우주론

1장 우주론 역사 개관
1.1 일반 상대성에서 현대 팽창우주론으로 1
1.2 대폭발 우주론과 정상 상태 우주론 3
1.3 우주 배경 복사 5
1.4 우주 배경 복사의 정밀 관측 7

2장 일반상대성에서 우주론으로
2.1 역사적 배경 11
2.2 뉴턴의 우주관 13
2.3 아인슈타인 우주 17
2.4 드 지터 우주 25
2.5 우주론을 단순화 시키는 가정들 27
2.5.1 웨일 공리 28
2.5.2 우주의 원리 30
2.6 Robertson-Walker 선요소 31

3장 우주 모델들
3.1 뉴턴의 우주론 33
3.2 상대론적 우주론 40
3.2.1 Robertson-Walker 선 요소에서 크리스토펠 기호 구하기 41
3.2.2 Robertson-Walker 선 요소의 Ricci 텐서 구하기 42
3.2.3 Robertson-Walker 선 요소의 아인슈타인 곡률 텐스 구하기 44
3.2.4 아인슈타인 중력장 방정식의 적용 44
3.2.5 우주론에서의 에너지-운동량 텐서 45
3.2.6 프리드만 모델의 아인슈타인 중력장 방정식의 풀이 46
3.3 프리드만 방정식은 에너지 보존법칙이 성립한다 48
3.4 에너지 조건 51
3.5 허블 변수 55
3.6 프리드만 모델의 운동학적 특징들 56
3.6.1 척도인자와 적색편이의 관계 56
3.6.2 적색편이와 시간의 확장 58
3.6.3 척도인자와 물질입자의 운동량과의 관계 60
3.6.4 복사선의 특성 강도와 에너지 플락스(flux) 62
3.6.5 광도 거리와 각도 지름거리 63
3.7 임계밀도와 우주나이 상한치 65
3.8 척도 인자()와 에너지 밀도()와의 관계 69
3.9 복사 밀도와 물질 밀도가 같아지는 시기 73
3.10 곡률밀도 그리고 척도인자와 시간과의 관계 74
3.11 곡률 항 에 대한 고찰 77
3.12 여러 우주모델들에 대한 재 고찰 79
3.12.1 아인슈타인 우주모델 81
3.12.2 드 지터 우주모델 83
3.12.3 아인슈타인-드 지터 우주모델 86
3.12.4 에딩턴-르마이트르 우주모델 87
3.12.5 복사선 우위의 평평한 우주 92
3.12.6 현재의 실제적인 우주 92

4장 우주거리 측정법과 허블 법칙
4.1 우주의 물체까지의 거리 측정법 97
4.1.1 연주시차법(삼각구도법) 97
4.1.2 별의 색깔과 광도를 이용하는 법 101
4.1.3 세페이드형 변광성의 표준 촛불 103
4.1.4 Ia형 초신성들(Type Ia Supernovae)의 표준촛불 113
4.2 허블의 법칙 125
4.2.1 적색편이 126
4.2.2 허블 법칙과 허블 상수 128

5장 초기 우주의 열 역사와
가벼운 원자핵 합성 및 원자의 형성
5.1 초기 복사선 우위의 우주 133
5.2 초기 우주의 열역학 137
5.2.1 초기 우주에서 입자들의 분포함수 138
5.2.2 초기 우주에서 입자들의 양자역학적 상태의 수 139
5.2.3 상호작용 산란 단면적과 반응 율 142
5.2.4 어떤 입자 족 의 평형 분포함수 144
5.2.5 입자의 수 밀도 , 에너지 밀도 그리고 압력 145
5.2.6 우주의 엔트로피에 대하여 147
5.2.7 입자들이 상대론적일 때(온도가 매우 높을 때) 151
5.2.8 입자들이 비상대론적일 때 155
5.2.9 우주초기 복사 우위시기의 허블상수와 우주의 온도와 시간의 관계 156
5.2.10 분리된 입자들에 관하여 160
5.3 상대론적 입자들(광자 뉴트리노)의 잔존 배경복사 163
5.3.1 우주진화에서 때의 시간-온도 사이의 관계 164
5.3.2 뉴트리노들의 분리 시기와 그 때의 온도 167
5.3.3 오늘날 상대론적 입자들의 에너지 밀도와 엔트로피 밀도 168
5.3.4 물질과 상대론적인 복사가 동일한 에너지 밀도를 가지는 때 171
5.3.5 오늘날 바리온 수 밀도와 광자의 수 밀도의 비 176
5.4 wimps의 잔존 배경복사 180
5.5 가벼운 원자핵들의 합성 186
5.5.1 어떤 A라는 원자핵의 수 밀도 구하기 187
5.5.2 원자핵 의 질량분율 구하기 189
5.5.3 중성자와 양성자 사이의 열적평형 때의 온도와
의 평형상태의 존재량을 생산하는 온도() 190
5.5.4 의 최종 결과의 질량분율 193
5.5.5 초기 우주에서 의 합성은 억제됨 195
5.5.6 모든 가벼운 원소들의 태고적 존재량에 불확실성을 부여하는 것들 196
5.5.7 태고적 여러 원소들의 존재량의 관측된 값들 197
5.6 물질과 복사선의 분리 201
5.6.1 광자와 전자, 이온과의 상호작용 201
5.6.2 원자의 형성시기(recombination era) 206
5.6.3 분리시기(decoupling era) 208
5.6.4 광자의 마지막 산란(Last scattering) 211
5.6.5 빅뱅에서 까지의 시간 212
5.6.6 분리이후의 물질의 온도하강 213
5.7 우주의 빅뱅흔적의 복사선 216

