암흑 에너지의 종말? 새로운 우주 팽창 모델 제시

우주 팽창의 비밀을 풀기 위한 연구에서, 과학계의 가장 큰 미스터리 중 하나인 암흑 에너지가 실제로 존재하지 않을 수도 있다는 주장이 제기되었습니다. 지난 100년간 물리학자들은 우주가 모든 방향으로 동일하게 팽창한다고 가정해 왔습니다. 그들은 이해할 수 없는 물리학 현상을 설명하기 위한 임시방편으로 암흑 에너지라는 개념을 사용했지만, 이 이론은 항상 문제점을 안고 있었습니다.

뉴질랜드 캔터베리 대학교의 물리학자 및 천문학자 팀은 초신성 광도 곡선에 대한 향상된 분석을 통해 우주가 보다 다양하고 "덩어리진" 방식으로 팽창하고 있음을 보여주며 기존의 통념에 도전하고 있습니다. 이 새로운 증거는 시간과 거리를 보정하는 방식의 결과로 빛의 늘어짐 차이가 발생한다는 "타임스케이프" 우주 팽창 모델을 지지합니다. 이 모델은 우주가 가속 팽창하는 이유를 설명하기 위해 암흑 에너지가 필요하지 않다고 주장합니다.

 

 

중력과 시간의 관계, 새로운 해석 제시

타임스케이프 모델은 중력이 시간을 느리게 한다는 점을 고려합니다. 즉, 빈 공간의 이상적인 시계는 은하 내부의 시계보다 더 빠르게 작동합니다. 이 모델은 우리 은하의 시계가 거대한 우주 공동의 평균 위치에 있는 동일한 시계보다 약 35% 느릴 것이라고 제시합니다. 이는 공동에서 수십억 년이 더 흘렀음을 의미하며, 결과적으로 공간의 팽창이 더 많이 일어나 광대한 빈 공동이 성장하여 우주를 지배할 때 팽창이 점점 빨라지는 것처럼 보이게 합니다.

 

 

암흑 에너지, 오해에서 비롯된 개념인가?

이 연구를 이끈 데이비드 윌트셔 교수는 "우리의 연구 결과는 우주가 가속 팽창하는 것처럼 보이는 이유를 설명하기 위해 암흑 에너지가 필요하지 않다는 것을 보여준다"고 말했습니다. 그는 "암흑 에너지는 우리가 실제로 살고 있는 것처럼 덩어리진 우주에서 균일하지 않은 팽창 운동 에너지의 변화를 잘못 파악한 것"이라고 덧붙였습니다.

 

우주 최대의 미스터리, 해결의 실마리 찾다

이 연구는 팽창하는 우주의 특이성에 대한 주요 질문 중 일부를 해결할 수 있는 설득력 있는 증거를 제공합니다. 새로운 데이터를 통해 우주의 가장 큰 미스터리가 이번 10년 안에 해결될 수 있을 것으로 기대됩니다. 즉, 기존의 암흑 에너지 개념은 우주 팽창의 불균일성을 제대로 이해하지 못해 생긴 오해일 수 있다는 것입니다. 이 새로운 모델은 시간과 공간에 대한 우리의 기본적인 이해를 재정립하고 우주론 연구에 새로운 방향을 제시할 가능성을 내포하고 있습니다.

 

 

새로운 분석 결과와 암흑 에너지의 위상

새로운 분석 결과는 왕립천문학회 월보 레터스(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters) 저널에 발표되었습니다. 일반적으로 암흑 에너지는 물질과 독립적으로 작용하며 우주 질량-에너지 밀도의 약 3분의 2를 차지하는 약한 반중력으로 여겨집니다. 우주의 표준 람다 차가운 암흑 물질(ΛCDM) 모델은 관측된 우주 팽창 속도의 가속을 설명하기 위해 암흑 에너지를 필요로 합니다. 과학자들은 우주 팽창이 가속되지 않는다면 있어야 할 위치보다 더 멀리 있는 것으로 보이는 먼 은하의 초신성 폭발까지의 거리를 측정하여 이러한 결론을 내립니다.

 

 

우주 팽창 속도에 대한 새로운 도전

하지만 현재 우주 팽창 속도는 새로운 관측에 의해 점점 더 많은 도전을 받고 있습니다. 첫째, 빅뱅의 잔광인 우주 마이크로파 배경 복사(CMB)의 증거는 초기 우주의 팽창이 현재의 팽창과 일치하지 않는다는 것을 보여주는데, 이는 "허블 긴장"으로 알려진 변칙 현상입니다. 즉, 초기 우주 팽창 속도와 현재 우주 팽창 속도 사이에 불일치가 나타나는 것입니다.

