우주의 복잡성 증가: 새로운 연구 결과

우주의 역사를 통틀어 강력한 힘들이 물질에 작용하며 우주를 점점 더 복잡한 구조의 그물망으로 재형성해 왔습니다. 최근 펜실베니아 대학교의 조슈아 김과 매튜 마드하바체릴이 이끄는 연구진은 로렌스 버클리 국립 연구소의 협력자들과 함께 우리 우주가 약 138억 년 동안 "더욱 불규칙하고 복잡해졌다"는 연구 결과를 발표했습니다. 이는 시간이 흐르면서 물질의 분포가 예상보다 "덜 뭉쳐져" 있다는 것을 의미합니다.

 

 

 

데이터 분석과 우주 배경 복사

마드하바체릴은 자신들의 연구가 상호 보완적인 두 종류의 데이터 세트, 즉 아타카마 우주론 망원경(ACT)의 최종 데이터 공개(DR6)와 암흑 에너지 분광 기기(DESI)의 1년 차 데이터를 교차 분석했다고 설명합니다. 이 데이터들을 결합함으로써 연구진은 마치 고대 우주 사진의 투명 필름을 최근 사진 위에 겹쳐 놓는 것처럼 우주 시간에 계층을 만들 수 있었고, 이를 통해 우주에 대한 다차원적인 시각을 얻을 수 있었습니다.

김 연구원은 ACT가 하늘의 약 23%를 커버하며 빅뱅 이후부터 이동해 온 멀고 희미한 빛을 사용하여 우주의 유아기 모습을 그려낸다고 말합니다. 이 빛은 공식적으로 우주 마이크로파 배경(CMB)이라고 불리지만, 때로는 우주가 약 38만 년 되었을 때의 스냅 사진이기 때문에 '우주의 아기 사진'이라고 부르기도 합니다.

 

 

 

중력 이론과 불규칙성

연구진은 아인슈타인의 중력 이론 예측과 구조 형성 이야기가 대부분 놀라울 정도로 일치한다는 것을 발견했습니다. 하지만 약 40억 년 전의 최근 시대에서 예상되는 뭉침의 양에 작은 차이가 있다는 힌트를 발견했으며, 이는 추후 연구할 가치가 있는 부분이라고 마드하바체릴은 덧붙였습니다. 이번 연구 결과는 ‘Journal of Cosmology and Astroparticle Physics’에 게재되었고, 논문 사전 공개 서버 ‘arXiv’에도 공개되었습니다.

 

 

우주 빛의 경로와 중력 렌즈 효과

김 연구원은 진화 시간 동안, 즉 우주가 나이를 먹어감에 따라 이 고대 빛의 경로가 직선이 아니었다고 설명합니다. 우주의 은하단과 같이 크고 밀도가 높은 무거운 구조의 중력은 안경을 통과할 때 이미지가 왜곡되는 것과 유사하게 CMB를 휘었습니다. 100년 전에 아인슈타인이 처음 예측한 이 "중력 렌즈 효과"는 우주론자들이 물질 분포나 나이와 같은 CMB의 속성을 추론하는 데 사용하는 방법입니다.

 

 

 

DESI 데이터와 우주의 구조 매핑

반면에 DESI의 데이터는 우주에 대한 더 최근의 기록을 제공합니다. 애리조나 주 키트 피크 국립 천문대에 기반을 두고 로렌스 버클리 국립 연구소에서 운영하는 DESI는 수백만 개의 은하, 특히 밝은 붉은색 은하(LRG)의 분포를 연구하여 우주의 3차원 구조를 매핑합니다. 이 은하들은 우주 랜드마크 역할을 하며 과학자들이 수십억 년에 걸쳐 물질이 어떻게 퍼져나갔는지 추적할 수 있도록 합니다.

 

 

 

LRG와 우주의 졸업 사진

김 연구원은 DESI의 LRG가 은하들이 다양한 거리에 어떻게 분포되어 있는지 보여주는 우주의 더 최근 사진과 같다고 말하며, 이 데이터를 우주의 고등학교 졸업 사진에 비유합니다. CMB 지도에서 현재 은하들이 위치한 곳까지 구조가 어떻게 진화했는지 보여주는 강력한 방법입니다.

 

 

 

고대와 최근 우주의 결합: 우주 CT 스캔

연구진은 ACT의 CMB 데이터에서 얻은 렌즈 효과 지도와 DESI의 LRG를 결합하여 고대와 최근 우주 역사의 전례 없는 중첩을 만들어 초기 우주와 후기 우주 측정을 직접 비교할 수 있게 되었습니다. 마드하바체릴은 이 과정을 "우주 CT 스캔"과 같다고 말하며, 이를 통해 우주 역사의 다양한 단면을 살펴보고 여러 시대에 걸쳐 물질이 어떻게 뭉쳐졌는지 추적할 수 있다고 설명합니다. 이 방법은 수십억 년에 걸쳐 물질의 중력적 영향력이 어떻게 변했는지 직접적으로 보여줍니다.

 

 

뭉침 정도의 불일치와 암흑 에너지 가설

연구진은 이러한 과정을 통해 작은 불일치를 발견했습니다. 후기 시대에 예상되는 뭉침, 즉 밀도 변동이 예측과 정확히 일치하지 않았던 것입니다. 김 연구원은 물질 밀도 변동의 진폭을 측정하는 척도인 시그마 8(σ8)이 핵심 요소이며, σ8 값이 낮을수록 예상보다 뭉침이 적다는 것을 의미한다고 설명합니다. 이는 우주 구조가 초기 우주 모델의 예측에 따라 진화하지 않았을 수 있으며, 현재 모델이 완전히 설명하지 못하는 방식으로 우주의 구조적 성장이 둔화되었을 수 있음을 시사합니다.

 

 

 

새로운 물리학의 가능성과 추가 연구 계획

그는 이러한 예상과의 약간의 차이가 "새로운 물리학을 결정적으로 제시할 만큼 강력하지는 않으며, 이 편차가 순전히 우연에 의한 것일 가능성도 여전히 있다"고 설명합니다. 만약 실제로 이 편차가 우연이 아니라면, 설명되지 않은 어떤 물리학이 작용하여 우주 시간 동안 구조가 형성되고 진화하는 방식에 영향을 미칠 수 있습니다. 한 가지 가설은 우주의 가속 팽창을 이끄는 것으로 생각되는 미스터리한 힘인 암흑 에너지가 이전에 이해했던 것보다 우주 구조 형성에 더 큰 영향을 미칠 수 있다는 것입니다.

연구진은 앞으로 시몬스 천문대와 같이 더 강력한 망원경을 사용하여 이러한 측정값을 더 높은 정밀도로 개선하고 우주 구조를 더 명확하게 관찰할 계획입니다.