중력의 힘, 우주 구조 형성의 비밀을 밝히다

중력은 우주의 형성과 진화에 결정적인 역할을 했다.

초기 우주에서 미세한 물질 밀도 차이가 중력의 영향으로 점차 커지면서, 오늘날 우리가 보는 거대한 은하 필라멘트 구조가 형성되었다.

최근, 암흑 에너지 분광 장비(DESI)의 데이터를 활용한 새로운 연구를 통해, 지난 110억 년 동안 우주 구조가 어떻게 성장했는지 추적하는 데 성공했다.

이는 매우 큰 규모에서 중력이 어떻게 작용하는지에 대한 가장 정밀한 검증이다.

DESI는 전 세계 70여 개 기관의 900명 이상의 연구원들이 참여하는 국제 협력 프로젝트로, 미국 에너지부 산하 로렌스 버클리 국립 연구소(Berkeley Lab)에서 관리한다.

새로운 연구에서 DESI 연구팀은 중력이 아인슈타인의 일반 상대성 이론이 예측한 대로 작용한다는 사실을 발견했다.

이 결과는 우리의 우주 모델을 검증하고, 암흑 에너지로 설명되는 우주의 가속 팽창 등의 예상치 못한 관측 결과를 설명하기 위해 제안된 수정 중력 이론의 가능성을 제한한다.

 

프랑스 국립 과학 연구 센터(CNRS)의 우주론자인 폴린 자루크(Pauline Zarrouk)는 “일반 상대성 이론은 태양계 규모에서 매우 잘 검증되었지만, 우리는 이 가정이 훨씬 더 큰 규모에서도 작용하는지 확인할 필요가 있었다”고 말했다.

“은하가 형성되는 속도를 연구하면 우리의 이론을 직접적으로 검증할 수 있고, 지금까지는 우주론적 규모에서 일반 상대성 이론이 예측하는 것과 일치하고 있다.”

 

 

 

 

중성미자 질량의 비밀에 한 걸음 더 가까워지다

DESI 연구는 중성미자의 질량에 대한 새로운 상한선도 제시했다.

중성미자는 질량이 아직 정확하게 측정되지 않은 유일한 기본 입자이다.

이전 중성미자 실험에서는 세 종류의 중성미자 질량의 합이 최소 0.059eV/c² 이상이어야 한다는 것을 발견했다. (참고로 전자의 질량은 약 511,000eV/c²이다.) DESI의 결과는 이 합이 0.071eV/c² 미만이어야 한다는 것을 나타내며, 중성미자 질량의 범위를 좁힌다.

 

DESI 협력단은 오늘 arXiv 온라인 저장소에 여러 논문을 게시하여 연구 결과를 공유했다.

복잡한 분석에는 약 600만 개의 은하와 퀘이사가 사용되었으며, 연구원들이 110억 년 전까지 과거를 볼 수 있게 해준다.

DESI는 1년의 데이터만으로 구조 성장에 대한 가장 정밀한 전체 측정을 수행하여, 수십 년에 걸쳐 이루어진 이전의 노력을 능가했다.

오늘 발표된 결과는 DESI의 첫 1년간의 데이터에 대한 확장된 분석을 제공한다.

4월에 발표된 결과는 지금까지 가장 큰 3D 우주 지도를 만들고 암흑 에너지가 시간에 따라 진화할 수 있다는 힌트를 발견했다.

 

4월 결과는 은하가 클러스터되는 방식의 특정 특징인 바리온 음향 진동(BAO)을 살펴보았다.

새로운 분석인 "전체 형태 분석"은 데이터에서 더 많은 정보를 추출하기 위해 범위를 확장하여 은하와 물질이 공간 전체에서 다양한 규모로 어떻게 분포되어 있는지를 측정한다.

이 연구는 수개월의 추가 작업과 교차 검증이 필요했다.

이전 연구와 마찬가지로 연구 결과를 과학자들에게 공개하기 전까지 숨기는 기법을 사용하여 무의식적인 편향을 최소화했다.

 

 

우주 구조의 성장, 더욱 정밀한 관측으로 밝혀진 비밀

미시간 대학교의 드라간 후테레르 교수는 “BAO 결과와 전체 형태 분석 모두 놀랍다”며 “DESI가 우주 구조의 성장을 살펴본 것은 이번이 처음이다.

우리는 수정 중력을 탐색하고 암흑 에너지 모델에 대한 제약 조건을 개선하는 엄청난 새로운 능력을 보여주고 있다.

이는 빙산의 일각에 불과하다”고 말했다.

 

DESI는 동시에 5,000개의 은하에서 빛을 포착할 수 있는 최첨단 장비이다.

미국 에너지부 과학국의 자금으로 건설 및 운영되며, 키트 피크 국립 천문대의 니콜라스 U. 메이얼 4미터 망원경에 장착되어 있다.

이 실험은 현재 5년 중 4년째 하늘을 조사하고 있으며, 프로젝트가 끝날 때까지 약 4천만 개의 은하와 퀘이사를 수집할 계획이다.

협력단은 현재 수집된 첫 3년간의 데이터를 분석하고 있으며, 2025년 봄에 암흑 에너지와 우주의 팽창 역사에 대한 업데이트된 측정 결과를 발표할 예정이다.

 

오늘 발표된 DESI의 확장된 결과는 실험의 이전 결과와 일치하며, 진화하는 암흑 에너지에 대한 선호를 강화한다.

버클리 랩과 UC 버클리의 박사 과정 학생인 마크 마우스는 “암흑 물질은 우주의 약 25%를 차지하고, 암흑 에너지는 70%를 차지하며, 우리는 이 둘이 무엇인지 실제로 모른다”며 “우리가 우주의 사진을 찍고 이러한 큰 근본적인 질문을 해결할 수 있다는 생각은 놀랍다”고 말했다.