우주 팽창 속도, 이론과 실제의 불일치 심화

최근 우주 팽창 속도 측정 결과가 기존 이론 모델과 큰 차이를 보이며, 우주론의 '위기'를 초래하고 있다는 연구 결과가 발표되었습니다. 이는 과거에도 논쟁의 대상이었던 문제로, 우주가 이론적 예측보다 훨씬 빠른 속도로 팽창하고 있다는 사실을 재확인시켜줍니다. 이러한 이론과 관측의 불일치는 '허블 장력(Hubble tension)'이라고 불리며, 이번 연구는 이러한 불일치를 더욱 심화시키는 결과를 보여줍니다. 연구를 이끈 댄 스콜닉은 이러한 상황을 '위기'라고 표현했습니다.

 

 

허블 상수의 중요성과 측정의 어려움

우주 팽창 속도를 나타내는 '허블 상수'를 결정하는 것은 1929년 에드윈 허블이 우주 팽창을 처음 발견한 이후 중요한 과학적 과제였습니다. 스콜닉 교수는 이를 우주의 성장 차트를 만드는 것에 비유했습니다. 빅뱅 당시의 우주 크기는 알고 있지만, 현재 크기로 어떻게 성장했는지 알아내는 것이 목표입니다. 그는 먼 우주, 즉 은하의 초기 씨앗을 '아기 사진'으로, 우리 은하와 이웃 은하들을 포함하는 현재의 우주를 '현재 사진'으로 표현하며, 표준 우주론 모델은 이 둘을 연결하는 성장 곡선이라고 설명합니다. 하지만 문제는 이 둘이 제대로 연결되지 않는다는 것입니다. 이는 현재의 우주론 모델에 문제가 있을 수 있음을 시사합니다.

 

 

우주 거리 측정의 '사다리'와 새로운 연구 결과

우주 거리를 측정하기 위해서는 '우주 사다리'라는 일련의 방법을 사용해야 합니다. 이는 천체까지의 거리를 측정하기 위해 여러 단계를 거치는 방식으로, 각 단계는 이전 단계의 결과를 바탕으로 보정됩니다. 스콜닉 교수 연구팀은 DESI(Dark Energy Spectroscopic Instrument)의 데이터를 활용한 다른 연구팀이 만든 사다리를 사용했습니다. DESI는 킷픽 국립 천문대에서 매일 밤 10만 개 이상의 은하를 관측하는 장비입니다. 이 관측 데이터를 통해 더욱 정확한 우주 팽창 속도를 측정할 수 있었지만, 결과는 기존 이론과의 불일치를 더욱 명확하게 보여주었습니다. 이는 기존 우주론 모델의 수정 혹은 새로운 이론의 필요성을 제기하는 중요한 발견입니다.

 

코마 은하단과의 거리 측정으로 허블 상수 정밀도 향상

스콜닉 교수는 DESI 협업 연구팀이 구축한 우주 거리 사다리의 첫 번째 단계, 즉 지구에서 가장 가까운 은하단 중 하나인 코마 은하단까지의 정확한 거리가 누락되어 있음을 인지했습니다. 그는 이 첫 단계를 정확하게 측정함으로써 허블 상수의 정밀도를 크게 향상시킬 수 있다고 판단했습니다. 스콜닉 교수는 DESI 연구팀이 어려운 부분을 이미 수행했지만, 그들의 사다리에는 첫 번째 단계가 빠져 있었다고 설명하며, 자신이 그 단계를 채울 방법을 알고 있었고, 이를 통해 얻을 수 있는 허블 상수 측정값이 매우 정밀할 것이라는 것을 확신했기에 DESI의 논문이 발표되자 모든 일을 멈추고 이 연구에 매달렸다고 밝혔습니다.

