우주는 그저 팽창하지 않는다

"우주는 그저 팽창하지 않는다" 새로운 단서 발견했다고 합니다.

 

암흑 에너지 변화를 확인한 과학자들의 우주 지도 제작

 

빛조차 우주에서 사라질 것이라고 예측하는 것은 옳지 않다고 생각합니다

 

우주 팽창을 연구하는 DESI(암흑에너지 측정 분광 장치) 연구팀이 작성한 역대 최대 크기의 우주 지도. 지구는 확대된 부분의 한 중앙에 위치해 있다. (출처=DES 연구팀)

 

천문학자들이 우주의 팽창을 가속화하는 것으로 추정되는 암흑 에너지 이론에 큰 결함을 발견했다고 뉴욕타임스(NYT)가 4일(현지시간) 보도했습니다.

 

우주가 탄생한 이래로, 암흑 에너지는 그 세기가 변하지 않은 일정한 에너지로 여겨졌습니다. 하지만, 새로운 연구는 암흑 에너지가 강화되거나, 약화되거나, 역전되거나, 심지어 완전히 소멸될 수 있다는 것을 보여주었습니다.

 

암흑 에너지를 발견한 공로로 2011년 노벨 물리학상을 공동 수상한 존스 홉킨스 대학과 볼티모어 천체 물리학 연구소의 천문학자 아담 리스는 새로운 연구가 "25년 만에 처음으로 암흑 에너지의 특성에 대한 진짜 실마리를 발견했다"고 말했습니다

 

 

빛이 우주에서 사라질 것이라는 예측은 뒤집을 수 있습니다

 

이번 연구가 사실로 확인되면 변하지 않는 암흑 에너지로 인해 우주가 무한히 팽창해 별과 은하를 모두 원자 단위로 분해해 우주의 모든 생명, 빛, 에너지, 심지어는 생각마저 사라지는 혼돈을 초래할 것이라는 기존의 예측이 나왔습니다.

 

이 연구의 핵심은 400분의 1의 확률로 통계적으로 사실일 수 있다는 것을 밝히는 것입니다. 물리학에서는 새로운 데이터의 해석에 따라 170만 분의 1의 확률로 예측된 사실 가능성조차 사실로 확립된 전례가 있습니다.

 

새로운 사실은 국제공동연구팀(DESI)이 암흑에너지 분광법을 이용해 발표한 일련의 논문에 의해 발표됐습니다. 연구팀은 지난해부터 110억 년의 우주 시간 동안 4000만 개의 은하의 위치와 속도를 기록하는 3차원 지도를 만드는 5년간의 프로젝트를 시작해 6일(현지 시간) 이탈리아에서 열린 미국 물리학회와 렌콘트레스 데 모리옹드 총회에서 600만 개의 은하가 포함된 최초의 지도를 발표했습니다.

 

"지금까지 우주 모델에 대한 기본적인 합의가 있었지만, 우리는 암흑 에너지가 시간이 지남에 따라 변화하고 있다는 흥미로운 새로운 사실을 발견했습니다," 라고 DESI의 책임자인 마이클 레비 박사가 이번 연구를 감독하는 로렌스 버클리 국립 연구소가 발표한 성명에서 말했습니다.

 

 

"아직 확정된 것은 아니고 단서일 뿐입니다."

 

DESI팀 대변인인 나탈리 팔랑케-델라브루이는 첫 해의 연구는 이전에 확립된 사실을 확인하기 위한 것이었으며 새로운 연구 결과는 아직 확정되지 않았다고 설명했습니다.

 

그런데 연구 과정에서 알 수 없는 사실이 나타났습니다.

 

연구진이 만든 지도에 기존 천문 데이터를 통합하는 과정에서 암흑 에너지가 일정하고 우주의 표준 모델과 맞지 않는다는 사실을 발견했습니다. 암흑 에너지가 변해야만 데이터와 더 잘 일치합니다.

