1998년에 천문학자들은 초신성이라고 불리는 먼 곳에서 폭발하는 별에서 나오는 빛을 관찰하면서 우주가 단지 팽창하고 있는 것이 아니라 가속되고 있다는 사실을 발견했습니다. 하지만 이러한 가속 뒤에 무엇이 있었습니까?
암흑 에너지. 이는 현대 물리학에서 가장 논란이 많고 흥미로운 퍼즐 조각 중 하나입니다. 이는 모든 공간에 균일하게 스며드는 것으로 믿어지는 신비한 형태의 에너지입니다. 현재 가장 널리 받아들여지는 현대 우주론 모델에서 암흑 에너지는 우주의 가속 팽창을 주도하는 것입니다.
하지만 암흑에너지와 관련되지 않은 또 다른 설명이 있다면 어떨까요? 초신성 데이터를 사용한 최근 연구에 따르면 실제로는 대안적인 설명이 있을 수 있으며 이를 ‘시간경관 모델’이라고 합니다.
이번 발견은 우주에 대한 우리의 이해에 심각한 도전이 될 수 있습니다. 그럼 해당 주제에 대해 좀 더 자세히 살펴보겠습니다.
암흑에너지란 무엇인가?
현대 우주론의 중추는 모델이다 람다-차가운 암흑물질 (Cold Dark Matter-Lambda 또는 Lambda-CDM은 영어 약어로). 이는 그리스 문자 람다(Lambda)를 의미하는 Λ로 표시되는 암흑 에너지가 우주의 가속 팽창을 촉진하는 메커니즘인 우주를 설명합니다.
이 모델에 따르면 은하계는 어떤 것과도 상호작용하지 않는 무거운 입자로 이루어진 눈에 보이지 않는 암흑물질 네트워크의 영향으로 함께 춤을 추고 있다고 합니다. 이 차가운 암흑물질의 효과는 중력을 통해서만 관찰할 수 있습니다.
사진: 대화
Lambda-CDM 모델에 따른 우주의 타임라인.NASA/LAMBDA 아카이브/WMAP 과학팀
암흑에너지는 우주 전체 에너지의 거의 70%를 차지하지만, 그 정확한 성질은 물리학에서 가장 큰 미스터리 중 하나로 남아있습니다.
일부 해석에서는 암흑 에너지가 진공 에너지와 연결될 수 있다고 제안하는 반면, 다른 연구에서는 이를 우주 전역에 퍼져 있는 새롭고 진화하는 에너지 장으로 설명하려고 시도했습니다.
그리고 우주 팽창을 추적하는 국제 DESI 협력의 최근 연구는 암흑 에너지가 시간이 지남에 따라 약화될 수 있음을 암시했습니다.
현재의 중력 이론(아인슈타인의 일반 상대성 이론)이 불완전할 수도 있습니다. 아마도 우주 규모, 즉 수백만 광년에서 수십억 광년 정도의 거리에서 중력 상호 작용을 설명하려면 확장이 필요할 것입니다.
Timescape 모델이란 무엇입니까?
물질(암흑 물질, 가스, 은하, 성단, 초은하단)은 우주 전체에 고르게 퍼지지 않습니다.
그러나 Lambda-CDM 모델의 경우 우주가 균질하고 등방성이라고 가정합니다. 이는 우주 규모에서 물질의 분포가 부드럽고 균일하게 나타난다는 것을 의미합니다. 우리가 발견할 수 있는 덩어리나 틈은 전체 규모가 크기 때문에 중요하지 않은 것으로 간주될 수 있습니다.
반면, Timescape 모델은 물질의 고르지 못한 분포를 고려합니다. 그는 은하, 성단, 필라멘트 및 광대한 우주 공극으로 구성된 우리의 복잡한 우주 웹이 우주의 팽창을 해석하는 방법에 직접적인 영향을 미친다고 제안합니다.
이는 우주가 균일하게 팽창하지 않는다는 것을 의미합니다.
Timescape 모델에 따르면 우주의 팽창 속도는 밀도에 따라 지역마다 다릅니다.
