우주배경복사와 우주의 온도

[지구과학교육과]

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우주배경복사의 파장은 7.35cm로서, 2.7 K의 흑체복사 스펙트럼과 잘 일치한다잖아요. 그래서 우주의 온도를 2.7 K으로 본다고 하는데,

1번 질문) 제가 알기로는 우주의 온도가 2.7 K이기 때문에 저런 파장의 빛을 방출하는게 아니라,

우주의 팽창속도로 인해서 파장이 더 길어지는 도플러 효과에 의해, 실제로는 온도가 낮긴 낮겠지만 2.7 K까지는 아닌데도 불구하고

팽창속도가 빠르다보니 파장이 길어지는 효과가 나타나서, 검출되는 우주배경복사의 파장이 2.7 K 의 흑체복사와 일치한다고 이해하고 있는데요. 이에 대해서 설명좀 부탁드려요

2번 질문) 약 3K 정도의 흑체에서 최대 방출 에너지의 파장대(람다 맥스)는 약 2 mm 로 알고 있는데, 7.35 cm는 정체가 무엇인가요? 우주의 온도가 3 K 정도 된다면 가장 많이 검출되어야 하는 파장은  2 mm 파장의 복사 아닐까요?

[지구과학교육과]

VYCanMaj 답변 잘 읽어보았습니다!
그렇다면 우주배경복사가 나타내는 2.7 K이라는 것은 사실 '현재의' 우주공간의 실제 온도를 가리키는 것은 아니겠군요? '과거의' 우주의 온도와 우주배경복사는 관련이 있어도, '현재의' 우주의 온도와는 관련이 없겠네요?

[VYCanMaj]

지구과학교육과 이것은 또 온도의 정의와 관련될 것 같은데요, 우주공간에서 온도를 어떻게 정의해야 하냐는거죠.. 일반적인 온도의 정의(예를 들어 지구 대기)는 공기분자들끼리 충분히 많이 상호작용하여 속도 분포가 맥스웰 분포를 가질때의 평균온도이므로 우주공간에서의 온도정의는 개별 입자들의 속도로부터 다시 정의해야 할 것입니다. 즉, baryonic matter의 온도로부터 구한 우주공간의 온도를 얘기하는 것이라면 흑체복사 온도와는 다른 것이죠. 하지만, 사실 빛과 물질은 상호작용을 하죠. 즉 빛이 가진 에너지가 상호작용에 의해 물질에 전달될 수 있습니다. 따라서 결국 배경복사의 온도는 물체의 온도와 관련이 생깁니다.

[VYCanMaj]

VYCanMaj 이점을 생각해 보면, 수도없이 배경복사 광자와 상호작용을 했을 우주공간의 입자들은 결국 2.7K과 연관성이 생길겁니다. 더 정확히는 빛과 원자간의 상호작용을 얘기하는 수준까지 가야 할테니 이 얘기는 여기서 접어야할 것 같구요, 사실 우주공간의 밀도는 수소 원자가 m단위로 떨어져 있는 정도이니 우주의 온도는 배경복사의 온도로 얘기하는게 적당해 보입니다. 또 '복사평형'같은 개념으로 생각해 보면 물체는 빛을 받아 본인의 온도를 만들고 그만큼의 빛을 방출해야 할텐데, 배경복사의 에너지를 흡수해 본인의 온도를 만든다면 2.7K보다 낮은 온도를 만들 수 없겠죠.. 이런 개념도 우주 온도의 하한과 관계 있을 것입니다.

[지구과학교육과]

VYCanMaj 자세하고 깊은 설명 감사해요!

[VYCanMaj]

지구과학교육과 화이팅~