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- 국부 우주에 광활한 얇아진 영역이 존재한다는 새로운 증거 발견
- "허블 불일치는 주로 국부적인 현상이다."
- 우리 은하계는 약 200만 광년 크기의 공극 중심에 위치할 수 있다.

우리는 (결국) 광활한 공허 속에 있는 걸까?
천문학자들이 국부 우주에 광활한 얇아진 영역이 존재한다는 새로운 증거를 발견했다.

우주 사막:
우주의 광활한 얇아진 영역은 우주의 국부 영역이 예상보다 빠르게 팽창하는 이유를 설명할 수 있다. 천문학자들은 이제 은하 분포 패턴에서 그러한 공허의 새로운 증거를 발견했다. 이러한 데이터와 모델에 따르면, 그러한 얇아진 영역은 그러한 공허가 없는 우주보다 표준 우주론 모형에 수백만 배 더 잘 부합한다. 하지만 이것으로 허블 상수에 대한 논쟁이 종식될 수 있을까? 

▲ 우리 은하(녹색)가 우주의 광활하고 얇아진 영역에 위치한다면, 국소 우주가 예상보다 빠르게 팽창하는 이유를 설명할 수 있을 것이다. © Moritz Haslbauer and Zarija Lukic

이 개념은 새로운 것이 아니다. 천문학자들은 수년 동안 우리 은하와 국부 은하군이 우주의 엄청나게 큰 얇아진 영역인 국부 공허에 있는지 논쟁해 왔다. 이 영역의 낮은 물질 밀도는 우주론의 가장 큰 미스터리 중 하나를 해결할 수 있다. 바로 현재의 초신성, 변광성, 그리고 은하를 기반으로 한 측정값이 허블 상수, 그리고 우주 팽창에 대해 초기 우주 시대의 데이터보다 더 높은 값을 보이는 이유다.

국부 공극이 존재할까?

"이러한 불일치에 대한 한 가지 설명은 우리 은하가 국부 공극의 중심에 위치한다는 것이다. 이로 인해 이 영역 내부의 물질이 더 밀도가 높은 환경의 중력에 끌리게 된다"고 포츠머스 대학교의 인드라닐 바닉은 설명한다. "이러한 인력으로 인해, 국부 공극의 천체들은 이 공극이 존재하지 않았을 때보다 더 빨리 우리로부터 멀어잔다. 이는 전반적으로 우주 팽창이 더 빠르다는 인상을 준다.“

하지만 이 국부 공극에 대한 증거가 있을까? 우리 은하가 실제로 비교적 빈 영역의 가장자리에 위치하고 있다는 것은 오래전부터 알려져 왔다. 이 공극의 반경은 약 7,500만 광년에 불과하다. 따라서 허블 상수의 차이를 설명하기에는 너무 작다. 일부 은하의 개수는 밀도가 약간 감소했음을 나타내지만, 그 정도는 불분명하다.

또한, 우주 물질 분포 지도는 더 조밀하고 더 희박한 영역으로 구성된 우주 네트워크를 보여준다. 그러나 더 큰 규모에서 물질 분포는 표준 우주론에서 예상했던 것보다 더 균일하다. 수십억 광년 크기의 공허는 이 그림에 맞지 않다.

▲ 천문학자들은 우주의 팽창을 측정하고 진화를 추적하기 위해 다양한 방법을 사용하고 있다. 하지만 여전히 불일치가 존재한다. © Indranil Banik

은하 패턴의 미묘한 왜곡

바닉과 그의 팀은 왕립 천문학회 연례 회의에서 발표한 연구를 통해 새로운 정보를 제공하고 있다. 그들의 분석은 소위 중입자 음향 진동(BAO)에 기반한다. BAO는 빅뱅 직후의 동심원 밀도파다. 바닉은 "우주가 원자를 형성할 만큼 충분히 식었을 때, 이러한 파동은 얼어붙었다"고 설명한다. 이로 인해 은하의 대규모 분포에 오늘날까지도 측정할 수 있는 패턴이 남았다.

따라서 천문학자들은 중입자 음향 진동(Baryonic Acoustic Oscillations)을 이용하여 우주 팽창의 진화를 추적할 수 있을 뿐만 아니라, 비정상적으로 큰 공극(void)의 존재를 검증할 수도 있다. 천문학자는 "국부 공극은 BAO의 각 크기와 적색편이의 비율에 약간의 왜곡을 발생시킨다"고 설명했다. 이는 얇아진 영역에서 바깥쪽으로 움직이는 은하들이 측정된 적색편이를 증폭시켜 진동 값과 더 일치하지 않기 때문이다.

▲ 초기 우주의 플라즈마에 존재하는 밀도파는 오늘날까지 은하 분포에 미묘한 흔적을 남겼다. 만약 국소적 공극이 존재한다면, 이러한 패턴에 왜곡이 발생할 것이다. © Gabriela Secara/ Perimeter Institute

"허블 불일치는 주로 국부적인 현상이다."

그리고 실제로 바닉과 그의 동료들은 측정 데이터와 보완 모델을 사용하여 이러한 왜곡을 탐색했고, 이를 발견했다. 천문학자는 "지난 20년간의 모든 BAO 측정 데이터를 분석해 보면, 공극 모델은 그러한 영역이 없는 모델보다 플랑크 우주론의 매개변수에 약 1억 배 더 잘 부합한다"고 보고했다. "따라서 허블 불일치는 주로 국부적인 현상이다.“

연구자에 따르면, 연구 결과는 공극 가설을 뒷받침한다. 이 가설에 따르면, 우리 은하계는 약 200만 광년 크기의 공극 중심에 위치할 수 있다. 중입자 음향 진동(Baryonic Acoustic Oscillations)의 왜곡 현상을 설명하려면 이 영역의 물질 밀도가 우주 평균보다 약 20% 낮아야 한다. 바닉은 "이러한 공극은 허블 문제에 대한 유망한 해결책이 될 것이다"고 말했다.

그러나 더 확실한 증거는 아직 부족하다. 따라서 국소 공극의 존재는 천문학자들 사이에서 여전히 논란의 여지가 있다. 더 많은 측정과 분석이 필요하다.

참고: 2025년 국립 천문학 회의(NAM) 논문 842
출처: Royal Astronomical Society

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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