6장 매우 초기 우주와 우주 인플레이션
6.1 우주론과 입자 물리학 217
6.1.1 매우 초기 우주의 입자들의 구성 219
6.2 질량을 가지는 입자들의 생존 222
6.3 대통일 이론과 바리온 생성 229
6.3.1 전자기 역학 230
6.3.2 약한 상호작용 231
6.3.3 양자 색역학(Quantum chromodynamics) 233
6.3.4 GUTs: SU(5) 234
6.3.5 매우 초기 우주에서 바리온 생성 237
6.3.6 대칭의 자발적 깨짐 240
6.4 빅뱅 모델의 문제점 242
6.4.1 평평성 문제 242
6.4.2 지평선 문제 245
6.4.3 자기 단극자 문제 249
6.4.4 엔트로피 문제 251
6.5 인플레이션 우주 252
6.5.1 인플레이션의 정의 252
6.5.2 무엇이 인플레이션(급팽창)을 야기하는가? 254
6.5.3 인플레이션(급팽창)으로 평평성 문제 해결 255
6.5.4 인플레이션으로 지평선 문제 해결 257
6.5.5 자기 단극자 문제 해결 258
6.5.6 인플레이션으로부터 예견되는 의 값 258
6.6 인플레이션 모델들 260
6.6.1 Guth 인플레이션 모델 260
6.6.2 새로운 인플레이션 우주 265
6.6.3 혼돈 인플레이션(chaotic inflation) 267
6.6.4 인플레이션 : 결점과 주전원(epicycle) 268
6.7 원시의 블랙홀들 269
6.8 양자 우주론 272
6.9 결론 273
6.9.1 작은 수 문제 274

7장 우주 거대구조물의 기원과 형성
7.1 물질 우위의 우주에서 불균질성의 성장 277
7.2 복사 우위의 우주에서 불균질성의 성장 280
7.3 은하 형성과 암흑 물질 281
7.4 Jeans 불안정성과 중력 붕괴 282
7.4.1 유체 동역학 283
7.4.2 섭동 288
7.4.3 자체 중력 붕괴하는 유체들 290
7.4.4 최초의 은하들의 크기와 질량 293
7.4.5 좀 덜 엄격한 유도 295

8장 재이온화(reionization)
8.1 퀘이사의 발견 299
8.1.1 퀘이사 관측의 역사 299
8.1.2 퀘이사의 물리적 특성 302
8.2 라이만 알파(Lyman )의 스펙트럼 307
8.3 라이만 알파 숲(Lyman forest) 309
8.4 중성 수소 이온화와 Gunn-Peterson trough 311

9장 우주배경복사
9.1 펜지어스와 윌슨에 의한 발견 321
9.2 COBE 프로젝트 331
9.2.1 COBE 위성 331
9.2.2 코비위성의 관측결과 332
9.3 WMAP 프로젝트 337
9.3.1 구면 위의 온도요동 343
9.3.2 이론 각도 파워 스펙트럼() 347
9.3.3 관측 각도 파워 스펙트럼() 348
9.3.4 우주 분산(cosmic variance) 349
9.3.5 WMAP 연구팀이 얻은 온도 요동 각도 파워 스펙트럼 350
9.3.6 마지막 산란 때 지평선 거리의 현재 천구상의 각도 361
9.3.7 CMB 비등방성의 주된 원천(sources) 369
9.3.8 TT와 TE 각도 파워 스펙트럼의 해석 372
9.3.9 파워 스펙트럼에서 봉(peak)들과 골(trough)들의 기원 374
9.3.10 음향 지평선의 크기 378
9.3.11 -공간에서 첫 봉의 위치 381
9.3.12 현재 우주 밀도의 추정 383
9.3.13 현재 우주의 암흑물질과 바리온의 양의 추정 385
9.3.14 우주의 나이 390
9.3.15 때의 우주의 나이 392
9.4 Plank 위성 403
9.5 우주의 가속 팽창 412

10장 암흑 물질과 암흑 에너지
10.1 암흑 물질 415
10.1.1 보이는 물질 415
10.1.2 암흑 물질의 증거 415
10.2 암흑에너지 423
10.2.1 암흑에너지의 이론적 배경 423
10.2.2 암흑에너지의 후보 427