 보여주었기에 그의 연구에 용이한 대상이었다. Huggins(1868)는 시리우스에서 수소에 기인하여 방출되는 F line을 관측한다. 하지만 이는 지구상의 방전관에서 관측했던 파장과는 약간의 차이를 보였다. 그는 수차례 관측을 시도하였고 D line과의 간격을 확인해 보며 그 방출선이 F line임을 확인 한다. 그리고 그는 'Sirius의 F line의 파장이 지구에서의 관측 값과 다른 오류'의 원인을 발견하지 못했기에 지구와 Sirius가 서로 멀어지는 운동을 한 다는 것을 받아들일 수밖에 없었다. 그는 Doppler가 앞서 제시한 방식을 활 용하여 지구와 Sirius간의 멀어지는 운동의 속도가 41.4miles/sec로 계산하였다(Huggins, 1868).

이는 Sirius의 고유운동에 지구의 공전 효과가 포함되어 있는 것이었기에 이 효과를 제거하기 위해 식 2와 같이 지구가 Sirius를 향해 움직이는 운동 의 효과를 구한다.

이를 통해 지구가 Sirius를 향해 움직이는 운동이 12miles/s의 값을 갖는 것을 구했으며 이를 이전의 41.4miles/s에서 빼주어 실제로 Sirius가 지구로 부터 멀어지고 있는 운동인 29.4miles/s의 효과를 구해낸다. 당시 천문학자 들에게 ‘시선속도’ 라는 물리량은 거리와는 완전히 무관한 물리량이기에 이 는 우리 은하의 구조의 연구에 있어 매우 중요한 지식이었다.