이론 천문학의 정의와 Λ CDM 모형

나선형 은하의 형태

이론 천문학에서는 천체 또는 천체에서 일어나는 현상들을 설명하기 위해서 어떤 문제를 수식과 같은 방법으로 증명하는 해석적인 모형이나 컴퓨터를 이용하여 측정된 수치 모형과 같은 방법을 사용합니다. 해석적인 모형은 천체 현상을 수식으로 설명함으로써 직접적인 통찰력을 제공하며, 수치 모형 같은 경우는 기본적인 물리 법칙을 이용하여 매우 복잡한 천체현상을 계산함으로써 그 현상을 쉽게 이해할 수 있도록 도움을 줍니다.
이론 천문학자들은 천체에서 일어나는 현상들을 설명하기 위한 모델을 만들고 그 모델을 증명하여 옳다면 어떠한 결과를 도출해 낼 수 있는지 연구합니다. 이런 연구를 증명하기 위해서 관측자들은 이론 중 어떤 이론이 옳은 것인가를 증명해 줄 관측 자료를 수집하고 실험을 수행합니다. 관측자들로부터 수집된 관측 자료 중 새로운 관측 자료를 획득한다면 이론 천문학자들은 관측 자료들로부터 관측 결과를 설명할 수 있도록 꾸준하게 모델을 수정하고 발전시키게 됩니다. 만약 새로운 관측 자료와 이론 모델이 전혀 다른 결과를 나타낸다면 그 관측 결과를 증명할 수 있게 모델을 수정할 수 있지만 이론과 관측자료가 완전히 모순된다면 모델을 삭제하기도 합니다.
이론 천문학의 주제는 별의 진화, 천체 역학, 은하의 형성과 진화, 우주의 거대 구조, 우주선의 기원, 일반 상대론, 물리 우주론 등 다양한 분야들이 있으며 다양한 물리적 법칙과 이론을 이용하여 이러한 현상들을 증명합니다. 예를 들어 천문학에서의 상대론은 중력의 역할이 중요한 우주 거대 구조를 연구하기 위한 기본적인 구조를 제공하며 중력파나 블랙홀 등을 연구하는 기본적인 토대가 됩니다. 현대 이론 천문학은 급팽창 이론, 암흑 물질, 기본적인 물리법칙들을 기본으로 하여 Λ CDM 모형을 생성하였고 현재의 천문학자들 사이에서 가장 주목받는 주제입니다.
Λ CDM 모형(Lambda Cold Dark Matter) 모형이란 대폭발 우주론의 한 갈래로 람다(그리스어 Λ)로 표기하는 우주 상수와 가설상의 CDM과 평범한 물질이 주성분이 되는 우주를 설명하기 위한 매개변수 모형입니다. Λ CDM 모형은 관측된 우주의 성질과 우주의 에너지 밀도 조성 간의 합치를 끌어내며 일치 우주론으로 표현되기도 하였습니다.
Λ CDM 모형에서는 메트릭 공간이 팽창하게 됩니다. 이것은 멀리 떨어져 있는 은하에서부터 전달되는 빛의 흡수/방출선 스펙트럼의 적색편이나 초신성의 광도 곡선이 붕괴하면서 관측되는 시간 지연에서부터 알 수 있습니다. 적색 편과 시간지연 효과 모두 전자기 복사가 팽창하는 우주의 공간을 이동하면서 발생하는 도플러 효과에서 기인합니다. 우주 공간의 팽창 때문에 서로 중력의 영향을 받지 않는 천체 사이의 거리는 증가하지만, 공간적으로 천체 자체의 크기는 증가하지 않습니다. 또한 거리가 먼 은하들은 우주의 팽창으로 인해 광속보다 빠른 속도로 멀어질 수 있습니다. 작은 공간에서의 팽창은 광속보다 느리지만 작은 공간에서의 팽창 효과가 누적되면 큰 거리에서 볼 때 빛의 속도를 넘어설 수 있습니다.
문자 Λ(람다)는 우주상수를 나타내는데 현대 우주론에서는 오늘날의 우주가 중력의 끌어당기는 힘과는 반대로 가속하여 팽창하는 이유를 설명하기 위해 진공 에너지나 암흑에너지와 우주상수를 관계지어 설명하고 있습니다. 우주상수는 음의 압력을 가지며 음의 압력은 일반 상대성 이론에 의하여 가속 팽창을 발생시키는 응력을 생성합니다.
CDM은 은하의 회전 곡선이 평탄할 때 나타나는 문제나 은하단에서 은하가 뭉치는 현상이 생각했던 것보다 클 때 나타나는 문제처럼 규모가 매우 큰 구조에서 관측된 물질의 양으로는 중력을 설명하기 어렵기 때문에 고안되었습니다. CDM은 양성자와 중성자와는 다른 중입자의 물질이 아니고 차갑고 광자를 내뿜어서 식을 수 없으며 중력과 약한 상호작용으로만 타 입자와 상호작용한다는 특징을 갖고 있습니다.
Λ CDM 모형은 대폭발이라는 가설을 설명하지만 실제로 물리적인 폭발이 아니라 온도가 약 10의 15제곱 K이며 복사로 이루어진 팽창하는 시공간이 갑작스럽게 생성된 것을 의미합니다. 대폭발의 직후 짧은 시간 내에 공간은 엄청나게 팽창하였고 10의 27배가 넘는 수치로 증가하게 되는데 이것을 우주 인플레이션이라고 합니다. 초기 우주의 온도는 수십만 년 동안 뜨거웠는데 이러한 현상을 우주배경복사라고 명명하였습니다. 우주 인플레이션과 입자 물리학의 표준 모형을 응용하여 대폭발 이론은 우주의 팽창과 우주에 존재하고 있는 수소, 헬륨, 리튬의 분포와 우주배경복사의 비등방성에 대한 관측과 이론이 일치하는 유일한 모형입니다.