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- 2017년부터 2022년 사이 칠레의 아타카마 우주 망원경(ACT)이 촬영한 사진 토대로 작성
- 실제로 우주의 나이는 138억 년이고, 이 연대 측정의 불확실성은 0.1%
- 초기 우주의 원소는 약 3/4이 수소이고 1/4이 헬륨.
- 두 번째로 큰 구성 요소는 약 500조 태양질량의 암흑 물질
- 허블 상수 불인치 확인

우리 우주의 새로운 아기 사진
매핑은 그 어느 때보다 더 높은 해상도로 우주 배경 복사를 보여준다.

처음으로 돌아가기:
천문학자들은 지금까지 가장 정확한 우주 배경 복사 지도를 만들어냈다. 빅뱅 이후 불과 38만 년 후의 우리 우주의 "아기 사진"이다. 원시 방사선의 고해상도 패턴은 우주의 나이, 물질, 암흑 물질, 암흑 에너지의 비율에 대한 정보를 제공한다. 그러나 새로운 자료는 허블 상수의 불일치와 우주 팽창 속도의 불일치도 확인했다. 

▲ 이 다채로운 얼룩덜룩한 패턴은 우주 배경 복사다. 즉, 빅뱅 이후 불과 38만 년 후에 남은 복사다. 그들의 미묘한 변동은 초기 우주의 중요한 특징에 대한 정보를 제공한다. © ACT Collaboration; ESA/Planck Collaboration

빅뱅 이후 약 38만 년 후에 최초의 원자가 등장했고, 우리 우주는 분명해졌다. 이 과정에서 방출되는 방사선은 오늘날에도 여전히 감지할 수 있다. 이는 마이크로파 범위에서만 측정할 수 있는 약한 우주 배경 방사선이다. 그들의 미묘한 패턴은 우주의 원시 상태, 물질 분포, 암흑 물질과 암흑 에너지, 그리고 우주의 팽창에 대한 중요한 정보를 제공한다. 이를 통해 우주론적 표준 모형의 검증도 가능해졌다.

편광 기능을 갖춘 고해상도 "아기 사진“

이제 천문학자들은 지금까지 가장 정확한 우주 배경 복사 지도를 발표했다. 이 연구는 2017년부터 2022년 사이 칠레의 아타카마 우주 망원경(ACT)이 촬영한 사진을 바탕으로 작성되었다. 마이크로파 배경의 새로운 매핑은 2013년에 발표된 ESA 플랑크 위성의 데이터를 포함한 기존 매핑을 보완하고 개선한 것이다. 오슬로 대학의 시구르드 나에스는 "ACT는 플랑크보다 해상도가 5배 높고 감도도 더 뛰어나다"고 보고했다.

▲ 칠레의 아타카마 우주 망원경 내부 모습. 해발 5,190m에 위치한 이 망원경은 우주 배경 복사를 관측하기 위해 특별히 설계되었다. © M. Devlin/ University of Pennsylvania, CC-by-sa 4.0

따라서 우주의 새로운 "아기 사진"은 초기 복사선과 물질의 분포 패턴을 보여줄 뿐만 아니라 배경 복사의 편광을 처음으로 직접 볼 수 있게 해주었다. 이를 통해 우리는 원시 기체가 어떻게 이동했는지에 대한 결론을 도출할 수 있다. 프린스턴 대학의 ACT 책임자인 수잔 스타그스는 "우리는 예전에는 물체가 어디에 있는지 볼 수 있었지만, 이제는 물체가 어떻게 이동하는지도 볼 수 있다"고 말했다.

비슷한 선명도로 마이크로파 배경 복사의 편광을 보여주는 다른 망원경도 있다. 하지만 천문학자들에 따르면, 그 중 어느 것도 ACT만큼 넓은 하늘 영역을 커버할 수는 없다고 한다. 이를 통해 우주의 몇 가지 필수적인 속성을 검증하는 것이 가능해졌다.

우주의 나이와 물질의 비율

예를 들어 ACT 데이터는 우주의 나이에 대한 더 정확한 정보를 제공한다. ACT 협업 보고서에 따르면, 실제로 우주의 나이는 138억 년이고, 이 연대 측정의 불확실성은 0.1%에 불과하다. 이는 우주 배경 복사의 특정 파동 패턴의 크기를 통해 알 수 있다. 펜실베이니아 대학의 마크 데블린은 "젊은 우주는 현재 크기에 도달하기 위해 더 빨리 확장되어야 했을 것"이라고 설명했다.

측정 데이터를 통해 우주에 존재하는 다양한 물질의 질량과 비율을 더욱 자세히 분석하는 것도 가능해졌다. 이에 따르면, 관측 가능한 우주는 사방으로 약 500억 광년으로 확장되고, 약 1,900조 개의 태양질량, 즉 1,900 x 10^21이다. 이 중 가장 작은 부분은 일반 물질로, "겨우" 100조 개의 태양질량을 가지고 있다. 초기 우주의 원소는 약 3/4이 수소이고 1/4이 헬륨이었다.

초기 우주에서 두 번째로 큰 구성 요소는 약 500조 태양질량의 암흑 물질이었다. 그러나 나머지 대부분은 암흑 에너지로 설명된다. 암흑 에너지는 중력에 반하는 힘이고 우주의 팽창을 촉진하는 여전히 신비한 힘이다.

허블 상수의 불일치는 여전히 남아

허블 상수와 우주 팽창의 논란이 되는 문제에 대한 새로운 통찰력도 있다. 지금까지 우주 배경 복사를 기반으로 한 값과 초신성, 변광성, 우주 천체의 거리 측정을 통해 얻은 값 사이에는 상당한 차이가 있다. 전자의 경우 허블 상수는 메가파섹당 초당 67~68km이고, 거리 측정값은 최대 73~74km/Sec/Mpc에 이른다.

▲ 이 ACT 이미지는 이상한 배경 복사의 편광을 보여준다. 그 패턴은 특히 초기 기체의 이동에 대한 정보를 제공다. © ACT Collaboration; ESA/Planck Collaboration

ACT 매핑은 이제 불일치 사항을 확인했다. 천문학자들은 배경 복사를 기반으로 한 기존 분석의 낮은 값과 일치하는 허블 상수를 결정했다. Staggs는 "더 높은 가치를 뒷받침할 부분적인 증거조차 찾지 못했다는 사실이 우리에게는 다소 놀라운 일이었다"고 말했다.

따라서 새로운 매핑은 우주의 알려지지 않은 효과나 변화하는 팽창 속도의 존재를 가정하는 모델과 모순된다. "ACT 데이터는 그러한 새로운 신호에 대한 증거를 보여주지 않는다. 우리의 새로운 결과로 우주론의 표준 모형은 매우 정확한 테스트를 통과했다"고 뉴욕 컬럼비아 대학교의 콜린 힐이 강조했다. 하지만 이러한 불일치의 원인이 무엇인지는 아직 분명하지 않다. (Global Physics Summit 2025; Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, submitted)
출처:Princeton University, ACT Collaboration

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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