4분 읽기
- 우주 팽창 속도를 결정하려면 천체의 정확한 거리와 적색 편이를 알아야 한다.
- 암흑 에너지 약화가 이미 진행 중임을 시사
- 향후 5년 안에 새로운 루빈 천문대는 2만 개가 넘는 새로운 초신성 은하 발견, 측정할 것

우주의 팽창 속도가 느려지고 있는가?
새로운 분석 결과, 암흑 에너지 약화가 이미 진행 중임을 시사

표준 모형이 뒤집히고 있는가? 새로운 분석 결과, 우주의 팽창 속도가 지금까지 잘못 측정되었을 가능성이 드러났다. 이러한 분석에 따르면, 우주는 더 가속 팽창하는 것이 아니라 이미 팽창 속도가 느려지고 있으며, 이는 표준 우주론 모형과 모순된다. 암흑 에너지 또한 더 일정하지 않고 약화되고 있다. 이 완전히 새로운 관점의 근거는 우주론에서 가장 중요한 "표준 촛불"인 Ia형 초신성에서 이전에 간과되었던 이상 현상이다. 

▲ 은하 NGC 4526의 왼쪽 아래에 있는 사진과 같은 Ia형 초신성은 우주의 거리를 측정하는 데 중요한 기준점이다. © NASA/ESA

빅뱅 이후 우주는 지속적으로 팽창해 왔으며, 1990년대 이후 이러한 우주 팽창이 꾸준히 가속화되고 있다는 사실도 알려져 왔다. 이러한 팽창의 원동력은 중력의 인력을 상쇄하는, 이전에는 알려지지 않았던 힘인 암흑 에너지로 여겨졌다. 하지만 현재의 우주 팽창 속도와 더불어, 표준 우주론 모델의 초석 중 하나인 우주 상수의 값에 대한 논쟁이 끊이지 않고 있다.

1a형 초신성은 결국 표준 촉광이 아니다.

문제:
우주 팽창 속도를 결정하려면 천체의 정확한 거리와 적색 편이를 알아야 한다. 지금까지 천문학자들은 변광성, 퀘이사, 그리고 은하 분포 패턴(바리온 진동, BAO)과 함께 1a형 초신성을 우주의 기준점으로 주로 사용해 왔다. 이러한 백색 왜성 폭발은 그 광도가 고정된 규칙을 따르고 따라서 표준화되어 있기 때문에 우주론적 "표준 촉광"으로 간주된다. 적어도 일반적인 가정은 그렇다.

그러나 새로운 분석 결과에 따르면 1a형 초신성은 모두 같은 밝기로 빛나는 것은 아니다. 젊은 별 집단의 초신성은 오래된 별의 초신성보다 희미한 것으로 보인다. 연세대학교 손준혁 교수 연구팀은 "초신성 모은하의 직접적이고 포괄적인 연령 측정 결과, 표준화된 초신성 밝기와 모별의 연령 사이에 5.5 시그마 수준의 유의미한 상관관계가 나타났다"고 보고했다.

이는 우주 팽창에 어떤 의미를 갖는가?

이는 이전의 우주 거리 측정값이 틀렸을 수 있으며, 따라서 이를 통해 도출된 우주 팽창 값 또한 틀렸을 수 있음을 의미한다. 그렇다면 이러한 측정 오류의 구체적인 결과는 무엇일까? 손 교수 연구팀은 이러한 연령 관련 초신성 편차를 보정한 이전 측정값과 보정하지 않은 이전 측정값이 표준 우주론 모델에 얼마나 잘 부합하는지 비교했다.

미국 애리조나주 키트 피크 국립 천문대에 설치된 암흑 에너지 분광기(DESI)의 최신 데이터셋에 초점을 맞추었는데, 천문학자들은 이 데이터를 사용하여 우주 팽창을 측정해 왔다. 퀘이사, 우주 마이크로파 배경 복사, 중입자 진동(BAO)에 대한 DESI 결과를 초신성 측정 결과와 결합했을 때, 그 결과는 표준 우주론적 ΛCDM 모델의 예측과 거의 일치했다.

▲ 총 무게 10톤에 달하는 암흑 에너지 분광기(DESI)가 애리조나에 있다. © KPNO/NOIRLab/ NSF/AURA/ P. Marenfeld

그러나 초신성 값을 포함하지 않았을 때에도 상황은 크게 달라졌다. DESI 결과는 표준 우주론적 ΛCDM 모델의 예측과 최대 4.2 시그마까지 크게 차이가 났다. 이것만으로도 초신성 값에 문제가 있을 가능성이 있음을 시사했다.

팽창 속도가 느려지고 있다

이제 이러한 의심은 확실해졌다. 손 교수와 그의 팀이 연령 인자를 사용하여 초신성 데이터를 보정했을 때, 지속적이고 꾸준히 가속되는 팽창의 그림에 맞지 않았다. 공동 저자인 이영욱은 "우리의 분석은 오히려 우주의 팽창 속도가 이미 느려지고 있음을 보여준다"고 보고했다. "이는 DESI 프로젝트가 초신성을 제외한 측정 결과를 바탕으로 내린 결론과 일치한다.“

수정된 측정값은 9시그마 이상의 유의도를 갖는 표준 우주론 모델의 예측과 모순된다. 이 모델에 따르면, 우주 팽창은 여전히 ​​일정한 속도로 가속되어야 한다. 이는 또한 이러한 팽창의 원동력인 암흑 에너지가 일정할 수 없음을 의미한다. 오히려 그 효과는 점차 약화되고 있는 것으로 보인다. 연구팀은 "암흑 에너지는 일정하지 않을 수 있다"고 결론지었다.

▲ 연대 보정 없이 측정한 결과, 초신성 관측 결과는 지속적으로 가속 팽창하는 표준 우주론 모델(위)을 확증하는 것으로 보인다. 그러나 보정 후(아래)에는 이러한 현상이 달라진다. 이제 측정 결과는 팽창 속도가 느려지고 암흑 에너지의 효과가 변화하고 약화되고 있음을 시사한다. © Son et al./ MNRAS, CC-by 4.0

"우주론의 패러다임 전환“

천문학자들에 따르면, 이러한 발견은 우주와 그 역사에 대한 우리의 관점을 근본적으로 바꿀 수 있다. 리는 "우리의 결과가 확인된다면 우주론에 있어 중요한 패러다임 전환을 의미할 것이다"고 말하며, "이것은 기존 우주론 모델의 두 가지 초석에 도전하는 것이다"고 덧붙였다. 동시에, 초신성 측정값의 오류는 이전의 허블 상수 측정값이 때때로 그토록 크게 다른 이유를 설명했다.

도대체 이것이 무엇을 의미할까? 우리의 표준 우주론 모델을 다시 작성해야 할까? 아직 완전히 정리되지는 않았다. 손 교수와 그의 연구팀이 인정했듯이, 초신성 데이터의 수정은 현재 다소 부정확한 연대 추정치에 기반하고 있다.

하지만 이러한 상황은 곧 바뀔 수 있다. 손 교수는 "향후 5년 안에 새로운 루빈 천문대는 2만 개가 넘는 새로운 초신성 은하를 발견하고 측정하게 될 것이다"고 설명한다. "이러한 더욱 정확한 연대 측정은 초신성 우주론에 대한 더욱 견고하고 확실한 검토를 가능하게 할 것이다."

참고: 영국 왕립천문학회 월간지, 2025; doi: 10.1093/mnras/staf1685
출처: 영국 왕립천문학회, 영국 왕립천문학회 월간지

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]