 

팔랑케-델라브루이 대변인은 "단순한 호기심 이상"이라며 "증거는 아니지만 흥미로운 단서"라고 강조했습니다

 

천문학자들은 이 단서의 의미를 심각하게 받아들입니다. 시카고 대학의 천문학자 웬디 프리드먼은 새로운 연구에서 "엄청난 양의 데이터"의 발견을 칭찬했습니다. "이것은 우주의 가장 큰 수수께끼인 암흑

 

에너지 이론을 이해할 수 있는 새로운 가능성을 열었습니다," 라고 그녀가 말했고, 그것이 "매우 흥미롭다"고 강조했습니다

 

 

우주 팽창 이론을 지지하는 "암흑 에너지는 일정하다"는 전제가 뒤집혔습니다

 

암흑 에너지라는 용어를 처음 만든 시카고 대학의 마이클 터너 석좌교수는 "DESI의 초기 연구라고 해도 암흑 에너지가 상수가 아닐 수 있다는 단서는 20여 년 전 우주 팽창 이론이 확립된 이래 가장 큰 뉴스"라고 말했습니다

 

우주가 더 빨리 팽창한다는 암흑 에너지 이론은 1998년에 처음으로 제안되었습니다. 초기의 관측들은 암흑 에너지가 그리스 문자 λ (람다)로 쓰여진 범위의 오차로 작용한다고 제안했습니다. 대문자는 오차 범위 안에 있다고 가정합니다. 이것이 아인슈타인이 우주가 중력 때문에 붕괴되지 않는다고 설명한 이유입니다.

 

아인슈타인이 방정식에 도입한 람다는 우주의 특성으로 자리 잡았습니다. 우주가 팽창하면 암흑 에너지도 팽창을 가속화해 빛마저 사라진다는 설명입니다. 암흑 에너지 이론을 바탕으로 우주는 암흑 에너지 70%, 차가운 암흑 물질 25%, 원자 물질 5%로 구성돼 있다는 L.C.D.M. 우주 표준 모델은 제임스 웹 우주 망원경이 가동된 이후 부분적으로 빛이 바랬지만 아직 붕괴되지는 않았습니다. 하지만 암흑 에너지가 일정하지 않으면 상황이 달라집니다.

 

 

 

20여 년 전에 수립된 우주 표준 모델이 뒤집혔습니다

 

암흑 에너지의 농도와 세기를 측정하는 단위인 W변수가 문제가 됩니다. 아인슈타인은 나중에 실수를 저질렀다고 밝혔지만, 25년 전부터 천문학자들은 아인슈타인의 우주 팽창 방정식을 -1의 상수로 받아들였습니다.

 

"DESI는 단순화된 우주 모델을 뛰어 넘을 수 있게 해주었습니다," 라고 팔랑케-델라브루이 박사가 말했습니다.

 

DESI 프로젝트는 14년간의 논의 끝에 시작됐습니다. 우주가 얼마나 빨리 팽창하는지를 측정해 암흑 에너지의 항상성을 확인하려는 시도입니다. 이를 위해 과학자들은 수많은 은하를 동시에 관측하고 분광하는 광섬유 추적 장치 5,000개를 애리조나주 키트 피크 국립 천문대에 설치했습니다.

 

중입자 음향진동으로 알려진 우주은하 분포 내에서의 사영은 거리 측정의 단위로 사용되었습니다. 사영은 38만 년이 되었을 때 우주를 가득 채운 뜨거운 플라즈마 위에 음파로 각인됩니다. 초기 우주의 각 사영 사이의 거리는 50만 광년이었고, 우주가 135억 년 동안 1,000배 팽창한 지금은 5억 광년입니다.

 

DESI 팀은 138억 년의 우주 역사에서 110억 년을 7개의 시간 단위로 나누었습니다. 각 단위는 중입자 음향 진동 투영의 크기를 측정하고 각 은하가 서로 얼마나 빨리 멀어지는지를 계산했습니다.

 

 

 

멀어져만 가는 은하 간 거리가 더 가까워지는 경우 파악

 

이 모든 계산 결과를 종합하는 과정에서 과학자들은 암흑 에너지가 일정하면 우주의 팽창을 설명할 수 없다는 사실을 확인했습니다. 일곱 개로 나뉜 우주의 역사에서 최근 세 시간 단위 내에 있는 은하들이 점점 가까워지는 것처럼 보이면서 암흑 에너지가 변할 수 있다는 사실을 발견했습니다.

 

"우리가 암흑 에너지의 특성이 단순한 우주 상수가 아니라는 단서를 본 것은 이번이 처음입니다," 라고 팔랑케-델라브루이 박사가 말했습니다. 하지만 그는 이것은 단서일 뿐 증거가 아니라고 덧붙였습니다.

 

시카고 대학의 터너 박사는 "L.C.D.M. 모델은 여러 방향의 검증을 거쳐 확립됐지만, 모든 것을 종합해보면 어떤 것들이 누락되고 부정확한 것은 처음 있는 일"이라고 말했습니다.

 

존스 홉킨스 대학의 리스 박사는 '단서'가 입증되면 우주의 나이나 크기에 대한 어떤 이론도 바뀔 수 있다고 지적했습니다.