 

 

DESI의 발견과 ΛCDM 모델의 한계

또한, 암흑 에너지 분광기(DESI)의 새로운 고정밀 데이터에 대한 최근 분석 결과, ΛCDM 모델은 암흑 에너지가 일정한 상태로 유지되는 것이 아니라 시간이 지남에 따라 "진화"하는 모델만큼 적합하지 않은 것으로 밝혀졌습니다. 이는 기존의 ΛCDM 모델이 암흑 에너지의 변화를 제대로 반영하지 못할 수 있음을 시사합니다.

 

 

프리드만 방정식의 한계와 새로운 모델의 필요성

허블 긴장과 DESI가 밝힌 놀라운 사실 모두, 100년 전에 단순화된 우주 팽창 법칙인 프리드만 방정식을 사용하는 모델로는 해결하기 어렵습니다. 프리드만 방정식은 우주를 균일하고 등방적인 유체로 가정하는데, 실제 우주는 그렇지 않기 때문에 이러한 한계점을 드러내는 것으로 보입니다. 따라서, 이러한 문제점들을 해결하기 위해서는 기존의 프리드만 방정식에 기반한 모델이 아닌, 더욱 정교하고 현실적인 우주 모델이 필요하며, 앞서 언급된 타임스케이프 모델이 하나의 대안으로 제시될 수 있습니다. 이처럼 최근의 연구들은 기존의 우주론 모델에 의문을 제기하며, 우주 팽창과 암흑 에너지에 대한 새로운 이해를 요구하고 있습니다.

우주의 실제 모습과 단순화된 팽창 법칙의 괴리

기존의 우주 팽창 모델은 우주가 마치 모든 우주 구조물을 믹서에 갈아 넣은 것처럼 특징 없는 수프처럼 균일하게 팽창한다고 가정합니다. 즉, 복잡한 구조가 없는 단순한 평균값을 전제로 합니다. 하지만 실제 우주는 거대한 빈 공간을 둘러싸고 연결하는 시트와 필라멘트 형태의 은하단으로 이루어진 복잡한 우주 거미줄을 포함하고 있습니다. 이러한 현실과 단순화된 가정이 모순을 일으키는 지점입니다.

 

 

복잡성에서 단순한 팽창 법칙이 나타나는 이유

윌트셔 교수는 "21세기에 우리는 마침내 '복잡성에서 어떻게 그리고 왜 단순한 평균 팽창 법칙이 나타나는가?'라는 질문에 답할 수 있을 만큼 많은 데이터를 확보했다"고 덧붙였습니다. 그는 또한 "아인슈타인의 일반 상대성 이론과 일치하는 단순한 팽창 법칙이 반드시 프리드만 방정식을 따라야 하는 것은 아니다"라고 강조했습니다. 즉, 기존의 프리드만 방정식이 실제 우주의 복잡성을 제대로 반영하지 못할 수 있다는 점을 지적한 것입니다.

 

 

유클리드 위성과 새로운 관측의 중요성

연구진은 2023년 7월에 발사된 유럽 우주국의 유클리드 위성이 프리드만 방정식과 타임스케이프 대안을 시험하고 구별할 수 있는 능력을 가지고 있다고 말합니다. 하지만 이를 위해서는 최소 1,000개의 독립적인 고품질 초신성 관측이 필요합니다. 유클리드 위성은 이러한 관측을 가능하게 하여, 두 모델의 타당성을 비교 검증하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다.

 

판테온+ 협력과 새로운 증거

2017년에 제안된 타임스케이프 모델을 마지막으로 테스트했을 때 분석 결과는 우주 팽창에 대한 설명으로서 ΛCDM보다 약간 더 나은 적합성을 보였을 뿐입니다. 이에 크라이스트처치 연구팀은 1,535개의 개별 초신성 목록을 공들여 제작한 판테온+ 협력팀과 긴밀히 협력했습니다. 그 결과 새로운 데이터는 타임스케이프에 대한 "매우 강력한 증거"를 제공한다고 연구진은 주장합니다. 이는 허블 긴장 및 우주 팽창과 관련된 기타 변칙 현상에 대한 설득력 있는 해결책을 제시할 수도 있습니다. 즉, 기존 모델로는 설명하기 어려웠던 우주 팽창의 여러 문제점들을 타임스케이프 모델이 효과적으로 설명할 가능성을 보여주는 것입니다.

 

 

향후 관측과 우주 팽창의 진실

연구진은 타임스케이프 모델에 대한 지지를 강화하기 위해 유클리드와 낸시 그레이스 로만 우주 망원경의 추가 관측이 필요하다고 말하며, 이제 이 풍부한 새로운 데이터를 사용하여 우주 팽창과 암흑 에너지의 진정한 본질을 밝히기 위한 경쟁이 시작되었다고 강조합니다. 향후 진행될 추가적인 관측 데이터 분석을 통해 타임스케이프 모델의 타당성이 더욱 명확하게 검증될 것으로 예상됩니다.