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- 1990년대 말에 천문학자들은 우주론적 세계관의 기반을 다시 한번 뒤흔드는 발견
- 우주의 팽창은 시간이 지나면서 느려지지 않았으며, 오히려 지난 60억 년 동안 가속화
- 솔 펄머터, 브라이언 슈미트, 애덤 리스;가속 팽창을 발견한 공로로 노벨 물리학상 수상
- 암흑 에너지가 우리 우주의 에너지 밀도의 약 70%를 차지

신비한 가속
우주의 팽창을 촉진하는 것은 무엇일까?

처음에 에드윈 허블이 이상한 팽창을 발견하고 추가 연구를 한 후 모든 것이 다시 어느 정도 정상화되는 것처럼 보인다. 즉, 아인슈타인이 어쨌든 싫어했던 장 방정식의 상수는 더 필요하지 않으며 빅뱅의 시간은 지금은 대략적으로 알려졌다. 그러나 1990년대 말에 천문학자들은 우주론적 세계관의 기반을 다시 한번 뒤흔드는 발견을 했다. 

▲ 펄머터, 스미스와 그들의 팀은 1형 a 초신성을 사용하여 팽창을 측정했다. 허블 망원경은 7천만 광년 떨어진 은하계 NGC 2525에서 백색 왜성이 폭발하는 모습을 포착했다. © ESA/NASA, Hubble, A. Riess and SH0ES team/ CC-by 4.0

벤치마크로서의 초신성

이러한 움직임의 원동력은 연구자들이 이전보다 훨씬 더 정확하게 팽창률을 결정하고자 하는 두 가지 프로젝트에서 비롯됐다. 이를 위해 로렌스 버클리 국립연구소의 Saul Perlmutter와 호주 국립대학의 Brian Schmidt가 이끄는 팀은 먼 은하에 있는 백색 왜성의 초신성 폭발, 소위 1a형 초신성을 찾고 있었다. 최대 밝기가 알려져 있으므로 우주 거리 측정기로 특히 적합하다. 따라서 이를 적색편이와 결합하면 우주의 팽창을 측정하는 데 사용될 수 있다.

펄머터, 스미스와 그들의 팀은 측정을 통해 특정한 결과를 기대했다. 당시의 일반적 믿음에 따르면, 우주의 팽창은 초기에 빠르게 시작된 후 느려졌다. 하지만 두 팀이 수년간 분석한 결과, 사실은 정반대였다. 적어도 50개의 먼 별 폭발이 예상보다 어둡다는 것이 밝혀졌다. 그러므로 초기의 확장은 오늘날보다 더 빠를 수 없었다.

우주의 확장이 가속화되고 있다?!

이 결과는 천문학자들에게 완전히 놀라운 일이었다. "분석의 사슬이 너무 길었고 우주가 너무 기만적일 수 있어서 처음에는 우리 자신의 결과를 믿고 싶지 않았다." 펄머터는 나중에 기사에 이렇게 썼다. 하지만 평가를 여러 번 반복하고 오류의 가능한 원인을 찾아봐도 결과는 똑같았다. 그들의 주장에 따르면, 우주의 팽창은 시간이 지나면서 느려지지 않았으며, 오히려 지난 60억 년 동안 가속화되었다.

하지만 어떻게 이럴 수 있을까? 이 결과는 모든 물리적 논리에 모순되는 것처럼 보인다. 모든 물질 중 중력의 매력적인 효과만으로도 우주의 팽창을 막는 브레이크 역할을 할 수밖에 없다. 따라서 가속된 팽창은 높이 공중으로 던져진 공이 땅으로 떨어지지 않고 점점 더 하늘로 날아가는 것만큼 예상치 못한 일이다.

▲ 우주의 확장은 약 600만 년 동안 가속화되어 왔지만 그 이유와 방법은 아직 알려지지 않았다. © Nobelprize Foundation

1998년에 두 천문학자 팀은 모두 자신들의 결과를 발표했고, 이로써 완벽한 감각이 탄생했다. "이러한 발견은 우주에 대한 우리의 관점을 변화시키고 물리학에 근본적이고 새로운 질문을 던진다." 저널 "Science"는 즉시 두 연구 그룹의 결과를 1998년의 획기적인 발견이라고 선언했다. 2011년에 이 발견에 크게 관여한 세 명의 천문학자는 솔 펄머터, 브라이언 슈미트, 애덤 리스는 가속 팽창을 발견한 공로로 노벨 물리학상을 수상했다.

아인슈타인의 상수와 암흑 에너지

가속 팽창의 발견으로 인해 아인슈타인의 인기 없는 우주상수 λ가 다시 중요해졌다. 허블이 끊임없이 확장하고 있는 우주를 발견한 후로, 이런 이론은 더 필요 없게 되었고, 아인슈타인은 50여 년 전에 이를 자신의 방정식에서 삭제했다. 이제 그의 후계자들이 그것을 다시 넣고 있다. 이로 인해 가속 팽창은 표준 우주론적 모델과 호환이 가능해졌다. 적어도 수학적으로는 가속도 문제에 대한 해결책을 제공한다.

▲ 암흑 에너지는 우주의 팽창을 주도하는 힘일 수 있다. 하지만 그것이 무엇이고 어떻게 작동하는지는 아직 전혀 알려지지 않았다. © ESA/Plank collaoration

하지만 우주론적으로는 여전히 큰 의문이 남는다. 우주의 팽창이 이처럼 신비롭게 가속화되는 원인은 무엇일까? 이런 현상은 실제로 중력의 반대자에 의해서만 설명될 수 있다. 무언가가 물질의 끌어당기는 힘과 그에 따른 제동력을 상쇄해야 한다. 도대체 무엇이 그렇게 할까?

설명이 부족해서 우주론자들은 이것을 간단히 "암흑 에너지"라고 부른다. 하지만 그것이 무엇이고 정확히 어떻게 작동하는지는 오늘날까지도 불분명하다. 이에 대한 가설은 수십 개가 있지만, 이 신비한 힘은 아직 관찰되거나 확인될 수 없다. 유일하게 분명하게 보이는 것은 이 암흑 에너지가 우리 우주의 에너지 밀도의 약 70%를 차지한다는 것이다. 그러므로 그것은 우리 우주의 "레시피"에서 가장 큰 몫을 차지하지만, 우리에게는 전혀 알려지지 않았다. (끝)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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