Timescape 모델의 주요 매개변수는 “공극률”입니다. 이는 팽창하는 공극이 차지하는 공간의 비율을 정량화합니다.
중력은 공극이 밀도가 높은 지역보다 더 빠르게 팽창하도록 지시합니다. 공극을 방해하는 물질이 적기 때문에 공간이 더 자유롭게 확장될 수 있습니다. 이는 Lambda-CDM의 암흑 에너지로 인한 가속화된 팽창을 모방할 수 있는 평균 효과를 생성합니다.
간단히 말해서, 시간경관 모델은 우리에게 우주의 팽창이 가속화되고 있는 것처럼 보일 수 있음을 시사합니다. 팽창 속도는 당신이 우주의 어디에 있는지에 따라 달라집니다.
연구 결과는 무엇이었나요?
새로운 연구의 저자들은 “Pantheon+ 데이터 세트”라고 불리는 Ia형 초신성의 가장 큰 컬렉션 중 하나를 분석했습니다. 이 초신성은 우주 모델을 테스트하는 데 사용되는 신뢰할 수 있는 표준입니다.
팀은 표준 Lambda-CDM(우리의 “기본” Universe 레시피)과 Timescape 모델이라는 두 가지 주요 모델을 비교했습니다.
근처의 밝은 초신성을 관찰할 때 Timescape 모델은 표준 모델보다 상황을 더 잘 설명했습니다. 그러나 이는 단지 통계적일 뿐이며, 통계 분석에서는 “매우 강한” 선호도를 보여주었습니다.
사물이 더 고르게 분포되어야 하는 더 멀리 있는 초신성을 관찰할 때에도 Timescape는 여전히 일반 모델보다 약간 더 나은 성능을 유지했습니다.
결론은? 우주의 “덩어리와 공극”이 우주가 성장하는 모습을 어떻게 변화시키는가에 초점을 맞춘 시간경관 모델은 우주 팽창의 진정한 본질을 포착하는 데 더 나을 수도 있습니다. 이것은 근처 우주의 경우 특히 그렇습니다. 우리 근처에는 많은 공극과 필라멘트가 있으며 이는 우리가 팽창을 보는 방식에 영향을 미칩니다.
그렇다면 증거는 얼마나 강력합니까?
중요한 주의 사항이 있습니다. 이 분석에서는 초신성 측정에 영향을 미칠 수 있는 은하의 작고 무작위적인 움직임인 고유한 속도를 고려하지 않습니다. 그들은 또한 더 밝은 초신성이 단순히 탐지하기 더 쉽기 때문에 데이터에 포함될 가능성이 더 높은 Malmquist 편향을 고려하지 않습니다.
이러한 가능한 오류 원인은 결과에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다. 또한 이 연구에서는 가장 최근의 DES5yr 초신성 데이터 세트를 사용하지 않았습니다. Pantheon+보다 데이터 수집이 더 일관되고 균일하므로 비교 신뢰성이 더 높습니다.
현재 Lambda-CDM 모델을 지원하는 초신성 외에도 주로 중입자 음향 진동과 중력 렌즈 등의 다른 측면이 있습니다. 향후 작업에서는 이를 Timescape 모델에 통합해야 합니다.
그러나 이번 새로운 연구를 통해 Timescape 모델은 Lambda-CDM에 대한 흥미로운 대안을 제공합니다. 결론은 우리 우주의 가속은 물질의 고르지 않은 분포로 인한 환상이며, 큰 우주 공극이 밀도가 높은 지역보다 더 빠르게 팽창한다는 것입니다.
만약 확인된다면, 이것은 우주론의 혁명적인 패러다임 전환을 의미할 것입니다.
Rossana Ruggeri는 호주 연구 위원회(ARC)로부터 “우주의 가장 큰 3D 지도로 암흑 에너지 조사”라는 제목의 독립적인 연구 프로젝트를 지원하는 DECRA(Discovery Early Career Researcher Award)를 받았습니다.