 

 

1a형 초신성을 이용한 거리 측정

코마 은하단까지의 정확한 거리를 얻기 위해 스콜닉 교수와 공동 연구자들은 템플턴 재단의 지원을 받아 코마 은하단 내 12개 1a형 초신성의 광도 곡선을 사용했습니다. 어두운 길을 밝히는 촛불처럼, 1a형 초신성은 예측 가능한 광도를 가지고 있으며, 이는 거리와 관련되어 있기 때문에 거리 계산에 신뢰할 수 있는 천체입니다. 연구팀은 약 3억 2천만 광년이라는 거리를 도출해냈는데, 이는 지난 40년간의 연구에서 보고된 거리 범위의 거의 중심에 해당하는 값으로, 측정의 정확성을 뒷받침하는 고무적인 결과입니다.

 

 

편향되지 않은 정확한 측정

스콜닉 교수는 이번 측정이 허블 장력 이야기가 어떻게 끝날지에 대한 생각에 편향되지 않았다고 강조했습니다. 코마 은하단은 우리 은하의 가까운 곳에 위치하고 있으며, 그 중요성이 알려지기 훨씬 이전부터 측정되어 왔기 때문입니다. 이러한 고정밀 측정을 첫 번째 단계로 사용하여 연구팀은 나머지 우주 거리 사다리를 보정했습니다. 그 결과, 허블 상수는 76.5km/s/Mpc(메가파섹당 킬로미터/초)라는 값을 얻었습니다. 이는 기본적으로 국부 우주가 326만 광년마다 초당 76.5km씩 더 빠르게 팽창하고 있다는 것을 의미합니다. 이 새로운 측정은 기존의 허블 상수 값들과의 차이를 더욱 명확히 보여주며, 우주 팽창 속도에 대한 기존 이론에 대한 재검토의 필요성을 더욱 강조합니다.

 

국부 우주 팽창 속도 측정 결과와 이론의 불일치 지속

이번 연구에서 도출된 허블 상수 값은 국부 우주의 팽창 속도에 대한 기존 측정값들과 일치합니다. 하지만 이러한 측정값들은 모두 먼 우주 예측을 사용한 허블 상수 측정값들과 충돌합니다. 즉, 다른 연구팀들이 최근 측정한 우주 팽창 속도와는 일치하지만, 현재의 물리학 이론이 예측하는 값과는 일치하지 않는다는 것입니다. 오랜 기간 제기되어 온 질문은 측정의 오류인지, 모델의 오류인지에 대한 것입니다. 스콜닉 교수 연구팀의 새로운 결과는 허블 장력의 근본 원인이 모델에 있다는 주장을 강력하게 뒷받침합니다.

 

 

기존 연구 결과의 재확인과 모델의 한계점 부각

스콜닉 교수의 연구는 표준 물리학 모델을 사용하여 예측한 허블 상수 값에 지속적으로 이의를 제기해 왔습니다. 그는 지난 10여 년 동안 자신의 연구팀의 초기 결과가 정확한지 확인하기 위한 공동체의 많은 재분석이 있었다고 언급했습니다. 수많은 요소들을 바꿔가면서 분석했음에도 불구하고, 모든 연구에서 매우 유사한 값이 도출되었다는 점을 강조하며, 이번 연구 결과가 지금까지 얻은 것 중 가장 확실한 확인이라고 평가했습니다. 이는 측정 방법의 문제가 아닌, 기존 모델 자체의 문제일 가능성을 시사합니다.

 

 

우주론의 새로운 방향과 향후 발견에 대한 기대

스콜닉 교수는 25년 동안 사용해 온 모델의 한계에 직면해 있으며, 실제 관측 결과와 이론이 일치하지 않는 상황이라고 지적했습니다. 이러한 상황은 우주에 대한 우리의 사고방식을 재구성할 수 있으며, 매우 흥미로운 일이라고 덧붙였습니다. 우주론에는 여전히 놀라운 발견들이 남아 있으며, 앞으로 어떤 발견들이 나올지 예측할 수 없다는 기대를 표명했습니다. 이번 연구는 기존의 우주론 모델에 대한 심각한 도전을 제기하며, 새로운 이론의 필요성을 강조하는 중요한 계기가 될 것으로 보입니다.